позиционный электромагнит

Формула изобретения

1. Позиционный электромагнит, содержащий двухполюсный поворотный якорь из магнитомягкого материала, обмотку управления, охватывающую якорь, статор, включающий два механически соединенных и магнитоизолированных двухполюсных магнитопровода и постоянный магнит возбуждения из закритического материала между ними, при этом каждый полюс якоря установлен с возможностью взаимодействия с двумя полюсами обоих магнитопроводов при постоянном радиальном воздушном зазоре между ними, отличающийся тем, что длина постоянного магнита определяется соотношением

l_м > 3 S_м/G,

где l_м - длина постоянного магнита;

S_м - площадь поперечного сечения постоянного магнита;

G - суммарная геометрическая проводимость воздушных зазоров.

2. Позиционный электромагнит по п.1, отличающийся тем, что вал якоря выполнен из немагнитного материала.

3. Позиционный электромагнит по п.1, отличающийся тем, что в качестве закритического материала применен сплав неодим-железо-бор.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области автоматики, гидравлики и может применяться в качестве преобразователя электрического управляющего сигнала в механический момент, зависящий от угла поворота выходного вала.

Известны электромагниты, содержащие двухполюсный поворотный якорь из магнитомягкого материала, обмотку управления, источник магнитодвижущей силы, в качестве которого используется обмотка возбуждения или постоянные магниты [1] , статор, включающий два механически соединенных и магнитоизолированных двухполюсных магнитопровода.

Недостатками электромагнитов с обмотками возбуждения в качестве источника магнитодвижущей силы является зависимость от источника электрической энергии и ее качества, а также постоянная необходимость потребления электроэнергии при отсутствии управляющего сигнала.

Близкими к предлагаемому являются электромагниты, содержащие двухполюсный поворотный якорь из магнитомягкого материала, статор, включающий два механически соединенных и магнитоизолированных двухполюсных магнитопровода, при этом каждый полюс якоря установлен с возможностью взаимодействия с двумя полюсами обоих магнитопроводов при постоянном радиальном воздушном зазоре между ними, постоянный магнит возбуждения и обмотку управления, при этом магнитные цепи возбуждения и управления взаимно перпендикулярны относительно якоря.

Недостатком электромагнита с постоянным магнитом возбуждения является большой момент инерции якоря, т.к. постоянный магнит установлен на якоре, или сложность и низкая надежность конструкции вследствие наличия торсиона для создания восстанавливающего момента, устанавливающего якорь в нейтральное положение при отсутствии тока управления.

Наиболее близким к предлагаемому является электромагнит, содержащий двухполюсный поворотный якорь из магнитомягкого материала, обмотку управления охватывающую якорь, статор, включающий два механически соединенных и магнитоизолированных двухполюсных магнитопровода и постоянный магнит возбуждения из закритического материала, например из сплава неодим-железо-бор, между ними, при этом каждый полюс якоря установлен с возможностью взаимодействия с двумя полюсами обоих магнитопроводов при постоянном радиальном воздушном зазоре между ними [2].

Недостатком является практически отсутствие у электромагнита восстанавливающего механического момента, что ограничивает область применения.

Предлагаемое изобретение направлено на расширение области применения за счет создания у электромагнита восстанавливающего механического момента путем насыщения магнитной цепи возбуждения электромагнита.

Это достигается тем, что в электромагните, содержащем двухполюсный поворотный якорь из магнитомягкого материала, обмотку управления, охватывающую якорь, статор, включающий два механически соединенных и магнитоизолированных двухполюсных магнитопровода и постоянный магнит возбуждения из закритического материала, например из сплава неодим-железо-бор, между ними, при этом каждый полюс якоря установлен с возможностью взаимодействия с двумя полюсами обоих магнитопроводов при постоянном радиальном воздушном зазоре между ними, длина постоянного магнита l_м определяется соотношением



где S_м - площадь поперечного сечения постоянного магнита;

G - суммарная геометрическая проводимость воздушных зазоров,

а также тем, что вал якоря выполнен из немагнитного материала.

Для случая, когда имеются только рабочие радиальные воздушные зазоры, геометрическая проводимость G определяется выражением



где R - радиус якоря;

₀ - максимальный угол поворота якоря от нейтрального положения;

l - длина якоря;

- радиальный воздушный зазор между полюсами якоря и магнитопровода статора.

Такое выполнение предлагаемого изобретения позволяет создать в электромагните дополнительную по сравнению с прототипом зависимость между развиваемым механическим моментом и угловым положением якоря, создать так называемый восстанавливающий механический момент, магнитную пружину и, следовательно, расширить область применения электромагнита.

При этом выполнение длины постоянного магнита l_м в соответствии с соотношением



обеспечивает получение технического результата - создание в электромагните дополнительной, по сравнению с прототипом, зависимости между развиваемым механическим моментом и угловым положением якоря (так называемого восстанавливающего механического момента магнитной пружины) во всех случаях, выполнение же вала якоря из немагнитного материала может быть использовано в частных случаях, когда требуется более высокая чувствительность электромагнита.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена примерная конструкция электромагнита, на фиг. 2 - конструктивная схема магнитной цепи электромагнита.

Конструктивно позиционный электромагнит содержит двухполюсный поворотный якорь 1 из электротехнической стали с валом 2 из немагнитного сплава 36НХТЮ на шарикоподшипниках 3 и 4. Якорь охвачен неподвижной обмоткой управления 5, состоящей из двух катушек, закрепленных в статоре, включающем два механически соединенных и магнитоизолированных латунью 6 двухполюсных магнитопровода 7 и 8. Между магнитопроводами 7 и 8 с помощью сердечника 9 из электротехнической стадии установлены два одинаковых постоянных магнита возбуждения 10, 11 длиной 0,5 l_м каждый из закритического материала - сплава неодим-железо-бор. Полюса якоря 1 и полюса магнитопроводов 7 и 8 выполнены в виде концентрических цилиндрических поверхностей и образуют между собой постоянный радиальный воздушный зазор, при этом каждый полюс якоря в рабочей зоне углов поворота взаимодействует с двумя полюсами обоих магнитопроводов.

Суммарная длина обоих постоянных магнитов 10, 11 выполнена с обеспечением соотношения



Постоянные магниты возбуждения 10, 11 создают магнитный поток возбуждения Фв, который проходит через воздушные зазоры последовательно между полюсами магнитопроводов 7, 8 и якоря 1 поперек якоря в одном направлении, определяемом расположением полюсов постоянных магнитов возбуждения 10, 11 (N и S).

Магнитодвижущая сила постоянных магнитов возбуждения 10, 11 прямо пропорциональна суммарной длине магнитов l_м и выбранная в соответствии с вышеприведенным соотношением создает в воздушных зазорах между полюсами якоря 1 и магнитопроводов 7, 8 магнитную энергию, величина которой зависит от углового положения якоря относительно нейтрального положения. Эта магнитная энергия создает на якоре 1 механический момент, зависящий от углового положения якоря относительно нейтрального положения (восстанавливающий момент, магнитную пружину) в соответствии с выражением

M_ЭМ1= K₁,

где M_ЭМ1 - механический момент электромагнита;

K₁ - постоянный коэффициент пропорциональности, зависящий от конструктивных размеров отдельных элементов электромагнита и параметров постоянных магнитов;

- угол отклонения якоря от нейтрального положения.

Этот восстанавливающий момент существует в электромагните постоянно, независимо от наличия питания в электрической сети, и как пружина держит якорь 1 в устойчивом нейтральном положении: при отклонении якоря на положительный угол (+) возникает отрицательный восстанавливающий момент в сторону, противоположную углу отклонения, при отклонении на отрицательный угол (-) - возникает положительный восстанавливающий момент, опять же противоположный углу отклонения. При = 0 момента на валу не существует.

При подаче на обмотку управления 5 постоянного тока полярности, определяемой управляющим сигналом, в электромагните создается управляющий мaгнитный поток Фу, который проходит через воздушные зазоры последовательно между полюсами якоря 1 и магнитопроводов 7 и 8 вдоль якоря 1 в направлении, определяемом направлением потока в обмотке управления 5, например в направлении, указанном на чертеже.

Магнитный поток управления Фу в воздушных зазорах между полюсами якоря и магнитопроводов статора суммируется с магнитным потоком возбуждения Фв: в одних зазорах происходит увеличение магнитного потока, в других уменьшение. На якорь действует механический момент, величина которого пропорциональна току в обмотке управления 5, а направление зависит от направления этого тока (для направления магнитных потоков, показанных на чертеже, направление - по часовой стрелке) в соответствии с выражением

M_ЭМ2 = K₂I,

где M_ЭМ2 - механический момент электромагнита;

K₂ - коэффициент пропорциональности, зависящий от конструктивных параметров, в том числе и параметров постоянных магнитов;

I - ток в обмотке управления.

Якорь 1 начинает поворачиваться, но начинает возрастать и восстанавливающий момент, препятствующий повороту. При достижении равенства восстанавливающего момента моменту от тока управления, якорь останавливается - возникает новое устойчивое положение якоря 1, новая его позиция.

Таким образом на якоре электромагнита создается суммарный механический момент

M_ЭМ = M_ЭМ1 + M_ЭМ2

или

M = -K₁ + K₂I

зависящий от углового положения якоря.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

1. Райзен В.З. "Электромагнитные малогабаритные реле", Энергоатомиздат, 1986.

2. "Моментный электромагнит", свидетельство на ПМ N 646, ПМПО N 7, 1995.