КЛАПАННЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Заявляемое решение относится к электромагнитным приводам, питающимся от источника постоянного напряжения и применяемым в устройствах автоматики, управления, аппаратов коммутации и защиты, например в реле, контакторах, пускателях.

Известны клапанные электромагниты постоянного тока [1, 2], содержащие цилиндрический сердечник, полюсный наконечник, поворотный якорь, связанный с механизмом, приводимым в движение, катушку с намотанной медным проводом обмоткой. Сердечник с насаженной на нем обмоткой закреплен на Г-образной скобе.

Известно, что клапанные электромагниты выполняют в соответствии с исходными данными на проектирование при условии оптимальности по определенному критерию [3]. Исходными параметрами являются величина противодействующего усилия механизма, который приводится в движение электромагнитом, величина рабочего зазора, т.е. величина перемещения якоря, а оптимизация конструкции проводится по таким критериям, как минимальная масса активных материалов - материала провода и ферромагнитных деталей, потребляемая мощность, объем и т.п. В результате определяются размеры и параметры электромагнита, базовыми из которых являются диаметры сердечника и полюсного наконечника, высота и толщина обмотки, тяговое (электромагнитное) усилие, мощность, потребляемая обмоткой.

Известно также [2], что параметры электромагнитов зависят от режима работы: длительного или повторно-кратковременного.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является клапанный электромагнит постоянного напряжения с параметрами, оптимизированными по массе активных материалов [3, 4].

Общий вид известного электромагнита изображен на фигуре, где приняты следующие обозначения: 1 - сердечник с диаметром d_c; 2 - круглый полюсный наконечник с диаметром d_n; 3 - поворотный якорь с толщиной а_як; 4 - механизм, приводимый в движение якорем (ведомый механизм), который оказывает противодействие усилием Р_мх; 5 - каркас катушки с щечками толщиной Δ_к; 6 - обмотка катушки с высотой Н_о и толщиной А_о; 7 - Г-образная скоба с толщиной а_ск; δ - рабочий воздушный зазор, равный расстоянию между поверхностями якоря 3 и полюсного наконечника 2 вдоль общей оси симметрии О′О′′ сердечника 1 и полюсного наконечника 2; с - расстояние от оси симметрии О′О′′ до скобы 7, определяющее место крепления сердечника на основании Г-образной скобы 7.

Электромагнит содержит цилиндрический сердечник 1, круглый полюсный наконечник 2, поворотный якорь 3, связанный с ведомым механизмом 4, каркас катушки 5, обмотку 6, Г-образную скобу 7. На одном из отгибов скобы 7, являющемся его основанием, жестко закреплен сердечник 1 одним известных способов [3, 4], а на конце другого отгиба установлен с возможностью поворота якорь 3.

Полюсный наконечник 2 выполнен с диаметром d_n, который устанавливается из известного выражения для площади полюсной поверхности [4, с. 122] при условии равенства электромагнитного усилия при срабатывании величине противодействующей силы Рмх и составляет

где В_δ - усредненная величина магнитной индукции в рабочем воздушном зазоре, выбираемая по известной графической зависимости В_δ от значения конструктивного показателя (фактора)

Диаметр сердечника d_c определяется из соотношения магнитных потоков в рабочем зазоре и в сердечнике, равного коэффициенту рассеяния о [4, с. 123], и составляет

где σ = 1,2÷1,6;

В_с - индукция в сердечнике; выбирают в пределах от 1,4 Тл до 1,7 Тл; для электромагнитов с условно-полезной работой 0,06 Н·м оптимальное значение В_с составляет 1,5 Тл [2].

При необходимости более точного выполнения проекта значение d_c находится путем последовательных приближений по предложенным в [2] соотношениям.

Обмотка 6 выполнена толщиной А_o, которая определяется из известного соотношения, устанавливающего связь между геометрическими размерами и электрическими параметрами обмотки [4, с. 123], и после некоторых преобразований из этого соотношения следует

,

где β - отношение высоты обмотки Н_o к ее толщине А_o;

Г_обм - геометрический параметр обмотки;

F_обм - намагничивающая сила обмотки;

ρ_гор - удельное сопротивление провода в горячем состоянии;

k_з - коэффициент заполнения обмотки;

k_зап - коэффициент запаса по намагничивающей силе относительно намагничивающей силы срабатывания;

k_т - коэффициент теплоотдачи;

h_р - коэффициент перегрузки по мощности;

τ_доп - допустимая температура перегрева обмотки.

Высота обмотки Н_o выбирается при известном значении А_o из соотношения β=4÷8 [4].

Остальные геометрические размеры установлены исходя из конструктивных и технологических требований выполнения детали или узла.

Недостатком известного электромагнита, изготовленного с основными элементами в соответствии с вышеприведенными выражениями, является то, что он должен иметь оптимальные параметры только при условно-полезной работе, равной 0,06 Н·м, и лишь при длительном режиме работы [2, с. 353]. При этом полученные расчетным путем значения параметров могут отличаться друг от друга существенно (для d_п и d_c до 1,5 раз, а для А_o и Н_o до 2 раз и более), а что выбрать конкретно - нет определенности.

В связи с тем, что в известном электромагните не учитываются потоки рассеяния между полюсным наконечником и Г-образной скобой, расчетные значения магнитного потока в рабочем зазоре δ завышены [5], следовательно, получаются заниженные значения размеров и массы активных материалов электромагнита.

Таким образом, недостатки известного клапанного приводного электромагнита связаны:

- с отсутствием обоснований, что выбранные соразмерности обеспечивают минимальную массу активных материалов электромагнита в повторно-кратковременном режиме его работы из-за широкого диапазона изменения соотношения H_o/d_c, δ/d_c, которые не увязаны с такими исходными данными проектирования, как кратность К_max максимального напряжения источника питания относительно напряжения срабатывания электромагнита, коэффициент перегрузки по мощности n_р, коэффициент заполнения обмоточного окна k₃;

- остается неопределенным вопрос выбора других соотношений конструктивных параметров, определяющих соразмерности электромагнита, таких как δ/d_c, c/d_c, d_a/d_c, А_o/d_c.

Задачей заявляемого технического решения является создание клапанного электромагнита постоянного тока, работающего в повторно-кратковременном режиме, с оптимальными геометрическими размерами, обеспечивающими оптимизацию конструкции по критерию минимальная масса активных материалов - материала провода и ферромагнитных деталей, увязанными с конкретными значениями проектных параметров, такими как кратность максимального напряжения источника питания относительно напряжения срабатывания электромагнита K_max, коэффициент перегрузки по мощности n_р, противодействующее усилие Р_мх, рабочий воздушный зазор δ, коэффициент заполнения обмоточного окна k₃, диапазоны изменения которых характерны для клапанных электромагнитов, используемых в качестве приводов реле, контакторов, магнитных пускателей, а также других средств автоматики, управления, защиты. При этом должна учитываться зависимость каждого геометрического параметра (размера) электромагнита от проектных эксплуатационных параметров (при определенных условиях эксплуатации и требованиях к рабочим характеристикам).

Техническим результатом заявляемого технического решения является обеспечение минимальной массы активных материалов клапанного электромагнита постоянного напряжения.

Технический результат достигается тем, что в клапанном электромагните постоянного напряжения, выполненном с возможностью работы в повторно-кратковременном и длительном режимах работы при коэффициенте перегрузки n_р, содержащем цилиндрический сердечник с диаметром d_c, круглый полюсный наконечник с диаметром d_n, поворотный якорь, связанный с ведомым механизмом, имеющим усилие противодействия Р_мх, и размещенный с возможностью перемещения на расстояние, равное величине рабочего воздушного зазора δ, катушку, состоящую из каркаса и обмотки с высотой Н_o и толщиной А_o, имеющей коэффициент заполнения k₃, насаженную на сердечник и питаемую от источника постоянного напряжения с коэффициентом запаса по напряжению K_max, Г-образную скобу, сердечник выполнен с диаметром, определяемым по формуле:

где (z_i) кодированные значения факторов:

z₁=0,319δ-2,236;

z₂=0,1595P_мx-2,392;

z₃=8K_max-12,4;

z₄=1,064n_p-2,66;

z₅=8k₃-4;

полюсный наконечник - с диаметром, определяемым по формуле:

высота обмотки - со значением Н_o, определяемым по формуле:

,

толщина обмотки - со значением Ао, определяемым по формуле:

Заявляемый клапанный электромагнит изготавливается с учетом предварительно заданных проектных параметров, а именно: 1,35≤K_max≤1,75; 1≤n_p≤4; 0,30≤k₁≤0,70; 5H≤P_мх≤25Н, 2 мм≤δ≤12 мм.

Электромагнит содержит цилиндрический сердечник 1, выполненный диаметром d_c в соответствии с выражением: круглый полюсный наконечник 2, выполненный диаметром d_п в соответствии с выражением: d_п=d_c·10^-3(1778+21z₁-23z₂-23z₄), поворотный якорь 3, ведомый механизм 4, каркас катушки 5, обмотку 6 с толщиной А_o и высотой Н_o, определяемыми соответственно выражениями: и

На одном из отгибов Г-образной скобы 7, являющемся его основанием, закреплен сердечник 1. Причем ось сердечника О′О′′ удалена от внутренней стенки второго отгиба Г-образной скобы на расстояние с, которое из условий оптимальности определяется как:

Однако при оптимальных значениях с между обмоткой 6 и отгибом скобы 7 остается пустое пространство. Поэтому величина с выбирается исходя из конструктивных соображений, обеспечивая при этом наиболее плотную компоновку электромагнита.

Предложенные выражения для определения d_c, d_п, А_o и Н_o основаны на экспериментальных обобщенных нагрузочных характеристиках электромагнитов [5, 6], а также на математических моделях тепловых параметров электромагнитов, полученных расчетным моделированием неравномерности распределения температурного поля в толще обмотки с раздельным учетом конвективного теплообмена и отдачи тепла лучеиспусканием [7].

Примеры оптимизированных электромагнитов, выполненных по предложенным соотношениям основных параметров, приведены в таблице. Расчеты основных размеров (d_c, d_n, А_o, Н_o), массы активных материалов m_а, стали m_ст и меди m_м приведены при характерных (предельных) значениях исходных данных.

Отличия расчетных значений параметров (П_расч) заявленного электромагнита от оптимальных значений (П_опт), полученных на основе экспериментальных обобщенных характеристик и представленных в виде математических моделей, составляют от -8% до 6%

Клапанный электромагнит постоянного напряжения, выполненный по предложенным геометрическим размерам, позволяет обеспечить:

- минимальную массу активных материалов (электротехнической стали и меди), при этом каждый из его основных геометрических размеров определен с учетом влияния на него всех проектных данных, что позволяет уточнять их с учетом конструктивных и технологических требований на проектирование;

- высокую достоверность расчетных параметров, отличающихся от оптимальных значений незначительно.

Источники информации

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

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

3. Никитенко А.Г. Проектирование оптимальных электромагнитных механизмов. М: Энергия, 1974. 135 с.

4. Сливинская А.Г. Электромагниты и постоянные магниты. М.: Энергия, 1972. 248 с.

5. Кадыков В.К., Руссова Н.В., Свинцов Г.П., Сизов А.В. Обобщенные экспериментальные зависимости потокораспределения, потокосцепления и магнитодвижущей силы в клапанных электромагнитных системах постоянного тока с круглыми полюсными наконечниками. Электротехника. 2007. - № 4. - С. 41-47.

6. Афанасьев В.В., Приказщиков А.В., Руссова Н.В., Свинцов Г.П. Обобщенные экспериментальные статические нагрузочные характеристики клапанных электромагнитов постоянного тока с круглыми полюсными наконечниками. Способ представления. Электротехника. 2011. - № 5. - С. 39-45.

7. Руссова Н.В. Математическое моделирование тепловых параметров электромагнитов постоянного тока и напряжения. Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике: материалы IV Всерос. научн.-техн. конф. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та. - 2002. - С. 145-149.