ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КЛАПАН (ВАРИАНТЫ)
ELECTROMAGNETIC VALVE (VARIANTS)

Изобретение относится к арматуростроению, в частности к электромагнитным клапанам с импульсным управлением, используемым в системах безопасности теплоэнергетических установок для управления потоком природного газа.
Известны электромагнитные клапаны с импульсным управлением, например:
А.С. СССР №420844, МКИ F16K 31/02, опубл. 25.03.74. Бюл. №11;
А.С. СССР №568778, МКИ F16K 31/02, опубл. 15.08.77. Бюл. №30;
А.С. СССР №1687989, МКИ F16K 31/02, опубл. 30.10.91. Бюл. №40.
Устройства содержат стоп, якорь, жестко связанный с запорным органом, электромагнит, магнитотвердый элемент, укрепленный в стопе, возвратную пружину. При подаче на катушку электромагнита импульса напряжения постоянного тока в магнитной цепи электромагнита возникает магнитный поток, который перемещает якорь с запорным органом к стопу и сжимает возвратную пружину. После окончания импульса напряжения в магнитной цепи электромагнита имеет место магнитный поток, создаваемый магнитотвердым элементом, который удерживает якорь у стопа, преодолевая усилие сжатой пружины. Для установки клапана в закрытое состояние на электромагнит подают импульс напряжения обратной полярности. При этом магнитный поток, создаваемый электромагнитом, имеет направление, противоположное направлению магнитного потока от магнитотвердого элемента. В результате суммарное магнитное поле, действующее на якорь с запорным органом, уменьшается и он под действием возвратной пружины перемещается к седлу клапана и перекрывает проход рабочей среды.
Недостатками клапанов являются:
1. Сложность схемы управления клапаном.
2. Большая мощность управляющих импульсов.
Сложность схемы управления клапаном связана с тем, что для установки клапана в открытое и закрытое состояние используются управляющие импульсы разной полярности
Большая мощность управляющих импульсов в рассматриваемых конструкциях связана с тем, что они используются для установки клапана в открытое состояние. Кроме того, увеличение мощности управляющего импульса связано с наличием в составе клапана возвратной пружины. С ростом требований по герметичности к запорному органу необходимо использовать возвратную пружину с большим усилием сжатия и соответственно подводить к электромагниту большую мощность управляющих импульсов.
Известен запорный клапан газовый с электромагнитным приводом и импульсным управлением. Полезная модель РФ №15044, МПК G08B 17/10, 23/00, опубл. 10.09.2000. Бюл. №25.
Устройство содержит элементы ручной установки клапана в открытое состояние; якорь с запорным органом; электромагнит, управляющий механической защелкой; магнитотвердую вставку, установленную между якорем и запорным органом и выполняющую функцию магнитной пружины. Использование устройства ручной установки клапана в открытое состояние позволяет существенно упростить конструкцию клапана и снизить мощность управляющего импульса. Снижению мощности управляющего импульса достигается также благодаря тому, что вместо механической возвратной пружины в клапане используется магнитная пружина.
К недостаткам клапана следует отнести применение механической защелки, с помощью которой клапан удерживается в открытом состоянии. Использование механической защелки усложняет конструкцию клапана, требует для управления защелкой использовать электромагнитный привод большой мощности.
http://www.ptfm.ru/prod/gaz/kemg/phtml
Известен клапан электромагнитный газовый с ручным взводом типа КЭМГ . Клапан содержит ручной привод для установки клапана в открытое состояние, управляющий электромагнит, шайбу из магнитного материала, с помощью которой клапан удерживается в закрытом состоянии. Применение шайбы из магнитного материала позволяет упростить конструкцию клапана, снизить мощность управляющего импульса.
К недостаткам клапана следует отнести:
1. Невозможность использования клапана при давлениях более 5 кПа.
2. Низкую герметичность запорного органа.
Оба недостатка связаны с тем, что закрытое состояние клапана удерживается с помощью шайбы из магнитного материала, а в открытое состояние клапан переводится с помощью пружины. Для работы на больших давлениях для того, чтобы преодолеть усилие рабочей среды, необходимо использовать пружину с большим усилием сжатия. В свою очередь, большое усилие сжатия пружины ведет к уменьшению усилия, с которым запорный орган прижимается к седлу клапана. Это ухудшает герметичность запорного органа.
Наиболее близким к заявляемому является электромагнитный клапан, патент РФ, №2343328, МПК F16K 31/06, опубл. 10.01.2009. Бюл. №1.
Устройство содержит механизм ручного управления для установки клапана в открытое состояние, электромагнит, в состав которого входят внешний и центральный магнитопроводы, верхний фланец, на котором симметрично оси катушки электромагнита установлена шайба из магнитного материала.
К достоинствам клапана следует отнести простоту конструкции, высокую герметичность запорного органа, малое потребление электрической мощности, необходимой для перевода клапана в закрытое состояние.
К недостаткам - сложность достижения повторяемости характеристик клапана.
Задачей изобретения является достижение повторяемости характеристик клапанов и снижение мощности управляющего импульса.
Технический результат в заявляемом изобретении достигается тем, что в электромагнитный клапан, содержащий механизм ручного управления для установки клапана в открытое состояние; электромагнит, в состав которого входят внешний и центральный магнитопроводы, верхний фланец и катушка электромагнита; шайба из магнитного материала, установленная в магнитопроводе симметрично оси катушки,
согласно изобретению введен шток из ферромагнитного материала; в верхнем фланце, по оси симметрии катушки выполнено отверстие, равное диаметру штока; шайба из магнитного материала установлена на штоке со стороны, обращенной к центральному магнитопроводу; шток с шайбой из магнитного материала выполнены с возможностью перемещения по оси отверстия в верхнем фланце относительно центрального магнитопровода.
В варианте исполнения электромагнитного клапана на магнитную шайбу со стороны центрального магнитопровода установлена шайба из ферромагнитного материала.
Технический результат в части обеспечения повторяемости характеристик клапана и снижения мощности управляющего импульса достигается:
- выполнением в верхнем фланце симметрично оси катушки (симметрично оси центрального магнитопровода) отверстия, равного диаметру штока;
- установкой в это отверстие штока из ферромагнитного материала с возможностью перемещения этого штока по оси отверстия;
- установкой на ферромагнитном штоке со стороны, обращенной к центральному магнитопроводу, шайбы из магнитного материала.
В варианте исполнения электромагнитного клапана достижение технического результата в части снижения мощности управляющего импульса обеспечивается установкой на шайбу из магнитного материала со стороны центрального магнитопровода шайбы из ферромагнитного материала.
При изготовлении клапана с импульсным управлением основными параметрами, подлежащими обязательному контролю и определяющими надежную работу в процессе эксплуатации, являются усилие удержания клапана в открытом (рабочем) состоянии и остаточное усилие удержания в момент, когда на электромагнит клапана подан управляющий импульс. Для обеспечения надежной работы клапана с импульсным управлением необходимо, чтобы усилие удержания клапана в рабочем состоянии (усилие удержания запорного органа на рабочей поверхности электромагнита) было по возможности большим, а остаточное усилие удержания стремилось к нулю. Оба этих параметра связаны между собой следующим образом.
Чем больше величина магнитного потока, созданного шайбой из магнитного материала, тем больше величина усилия удержания клапана в рабочем состоянии, и тем больше должна быть мощность управляющего импульса, при которой остаточное усилие удержания будет стремиться к нулю.
На практике величина магнитного потока, созданного постоянным магнитом, для различных клапанов одной конструкции может сильно изменяться и зависит от ряда факторов, таких как:
- разброс напряженности магнитного поля, созданного шайбой из магнитного материала,
- разброс геометрических размеров деталей магнитопровода,
- изменение магнитных свойств материала магнитопровода.
По указанным причинам в прототипе трудно получить повторяемость его основных характеристик. Здесь для того чтобы избежать потери управляемости клапаном, необходимо использовать управляющий импульс с заведомо большей мощностью, чем это необходимо.
В заявляемом изобретении для снижения разброса характеристик клапанов с импульсным управлением введен регулируемый зазор между шайбой из магнитного материала и центральным магнитопроводом. Введение регулируемого зазора позволяет независимо от дестабилизирующих факторов всегда подобрать такую величину магнитного потока, при которой обеспечивается заданное и одинаковое усилие удержания запорного органа в рабочем состоянии. В свою очередь, возможность установки заданной и одной и той же величины усилия удержания позволяет минимизировать разброс мощности управляющего импульса, при которой остаточное усилие удержания будет стремиться к нулю.
Создание регулируемого зазора согласно изобретению обеспечивается за счет:
1. Введения в состав клапана ферромагнитного штока, выполненного с возможностью перемещения по оси катушки электромагнита относительно центрального магнитопровода и установки на торце штока, обращенного в сторону центрального магнитопровода, шайбы из магнитного материала. Это создает необходимые условия для изменения расстояния между шайбой из магнитного материала и центральным магнитопроводом и соответственно изменения величины усилия удержания.
2. Выполнение отверстия в верхней шайбе с центром на оси симметрии катушки электромагнита диаметром, равным диаметру ферромагнитного штока, в котором перемещается ферромагнитный шток, позволяет сохранить цепь протекания магнитных потоков постоянного магнита и электромагнита и симметрию магнитной системы.
В прототипе магнитные потоки постоянного магнита и электромагнита начинаются от верхнего фланца, на котором располагается верхняя обкладка магнитной шайбы. Далее они перемещаются через внешний магнитопровод, немагнитный зазор на рабочей поверхности электромагнита и по центральному магнитопроводу приходят к нижней обкладке магнитной шайбы.
В заявляемом изобретении в эту цепь протекания магнитных потоков входит шток из ферромагнитного материала, на торце которого располагается верхняя обкладка магнитной шайбы. Со штока из ферромагнитного материала магнитные потоки переходят на верхний фланец и далее по указанной выше цепочке. Равенство диаметра ферромагнитного штока и диаметра отверстия в верхнем фланце позволяет перемещать ферромагнитный шток в этом отверстии с минимальным зазором и соответственно с минимальным сопротивлением магнитным потокам.
Установка ферромагнитной шайбы на шайбу из магнитного материала со стороны, обращенной к центральному магнитопроводу, согласно варианту изобретения, позволяет замыкать часть силовых линий магнитного поля катушки электромагнита, минуя верхний фланец и шайбу из магнитного материала. А поскольку шайба из магнитного материала представляет собой большое сопротивление для магнитного потока, то в итоге удается снизить потери магнитного поля, созданного электромагнитом. Как следствие, это позволяет снизить мощность управляющего импульса.
Таким образом:
- выполнение в верхнем фланце симметрично оси катушки отверстия, равного диаметру штока;
- установка в это отверстие штока из ферромагнитного материала с возможностью перемещения этого штока по оси отверстия;
- установка на ферромагнитном штоке со стороны, обращенной к центральному магнитопроводу, шайбы из магнитного материала
позволяет обеспечить повторяемость характеристик клапанов, снизить мощность управляющего импульса.
Установка ферромагнитной шайбы на магнитную шайбу со стороны, обращенной к центральному магнитопроводу, в варианте исполнения электромагнитного клапана позволяет дополнительно снизить мощность управляющего импульса.
Конструкция заявляемого клапана приведена на чертеже.
Электромагнитный клапан содержит механизм ручного управления 1 для установки клапана в открытое состояние, электромагнит, в состав которого входят внешний 2 и центральный 3 магнитопроводы, верхний фланец 4 и катушка 5, шайба 6, выполненная из магнитного материала, шток 7, выполненный из ферромагнитного материала, отверстие 8 в верхнем фланце 4, шайба 9, выполненная из ферромагнитного материала, рабочая поверхность 10 электромагнита, запорный орган 11, седло 12, оправка 13 из немагнитного материала.
Устройство работает следующим образом.
В исходном состоянии клапан закрыт. При этом запорный орган 11 прижат к седлу 12 клапана. Напряжение питания на катушке 5 электромагнита отсутствует.
Под действием шайбы из магнитного материала, установленной на штоке из ферромагнитного материала, в магнитопроводе протекает магнитный поток Ф1. Благодаря потоку Ф1 на рабочей поверхности 10 электромагнита всегда существует магнитное поле, способное удерживать запорный орган 11 в верхнем положении, если последний ввести в соприкосновение с рабочей поверхностью 10.
Величина магнитного потока Ф1 регулируется с помощью штока 7.
Для достижения этой возможности:
- верхняя часть штока 7 выполнена с резьбой;
- на верхнем фланце 4 по оси симметрии катушки 5 выполнено отверстие 8, а также установлена оправка 13 из немагнитного материала;
- в оправке 13 по оси симметрии катушки 5 выполнено отверстие с такой же резьбой, как и у штока 7.
Вращение штока 7 в резьбовой части оправки 13 в итоге позволяет перемещать магнитную шайбу 6, установленную на штоке 7, относительно центрального 3 магнитопровода.
Расстояние между шайбой 6 из магнитного материала и центральным 3 магнитопроводом устанавливается таким, чтобы обеспечивалось заданное усилие удержания запорного органа 11 на рабочей поверхности 10 электромагнита. Величину усилия удержания можно контролировать, например, с помощью контрольного груза, который крепится к запорному органу 11.
При перемещении запорного органа 11 в верхнее положение с помощью механизма ручного управления 1 клапан открывается. При достижении запорным органом 11 рабочей поверхности 10 между ними возникает сила притяжения, под действием которой запорный орган 11 удерживается в верхнем положении (у рабочей поверхности 10) сколь угодно долго.
При кратковременной подаче напряжения питания постоянного тока (управляющего импульса) на катушку 5 электромагнита в магнитопроводе протекает магнитный поток Ф2. Направление потока Ф2 противоположно потоку Ф1, созданному постоянным магнитом.
Амплитуда напряжения (управляющего импульса) подбирается такой, чтобы остаточное усилие удержания запорного органа 11 на рабочей поверхности 10 стремилось к нулю.
При равенстве магнитных потоков Ф1 и Ф2 суммарная составляющая магнитного потока в области рабочей поверхности 10 будет равна нулю. Соответственно усилие удержания запорного органа 11 в верхнем положении также станет равным нулю. Под действием собственного веса, а также небольшой силы притяжения, которое воздействует на запорный орган со стороны устройства 1 установки клапана в открытое состояние, запорный орган 11 перемещается к седлу 12. В результате клапан закрывается.
Конструкция заявляемого клапана была испытана на клапанах с проходным сечением 15, 20, 25 мм. В качестве рабочей среды использовался воздух с давлением до 0,1 МПа.
Заявляемый клапан изготавливался с применением следующих материалов и комплектующих:
1. Все элементы магнитопровода, в том числе центральный 3 и внешний 2 магнитопроводы, ферромагнитный шток 7, шайба 9 из ферромагнитного материала изготавливались из стали 20880 («Армко») с отжигом после механической обработки.
2. Запорный орган 11 был выполнен из стали 20880.
3. Магнитная шайба 6 выполнена из самарий-кобальта в виде диска диаметром 7 мм и высотой 1,5 мм. Ферромагнитная шайба 9 - в виде диска диаметром 8 мм и высотой 1 мм.
4. Катушка 5 электромагнита выполнена проводом ПЭВ1, диаметр провода без изоляции - 0,1 мм. Сопротивление катушки - 120 Ом.
5. Оправка 13 выполнена из пластмассы и фиксировалась на верхнем фланце 4 с помощью пластмассовых заклепок.
5. Для управления клапаном (в режиме его выключения) использовался импульс напряжения амплитудой 5 В. Импульсная мощность, достаточная для перевода клапана в закрытое состояние, ≤0,21 Вт.
Заявляемый клапан позволяет:
1. Снизить требования по точности изготовления деталей магнитопровода в 2 раза.
2. В 4-5 раз снизить разброс остаточного усилия удержания благодаря возможности установки заданной величины усилия удержания клапана
3. Снизить на ~50% запас мощности, необходимой для надежного перевода клапана в закрытое состояние.
4. В варианте исполнения изобретения достигается возможность дополнительного снижения мощности управляющего импульса на 5-10%% за счет установки шайбы из ферромагнитного материала на шайбу из магнитного материала со стороны, обращенной к центральному магнитопроводу.