Результат интеллектуальной деятельности: КЛАПАННЫЙ ПРИВОДНОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Изобретение относится к электромагнитным приводам постоянного напряжения устройств автоматики, управления, коммутационных аппаратов, например реле и контакторов, предназначенных для установки в комплектные устройства, и поэтому должны иметь минимальную величину установочной площади [1].

Известен клапанный приводной электромагнит постоянного напряжения, работающий в длительном режиме [2] (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 а_як, равной (0,8÷1)a_сk, сочлененный с механизмом 5, приводимым в движение. Кроме того, электромагнит содержит катушку 6 с намотанной изолированным медным проводом включающей обмоткой 7 толщиной А₀=0,625d_c и высотой Н₀=(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 [3] при относительно малых рабочих воздушных зазорах δ. Применительно к приводным электромагнитам реле, контакторов, 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, что позволяет при определенных параметрах наконечника уменьшить установочные размеры, потребляемую мощность. Следовательно, рассматриваемый электромагнит, работающий в длительном и повторно кратковременном режимах, может быть выполнен с меньшей установочной площадью.

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 [3] ферромагнитные цилиндрический сердечник 1 диаметром d_c, Г-образную скобу шириной b_ск=3d_c и толщиной а_ск=0,25d_c, [2, с. 353] круглый полюсный наконечник 3 диаметром d_п=2d_c [2, с. 353] и толщиной а_n=0,2d_c, поворотный якорь 4 шириной b_як=b_ск и толщиной а_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 Р_мх - противодействующее срабатыванию электромагнита усилие, развиваемое механизмом 5;

μ₀=4π10^-7 Г/м - магнитная постоянная вакуума;

В_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 A₀=0,306d_c и Н₀=(4÷7)d_с; [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 S от рабочей торцевой поверхности 3.1 полюсного наконечника 3 вдоль его оси симметрии.

Недостатками электромагнита по фиг. 2 является то, что указанные выше размеры и величины, рекомендуемые для изготовления его рабочих элементов, применимы при заданной условно полезной работе устройства (равна 0,6 кгсм) 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, [3] не всегда минимальна и установочная площадь электромагнита, которая равна

S_у=b_ск(c+a_ск+0,5d_c+2Δ_к+A₀).

Та же неопределенность возникает при выборе высоты обмотки Н_o из широкого диапазона (4÷7)d_c.

Таким образом, недостатки такого клапанного приводного электромагнита связаны:

1) с отсутствием гарантий, что выбранные соразмерности обеспечивают минимальную установочную площадь 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 величина рабочего воздушного зазора δ, механическое усилие Р_мх, кратность К_max максимального напряжения источника питания относительно напряжения срабатывания электромагнита, коэффициента n_р перегрузки по мощности, коэффициента К_з заполнения обмоточного окна;

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

Техническим результатом изобретения является обеспечение минимально достаточной установочной площади клапанного приводного электромагнита постоянного напряжения, работающего в повторно-кратковременном режиме при соответствующих заданных проектных условиях его функционирования, а именно кратности максимального напряжения источника питания относительно напряжения срабатывания электромагнита К_mах в пределах 1,35≤К_mах≤1,75, коэффициенте перегрузки по мощности n_р в пределах 1≤n_р≤4, преодолеваемом электромагнитом усилии Р_мх в пределах от 5 Н до 25 Н; при рабочем воздушном зазоре δ в пределах 2 мм ≤ δ ≤ 12 мм, коэффициента заполнения обмоточного окна К_з в пределах 0,3≤К_з≤0,7.

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 диаметром d_c, Г-образную скобу шириной b_ск, на которой установлен сердечник, круглый полюсный наконечник диаметром d_п, и толщиной a_n=0,2d_c поворотный якорь шириной b_як=b_ск=3,14d_с, связанный с механизмом, приводимым в движение, а также каркасную катушку с намотанным изолированным медным проводом, включающую обмотку, 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, при величине рабочего воздушного зазора электромагнита в пределах 2 мм ≤ δ ≤ 12 мм, согласно изобретению диаметр сердечника выполнен в соответствии с выражением

где z₁=0,3195-2,236; a z₂=0,1595Р_мх-2,392; где Р_мх - заданное проектное усилие противодействия механизма, приводимого в движение, выбранное в пределах 5 Н ≤ P_мх ≤ 25 Н в соответствии с проектом; z₃=8К_mах-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≤К_mах≤1,75, a z₄=1,064n_р-2,66, где n_р - заданный в пределах 1≤n_р≤4 в соответствии с проектом коэффициент перегрузки по мощности; z₅=8К_з-4, где К_з - заданный в пределах 0,3≤К_з≤0,7 в соответствии с проектом коэффициент заполнения обмоточного окна,

обмотка электромагнита выполнена высотой, соответствующей выражению

и толщиной в соответствии с выражением

при этом полюсный наконечник выполнен диаметром в соответствии с выражением

d_п=d_c(1,747+0,025z₁-0,030z₂-0,024z₄),

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

с=d_c(1,715+0,027z₁-0,022z₂).

Здесь z_i представляет собой безразмерные кодированные значения исходных данных проектирования: z₁ - рабочего воздушного зазора; z₂ - противодействующего усилия Р_мх, создаваемого приводимым в движение электромагнитом механизма; z₃ - отношение максимального напряжения, приложенного к обмотке к напряжению срабатывания электромагнита; z₄ - коэффициент перегрузки по мощности; z₅ - коэффициент заполнения обмоточного окна. Численные значения коэффициентов в кодированных значениях факторов определяются по указанным граничным значениям исходных данных проекта.

Заявляемый клапанный приводной электромагнит изготавливают с учетом предварительно заданных проектных параметров, а именно кратности максимального напряжения источника питания относительно напряжения срабатывания электромагнита К_mах в пределах 1,35≤К_mах≤1,75, коэффициенте перегрузки по мощности n_р в пределах 1≤n_р≤4, преодолеваемом электромагнитом усилии Р_мх в пределах от 5 Н до 25 Н; при рабочем воздушном зазоре δ в пределах 2 мм ≤ δ ≤ 12 мм, коэффициенте заполнения обмоточного окна К_з в пределах 0,3≤К_з≤0,7.

С учетом заданных проектных параметров клапанный приводной электромагнит постоянного напряжения содержит (фиг. 2) ферромагнитный цилиндрический сердечник 1, выполненный диаметром d_c в соответствии с выражением:

где δ - проектная величина немагнитного рабочего зазора электромагнита, z₁=0,3198-2,236; a z₂=0,1595Р_мх-2,392; где Р_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 а_ск, с установленным на ней сердечником;

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

d_п=d_с(1,747+0,025z₁-0,030z₂-0,024z₄),

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

Толщина А₀ и высота Н₀ намотки обмотки 7 соответствуют выражениям

где z₁=0,3198-2,236; а z₂=0,1595Р_мх-2,392; где Р_мх - заданное проектное усилие противодействия механизма, приводимого в движение выбранное, как указано выше, в пределах 5 Н ≤ Р_мх ≤ 25 Н; z₃=8К_mах-12,4, где К_mах - заданная проектная кратность максимального напряжения источника питания относительно напряжения срабатывания электромагнита, a z₄=1,064n_р-2,66, где n_р - коэффициент перегрузки по мощности, z₅=8R_з-4, где К_з - заданный в пределах 0,3≤К_з≤0,7 в соответствии с проектом коэффициент заполнения обмоточного окна.

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=d_c(1,715+0,027z₁-0,022z₂).

Необходимость выполнения клапанного электромагнита с элементами, изготовленными в соответствии с представленными выражениями, подтверждается данными, полученными на основе экспериментальных исследований электромагнитных характеристик.

Использование заявляемого технического решения обеспечивает минимизацию установочной площади клапанного приводного электромагнита постоянного напряжения в повторно-кратковременном режиме его работы, что подтверждается данными табл. 1.

Источники информации

1. Кадыков В.К., Руссова Н.В., Свинцов Г.П. К расчету оптимальных приводных электромагнитов контакторов для низковольтных комплектных устройств / Кадыков В.К., Руссова Н.В., Свинцов Г.П. // Электротехника, 2010: Сборник докладов VII симпозиума. - Московская обл., 2003. - Т. 2. - С. 237-240.

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

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