Результат интеллектуальной деятельности: КЛАПАННЫЙ ПРИВОДНОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Изобретение относится к электромагнитным приводам постоянного напряжения устройств автоматики, управления, коммутационных аппаратов, например реле и контакторов.

Известен клапанный приводной электромагнит постоянного напряжения, работающий в длительном режиме [1] (фиг. 1), содержащий ферромагнитные цилиндрический сердечник 1 диаметром d_c, Г-образную скобу 2 шириной b_ск=3d_c и толщиной a _ск=0,25d_c, поворотный якорь 4 шириной b_як, равной b_ск, и толщиной a _як, равной (0,8÷1)a _cк, и сочлененный с механизмом 5, приводимым в движение, а также катушку 6 с намотанной изолированным медным проводом включающей обмоткой 7 толщиной A_o=0,625d_c и высотой H_o=(1÷6,4)d_c. Катушка 6 насажена на сердечник 1, который закреплен на Г-образной скобе 2 одним из известных способов. Причем стенка 8 каркаса катушки выполнена толщиной Δ_к=0,1d_c; якорь 4 до срабатывания клапанного приводного электромагнита находится на расстоянии рабочего воздушного зазора δ от рабочей торцевой поверхности 1.1 сердечника 1.

Клапанные приводные электромагниты эффективны [2] при относительно малых рабочих воздушных зазорах δ. Применительно к приводным электромагнитам реле, контакторам, он находится в диапазоне 2 мм ≤ δ ≤ 12 мм.

Известно также, что при указанном диапазоне δ магнитодвижущую силу срабатывания можно уменьшить за счет применения полюсного наконечника диаметром d_п, а значит и потребляемую мощность. Следовательно, рассматриваемый электромагнит потребляет в длительном и повторно кратковременном режимах повышенную мощность.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому клапанному приводному электромагниту постоянного напряжения, работающему в повторно-кратковременном режиме, является клапанный приводной электромагнит постоянного напряжения (фиг. 2), содержащий [2] ферромагнитный цилиндрический сердечник 1 диаметром d_c, Г-образную скобу шириной b_ск=3d_c и толщиной a _ск=0,25d_c [2, с. 353], круглый полюсный наконечник 3 диаметром [2, с. 353] и толщиной a _п=0,2d_c, поворотный якорь 4 шириной b_як=b_ск и толщиной a _як=(0,8÷1)a _ск [2 с. 353], сочлененный с механизмом 5, приводимым в движение, а также катушку 6 с намотанной изолированным медным проводом включающей обмоткой 7. Катушка 6 насажена на сердечник 1, который закреплен на Г-образной скобе 2. При этом полюсный наконечник выполняют диаметром в соответствии с выражением

где P_мх - противодействующее срабатыванию электромагнита усилие, развиваемое механизмом 5;

µ_о=4π10^-7 Г/м - магнитная постоянная вакуума;

B_δ - усредненная величина магнитной индукции в рабочем воздушном зазоре, выбираемая по графической зависимости [2] от значения конструктивного фактора .

Причем толщина и высота намотки включающей обмотки 7 соответственно выполнены величиной A_o=0,306d_c и H_o=(4÷7)d_c; [2, с. 351] оси симметрии сердечника 1 и полюсного наконечника 3 совпадают; якорь 4 при срабатывании клапанного приводного электромагнита находится на расстоянии рабочего воздушного зазора δ от рабочей торцевой поверхности 3.1 полюсного наконечника 3 вдоль его оси симметрии.

Недостатками электромагнита по фиг. 2 является то, что при изготовлении его рабочих элементов в соответствии с вышеприведенными выражениями условно полезная работа устройства равна 0,6 кгс·м и лишь при длительном режиме его работы [2, с. 353]. При необходимости получения другого значения условно-полезной работы устройства значения размеров рабочих элементов не определены. Это не позволяет выбрать данные размеров при иных условиях функционирования электромагнита.

Это приводит к тому, что магнитодвижущая сила срабатывания не всегда оптимальна, а значит [2] не всегда оптимальна и потребляемая мощность. Та же неопределенность возникает при выборе высоты обмотки H_o из широкого диапазона (4÷7)d_c.

Таким образом, недостатки такого клапанного приводного электромагнита связаны:

1) с отсутствием гарантий, что выбранные соразмерности обеспечивают минимальное потребление мощности обмоткой 7 электромагнита в повторно-кратковременном режиме его работы, из-за широкого диапазона изменения соотношения H_o/d_c, которая не увязана с такими исходными данными проектирования, как кратность K_max максимального напряжения источника питания относительно напряжения срабатывания электромагнита и коэффициента n_p перегрузки по мощности;

2) остается открытым вопрос выбора других соотношений конструктивных параметров, определяющих соразмерности магнитной системы электромагнита таких как δ/d_c, c/d_c.

Техническим результатом изобретения является обеспечение минимально достаточной потребляемой мощности клапанным приводным электромагнитом постоянного напряжения, работающим в повторно-кратковременном режиме при соответствующих заданных проектных условиях его функционирования, а именно кратности максимального напряжения источника питания относительно напряжения срабатывания электромагнита K_max в пределах 1,35≤K_max≤1,75, коэффициенте перегрузки по мощности n_p в пределах 1≤n_p≤4, преодолеваемом электромагнитом усилии P_мх в пределах от 5 Н до 25 Н; при рабочем воздушном зазоре δ в пределах 2 мм ≤ δ ≤ 12 мм.

Указанные выше диапазоны исходных данных проектирования характерны для клапанных приводных электромагнитов реле, контакторов, а также других средств автоматики и управления.

Этот технический результат достигается тем, что в клапанном приводном электромагните постоянного напряжения, содержащем ферромагнитные цилиндрический сердечник, Г-образную скобу, на которой установлен сердечник, круглый полюсный наконечник, поворотный якорь, связанный с механизмом, приводимым в движение, а также каркасную катушку с намотанной изолированным медным проводом включающей обмоткой, насаженную на сердечник, причем ось симметрии полюсного наконечника и ось сердечника совпадают и удалены от внутренней, параллельной оси стенки Г-образной скобы на расстояние с, а якорь выполнен с возможностью перемещения при срабатывании электромагнита на расстояние, равное величине рабочего воздушного зазора от рабочей торцевой поверхности полюсного наконечника вдоль его оси симметрии, диаметр сердечника выполнен в соответствии с выражением:

,

где δ - величина рабочего воздушного зазора электромагнита, причем δ выбран в пределах 2 мм ≤ δ ≤ 12 мм в соответствии с проектным заданием; z₁=0,319δ-2,236; а z₂=0,1595P_мх-2,392; где P_мх - заданное проектное усилие противодействия механизма, приводимого в движение, выбранное в пределах 5 Н ≤ P_мх ≤ 25 Н в соответствии с проектом;

обмотка электромагнита выполнена высотой, соответствующей выражению:

H_о=d_с(1,127+0,016z_з-0,014z₄)⁶,

где z₃=8K_max-12,4, где K_max - заданная проектная кратность максимального напряжения источника питания относительно напряжения срабатывания электромагнита, которое в соответствии с проектом задают в пределах 1,35≤K_max≤1,75, а z₄=1,064n_p-2,66, где n_p - заданный в пределах 1≤n_p≤4 в соответствии с проектом коэффициент перегрузки по мощности,

и толщиной в соответствии с выражением:

A_o=0,656d_c,

при этом полюсный наконечник выполнен диаметром в соответствии с выражением:

d_п=1,84d_c,

а ось симметрии полюсного наконечника и ось сердечника совпадают и расположены на расстоянии с от параллельной осям внутренней стенки Г-образной скобы, в соответствии с выражением:

c=1,85d_c.

Заявляемый клапанный приводной электромагнит изготавливается с учетом предварительно заданных проектных параметров, а именно кратности максимального напряжения источника питания относительно напряжения срабатывания электромагнита K_max в пределах 1,35≤K_max≤1,75, коэффициенте перегрузки по мощности n_p в пределах 1≤n_p≤4, преодолеваемом электромагнитом усилии P_мх в пределах от 5 Н до 25 Н; при рабочем воздушном зазоре δ в пределах 2 мм ≤ δ ≤ 12 мм.

С учетом заданных проектных параметров клапанный приводной электромагнит постоянного напряжения содержит (фиг. 2) ферромагнитные

цилиндрический сердечник 1, выполненный диаметром d_c в соответствии с выражением:

,

где δ - проектная величина немагнитного рабочего зазора электромагнита, z₁=0,319δ-2,236; а z₂=0,1595P_мх-2,392; где P_мх - заданное проектное усилие противодействия механизма, приводимого в движение, выбранное, как указано выше, в пределах 5 Н ≤ P_мх ≤ 25 Н,

Г-образную скобу 2 шириной b_ск и толщиной a _ск с установленным на ней сердечником;

круглый полюсный наконечник 3, выполненный диаметром d_п в соответствии с выражением:

d_п=1,84d_c,

поворотный якорь 4, связанный с механизмом 5, приводимым в движение, который оказывает противодействие срабатыванию усилием P_мх, а также каркасную катушку 6 с обмоткой 7, намотанной изолированным медным проводом. Катушка 6 насажена на сердечник 1.

Толщина A_o и высота H_o намотки обмотки 7 соответствуют выражениям:

A_о=0,656d_c

H_о=d_с(1,127+0,016z₃-0,014z₄)⁶,

где z₃=8K_max-12,4, где K_max - заданная проектная кратность максимального напряжения источника питания относительно напряжения срабатывания электромагнита, а z₄=1,064n_p-2,66, где n_p - коэффициент перегрузки по мощности.

Якорь 4 при срабатывании клапанного приводного электромагнита находится на заданном проектом расстоянии, равном величине рабочего воздушного зазора 8 от рабочей торцевой поверхности 3.1 круглого полюсного наконечника 3 до обращенной к нему поверхности якоря вдоль оси симметрии полюсного наконечника. Причем оси симметрии полюсного наконечника и сердечника совпадают и удалены от внутренней стенки Г-образной скобы, параллельной осям, на расстояние c=1,85d_c.

Необходимость выполнения клапанного электромагнита с элементами, изготовленными в соответствии с представленными выражениями, подтверждается экспериментальными данными, отражающими его электромагнитные характеристики. В таблице 1 приведены результаты получаемой потребляемой мощности обмоткой электромагнита для различных вариантов проектных данных.

Из таблицы 1 очевидно, что использование заявляемого технического решения обеспечивает минимизацию потребляемой обмоткой клапанного приводного электромагнита постоянного напряжения мощности в повторно-кратковременном режиме его работы.

Источники информации

1. Любчик М.А. Силовые электромагниты аппаратов и устройств автоматики постоянного тока (Расчет и элементы проектирования) / М.А. Любчик. - М.: Энергия, 1968. - 158 с.

2. Гордон А.В. Электромагниты постоянного тока / А.В. Гордон, А.Г. Сливинская. - М. - Л.: Госэнергоиздат, 1960. - 447 с.