Поляризованный электромагнит

Реферат

Техническое решение относится к электротехнике и может найти применение в качестве приводов электромагнитных коммутационных аппаратов.

Техническим результатом предлагаемого решения является повышение устойчивости к механическим воздействиям, повышение эффективности и чувствительности электромагнита, упрощение конструкции крепления якоря.

Технический результат достигается тем, что в поляризованном электромагните, содержащем магнитопровод, сердечник с катушкой, постоянный магнит, якорь, пружину, введен дополнительный постоянный магнит, причем оба постоянных магнита расположены перпендикулярно к сердечнику с двух его сторон, соприкасаясь с сердечником одноименными полюсами, а их противоположные полюсы соединены между собой магнитопроводящей скобой, охватывающей якорь; введен ограничитель утечки поляризующего магнитного потока, выполненный в виде прокладки из немагнитного материала, расположенной между сердечником и магнитопроводом; выполнены пазы с двух сторон якоря: введено устройство фиксации положения якоря, выполненное в виде пластины, которая одной стороной входит в пазы якоря, а другой соединена с магнитопроводом элементами крепления; на сердечнике выполнены пазы перпендикулярно его оси шириной, соразмерной с высотой постоянных магнитов.

Техническое решение относится к электротехнике и может найти применение в качестве приводов электромагнитных коммутационных аппаратов.

Известен поляризованный электромагнит, используемый в реле ПС-20 [1], состоящий из магнитопровода, постоянных магнитов, якоря и катушки. В данной конструкции, в зависимости от полярности включаемого к катушке напряжения питания, якорь электромагнита занимает одно из двух возможных положений и остается в этом положении после отключения напряжения питания. Якорь возвращается в исходное состояние при включении к катушке напряжения обратной полярности.

Недостатком рассматриваемого электромагнита является его малая чувствительность. Указанный недостаток вызван тем, что магнитный поток, возбуждаемый в магнитопроводе под действием тока, протекающего по катушке, проходит через постоянные магниты, обладающие низкой магнитной проницаемостью.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является поляризованный электромагнит [2] (схематическое изображение на фиг.1). Поляризованный электромагнит содержит магнитопровод 1, выполненный в виде U-образной скобы (ярма), несущий на себе в расщепленной части сердечник 2 с катушкой 3 и на свободной стороне - постоянный магнит 5, подвижный якорь 4, который вращается на призме 15 и пружину 7. В этой конструкции электромагнита якорь 4 предполагается крепить в месте его вращения с помощью упора, прижимающего якорь 4 к призме 15 и устанавливаемого с внешней стороны якоря 4 в его изгибе, и направляющих, прижимающих боковые поверхности якоря 4. В исходном состоянии якорь 4 находится в разомкнутом положении. При этом магнитный поток Ф _П постоянного магнита 5 разделяется на две части: магнитный поток Ф_П1, замыкающийся по магнитной цепи: северный полюс магнита 5 - воздушный зазор между постоянным магнитом 5 и якорем 4 - якорь 4 - воздушный зазор между якорем 4 и сердечником 2 - сердечник 2 -свободная сторона расщепленной части магнитопровода 1 - южный полюс постоянного магнита 5. и магнитный поток Ф _П2, замыкающийся по магнитной цепи: северный полюс постоянного магнита 5 - воздушный зазор между постоянным магнитом 5 и якорем 4 - якорь 4 - воздушный зазор между якорем 4 и призмой 15 (нерасщепленной частью U-образного магнитопровода 1) - магнитопровод 1 - южный полюс постоянного магнита 5. Составляющая потока Ф _П1 обуславливает силу притяжения якоря 4 к сердечнику 2. Однако эта сила меньше противодействующей силы, прикладываемой к якорю 4 за счет возвратной пружины 7, и якорь 4 не притягивается к сердечнику 2.

При включении к катушке 3 электромагнита напряжения определенной полярности, создающего магнитный поток Ф_Р, совпадающий по направлению в воздушном зазоре между якорем 4 и сердечником 2 с потоком Ф _П1, якорь 4 электромагнита, преодолевая противодействующую силу, притягивается к сердечнику 2. В этом положении составляющая магнитного потока Ф_П2 значительно меньше значения потока Ф_П1, поскольку величина конечного зазора между сердечником 2 и притянутым якорем 4 значительно меньше воздушного зазора между якорем 4 и призмой 15 (нерасщепленной частью U-образного магнитопровода), и поляризующий поток Ф _П практически весь проходит от северного полюса постоянного магнита 5 через якорь 4, сердечник 2, свободную сторону расщепленной части магнитопровода 1 к южному полюсу постоянного магнита 5, значения потока Ф_П1 и усилия притяжения якоря 4 к сердечнику 2 возрастают по отношению к их значениям в исходном состоянии, в связи с чем при отключении напряжения якорь 4 электромагнита остается в притянутом положении. При включении к катушке 3 напряжения противоположной полярности якорь 4 электромагнита возвращается в исходное состояние.

Недостатками конструкции данного электромагнита являются:

- недостаточная устойчивость к механическим воздействиям из-за наличия силы притяжения якоря к сердечнику в исходном состоянии якоря за счет потока Ф _П1;

- недостаточная чувствительность из-за наличия значительного нерабочего воздушного зазора между якорем и призмой;

- сложность предполагаемого устройства крепления якоря на призме.

Указанные недостатки снижают эффективность данного электромагнита и сужают область его реального применения.

Техническим результатом предлагаемого решения является повышение устойчивости к механическим воздействиям, повышение эффективности и чувствительности электромагнита, упрощение конструкции крепления якоря.

Технический результат достигается тем, что в поляризованном электромагните, содержащем магнитопровод, сердечник с катушкой, постоянный магнит, якорь, пружину, введен дополнительный постоянный магнит, причем оба постоянных магнита расположены перпендикулярно к сердечнику с двух его сторон, соприкасаясь с сердечником одноименными полюсами, а их противоположные полюсы соединены между собой магнитопроводящей скобой, охватывающей якорь; введен ограничитель утечки поляризующего магнитного потока, выполненный в виде прокладки из немагнитного материала, расположенной между сердечником и магнитопроводом; выполнены пазы с двух сторон якоря; введено устройство фиксации положения якоря, выполненное в виде пластины, которая одной стороной входит в пазы якоря, а другой соединена с магнитопроводом элементами крепления; на сердечнике выполнены пазы перпендикулярно его оси шириной, соразмерной с высотой постоянных магнитов.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что расположение в электромагните двух постоянных магнитов перпендикулярно к сердечнику с двух его сторон, соприкасаясь с сердечником одноименными полюсами, противоположные

полюсы которых соединены между собой магнитопроводящей скобой, позволяет исключить силу притяжения якоря к сердечнику в исходном состоянии якоря, получить силу притяжения якоря к охватывающей его скобе и тем самым значительно повысить устойчивость электромагнита к воздействию внешних механических факторов в разомкнутом состоянии. Наличие ограничителя утечки поляризующего магнитного потока между сердечником и магнитопроводом, значительно снижающего составляющую магнитного потока, не проходящего через воздушный зазор между якорем и сердечником, в притянутом положении, позволяет поляризующему потоку Ф_П практически полностью проходить от северного полюса постоянного магнита через скобу, якорь, сердечник к южному полюсу постоянного магнита, и тем самым повысить эффективность электромагнита. Выполнение с двух сторон якоря пазов обеспечивает взаимодействие якоря с устройством фиксации его положения. Наличие устройства фиксации положения якоря, выполненного в виде магнитопроводящей пластины, одной стороной входящей в пазы якоря, а другой - соединенной с магнитопроводом, перекрывающей нерабочий воздушный зазор между якорем и магнитопроводом, позволяет повысить чувствительность электромагнита, и производить регулировку прилегания якоря к сердечнику. Выполнение устройства фиксации положения якоря из двух пластин с соосно расположенными выемками, вставляемых в пазы якоря и охватывающих его, надежно фиксирующих якорь в месте его вращения, позволяет исключить пружину, прижимающую якорь к пластинам, и тем самым упростить устройство фиксации положения якоря. Выполнение пазов в сердечнике перпендикулярно его оси шириной, соразмерной с высотой постоянных магнитов, позволяет получить надежное крепление постоянных магнитов, обеспечить гарантированный воздушный зазор в притянутом положении между якорем и постоянными магнитами, и предотвратить их смещение к якорю.

Работа предлагаемого поляризованного электромагнита поясняется чертежами, где

на фиг.1 - общий вид поляризованного электромагнита прототипа;

фиг.2 - устройство фиксации положения якоря из одной пластины;

фиг.3 - устройство фиксации положения якоря из двух пластин;

фиг.4 - общий вид предлагаемого поляризованного электромагнита в разомкнутом состоянии;

фиг.5 - вид слева предлагаемого поляризованного электромагнита в разомкнутом состоянии;

фиг.6 - общий вид предлагаемого поляризованного электромагнита в замкнутом состоянии;

фиг.7 - вид слева предлагаемого поляризованного электромагнита в замкнутом состоянии;

где приняты следующие обозначения:

8 - магнитопроводящая скоба;

Постоянные магниты 5, 6 расположены перпендикулярно к сердечнику 2 и вставляются в пазы 11 сердечника 2 одноименными полюсами с двух его сторон, а их противоположные полюсы соединены между собой магнитопроводящей скобой 8, охватывающей якорь 4. Пружина 7 прижимает якорь 4 к устройству фиксации 9 положения якоря 4. выполненного в виде пластины (фиг.2), которая одной стороной входит в пазы 12 якоря 4, фиксируя его, а другой - соединена с магнитопроводом 1 элементами крепления. Устройство фиксации 9 положения якоря 4 может быть выполнено в виде двух пластин 13, 14 (фиг.3) с соосно расположенными выемками, вставленными в пазы 12 якоря 4 и надежно фиксирующими якорь 4 в месте его вращения.

В исходном состоянии якорь 4 электромагнита разомкнут. Характеристики обоих постоянных магнитов 5 и 6 одинаковы, что позволяет рассматривать влияние каждого из них на работу электромагнита отдельно. Рассмотрим магнитные потоки, создаваемые одним из них, например, левым постоянным магнитом 5 по фиг.5. Поток Ф_П, создавае-мый этим постоянным магнитом, состоит из двух составляющих Ф _П1 и Ф_П2. Составляющая Ф _П1 протекает по цепи: северный полюс постоянного магнита 5 - скоба 8 - воздушный зазор между скобой 8 и якорем 4 - якорь 4 - устройство фиксации 9 - магнитопровод 1 -ограничитель утечки 10 - сердечник 2 - южный полюс постоянного магнита 5 (фиг.4). Составляющая Ф_П2 протекает по цепи: северный полюс постоянного магнита 5 - скоба 8 -воздушный зазор между скобой 8 и якорем 4 - якорь 4 - воздушный зазор между якорем 4 и сердечником 2 - сердечник 2 - южный полюс постоянного магнита 5 (фиг.5). На якорь 4 действуют две противоположно направленные силы: в сторону скобы 8 от суммы составляющих Ф _П1 и Ф_П2 и в сторону сердечника 2 от составляющей Фп2. Поскольку в данном состоянии электромагнита воздушный зазор между скобой 8 и якорем 4 и толщина ограничителя утечки 10 значительно меньше воздушного зазора между якорем 4 и сердечником 2, значение Ф_П1 заметно превышает значение Ф_П2. По этой причине результирующая сила, действующая на якорь 4, направ-лена в сторону скобы 8, и якорь 4, в отличие от якоря прототипа, надежно удерживается в исходном состоянии, в том числе при воздействии механических факторов. Следует отметить, что заявляемый поляризованный электромагнит, также как и рассмотренный выше прототип, имеет ограничитель хода якоря, который на фиг.4...7 не показан. В предлагаемом поляризованном электромагните ограничитель хода якоря дополнительно предотвращает касание якоря 4 к скобе 8, обеспечивая между ними воздушный зазор определенной величины.

При включении к катушке 3 электромагнита напряжения с полярностью, создающей рабочий магнитный поток Ф _Р (фиг.4 и 5), протекающий по цепи: сердечник 2 - ограничитель утечки 10 - магнитопровод 1 - устройство фиксации 9 - якорь 4 - воздушный зазор между якорем 4 и сердечником 2 - сердечник 2 и совпадающий по направлению в указанном воздушном зазоре с составляющей потока Ф_П2, якорь 4 притягивается к сердечнику 2 (фиг.6 и 7). В этом состоянии якоря 4 из-за весьма незначительного воздушного зазора между якорем 4 и сердечником 2, значения потока Ф_П и создаваемого им усилия притяжения якоря 4 к сердечнику 2 резко возрастают, поэтому при отключении напряжения якорь 4 электромагнита остается в притянутом положении. Для возврата якоря 4 в исходное состояние к катушке 3 необходимо включить напряжение обратной полярности по отношению к напряжению, вызвавшему его срабатывание. При этом магнитный поток Ф_О (фиг.6 и 7), созданный катушкой 3, направлен против Ф_П2, поэтому усилие притяжения якоря 4 к сердечнику 2 резко снижается, и якорь 4 возвращается в исходное состояние (фиг.4 и 5).

В целях упрощения описания процессов, происходящих в предлагаемом электромагните, как было отмечено ранее, рассматривалось влияние только левого постоянного магнита 5 (по фиг.5 и 7). Влияние второго постоянного магнита 6 совершенно аналогично. Под действием двух постоянных магнитов 5 и 6 величины магнитных потоков и создаваемых ими сил притяжения удваиваются.

В случае применения заявляемого решения в качестве привода электромеханического реле, используются две катушки - включающая и отключающая, устанавливаемые на сердечник 2. Применение заявляемого электромагнита позволило создать двухпозиционное электромагнитное реле с количеством контактов до 8 с номинальным током контактов 6, 3 А, предназначенное для применения в устройствах релейной защиты и противоаварийной автоматики энергетических объектов. Благодаря техническим преимуществам этого электромагнита двухпозиционное реле создано на базе конструкции широко распространенного одностабильного электромагнитного реле с использованием минимального количества дополнительных деталей, что позволило резко сократить затраты по организации производства двухпозиционного реле. Заявляемое решение планируется использовать с IV кв. 2004 г.

Источники известности:

1. Гордон А.В., Сливинская А.Г. «Поляризованные электромагниты», М. - Л., издательство «Энергия», 1964 г.

2. АС СССР №1261025 Н 01 Н 51/22, бюл. №36 от 30.09.86 г.

3. АС СССР №259171 H 01 H 45/02, БИ №2 от 1970 г.

1. Поляризованный электромагнит, содержащий магнитопровод, сердечник с катушкой, постоянный магнит, якорь, пружину, отличающийся тем, что введен дополнительный постоянный магнит, причем оба постоянных магнита расположены перпендикулярно к сердечнику с двух его сторон, соприкасаясь с сердечником одноименными полюсами, а их противоположные полюсы соединены между собой магнитопроводящей скобой, охватывающей якорь.

2. Поляризованный электромагнит по п.1, отличающийся тем, что введен ограничитель утечки поляризующего магнитного потока, расположенный между сердечником и магнитопроводом, выполненный в виде прокладки из немагнитного материала.

3. Поляризованный электромагнит по п.1, отличающийся тем, что на сердечнике выполнены пазы перпендикулярно его оси шириной, соразмерной с высотой постоянных магнитов.

4. Поляризованный электромагнит по п.1, отличающийся тем, что с двух сторон якоря выполнены пазы.

5. Поляризованный электромагнит по п.1, отличающийся тем, что введено устройство фиксации положения якоря.

6. Поляризованный электромагнит по п.5, отличающийся тем, что устройство фиксации положения якоря выполнено в виде пластины, которая одной стороной входит в пазы якоря, а другой соединена с магнитопроводом элементами крепления.

7. Поляризованный электромагнит по п.5, отличающийся тем, что устройство фиксации положения якоря выполнено в виде двух пластин с соосно расположенными выемками, вставленных в пазы якоря.