RU2115185C1

RU2115185C1 - Electromagnet

Info

Publication number: RU2115185C1
Application number: RU96114125A
Authority: RU
Inventors: С.Д. Глазунов; В.И. Мельников; Р.Л. Иванов; В.И. Монякова
Original assignee: Акционерное общество "Специальное конструкторское бюро приборостроения и автоматики"
Priority date: 1996-07-11
Filing date: 1996-07-11
Publication date: 1998-07-10

Abstract

FIELD: hydraulic controlling gears. SUBSTANCE: invention refers to driving cylindrical electromagnets. Electromagnet has magnetic body 1, cylindrical sleeve 3, anchor 4 moving in sleeve 3, flange 2 located in body and sleeve. Ferromagnetic sleeve 3 is divided into two parts by trapezoidal nonmagnetic ring 6, working butt of anchor has circular trapezoidal collar 7 that interacts with groove 8 of similar profile in flange and with sleeve. Side surface of anchor has flat 11 on side of working clearance 11 and frame 1 is formed by flange 2, sleeve 3 and washer 10. EFFECT: increased reliability and diminished energy consumption. 4 dwg

Description

Изобретение относится к приводным прямоходовым цилиндрическим электромагнитам, преимущественно для гидравлических управляющих устройств типа гидрораспределителей и клапанов. The invention relates to linear actuating cylindrical electromagnets, mainly for hydraulic control devices such as valves and valves.

Известен электромагнит, содержащий магнитопровод с катушкой, фланец, сердечник, якорь и немагнитную гильзу. Сердечник с насаженной на него немагнитной гильзой вставляется в магнитопровод, внутри гильзы перемещается якорь. Сверху гильза закрывается фланцем. При подаче напряжения на катушку якорь притягивается к сердечнику и с помощью толкателя воздействует на управляющий элемент [1]. A known electromagnet containing a magnetic circuit with a coil, a flange, a core, an anchor and a non-magnetic sleeve. A core with a non-magnetic sleeve mounted on it is inserted into the magnetic circuit, an anchor moves inside the sleeve. On top of the sleeve is closed by a flange. When voltage is applied to the coil, the anchor is attracted to the core and with the help of a pusher acts on the control element [1].

К недостаткам данного электромагнита следует отнести малое начальное усилие и недостаточное усилие в середине и в конце хода, что может привести к несрабатыванию гидрораспределителя и ограничивает максимальную величину хода золотников гидрораспределителей. The disadvantages of this electromagnet include a small initial force and insufficient force in the middle and at the end of the stroke, which can lead to failure of the valve and limits the maximum stroke of the valve spools.

Известен также электромагнит аналогичного класса [2], содержащий катушку, намотанную на полиамидный каркас, надетую на немагнитную цилиндрическую гильзу, в которой перемещается якорь. Катушка с гильзой размещены в ферромагнитном корпусе, в гильзу вставляется также ферромагнитный фланец (стоп), который одновременно своей широкой частью вставляется в корпус. Also known is an electromagnet of a similar class [2], containing a coil wound on a polyamide frame, worn on a non-magnetic cylindrical sleeve in which the armature moves. A coil with a sleeve is placed in a ferromagnetic housing, a ferromagnetic flange (stop) is also inserted into the sleeve, which is simultaneously inserted into the housing with its wide part.

При протекании тока магнитное поле катушки замыкается через корпус, якорь, воздушный рабочий зазор и фланец, при этом величина усилия определяется осевой составляющей магнитного поля, исходящего из якоря к фланцу. When current flows, the magnetic field of the coil closes through the housing, the armature, the air gap and the flange, and the magnitude of the force is determined by the axial component of the magnetic field coming from the armature to the flange.

Недостатком электромагнита является значительная потребляемая мощность (около 33 Вт), что снижает его экономичность, усложняет условия применения и при большом тепловом сопротивлении "катушка-корпус" приводит к значительному перегреву катушки. The disadvantage of the electromagnet is the significant power consumption (about 33 W), which reduces its efficiency, complicates the conditions of use and with a large thermal resistance "coil-case" leads to significant overheating of the coil.

Кроме того, для повышения надежности и уменьшения времени срабатывания гидрораспределителей, желательно иметь более высокое значение усилия при ходе 2,5 мм. In addition, to increase the reliability and reduce the response time of the control valves, it is desirable to have a higher force value during a stroke of 2.5 mm.

Технической задачей, которая решается заявляемым изобретением, является увеличение усилия электромагнита в начале и в середине хода при одновременном снижении потребляемой мощности и величины перегрева обмотки, т.е. повышение удельного тягового усилия. The technical problem that is solved by the claimed invention is to increase the efforts of the electromagnet at the beginning and in the middle of the stroke while reducing the power consumption and the magnitude of the overheating of the winding, i.e. increase in specific traction effort.

Технический результат решения данной задачи выразится в повышении надежности, например, гидрораспределителей, при одновременном снижении энергопотребления. The technical result of solving this problem will be expressed in improving the reliability of, for example, control valves, while reducing energy consumption.

Указанная техническая задача решается за счет того, что в заявляемом электромагните постоянного тока, содержащем ферромагнитные корпус, цилиндрическую гильзу, якорь, перемещающийся в гильзе, фланец, размещенный в корпусе и гильзе, ферромагнитная цилиндрическая гильза разделена на две части трапецеидальным немагнитным кольцом, на рабочем торце якоря выполнен кольцевой трапецеидальный буртик, предназначенный для взаимодействия с канавкой соответствующего профиля на фланце и с гильзой, на боковой поверхности якоря, со стороны рабочего зазора, имеется фаска или выточка, а каркас под катушку образован фланцем, гильзой и шайбой. The specified technical problem is solved due to the fact that in the inventive direct current electromagnet containing a ferromagnetic body, a cylindrical sleeve, an armature moving in the sleeve, a flange placed in the body and the sleeve, the ferromagnetic cylindrical sleeve is divided into two parts by a trapezoidal non-magnetic ring, at the working end An annular trapezoidal collar is made for the anchor, designed to interact with the groove of the corresponding profile on the flange and with the sleeve, on the side surface of the anchor, from the working side Azores, has a chamfer or recess, and the coil frame is formed under the flange, the sleeve and the washer.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый электромагнит отличается от прототипа конструкцией гильзы, якоря, фланца и исполнением катушки. Таким образом, заявляемый электромагнит соответствует критерию изобретения "новизна". Comparative analysis with the prototype shows that the inventive electromagnet differs from the prototype in the design of the sleeve, anchor, flange and coil design. Thus, the claimed electromagnet meets the criteria of the invention of "novelty."

Сущность заявляемого технического решения состоит:
- во взаимодействии якоря не только с фланцем, но и с гильзой, причем взаимодействие с гильзой происходит как с торцевой цилиндрической частью якоря, так и с трапецеидальным буртиком якоря;
- в уменьшении внутреннего магнитного сопротивления катушки за счет расположения части витков катушки в непосредственной близости от ферромагнитных частей магнитопровода;
- в уменьшении потерь магнитодвижущей силы при нагреве катушки от протекающего тока за счет более высокой теплоотдачи;
- в получении большей величины магнитодвижущей силы в рабочем зазоре на значительном ходе якоря.The essence of the proposed technical solution consists of:
- in the interaction of the anchor not only with the flange, but also with the sleeve, and the interaction with the sleeve occurs both with the end cylindrical part of the anchor and with the trapezoidal shoulder of the anchor;
- to reduce the internal magnetic resistance of the coil due to the location of part of the turns of the coil in the immediate vicinity of the ferromagnetic parts of the magnetic circuit;
- to reduce the loss of magnetizing force when heating the coil from the flowing current due to higher heat transfer;
- in obtaining a greater magnitude of the magnetomotive force in the working gap at a significant course of the armature.

Для цилиндрических электромагнитов усилие якоря определяется величиной продольного магнитного потока, исходящего из якоря. Фиг. 2 поясняет образование нескольких составляющих продольного магнитного потока, исходящих из якоря. For cylindrical electromagnets, the force of the armature is determined by the magnitude of the longitudinal magnetic flux emanating from the armature. FIG. 2 illustrates the formation of several components of the longitudinal magnetic flux emanating from the armature.

Как видно из фиг. 2, геометрия якоря, фланца и гильзы, определяющая продольную составляющую магнитного потока, исходящую из якоря, позволяет получить значительную величину начального усилия. As can be seen from FIG. 2, the geometry of the armature, flange and sleeve, which determines the longitudinal component of the magnetic flux emanating from the armature, allows to obtain a significant value of the initial force.

В соответствии с законом Ома для магнитных цепей магнитный поток в магнитной системе определяется по формуле:

,
где
φ - магнитный поток;
I_w -магнитодвижущая (намагничивающая) сила обмотки;
R_м - полное магнитное сопротивление цепи.In accordance with Ohm's law for magnetic circuits, the magnetic flux in a magnetic system is determined by the formula:

,
Where
φ is the magnetic flux;
I _{w -} magnetomotive (magnetizing) winding force;
R _m - the total magnetic resistance of the circuit.

Приближенно R_м= R_δ+R_ст+R_вн, , где R_δ - магнитное сопротивление рабочего зазора; R_ст - магнитное сопротивление стали (для большей части тяговой характеристики, за исключением нескольких десятых миллиметра в конце хода, можно считать R_ст = 0); R_вн - внутреннее магнитное сопротивление катушка - магнитопровод.Approximately R _m = R _δ + R _article + R _vn , where R _δ is the magnetic resistance of the working gap; R _article is the magnetic resistance of steel (for most of the traction characteristic, with the exception of a few tenths of a millimeter at the end of the stroke, R _article = 0); R _vn - internal magnetic resistance of the coil - magnetic circuit.

Из формулы для магнитного потока следует:

.From the formula for magnetic flux it follows:

.

Отсюда следует, что уменьшение составляющей (Iw)_внутр при Iw=const приводит к увеличению (Iw)_δ .It follows that a decrease in the component (Iw) _int for Iw = const leads to an increase in (Iw) _δ .

В результате обеспечивается существенное изменение тяговой характеристики электромагнита, а именно: значительное повышение тяговых усилий в начале и в середине хода якоря. The result is a significant change in the traction characteristics of the electromagnet, namely: a significant increase in traction at the beginning and in the middle of the armature.

На фиг. 1 изображен продольный разрез заявляемого электромагнита; на фиг. 2 показано качественное распределение магнитного поля рабочего зазора в исходном состоянии якоря; на фиг. 3 - упрощенная эквивалентная электрическая схема магнитной цепи; на фиг. 4 - два случая расположения витков относительно магнитопровода, поясняющие физику образования внутреннего магнитного сопротивления катушки. In FIG. 1 shows a longitudinal section of the inventive electromagnet; in FIG. 2 shows a qualitative distribution of the magnetic field of the working gap in the initial state of the armature; in FIG. 3 is a simplified equivalent circuit diagram of a magnetic circuit; in FIG. 4 - two cases of the arrangement of the turns relative to the magnetic circuit, explaining the physics of the formation of the internal magnetic resistance of the coil.

Электромагнит (фиг. 1) состоит из ферромагнитного корпуса 1, ферромагнитного фланца 2, цилиндрической гильзы 3, ферромагнитного якоря 4, перемещающегося в гильзе и опирающегося в выключенном состоянии на немагнитный упор 5. Ферромагнитные части гильзы 3 разделены трапецеидальным немагнитным кольцом 6 (латунная или иная вплавка). На якоре выполнен кольцевой трапецеидальный буртик 7, а на фланце 2 - канавка 8 соответствующего профиля. Катушка 9 намотана на каркас, образованный гильзой 3, фланцем 2 и шайбой 10, и изолируется от металлических частей каркаса тонким слоем изоляционного лака с небольшим тепловым сопротивлением. Кроме того, на боковой поверхности якоря выполнена фаска 11. The electromagnet (Fig. 1) consists of a ferromagnetic casing 1, a ferromagnetic flange 2, a cylindrical sleeve 3, a ferromagnetic armature 4 moving in the sleeve and resting in the off state on the non-magnetic stop 5. The ferromagnetic parts of the sleeve 3 are separated by a trapezoidal non-magnetic ring 6 (brass or other float). An annular trapezoidal flange 7 is made at the anchor, and a flute 8 of the corresponding profile is made on the flange 2. The coil 9 is wound on a frame formed by a sleeve 3, a flange 2 and a washer 10, and is isolated from the metal parts of the frame by a thin layer of insulating varnish with a small thermal resistance. In addition, a chamfer 11 is made on the side surface of the anchor.

При подаче на катушку 9 постоянного напряжения катушка создает магнитодвижущуюся силу Iw, величина которой, в основном, определяется сечением выбранного провода. При этом в электромагните создается магнитное поле, охватывающее катушку, замыкание которого осуществляется по контуру: корпус 1 - левая часть гильзы 3 - якорь 4 - фланец 2 и правая часть гильзы 3 - корпус 1. When a constant voltage is applied to the coil 9, the coil creates a magnetically moving force Iw, the magnitude of which is mainly determined by the cross section of the selected wire. In this case, a magnetic field is created in the electromagnet, covering the coil, the closure of which is carried out along the contour: body 1 - left part of the sleeve 3 - anchor 4 - flange 2 and the right part of the sleeve 3 - body 1.

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

,
где
(Iw)_δ - величина М.Д.С. рабочего зазора,

- производная изменения магнитной проводимости по координате хода, т. е. усилие пропорционально квадрату М.Д.С. рабочего зазора при прочих равных условиях.As you know, (L1) the magnitude of the efforts of the electromagnet is determined by the formula:

,
Where
(Iw) _δ is the value of M.D.S. working clearance

is the derivative of the change in magnetic conductivity with respect to the coordinate of the stroke, i.e., the force is proportional to the square of M.D.S. working clearance ceteris paribus.

Фиг. 4 поясняет физику образования магнитного сопротивления виток - магнитопровод, при этом очевидно, что различные витки катушки имеют существенно различные магнитные сопротивления. Аналитически (Л1) для различного расположения витков величину магнитного сопротивления проводник - магнитопровод в случае, если магнитопровод является плоскостью, а проводник ей параллелен, можно оценить по формуле:

,
где
G - магнитная проводимость

;
h - расстояние от центра витка до плоскости;
d_экв - эквивалентный диаметр проводника:
L -длина проводника;
K_м - поправочный коэффициент, определяемый по графику (Л1), зависящий от соотношения L/d_экв.FIG. 4 illustrates the physics of the formation of magnetic resistance coil - magnetic circuit, it is obvious that different turns of the coil have significantly different magnetic resistances. Analytically (L1) for a different arrangement of turns, the magnitude of the magnetic resistance of the conductor - magnetic core in case the magnetic core is a plane and the conductor is parallel to it, can be estimated by the formula:

,
Where
G - magnetic conductivity

;
h is the distance from the center of the coil to the plane;
d _equiv - equivalent diameter of the conductor:
L is the length of the conductor;
K _m - correction factor determined by the schedule (L1), depending on the ratio L / d _EQ .

Данной формулой можно воспользоваться для приближенной оценки внутреннего магнитного сопротивления R_ВН.This formula can be used for an approximate estimate of the internal magnetic resistance R _BH .

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. Calculations show that for the first layer of conductors in the coil, the magnetic conductivity of the conductor - magnetic circuit is approximately 2 times higher than the average value; second layer - 1.5 times, etc.

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%. Ориентировочно на столько же может быть уменьшено падение величины Iw_внутр при средних и больших ходах якоря, где значительным становится величина магнитного потока электромагнита и, соответственно, падение МДС на внутреннем магнитном сопротивлении. В соответствии с формулой силы, усилие от уменьшения падения (Iw)_внутр может быть увеличено, примерно, в 1,3 раза.A significant decrease in magnetic resistance occurs for the first, second and third layers, and in general for a coil of 12 to 15 layers, winding on a ferromagnetic cage leads to a decrease in magnetic resistance by about 15%. Approximately the same decrease in the value of Iw _int can be reduced for medium and large movements of the armature, where the magnitude of the magnetic flux of the electromagnet becomes significant and, accordingly, the drop in the magnetic field resistance at the internal magnetic resistance. In accordance with the force formula, the force from decreasing the fall (Iw) _internally can be increased by about 1.3 times.

Одновременно с выигрышем в величине (Iw)_δ вариант намотки провода на ферромагнитный каркас с небольшим слоем изоляции приводит к существенному уменьшению теплового сопротивления катушка - магнитопровод и перегрева катушки, а следовательно, к уменьшению потерь (Iw)_δ от прогрева катушки.Simultaneously with a gain in (Iw) _{δ, the} option of winding the wire onto a ferromagnetic frame with a small insulation layer leads to a significant decrease in the thermal resistance of the coil - magnetic circuit and coil overheating, and, consequently, to a decrease in the loss (Iw) _δ from heating the coil.

На начальном участке хода якоря составляющие электромагнитной силы формируются взаимодействием якоря с гильзой и якоря с фланцем, а на конечном участке - якоря с фланцем. Причем сохранение усилия на конечном участке обеспечивается сочетанием увеличения dG/dδ и сохранения значительной величины (Iw)_δ за счет более низкого магнитного сопротивления R_ВН. Кроме того, сохранение величины (Iw)_δ достигается конструктивными решениями введения фаски на якоре и выполнением немагнитного кольцевого зазора на гильзе с острым углом < 45^o, что приводит к уменьшению радиального потока от якоря к гильзе в рабочем зазоре и, соответственно, общего потока, а следовательно, к уменьшению падения МДС на внутреннем магнитном сопротивлении электромагнита.In the initial section of the armature travel, the components of the electromagnetic force are formed by the interaction of the armature with the sleeve and the armature with the flange, and in the final section, the anchors with the flange. Moreover, the preservation of force in the final section is provided by a combination of an increase in dG / dδ and the preservation of a significant value (Iw) _δ due to the lower magnetic resistance R _BH . In addition, the conservation of (Iw) _{δ is} achieved by constructive solutions for introducing a chamfer at the anchor and performing a nonmagnetic annular gap on the sleeve with an acute angle <45 ^o , which leads to a decrease in the radial flux from the armature to the sleeve in the working gap and, accordingly, the total flow, and therefore, to reduce the fall of the MDS on the internal magnetic resistance of the electromagnet.

Изготовленные в соответствии с заявляемым изобретением электромагниты показали высокие удельные тяговые характеристики. Made in accordance with the claimed invention, the electromagnets showed high specific traction characteristics.

Claims

A DC electromagnet containing a ferromagnetic body, a cylindrical sleeve, a ferromagnetic armature moving in the sleeve, a ferromagnetic flange located in the body and the sleeve, characterized in that the ferromagnetic cylindrical sleeve is divided into two parts by a trapezoidal non-magnetic ring, an annular trapezoidal bead is made on the working end of the armature designed to interact with the groove of the corresponding profile on the flange and with the sleeve, on the side surface of the armature from the side of the working gap the ask or recess, and the coil frame is formed by a sleeve flange and the washer.