DK154590B - Solenoide - Google Patents

Description

i

DK 154590 B

Opfindelsen angår en solenoide omfattende et polelement og et hult cylinderformet anker, der kan bevæges i forhold til polelementet, hvor polelementet og ankeret er således placerede, at de definerer en luftspalte, og hvor luftspalten, polelemen-5 tet og ankeret sammen danner i hvert fald en del af en magnetisk kreds, samt en spole, der er anbragt rundt om polelementet, og som kan gøres strømførende, så den skaber en magnetisk kraft, der kan bevæge ankeret i forhold til polelementet, og hvor områder i polfladerne ved luftspalten er indrettet til at 10 gå i mætning. Sådanne solenoider er almindelige og velkendte. Polelementet kan også betegnes som et stopelement, eftersom det virker som et stopelement for ankeret, når sidstnævnte er fuldt indtrukket.

15 Sådanne almindelige solenoider har almindeligvis et ikke-line-ært kraft-strømforhold. Kraftforøgelsen resulterende fra en given strømforøgelse ved lave strømniveauer er mindre end kraftforøgelsen resulterende fra en strømforøgelse af samme størrelsesorden ved højere strømniveauer. Dette er f.eks. til-20 fældet, hvor kraften er proportional med kvadratet på strømstørrelsen. Sådanne kraft-strømforhold er tilfredsstillende, hvis solenoiden skal benyttes til en on-off afbryder. Hvis der imidlertid behøves en styring af proportionaltypen, er et lineært kraft-strømforhold ønskeligt.

25

Tidligere er forskellige modificerede solenoider blevet benyttet til at frembringe specielle kraft-forskydningskarakteri-stikker (snarere end kraft-strømkarakteristikker). F.eks. er koniske ankre og polelementer eller stoporganer blevet benyt-30 tet til at tilvejebringe en ensartet eller konstant kraft over et forskydningsområde (se Marks "Standard Handbook for Mechanical Engineers", 7. udgave, 1967, side 15-106 og US patent nr. 4.091.348 og nr. 4.044.652). Et tilsvarende ensartet kraft-forskydningsforhold er blevet opnået i en solenoide 35 fremstillet af Ledex, Inc. med en cylindrisk stålshunt med en skråt afskåret ende. Imidlertid tilvejebringer ingen af disse arrangementer en solenoide med en lineær kraft-strømkarakteri-stik.

DK 154590 B

2

Solenoider af den førstnævnte art er velkendte fra US patenterne nr. 1.460.517 og nr. 4.308.475, hvori elementer rundt om luftspalten er gjort magnetiserbare.

5 Solenoiden ifølge opfindelsen er ejendommelig ved, at den magnetiske kreds i luftspalten inkluderer et ringformet magnetiserbart element af et sådant materiale, at det magnetiserbare element brat går i mætning ved en lavere fluxtæthed end den fluxtæthed, ved hvilken der fremkommer mætning af polelementet 10 eller ankeret, og at elementet samtidigt er dimensioneret således, at mætning i den magnetiske kreds først fremkommer i elementet.

Det ikke-lineære kraft-strømforhold i almindelige solenoider 15 fremkommer i almindelighed delvis af den grund, at sådanne solenoider virker ved f1uxtætheder, ved hvilke reluktansen for den magnetiske kreds aftager i forhold til forøgelsen i flux-tætheden. I det magnetiserbare organ i solenoiden ifølge opfindelsen starter mætning ved en lav fluxtæthed, og derved 20 vokser dens reluktans med voksende fluxtæthed. Denne voksende reluktans har en tendens til at modvirke den aftagende reluktans i resten af den magnetiske kreds, og følgelig vil kraftstrømforholdet have en tendens til at blive mere lineært.

25 Det magnetiserbare element i luftspalten (som ikke er foreslået i US 1.460.517 eller i US 4.308.475) er særlig fordelagtigt som et middel til at tilvejebringe lineariteten, fordi det kan fremstilles af et let bearbejdeligt materiale, såsom Numetal, hvorimod ferromagnetiske ankre eller poldele almindeligvis er 30 fremstillet af materialer, som er vanskelige at bearbejde. Materialet (f.eks. Mumetal) kan også fremvise lav hysterese, som er fordelagtig ved anvendelse af i f.eks. en hydraulisk styreventil, hvor hydraulikken, fjederen og de magnetiske kræfter må være nøjagtigt afbalancerede. Lav hysterese reducerer så 35 risikoen for pendling.

Det er konstruktionsmæssigt bekvemt at montere det magnetiserbare element som i krav 2, og brugen af to sådanne elementer

DK 154590 B

3 (krav 3) gør det lettere at opnå den ønskelige linearitet. Til dette formål bliver styringen af det magnetiserbare tværsnitsareal fordelagtigt opnået ved formen ifølge krav 4, især krav 5 eller 6. Som allerede nævnt er det fordelagtigt at benytte 5 Mumetal (krav 7).

I det følgende vil udførelsesformer for opfindelsen blive beskrevet ved hjælp af et eksempel under henvisning til tegningen, hvor 10 fig. 1 viser en delvis gennemskåret solenoide ifølge opfindelsen , fig. 2, 3 og 4 i forstørret målestok en del af fig. 1 og vi-15 sende alternative udførelsesformer for opfindelsen, og fig. 5 en graf af eksperimentelt bestemte resultater af prøvninger udført med en almindelig solenoide og en tilsvarende modificeret solenoide som vist i fig. 1 og 2.

20

En solenoide 10 har en hætte 12, som omslutter en polenhed, der har en første del 14 af blødt ferromagnetisk stål, en ik-ke-ferromagnetisk anden del 16 af rustfrit stål og en ferro-magnetisk blød tredje ståldel 18 og en spole 20. Polenhedens 25 dele er cylindriske og danner et kammer, som glidende optager et hult cylindrisk anker 22. En fjeder 24 optaget af ankeret 22 er forspændt, så den tvinger ankeret nedad, set i fig. 1.

Et fjederspændingsreguleringsorgan 26 er skruet ind i den første poldel 14 og indgriber med den ene ende af fjederen 24.

30

En luftspalte 28 adskiller de ringformede ender henholdsvis 30 og 32 af poldelen 14 og ankeret 22. Når strøm ledes gennem spolen 20, skabes en magnetisk flux, som strømmer gennem en magnetisk kreds bestående af hætten 12, poldelene 14-18, luft-35 spalten 28 og ankeret 22. Denne fluxstrøm skaber en kraft, som forsøger at bevæge ankeret 22 opad, set i fig. 1, og imod forspændingskraften i fjederen 24.

DK 154590 B

4

Et magnetiserbart element eller flere elementer er anbragt i 1 uftspalteområdet. Alternative magnetiserbare elementkonfigurationer er vist i de forstørrede billeder af 1 uftspalteregio-nerne vist i fig. 2-4.

5 I fig. 2 består de magnetiserbare elementer af et par identiske ringformede skiver 34 og 36, som hver er fastgjort til en tilsvarende overflade henholdsvis af 30 og 32. Hver skive 34 og 36 har en skråt afskåret tværsnitsform med de største 10 sider fastgjort til henholdsvis poldelen 14 og ankeret 22 og med de mindre sider strækkende sig hen imod hinanden og ind i luftspalten 28. Mere specielt har hver skive 34 og 36 et tværsnit af form som en ligebenet trekant med sider, som f.eks. danner en vinkel på 27° med deres grundlinie. Spidserne af 15 skiverne er orienterede hen imod midten af luftspalten 28 og hen imod hinanden. Skiverne er dannet af et magnetisk materiale, som ved lave fluxtætheder har en højere magnetisk permeabilitet end den i stål, og som brat går i mætning ved fluxtætheder, som er lavere end den fluxtæthed, ved hvilken stålet 20 i ankeret og poldelene går i mætning. Et eksempel på et egnet skivemateriale er kendt under navnet "Mumetal".

En alternativ udførelsesform for det magnetiserbare element er vist i fig. 3. I denne udførelsesform er det magnetiserbare 25 element en enkelt ringformet mumetalring 40, som har et tra-pezformet tværsnit med sin største ende fastgjort til ankeret 22 med sin mindste ende strækkende sig ind i luftrummet 28 og med sine sider dannende f.eks. en vinkel på 45° med grundlinien .

30

En tredje udførelsesform 50 for det magnetiserbare element er vist i fig. 4, hvor elementet 50 har form af en flad skive med indre og ydre cylindriske perifere overflader 52 og 54. Ringformede riller 56 og 58 er dannet i overfladerne 52 og 54.

35 Arealet mellem rillerne 56 og 58 udgør et fluxindsnørende areal eller område, hvor der sker en magnetisering.

Når strøm sendes gennem spolen 20 i solenoiden 10, strømmer en magnetisk flux gennem dækslet 12, poldelen 14, luftspalten 28,

DK 154590 B

5 det magnetiserbare element i luftspalten, ankeret 22 og poldelen 18 og skaber således en kraft, som forsøger at bevæge ankeret 22 opad, set i fig. 1, for at formindske den aksiale længde af luftspalten 28. Den ikke-magnetiske natur hos den 5 rustfrie ståldel 16 tvinger fluxen til at strømme gennem luftspalten. For relativt små luftspaltelængder kan kraften F tilnærmelsesvis beskrives med ligningen F = A((I*n)/(L·C))2 10 hvor A er arealet af kernen, n antallet af vindinger i spolen, L længden af luftspalten og C en konstant. Således kan det ses, at et almindeligt ikke-lineært kraft-strømforhold udledes af dets afhængighed af kvadratet på strømmen I.

15

Dette almindelige kraft-strømforhold udledes også af den kendsgerning, at de fleste almindelige solenoider opererer ved f1uxniveauer, hvori den magnetiske permeabilitet af materialerne i f1uxstrømvejen vokser med voksende fluxtæthed og såle- 20 des med voksende strøm. Således bidrager den kendsgerning, at den totale reluktans (eller modstand mod magnetisk fluxstrøm) i komponenterne i den almindelige solenoide vokser i afhængighed af voksende fluxtætheder og spolestrøm også til den ikke-lineære natur af kraft-strømforholdet.

25

Virkningen af udførelsesformerne i fig. 1 og 2 vil nu blive beskrevet ud fra den antagelse, at længden af luftspalten mellem overfladerne 30 og 32 på poldelen 14 og ankeret 22 bliver holdt konstant, medens strømmen i spolen 20 bliver varieret.

30 Det må antages, at på grund af den skråt afskårne form af skiverne 34 og 36 vil den magnetiske flux, som strømmer fra den ene skive til den anden og tværs over luftspalten 28, have en tendens til at blive sammentrængt eller koncentreret ind imod en centerlinie (i virkeligheden en cylinderformet overflade), 35 som forbinder spidserne af de to skiver. Dette sker, fordi fluxen har en tendens til at strømme ad den vej, der har mindste reluktans, som i dette tilfælde er i området med den korteste afstand eller den korteste 1 uftspaltelængde mellem ski-

DK 154590 B

6 verne 34 og 36. Når spolestrømmen og den magnetiske flux vokser i størrelsen, antages det, at det lille område rundt om spidserne af hver skive bliver mættet med magnetisk flux. Eftersom skiverne er mumetal, sker denne mætning ved en fluxtæt-5 hed og et strømniveau, som er lavere end de strømniveauer, der giver f1uxtætheder, ved hvilke mætning ville indtræffe i de andre dele af solenoiden 10, såsom dækslet 12, poldelene 14 og 18 og ankeret 22. Når nu først et område af skiverne er blevet fluxmættet, vil dettes reluktans over for fluxstrømning vokse, 10 hvis strømmen og fluxen forøges yderligere. Denne reluktans forøgelse modvirker reluktansformindskelsen i de andre dele af solenoiden og reducerer kraft-strømforholdets afhængighed af kvadratet på strømmen og vil således have en tendens til at linearisere den ellers kvadratiske natur hos kraftstrømforhol-15 det.

Det må ligeledes antages, at når strømmen og fluxen vokser, vil størrelsen af de mættede områder nær ved spidserne af skiverne 34 og 36 også vokse. Således vil kanterne af de umættede 20 områder på skiverne 34 og 36 bevæge sig længere bort fra hinanden ved voksende spolestrøm. Denne voksende afstand mellem de umættede områder har en virkning, som er analog med en forøgelse af længden af luftspalten, hvilket også virker som en forøgelse af den totale reluktans i f1uxstrømvejen og således 25 yderligere hjælper med til en 1 i neari sering af kraft-strømforholdet .

Ovenstående driftsbeskrivelse har også relation til udførelsesformen i fig. 3, bortset naturligvis fra at det variable 30 mætbare område er begrænset til kun den ene skive 40.

Nu med henvisning til udførelsesformen i fig. 4 vil forøgelser i spolestrøm og flux bevirke en magnetisering af området i skiven 50 mellem rillerne 56 og 58. Når magnetiseringen ind-35 træffer, vokser reluktansen af skiven 50 som følge af yderligere forøgelse i strøm og flux. Ligeledes vil mere flux, når området af skiven 50 mættes, have en tendens til at strømme direkte tværs over luftspalten afgrænset af de to riller 56 og

Claims (7)

1. Solenoide omfattende et polelement (14), et hult cylinder-25 formet anker (22), der kan bevæges i forhold til polelementet, hvor polelementet og ankeret er således placerede, at de definerer en luftspalte (28), og hvor luftspalten, polelementet og ankeret sammen danner i hvert fald en del af en magnetisk kreds, samt en spole (20), der er anbragt rundt om polelemen-30 tet, og som kan gøres strømførende, så den skaber en magnetisk kraft, der kan bevæge ankeret i forhold til polelementet, og hvor områder i polfladerne ved luftspalten er indrettet til at gå i mætning, kendetegnet ved, at den magnetiske kreds i luftspalten (28) inkluderer et ringformet magnetiser-35 bart element (36,40,50) af et sådant materiale, at det brat går i mætning ved en lavere fluxtæthed end den fluxtæthed, ved hvilken der fremkommer mætning af polelementet (14) eller ankeret (22), og at elementet samtidigt er dimensioneret såle- DK 154590 B des, at mætning i den magnetiske kreds først fremkommer i elementet.

2. Solenoide ifølge krav 1, kendetegnet ved, at 5 det magnetiserbare element (36,40,50) er placeret på en af de to endeflader (30,32) på henholdsvis ankeret (22) og polelementet (14).

3. Solenoide ifølge krav 2, kendetegnet ved, at 10 et andet magnetiserbart element (34) med de i krav 1 omtalte egenskaber er placeret på den anden af de to endeflader (30,32).

4. Solenoide ifølge et eller flere af kravene 1-3, k e n -15 detegnet ved, at det eller hvert af de magnetiserbare elementer (34,36,40,50) er formet således i tværsnit, at det har en basisdel og en sammentrængt del, der er snævrere end basisdelen.

5. Solenoide ifølge krav 4, kendetegnet ved, at det eller hvert af de magnetiserbare elementer (34,36,40) tilspidser hen imod luftspalten (28).

6. Solenoide ifølge krav 4, kendetegnet ved, at 25 den sammentrængte del er afgrænset af mindst én rille (56,58), som er dannet i en periferioverflade på det magnetiserbare element (50).

7. Solenoide ifølge et eller flere af kravene 1-6, k e n - 30 detegnet ved, at det magnetiserbare element eller hvert af de magnetiserbare elementer (34,36,40,50) er af "Mumetal” . 35