Пропорциональный электромагнит

 

Изобретение относится к прямоходовым цилиндрическим электромагнитам пропорционального действия, преимущественно для гидравлических управляющих устройств. Техническим результатом является увеличение рабочего хода при сохранении высоких значений усилия электромагнита. Для этого в электромагните, состоящем из ферромагнитного корпуса, ферромагнитного фланца, цилиндрической ферромагнитной гильзы с немагнитным зазором, ферромагнитного якоря, перемещающегося в гильзе, причем гильза одним концом вставлена в корпус, с другой стороны в гильзу вставлен фланец, который одновременно своей широкой частью вставлен в корпус, а детали выполнены следующим образом: рабочая торцевая поверхность якоря выполнена с трапецеидальной кольцевой канавкой с углом основания трапеции сечения канавки 60°< α < 80° и глубиной канавки (0,6-0,8) от величины рабочего хода якоря, на торцевой поверхности фланца выполнен буртик соответствующего профиля, а катушка намотана на каркас, состоящий из гильзы, фланца и шайбы. 4 ил.

Изобретение относится к прямоходовым цилиндрическим электромагнитам пропорционального действия, являющимся одними из основных элементов пропорциональных гидрораспределителей.

Известны пропорциональные электромагниты по АС 1207318, АС 1390646, АС 1818637. Широкое применение находят пропорциональные электромагниты за рубежом.

Одной из важнейших характеристик пропорциональных электромагнитов является величина рабочего хода. Например, для большинства пропорциональных электромагнитов европейского производства типовыми значениями общего и рабочего ходов являются следующие величины: для типоразмера 35х35 мм общий ход - 4 мм, рабочий ход - 2 мм; для типоразмера 45х45 мм общий ход - 6 мм, рабочий ход - 3 мм; для типоразмера 60х60 мм; общий ход - 6 мм, рабочий ход - 4 мм.

Увеличение рабочего хода позволяет расширить функциональные возможности пропорциональных гидрораспределителей, усложнять их гидравлические схемы с минимальным количеством применяемых элементов.

За прототип предлагаемого изобретения выбран пропорциональный электромагнит по АС 1207318. Сущность изобретения АС 1207318 состоит во введении трапециидальной канавки в якоре, за счет чего не происходит увеличения усилия при подходе якоря к фланцу (стопу) и обеспечивается выравнивание характеристики.

Недостатком прототипа следует считать то, что выравнивание характеристики за счет канавки на якоре происходит на небольшом участке, вследствие чего рабочий ход увеличивается незначительно.

Целью предлагаемого изобретения является существенное увеличение рабочего хода при сохранении высоких значений усилий электромагнита.

Указанная цель достигается тем, что в электромагните, состоящем из ферромагнитного корпуса, ферромагнитного фланца (стопа), цилиндрической ферромагнитной гильзы с немагнитным зазором, ферромагнитного якоря, перемещающегося в гильзе, причем гильза одним концом вставляется в корпус, с другой стороны в гильзу вставляется фланец, который одновременно своей широкой частью вставляется в корпус, а детали выполнены следующим образом: рабочая торцевая поверхность якоря выполнена с трапецеидальной кольцевой канавкой с углом основания трапеции сечения канавки 60^o < альфа < 80^o и глубиной канавки (0,6 - 0,8) от величины рабочего хода якоря, на торцевой поверхности фланца выполнен буртик соответствующего профиля, а катушка намотана на каркас, состоящий из гильзы, фланца и шайбы.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый электромагнит отличается от прототипа конструкцией якоря, фланца (стопа) и исполнением катушки. Таким образом, заявляемый электромагнит соответствует критерию изобретения "новизна".

В заявляемом электромагните применены решения, позволяющие существенно расширить рабочий ход без снижения величины усилий.

Сущность предлагаемых решений состоит в создании дополнительной составляющей осевого усилия на достаточно большом ходе якоря от введения трапецеидальной канавки на якоре и буртика на фланце и за счет этого обеспечения рационального сочетания уменьшения намагничивающей силы рабочего зазора с увеличением производной от магнитной проводимости по координате хода, а также в уменьшении внутреннего магнитного сопротивления звена "катушка-магнитопровод" за счет расположения части витков в непосредственной близости от магнитопровода и возможности получения от этого меньшего падения намагничивающей силы на внутреннем магнитном сопротивлении.

Техническим результатом предлагаемого решения является существенное увеличение рабочего хода якоря при сохранении высоких значений усилий как в сравнении с прототипом, так и по сравнению с известными аналогами.

На фиг. 1 изображен продольный разрез заявляемого электромагнита; на фиг. 2 приведена упрощенная эквивалентная электрическая схема замещения магнитной цепи; на фиг. 3 показано распределение магнитного поля цепи "виток-магнитопровод" для двух случаев расположения витков, поясняющее физический смысл уменьшения магнитного сопротивления цели "виток-магнитопровод" в случае намотки провода непосредственно на ферромагнитный каркас; на фиг. 4 приведены характеристики "усилие-ход" для нескольких значений токов электромагнита типоразмера 35х35 мм, изготовленного с учетом заявляемого решения.

Электромагнит (фиг. 1) состоит из ферромагнитного корпуса 1, ферромагнитного фланца (стопа) 2, цилиндрической ферромагнитной гильзы 3 с немагнитной вставкой 4, ферромагнитного якоря 5, перемещающегося в гильзе. С одной стороны ход якоря ограничивается немагнитным упором 6, а с другой - фланцем (стопом) 2.

На якоре выполнена трапецеидальная канавка 7, а на фланце - буртик 8 соответствующего профиля.

Катушка 9 намотана на каркас, образованный гильзой 3, фланцем 2 и ферромагнитной шайбой 10. Поверхность каркаса покрывается тонким слоем изоляционного лака с небольшим тепловым сопротивлением.

Как видно из упрощенной схемы замещения, представленной на фиг. 2, намагничивающая сила катушки в соответствии с законом Ома для магнитных цепей равна сумме падений намагничивающих сил на внутреннем магнитном сопротивлении "катушка-магнитопровод", на сопротивлении стали и на магнитном сопротивлении рабочего зазора, иначе iW_кат= (iW)_внутр+(iW)_ст+(iW)_δ (1) или iW_кат= φ(R_внутр+R_ст+Rδ), (2) где R_внутр - магнитное сопротивление катушка-магнитопровод; R_ст - магнитное сопротивление стали; R_δ - магнитное сопротивление рабочего зазора; (iW)_внутр - падение намагничивающей силы на внутреннем магнитном сопротивлении; (iW)_ст - падение намагничивающей силы в стали; (iW)_δ - падение намагничивающей силы в рабочем зазоре;
Ф - магнитный поток.

Как известно, (Л1) величина усилия электромагнита определяется по формуле

где
(iW)_δ - падение намагничивающей силы в рабочем зазоре,
- производная магнитной проводимости по координате хода рабочего зазора.

Таким образом, усилие пропорционально квадрату намагничивающей силы рабочего зазора и в первой степени производной от магнитной проводимости по координате хода.

Из формул (1) - (3) следует, что для увеличения усилия необходимо уменьшать магнитное сопротивление "катушка - магнитопровод" и сопротивление R_ст.

Кроме того, можно сделать вывод, что при малых значениях R_внутр и R_ст электромагнит будет длинноходовым.

Оценим величину внутреннего магнитного сопротивления "катушка-магнитопровод". Фиг. 3 поясняет физику образования магнитного сопротивления "виток-магнитопровод", при этом очевидно, что различные витки катушки имеют существенно различные магнитные сопротивления. Аналитически для различного расположения витков величину магнитного сопротивления "проводник-магнитопровод" в случае, если магнитопровод является плоскостью, а проводник ей параллелен, можно оценить по формуле (Л1)
(4)
где
G - магнитная проводимость, G = 1/Rм;
h - расстояние от центра витка до плоскости;
d_экв - эквивалентный диаметр проводника;
l - длина проводника;
K_м - поправочный коэффициент, определяемый по эмпирическим графикам, зависящий от соотношения h/d_экв, для реальных случаев K_м = 0,7-1.

Расчеты показывают, что для первого слоя проводников в катушке магнитная проводимость "проводник-магнитопровод" выше приблизительно в 2 раза по сравнению со средним значением, второго слоя - в 1,5 раза и т.д.

Существенное уменьшение магнитного сопротивления имеет место для первого, второго и третьего слоев, а в целом для катушки в 12-15 слоев намотка на ферромагнитный каркас приводит к уменьшению магнитного сопротивления примерно на 15%. Уменьшение внутреннего магнитного сопротивления обеспечивает увеличение величины рабочего хода электромагнита.

Одновременно с уменьшением внутреннего магнитного сопротивления вариант намотки катушки на ферромагнитный каркас с тонким слоем изоляции увеличивает объем обмоточного пространства и уменьшает величину теплового сопротивления "катушка-магнитопровод" и, соответственно, величину перегрева катушки, а следовательно, увеличивает стабильность электромагнита.

Сравнение между собой величин R_внутр и R_δ показывает, что в зоне рабочего хода значения R_внутр в 2-4 раза больше, чем R_δ.

По мере перемещения якоря в гильзе величина R_δ быстро уменьшается. При этом нарастание потока из-за большой величины R_внутр происходит медленнее, чем уменьшение R_δ и, следовательно, уменьшается величина (iW)_δ. Соответственно, происходит снижение усилия якоря при постоянном токе катушки. Для получения постоянства усилия в диапазоне рабочего хода в заявляемом электромагните обеспечивается увеличение второго сомножителя в формуле (3) dG/dδ за счет введения трапецеидальных канавки в якоре и буртика на фланце.

Физически сохранение усилия электромагнита объясняется созданием дополнительной осевой составляющей магнитного потока через трапецеидальную канавку и буртик, возрастающей по мере продвижения якоря к фланцу.

При этом приемлемый, достаточно ровный, участок рабочего хода обеспечивается при сочетании внутреннего магнитного сопротивления R_внутр, соответствующего намотке непосредственно на ферромагнитный каркас, и следующих параметров деталей: угол основания трапеции буртика составляет значение 60°<α<80°, а высота буртика выбирается в диапазоне (0,6 - 0,8) от величины рабочего хода якоря.

Величина угла α выбирается из следующих соображений: уменьшение угла α меньше 60^o приводит к перекомпенсации составляющей dG/dδ, в результате чего характеристика усилия будет возрастающей, при углах α более 80^o (от 80^o до 90^o) характеристика усилия остается падающей.

Глубина трапецеидальной канавки якоря и, соответственно, высота буртика на фланце выбираются меньше, чем величина рабочего хода (0,6 - 0,8 от величины рабочего хода).

Это связано с тем, что в начале рабочего хода, когда якорь проходит немагнитный участок гильзы, взаимное перекрытие якоря и ферромагнитной части гильзы, прилегающей к фланцу, не велико, в результате чего кольцо взаимного перекрытия находится в состоянии магнитного насыщения.

Насыщение кольца, прилегающего к гильзе, приводит к эффекту увеличения немагнитного зазора между якорем и гильзой. При дальнейшем перемещении якоря величина взаимного перекрытия увеличивается, насыщение кольца уменьшается и эквивалентное расстояние немагнитного зазора между якорем и гильзой уменьшается, вследствие чего несмотря на уменьшение величины (iW)_δ величина усилия, развиваемого якорем, близка к постоянной величине. Такой эффект действует на ходе (0,7 - 1,5)мм, в зависимости от величины (iW)_кат.

Для дальнейшего увеличения рабочего хода необходима коррекция характеристики усилия, что и достигается созданием дополнительной осевой составляющей усилия якоря.

На фиг. 4 приведены экспериментальные характеристики "усилие-ход" для нескольких значений токов электромагнита типоразмера 35х35 мм. Из характеристик видно, что величина рабочего хода составляет величину около 3,5 мм, в то время, как типовыми значениями рабочего хода электромагнитов данного типоразмера является величина 2 мм.

Предлагаемые технические решения реализованы в пропорциональном электромагните КЕТБ.67731.001, выпускаемом АО КЭМЗ.

Литература
Л1 - Основы теории электрических аппаратов. /Под ред. Буткевича В.Б., Москва, 1970.

Формула изобретения

Пропорциональный электромагнит преимущественно для гидравлических систем, состоящий из ферромагнитного корпуса, ферромагнитного фланца (стопа), цилиндрической ферромагнитной гильзы с немагнитной вставкой, ферромагнитного якоря, перемещающегося в гильзе, причем гильза одним концом вставляется в корпус, а с другой стороны в гильзу вставляется фланец, который одновременно своей широкой частью вставляется в корпус, отличающийся тем, что рабочая торцевая поверхность якоря выполнена с трапецеидальной кольцевой канавкой с углом основания трапеции сечения канавки 60^o<α<80 и глубиной канавки (0,6 - 0,8) от величины рабочего хода якоря, на торцевой поверхности фланца выполнен буртик соответствующего профиля, а катушка намотана на каркас, состоящий из гильзы, фланца и шайбы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4