Електромагніт

1 Електромагніт, що включає магнітопровід та котушку намагнічування, який відрізняє ться тим, що магнітопровід виконаний, у крайньому випадку, з двох частин, і хоча б частина однієї гз ни х, пере важно розміщеної у вн утрі шній порожнині котушки намагнічування, виконана із магнітотвердого мате ріалу 2 Електромагні т за п 1, який відрізняється тим , що частини магнітопроводу, сполучені разом, ут ворюють замкнуту металеву конструкцію 3 Електромагніт за пп 1 , 2 , який відрізняє ться тим, що розмір магнітотвердої частини магнітопро воду не перевищує розмір внутрішньої порожнини котушки намагнічування 4 Електромагніт за пп 1-3, який від різняє ться тим, що кожна частина магні топроводу виконана монолітною 5 Електромагніт за пп 1-4, який від різняє ться тим, що магнітопровід виконаний у ви гляді цилінд ра з дном і ко тушк а нама гні чування розмі щена всередині циліндра, коаксіально останньому, час тина магнітопроводу з магнітотвердим матеріалом виконана у ви гляді стрижня сполученого з кри ш кою циліндра, які утворюють у розрізі по осі електромагніта Т-подібну форму 6 Електромагніт за пп 1-4, який від різняє ться тим, що магнітопровід виконаний у вигляді цилінд ра з дном, ко тушка нама гнічування розміщена всередині циліндра, коаксіально останньому, час тина магнітопроводу з магнітотвердим матеріалом виконана у ви гляді стрижня, сполученого з дном циліндра а кришка виконана роз'ємною із стриж нем та циліндром 7 Електромагніт за пп 1-4, який від різняє ться тим, що магнітопровід виконаний у ви гляді цилінд ра із роз'ємним дном та кришкою, котушка намагні чування розміщена всередині циліндра, коаксіаль но останньому, а частина магнітопроводу із магні тотвердого матеріалу виконана у вигляді стрижня, розміщеного по осі циліндра < 8 Електромагжт за пп 1—4, який відрізняє ться тим, що кожна частина магні топроводу виконана Ш-подібної форми, а магнітопровід утворений спо лученням кернів, і хоча б частина одного із кернів виконана з магнітотвердого матеріалу 9 Електромагніт за п 8, який відрізняє ться тим, що котушка намагнічування розміщена на середн ьому керні 10 Електромагніт за п 8, який відрізняється тим, що котушка намагнічування розміщена на одному з крайніх кернів 11 Електромагніт за пп 1-4, який від різняє тьс я тим, що кожна частина магні топроводу виконана П-подібної форми, а магнітопровід утворений спо лученням кернів, і хоча б частина одного із кернів виконана із магнітотвердого матеріалу 12 Електромагніт за пп 8-11, який відрізняє ться тим, що магнітопровід виконаний у вигляді пакета пластин CM О CD (О CM < Винахід відноситься до магнітних систем, зокрема, до конструкцій і матеріалів магнітопроводу електромагнітів, і може бути використаний, зокрема, в пристроях для блокування замків автомобілів, сейфів, дверей з метою запобігання несанкціонованого проникнення Пристрій блокування являє собою електромеханічний пристрій із енергонезалежною пам'яттю Основним елементом енергонезалежної пам'я ті є електромагніт, що приводить в робочий стан механічну систему Електромагніт традиційно являє собою соленоїд із залізним магнітопроводом Магнітопровід реле, трансформаторів, електромагнітів звичайно виконують із магнітом'якого матеріалу, набираючи пакети із штампованих листів сталі Найбільш близьким до винаходу за технічною суттю та досягнутому е фекту є електромагніт, зг 27664 який складається із магнітопровода і котушки на- магнічування [1]. Магнітопровід виконаний П-подібної форми і обладнаний якорем, встановленим підпружинєно на одному керні, а котушка намагнічування розташована на другому керні. Причому, магнітопровід виконаний із шарів* магнітом'якого та магнітотвердого матеріалу, які чергуються, та з прошарками окису алюмінію Електромагніт працює наступним чином. При подачі струму на котушку відбувається намагнічування системи і притягування якоря. При відключенні струму за рахунок залишкового магнітного потоку, у шара х магнітотвердого матеріалу створюється магнітний потік, який утримує якір. Відключення якоря відбувається при подачі імпульсу стр уму на відключення, що призводить до зворотньої поляризації магнітопроводу. Як показали дослідження, утримуюче зусилля у даному електромагніті складає біля 0,2 кг. Збільшення утримуючого зусилля на порядок призводить до збільшення розміру котушки приблизно на порядок, а також - до збільшення затрат електроенергії. Розрив магнітопроводу, тобто від'єднання якоря від керна магнітопроводу, призводить до практично повної втрати утримуючого з усилля електромагніта. Значить, конструкція не має магнітної пам'яті. - Слід відмітити, що конструкція магнітопроводу, виконаного із пластин з магнітом'якого та магнітотвердого матеріалу, які чергуються, ,та прокладками між ними, не дозволяє створити конструкцію електромагніта із великою магнітною пам'яттю при задовольняючих розмірах, забезпечуючих його використання в реле, блокувальних пристроях і т.п. Головним недоліком відомого електромагніта є незначне утримуюче зусилля, що створюється електромагнітом у пристрої, наприклад, для блокування замка, що не забезпечує висок у надійність від несанкціонованого проникнення. Таким чином, із рівня техніки випливає, що відомі магнітні системи - електромагніти вимагають вдосконалення у напрямку створення електромагнітів, які характеризуються великими утримуючими зусиллями при мінімальних розмірах, а також для роботи яких потрібна незначна кількість електроенергії для створення таких зусиль. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення конструкції електромагніта шляхом створення замкнутої металевої конструкції магнітопроводу із просторовим розташуванням частини магнітопроводу із магиітотвердого матеріалу на ділянці із максимальною щільністю магнітних силовий ліній, що забезпечує запам'ятовування утримуючого зусилля. Вказаний результат досягається при незначному споживанні електроенергії і мінімальних розмірах електромагніта, що дозволяє ефективно використовувати електромагніт, який заявляється, у різних пристроях - реле, електромагнітних клапанах, магнітних пускачах і т.п. Для вирішення поставленої задачі запропоновано електромагніт, який включає магнітопровід та котушк у намагнічування, у якому, згідно з винаходом, магнітопровід виконаний, у крайньому випадку, із двох частин і хоча б частини однієї з них, переважно розташованої у вн утрі шній порожнині котушки намагнічування, виконана із магнітотвердого матеріалу. При цьому, частини магнітолроводу, сполучені разом, утворюють замкнуту металеву конструкцію; розмір магнітотвердої частини магнітопроводу не перевищує розмір внутрі шньої порожнини котушки намагнічування; кожна частина магнітопроводу виконана монолітною. Причому, магнітопро від виконаний у ви гля ді циліндра із дном і котушка намагнічування розміщена всередині циліндра, коаксіально останньому, а частина магнітопроводу із магнітотвердим матеріалом виконана у вигляді стрижня, сполученого із кришкою циліндра, які утворюють у розрізі по осі електромагніта Т-подібну форму, чи у вигляді стрижня, сполученого із дном циліндра, а кришка виконана роз'ємною із стрижнем, або у вигляді стрижня по осі циліндра, дно та кришка циліндра виконані ро-• з'ємними із стрижнем та циліндром. Кожна частина магнітопроводу виконана Ш-подібної форми, а магнітопровід утворений сполученням кернів та хоча б частина одного із кернів виконана з магнітотвердого матеріалу; причому котушка намагнічування розміщена на середньому керні або на одному із крайніх кернів. Кожна частина магнітопроводу виконана П-подібної форми, а магнітопровід утворений сполученням кернів і хоча б частина одного із кернів виконана із магнітотвердого матеріалу; причому магнітопровід виконаний у вигляді пакету пластин. Встановлено, що конструктивне виконання магнітопроводу із магнітом'якого матеріалу, частина якого представлена магнітотвердим матеріалом, та просторове розташування частин магнітопроводу, {цо утворює замкнуту металеву конструкцію, із розміщенням магнітотвердого матеріалу в котушці намагнічування на ділянці з максимальною щільністю магнітних силовий ліній забезпечує практично повне запам'ятовування магнітного потоку, що призводить до створення великих утримуючи х з усиль при малих розмірах і відсутності споживання електроенергії (окрім перемикань). Вказані конструктивні особливості електромагніта забезпечують збереження магнітної пам'яті, тобто, збереження утримуючих зусиль в умовах, коли котушка намагнічування знеструмлена або, коли після розриву металевої конструкції частини магнітопроводу (р ухома, нерухома) знову з'єднуються. Запам'ятовуюче з усилля після розриву магнітопроводу буде на 8-10% менше утримуючого зусилля, а при розмагнічуванні системи магнітним потоком пам'ять практично повністю витирається. Досягнутий результат забезпечується розмірами, об'ємом, масою та конструктивними особливостями пристрою із магнітотвердою частиною електромагніта. Слід відмітити, що у відомих те хнічни х рі•шеннях, незалежно від форми магнітопроводу, останній являє собою, в основному, шар ува ту стр уктуру, виконану із шарів або пластин із магнітом'якого та магнітотвердого матеріалу, у багатьох випадках розділених прокладками, що, на нашу думку, і перешкоджає створенню великих утримуючи х зусиль, створюваних електромагнітом. У запропонованому електромагніті частини магнітопроводу в оптимальному варіанті виконані монолітними. Однак, можливе виготовлення магнітопроводу у вигляді пакету пластин, частина кот 27664 poro виконана із магнітотвердого матеріалу Відсутність чергування магнітом'якого та магнітотвердого матеріалу при наявності вказаних ви ще конструкти вних особливостей магнітопроводу дозволяє створити ефективний електромагніт із стабільною магнітною пам'яттю, високими утримуючими зусиллями при мінімальних розмірах Це розширює функціональні можливості запропонованого електромагніта, забезпечуючи його ефективне використання у вже існуючих реле, магнітних пускачах, блокувальних пристроях, електромагнітних клапанах та ін Таким чином, сукупність суттєви х ознак запропонованого пристрою - електромагніту, є достатньою і необхідною для досягнення забезпечуючого винаходом те хнічного результату - збільшення утримуючого з усилля при його тривалому збереженні при одночасному значному зменшенні розміру електромагніта та відсутності споживання електроенергії (окрім моменту перемикання) Винахід пояснюється кресленнями, на котрих представлені схематичні варіанти конструкцій електромагніта На фіг 1-4 предста влені схеми конструкцій електромагніта із основною частиною магнітопроводу, виконаного у вигляді монолітного циліндра (із моноліту), на фіг 5-6 представлені схеми конструкцій електромагніта, магнітопровщ котрого виконаний Ш-подібної форми, а на фіг 7-8 - магнітопровщ виконаний П-подібної форми Схема основного варіанту електромагніта представлена на фіг 1 (розріз по осі) Електромагніт складається із магнітопроводу, виконаного з двох частин циліндра з дном 1 та Т-подібної частини, яка складається із стрижня 2 і кришки 3 дископодібної форми, з'єднаних між собою Всередині циліндра 1, коаксіально останньому, розмі щена котушка намагнічування 4 Стрижень 2 входить у внутрішню порожнину котушки 4 Т-подібна частина виконана з магнітом'якого матеріалу, а частина стрижня 2 виконана із магнітотвердого матеріалу 5 Як магнітотвердий матеріал використовують магнітотверді сплави ЮНД4 - ЮНДК40Т8, 25ХК15, CoFeO4, 22 БА 220 Sm 2 Co17, SmCo 3, КС25ДЦ 150 КС25ММ12, La2Feu - YjFeB, а я магнітом'який матеріал використовують нелеговані сталі 10895, 20895, 11895, 21895, 10880, 20880, 11880, 21880, 10864, 20864, 11864, 21864, Р-10, Р-100, Пс Електромагніт прадює таким чином На котушку намагнічування 4 короткочасно, на протязі 5-10 мс, подають напругу Під дією напруги котушка генерує (індукує) магнітний потік Потік всередині котушки характеризується максимальною ЩІЛЬНІСТЮ і концентрацією магнітних силових ліній Конфігурація потоку паралельна осі циліндра Магнітний потік, проходячи по магнітопроводу 1, 2, 3, намагнічує його ,ПРИ Цьому Т-подібна частина магнітопроводу кришкою 3 замикає циліндр 1, доторкаючись стрижнем 2 дна циліндра (1). створює замкнуту металеву конструкцію циліндр-кришка-стрижень Одночасно магнітний потік орієнтує диполі вздовж магнітних силових ЛІНІЙ магнітотвердого матеріалу 5, забезпечуючи запам'ятовування магнітного поля і тим самим забезпечує, практично без втрат, постійне утримуюче з у силля між рухомою та нерухомою частиною електромагніта Зняття утримуючого з усилля здійснюється одним з відомих способів, наприклад, короткочасною подачею на котушку напруги, величина котрої складає приблизно половину величини напруги намагнічування при одночасній ЗМІНІ полярності на котушці Зображена на фіг 1 схема електромагніта має при менших розмірах ДОВГОХІДНІСТЬ класичного електромагніта На фіг 2 представлена схема електромагніта (розріз по осі), аналогічна схемі на фіг 1, але яка відрізняється тим, що циліндр 1 із осевим стрижнем 2 виконаний роз'ємним з дном 6 та кришкою 7 На фіг 3 представлена схема електромагніта (розріз по осі), аналогічна схемі на фіг 1, але відрізняється тим, що стрижень 2 виконаний суцільним з дном 6 циліндра 1, а кришка 7 - роз'ємною зі стрижнем 2 та циліндром 1 На фіг 4 представлена схема електромагніта (розріз по осі), ЯКИЙ складається із циліндра 1 з кришкою 7, іден тична предста вленом у на фі г З, але при цьому магнітопровщ додатково оснащений другим циліндром 8, ідентичним першому, і розміщеним співвісно із ним, з протилежного боку кришки 7 Електромагніти, схеми котрих представлені на фіг2-4, працюють аналогічно електромагніту, схематично зображеному на фіг 1, під дією магнітного потоку частини магнітопроводу намагнічуються і з'єднуються із утворенням замкнутої конструкції Конструктивні ВІДМІННОСТІ електромагнітів дозволяють їх використо вува ти в різни х пристроях так за допомогою електромагніта, представленого на фіг 2, здійснюється одночасне управління двома механізмами, наприклад, електричним та механічним У випадку потрібних великих тягових з усиль, але при незначному ході, доцільно використовува ти електромагніт, представлений на фіг 3 Використання електромагніта, представленого на фіг 4, для поляризованих реле, дозволяє створити конструкцію із більш жорсткими експлуатаційними характеристиками На фіг 5 представлена схема електромагніта, магнітопровід котрого виконаний Ш-подібної форми Електромагніт складається із двох Ш-подібних частин 9а і 96, сполучених кернами 10 Середній керн однієї із Ш-подібних частин оснащений магнітотвердим матеріалом 5 Котушка намагнічування 4 розміщена на середньому керні електромагніта Електромагні т працює наступним чи ном При подачі на котушк у намагнічування короткочасно, на протязі 5-10 мс, напруги виникає магнітний потік, притягуючий р ухом у Ш-подібну частин у 9а до нерухомої 96 і намагнічуючий магнітотвердий матеріал 5, розміщений в середньому керні 10 Після ЗНЯТТЯ напруги, утримуюче зусилля практично дорівнює силі тяги, створеної котушкою Після відриву рухомої частини 9а від нерухомої частини 96 залишається приблизно 25% енергії і далі магніт працює, як постійний магніт На фіг 6 представлена схема електромагніта, магнітопровщ ко трого також виконаний Ш-по 27664 дібної форми, аналогічно, як і в електромагніті, предста вленому на фіг 5 Відмінність полягає в тому, ідо одна частина магнітопроводу утворена кернами 10 і ярмом 11, а друга - я вляє со бою кришку (якір) 12, а також у тому, що крайні керни оснащені магнітотвердим матеріалом 5 та розміщені в котушках намагнічування 4 На фіг. 7 представлена схема електромагніта, магнітопровід котрого виконаний П-подібної форми. Електромагніт складається з двох П-подібних частин 13, сполучени х кернами 10, причому, керни однієї із П-подібних частин оснащені магнітотвердим матеріалом 5 і розміщені в котушка х намагнічування 4. На фіг. 8 представлена схема електромагніта, ідентична схемі на фіг 7, тобто магнітолровід виконаний також П-подібної форми складається з дво х частин. Відмінність полягає у тому, що одна • частина магнітопроводу утворена кернами 10 і ярмом 11 та має П-подібну форму 13 , а др уга части на являє собою кришку (ярмо) 14, а також у тому, що один із кернів оснащений магнітотвердим матеріалом 5 та розміщений у котушці намагнічуван ня 4. Електромагніти, схеми котрих представлені на фіг. 6-8 , працюють аналогічно електромагніту, схематично зображеному на фіг. 5. частини магнітопроводу під дією магнітно го поток у намагнічуються і з'єднуються із утворенням замкнутої конструкції, забезпечуючи велике утримуюче з усилля. Приклад виконання електромагніта за винаходом. Згідно із схемою електромагніта, представленого на фіг. 1, була створена конструкція електромагніта із наступними визначаючими основними розмірами складових його частин. Частина магнітопроводу виконана у вигляді циліндра з дном, і з магнітом'якого матеріалу (сталь 11895), монолітною. Зовні шній діаметр циліндра складає 17 мм, вн утрі шній - 13 мм, а довжина циліндра - 20 мм. Всередині циліндра, коаксіально останньому, розміщена котушка намагнічування, намотана дротом ПТВ діаметром 0,224 мм, 200 витків. А частина магнітопроводу з магнітотвердим матеріалом виконана у ви гляді стрижня, з'єднаного з кришкою циліндра, утворюючи х у розрізі по осі електромагніта Т-подібну форму. Стрижень діаметром 6 мм виготовлений із магнітом'якого матеріалу га оснащений вста вкою із магнітотвердого матеріалу, який має діаметр 6 мм і довжину 5 мм (ЮНДК24). Електромагніт працює таким чином. На котушк у намагнічування подають напругу 12 В на протязі 5 мс, при цьому по обмотці котушки протікає струм до 2 А. Котушка індукує магнггний потік, котрий, проходячи по магнітопроводу, намагнічує його. Т-подібна частина магнґгопроводу входить стрижнем у внутрішню порожнину котушки, кришкою замикаючи циліндр. Створюється замкнута металева конструкція, яка характеризується утримуючим зусиллям на розрив біля 2,5 кг. При відключенні котушки система працює як постійний магніт. При цьому утримуюча сила приблизно на 12% знижується відносно тягового зусилля та складає біля 2,2 кг. Завдяки заявленому конструктивному виконанню магнітопроводу із частиною, осна щеною магніто твердим матеріалом, ст ворене утрим уюче з уси лля замкн уто ї ме тале во ї конструкції зберігається необмежений час. У випадку короткочасного від'єднання кришки Т-подібної частини магнітопроводу від циліндра, • з наступним утворенням знову замкнутої метале вої конструкції, утримуюче з усилля знизиться при близно на 10% і складе приблизно 2 кг, і, не дивля чи сь на н аступні від'єднання к ри шки , н е змен шується. Слід відмітити, що конструкція магнітопроводу, яка заявляється, дозволяє намотува ти котушк у з мінімальною кількістю витків, у результа ті збільшення струму приводить до збільшення утримуючого з усилля, але при цьому котушка намагнічування, за 5-10 мс, не встигає нагрі тись, що забезпечує тривалий термін служби електромагніта, надійність роботи, практично не розходуючи {споживаючи) електроенергію. Слід також відмітити, що короткочасна подача н апр уги на обмотк у е лектрома гні та доз воля є * різко скороти ти число ви тків катушки , що приво ди ть до створен ня ве лико го тя го вого з усилля , зменшення розмірів електромагніта, відповідно, і металоємкості. Розмір магнітотвердої частини магнітопроводу в розглянутій конструкції електромагніта забезпечує оптимальне співвідношення тягового зусилля та утримуючого зусилля. При зменшенні довжини магнітної частини до 3 мм утримуюче з усилля складає всього 1,2 кг (порівняно із 2,2 кг). Збільшення довжини магнітотвердої частини, наприклад, до 8 мм, не приводить до збільшення утримуючо го зусилля (залишається на рівні 2,2-2,3 кг), що призводить до невиправданого розходу коштовного матеріалу, так як тягове зусилля, створене котушкою, залишилось тим же - 2,2 кг. При зміні полярності на котушці намагнічування електромагніта проходить лереполюсовка магнітотвердої частини магнітопроводу. Однак, зміна направлення магнітного поля відбува ється за такий короткий час, що металева конструкція продовжує знаходитись у замкнутому стані. Для зняття магнітного потоку необхідно переполюсува ти котушку і короткочасно, на протязі 5-10 мс, подати напр угу приблизно 5 В, що створює половину магнітного потоку у зустрічному направленні відносно попереднього потоку. Як витікає із вище наведених даних, оптимальний розмір магнітотвердої частини магнітопроводу визначається величиною магнітного потоку, котрий створює котушка намагнічування, а розмір останньої визначається загальною конструкцією пристрою, де застосовуються електромагніти. Розглянемо, наприклад, стандартний електромагніт, який використовується для магнітного пускача III величини - марка ПМЕ 3116. Магнітопровід електромагніта виконаний Ш-подібної фор ми, з пакета пластин, і, відповідно до встановленої на ньому котушки намагнічування (число витків ко-. тушки зменшене у 2 рази), оснащений магнітотвердою частиною розміром 15x15x15 мм. Електромагніт характериз ується тяговим з усиллям 25 кг при утримуючому з усиллі приблизно 22 кг", що значно перевищує характеристики стандартного електромагніта. Ефективна робота електромагніта, який заявляється, практично не залежить від використа 27664 ного магніто твердо го матеріалу, тобто тяго ве з усилля електромагніта складає 25±0.5 кг. Переваги запропонованого електромагніта при різноманітних варіантах конструктивного виконання, в порівнянні із відомим магнітним пристроєм, полягають в наступному: - запропонований електромагніт при малих розмірах забезпечує створення тягового з усилля, яке дозволяє подіяти на практично будь-які приво ди та запорні пристрої; - запропонований електромагніт дозволяє отримати пристрій, який запам'ятовує, практично без втрат, створене тягове зусилля. Розмикання замкнутої металевої конструкції магнітопроводу призводить до зниження утримуючого з усилля на 10-12%, котре залишається у подальшому постійним, не дивлячись на послідуючі розмикання конструкції, що не досягається у відомих електромагнітах; - електромагніт заявленої конструкції, окрім моментів перемикання, є енергонезалежким; - констр укція електромагні та доз воляє на стандартних пристроях, наприклад, магнітних пус кача х, пі дви щи ти тяго ве з усилля з 6 кг до 22 кг, \Z ZZ при цьому електроенергія споживається у момент луск у та й розхід складає незначну величин у, що дорівнює величині, яка споживається у відомому електромагніті. Однак, відомий електромагніт споживає у подальшому 20 Вт, а запропонований - не споживає електроенергію, що забезпечує значне скорочення розходу електроенергії; - конструкція електромагніта дозволяє при короткочасній подачі напруги на котушку намагні чування створити великої потужності магнітний по тік без перегріву котушки, тим самим забезпечую чи ви соку надійність пристро їв, в котри х викорис товується даний електромагніт; - управління магні тними пускачами, клапа нами та ін . може здійснювати сь напр угами 12-24 В, що підвищує безпеку роботи з приладами, осна щеними електромагнітами; - низьковольтна управляюча напруга дозво ляє управління приводами прямо із мікропроцессора комп'ютера; - у привода х із автономним джерелом жив лення тривалість служби батарей близька до тер міну їх зберігання. .з .2 Фіг. 1 27664 Фіг. 2 Фіг. З S мі.Ф Ї9Ш 27664 ФІГ. 6 Фіг. 8 Фіг. 7 Тираж 50 екз Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м Ужгород, вул Гагаріна, 101 (03122 )3-72 -89 (0312 2)2-5 7-03