RU2339107C1

RU2339107C1 - Multimodule quick-operating polarised two-position electromagnet with clapper

Info

Publication number: RU2339107C1
Application number: RU2007134136/09A
Authority: RU
Inventors: Александр Валентинович Павленко (RU); Александр Валентинович Павленко; Валерий Петрович Гринченков (RU); Валерий Петрович Гринченков; Денис Владимирович Батищев (RU); Денис Владимирович Батищев; Ирина Александровна Павленко (RU); Ирина Александровна Павленко; Эберхард Калленбах (DE); Эберхард Калленбах
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2008-11-20

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention is attributed to the field of electric engineering. Each electromagnet module contains magnetic conductor with sharply defined poles and non-magnetic flanges, control windings and four-pole anchor with sharply defined poles, which anchor is rigidly connected with torsion spring which is attached to one non-magnetic flange of magnetic conductor and is freely passing through the other flange, and is installed with possibility to turn in interpolar space of magnetic conductor. Magnetic conductor consists of two plates, non-magnetic spacer sleeves and constant magnets installed between plates of magnetic conductor at that in the plates of magnetic conductor and in non-magnetic spacer sleeves mounting holes are made. Four-pole anchor is made with magnetic shunts in the form of projections, all modules are joined by means of rigid fixing of four-pole anchors on common torsion spring.

EFFECT: power consumption decrease, providing of predefined operation speed and travel speed of moving element when overall size of electromagnet is limited in one of the dimensions.

3 dwg

Description

Мультимодульный быстродействующий поляризованный двухпозиционный электромагнит с поворотным якорем предназначен для использования в промышленных и бытовых технических объектах, содержащих исполнительные органы, которые обеспечивают заданные динамические характеристики. Изобретение относится к области электротехники.A multi-module high-speed polarized on-off two-position electromagnet with a rotary armature is designed for use in industrial and domestic technical facilities containing actuators that provide specified dynamic characteristics. The invention relates to the field of electrical engineering.

Известен поляризованный электромагнит (DE 102004037360 А1), содержащий якорь, жестко связанный с исполнительным механизмом, два постоянных магнита, расположенных в крайних положениях движения якоря, а также торсионную пружину или иной механизм с аналогичной силовой характеристикой, который удерживает якорь в нейтральном положении. Одна из предлагаемых в патенте конструкций электромагнита содержит четырехполюсный магнитопровод, двухполюсный якорь с общей обмоткой управления.Known polarized electromagnet (DE 102004037360 A1) containing an anchor rigidly connected to the actuator, two permanent magnets located in the extreme positions of the movement of the armature, as well as a torsion spring or other mechanism with a similar power characteristic that holds the armature in a neutral position. One of the designs of the electromagnet proposed in the patent contains a four-pole magnetic circuit, a two-pole armature with a common control winding.

Недостатком является то, что такое решение значительно снижает развиваемый электромагнитом момент и, следовательно, увеличивает время его переключения. При ограниченных размерах электромагнита это может оказаться существенным недостатком.The disadvantage is that such a solution significantly reduces the moment developed by the electromagnet and, consequently, increases its switching time. With limited sizes of the electromagnet, this can be a significant drawback.

Известен быстродействующий двухпозиционный электромагнит с поворотным якорем, содержащий шихтованный магнитопровод с немагнитными фланцами и с явно выраженными полюсами, обмотку управления и шихтованный четырехполюсный якорь с явно выраженными полюсами, который жестко связан с торсионной пружиной, закрепленной на одном немагнитном фланце и свободно проходящей через другой фланец, и установленный с возможностью поворота в межполюсном пространстве магнитопровода, а переключение якоря из одного положения в другое осуществляется с помощью одной обмотки управления (патент РФ №2261495).A fast-acting two-position electromagnet with a rotary armature is known, comprising a lined magnetic core with non-magnetic flanges and with distinct poles, a control winding and a laced four-pole armature with distinct poles, which is rigidly connected to a torsion spring mounted on one non-magnetic flange and freely passing through the other flange, and installed with the possibility of rotation in the interpolar space of the magnetic circuit, and the switching of the armature from one position to another is carried out with by the power of one control winding (RF patent No. 2261495).

Недостаток данного технического решения заключается в том, что для переключения якоря и удержания его в крайних положениях обмотка управления должна быть постоянно подключена к источнику питания, что ведет к росту энергопотребления электромагнита и тепловыделения в нем.The disadvantage of this technical solution is that to switch the armature and hold it in extreme positions, the control winding must be constantly connected to a power source, which leads to an increase in the energy consumption of the electromagnet and heat dissipation in it.

Задачей изобретения является снижение энергопотребления электромагнита и обеспечение заданного быстродействия и скорости перемещения подвижного элемента при ограниченных габаритных размерах электромагнита в одном из измерений.The objective of the invention is to reduce the energy consumption of the electromagnet and to provide a given speed and speed of movement of the movable element with limited overall dimensions of the electromagnet in one of the measurements.

Поставленная задача решается с помощью мультимодульного быстродействующего поляризованного двухпозиционного электромагнита с поворотным якорем, каждый модуль которого содержит магнитопровод с немагнитными фланцами и с явно выраженными полюсами, обмотки управления и четырехполюсный якорь с явно выраженными полюсами, жестко связанный с торсионной пружиной, закрепленной на одном немагнитном фланце и свободно проходящей через другой фланец, и установленный с возможностью поворота в межполюсном пространстве магнитопровода, причем магнитопровод состоит из двух пластин с крепежными отверстиями, между пластинами магнитопровода установлены постоянные магниты и немагнитные распорные втулки, четырехполюсный якорь выполнен с магнитными шунтами в виде выступов, с возможностью объединения конструкции в единый модуль, несколько таких модулей путем жесткого крепления якорей на торсионной пружине объединяются в мультимодульный электромагнит.The problem is solved with the help of a multi-module high-speed polarized two-position electromagnet with a rotary armature, each module of which contains a magnetic circuit with non-magnetic flanges and with distinct poles, control windings and a four-pole armature with distinct poles, rigidly connected to a torsion spring fixed to one non-magnetic flange and freely passing through another flange, and installed with the possibility of rotation in the interpolar space of the magnetic circuit, and the nitro line consists of two plates with mounting holes, permanent magnets and non-magnetic spacer sleeves are installed between the plates of the magnetic core, the four-pole armature is made with magnetic shunts in the form of protrusions, with the possibility of combining the structure into a single module, several of these modules are rigidly attached to the torsion spring are combined into multimodular electromagnet.

На фигуре 1 представлен мультимодульный быстродействующий поляризованный двухпозиционный электромагнит с поворотным якорем.The figure 1 presents a multi-module high-speed polarized on-off two-position electromagnet with a rotary armature.

На фигуре 2 представлен модуль быстродействующего поляризованного электромагнитного механизма с поворотным якорем.The figure 2 presents the module of a high-speed polarized electromagnetic mechanism with a rotary armature.

На фигуре 3 представлен фрагмент магнитной системы с магнитным потоком, замыкающимся через постоянный магнит.Figure 3 shows a fragment of a magnetic system with a magnetic flux closing through a permanent magnet.

Мультимодульный быстродействующий поляризованный двухпозиционный электромагнит с поворотным якорем содержит магнитопровод 1, состоящий из пластин, выполненных из магнитомягкого материала с явно выраженными полюсами, на которых расположены обмотки управления 2, постоянные магниты 3, задающие поляризующий магнитный поток, замыкающийся через магнитопровод 1, и один из соответствующих полюсов четырехполюсного якоря 4 с явно выраженными полюсами и магнитными шунтами в виде выступов, совершающего поворот в межполюсном пространстве магнитопровода 1 на жестко связанной с ним торсионной пружине 5, которая закреплена на одном немагнитном фланце 6 и свободно вращается в другом. Через крепежные отверстия 7 в магнитпроводе 1 и распорных немагнитных втулках 8 осуществляется сборка модуля электромагнита. Второй фланец, стоящий перед модулем 1, через который проходит торсионная пружина, на фигуре 1 не показан.A multimodular high-speed polarized on-off two-position electromagnet with a rotary armature contains a magnetic circuit 1, consisting of plates made of soft magnetic material with distinct poles, on which control windings 2 are located, permanent magnets 3 defining a polarizing magnetic flux closing through magnetic circuit 1, and one of the corresponding poles of a four-pole anchor 4 with pronounced poles and magnetic shunts in the form of protrusions, which rotates in the interpolar space magnet wire 1 rigidly associated torsion spring 5, which is fixed on one nonmagnetic flange 6 and rotates freely in the other. Through the mounting holes 7 in the magnetic wire 1 and spacer non-magnetic bushings 8 is the Assembly of the electromagnet module. The second flange facing the module 1 through which the torsion spring passes is not shown in FIG. 1.

Мультимодульный быстродействующий поляризованный двухпозиционный электромагнит с поворотным якорем работает следующим образом. В исходном состоянии обмотки управления 2 обесточены, а четырехполюсные якоря 4 притянуты, например, к правым сторонам соответствующих полюсов магнитопроводов 1. Удержание четырехполюсных якорей 4 в таком состоянии обеспечивается электромагнитной силой, создаваемой поляризующим потоком постоянных магнитов 3, которая превышает силу, создаваемую торсионной пружиной 5, действующей в противоположном направлении. Для переключения электромагнита в обмотки управления 2 подается импульс тока с такими параметрами, чтобы возникающий при этом размагничивающий поток уменьшил удерживающую электромагнитную силу ниже значения силы, созданной торсионной пружиной 5. Четырехполюсные якоря 4 отрываются от полюсов магнитопроводов 1 и под действием торсионной пружины 5 начинают поворачиваться. После прохождения четырехполюсными якорями 4 нейтрального положения подается управляющий сигнал, создающий магнитный поток, согласный с поляризующим потоком постоянных магнитов 3, и под суммарным действием сил инерции и электромагнитного момента четырехполюсные якоря 4 оказываются притянутыми к противоположной левой стороне полюсов магнитопроводов 1. При приближении четырехполюсных якорей 4 к левой стороне полюсов магнитопроводов 1 параметры импульса тока выбираются такими, чтобы обеспечить переход четырехполюсных якорей 4 в крайнее положение с требуемой скоростью подвижной части в конце хода. В крайнем положении четырехполюсные якоря 4 вновь удерживаются у полюсов магнитопроводов 1 за счет электромагнитной силы, создаваемой поляризующим потоком постоянных магнитов 3. Для возврата четырехполюсных якорей 4 в исходное положение в обмотки управления 2 подается размагничивающий импульс тока с параметрами, необходимыми для обеспечения отрыва четырехполюсных якорей 4, и процесс повторяется аналогично описанному выше.A multimodular high-speed polarized two-position electromagnet with a rotary armature operates as follows. In the initial state, the control windings 2 are de-energized, and the four-pole anchors 4 are drawn, for example, to the right sides of the corresponding poles of the magnetic cores 1. Holding the four-pole anchors 4 in this state is ensured by the electromagnetic force created by the polarizing flux of permanent magnets 3, which exceeds the force created by the torsion spring 5 acting in the opposite direction. To switch the electromagnet, a current pulse with such parameters is supplied to the control windings 2 so that the resulting demagnetizing flux reduces the holding electromagnetic force below the value of the force created by the torsion spring 5. The four-pole anchors 4 are detached from the poles of the magnetic cores 1 and begin to rotate under the action of the torsion spring 5. After the four-pole anchors 4 have passed the neutral position, a control signal is generated that generates a magnetic flux that is consistent with the polarizing flux of permanent magnets 3, and under the combined action of the inertia forces and electromagnetic moment, the four-pole anchors 4 are pulled to the opposite left side of the poles of the magnetic cores 1. When the four-pole anchors 4 approach to the left side of the poles of the magnetic circuits 1, the parameters of the current pulse are selected so as to ensure the transition of the four-pole anchors 4 to the extreme position at the desired speed of the moving part at the end of the stroke. In the extreme position, the four-pole anchors 4 are again held at the poles of the magnetic cores 1 due to the electromagnetic force created by the polarizing flux of permanent magnets 3. To return the four-pole anchors 4 to their initial position, a demagnetizing current pulse with the parameters necessary to ensure the separation of the four-pole anchors 4 is supplied , and the process repeats as described above.

Параметры импульсов тока в обмотках управления 2 могут изменяться электронным коммутатором в соответствии с сигналами датчика положения четырехполюсных якорей 4 или задаваться постоянными исходя из требуемых параметров электромагнитного механизма.The parameters of the current pulses in the control windings 2 can be changed by the electronic switch in accordance with the signals of the position sensor of the four-pole anchors 4 or set constant based on the required parameters of the electromagnetic mechanism.

Магнитный поток постоянных магнитов 3 замыкается по пути, показанном на фигуре 2, и обеспечивает независимую работу каждой пары полюсов магнитопроводов 1. Число полюсов электромагнита определяется необходимым углом поворота якоря и может быть равным двум, трем, четырем и т.д. В аналоге для создания магнитного потока, определяющего суммарный электромагнитный момент, участвуют два полюса магнитопровода и два полюса якоря, т.е. число полюсов должно быть четным.The magnetic flux of permanent magnets 3 is closed along the path shown in figure 2, and provides independent operation of each pair of poles of the magnetic cores 1. The number of poles of the electromagnet is determined by the required angle of rotation of the armature and can be equal to two, three, four, etc. In the analogue, to create a magnetic flux that determines the total electromagnetic moment, two poles of the magnetic circuit and two poles of the armature, i.e. the number of poles must be even.

Положительный эффект от предлагаемого технического решения заключается в том, что удержание якоря в крайних положениях обеспечивается без дополнительных затрат энергии за счет магнитного потока, создаваемого постоянным магнитом. Для переключения якоря в обмотки управления подается короткий импульс тока, что значительно снижает среднюю мощность, потребляемую электромагнитом. Поскольку при переключении электромагнита используется принцип резонанса механической системы, то время переключения t_пер составляет половину периода собственной частоты системыA positive effect of the proposed technical solution lies in the fact that the anchor is held in extreme positions without additional energy costs due to the magnetic flux generated by the permanent magnet. To switch the armature, a short current pulse is supplied to the control windings, which significantly reduces the average power consumed by the electromagnet. Since when switching the electromagnet the principle of resonance of a mechanical system is used, the switching time t _per is half the period of the natural frequency of the system

,

где J - суммарный момент инерции якоря и механизма, которым управляет ЭМ;where J is the total moment of inertia of the armature and the mechanism that controls the EM;

φ_к - предельный угол поворота якоря, относительно его нейтрального положения;φ _to - the maximum angle of rotation of the anchor, relative to its neutral position;

М - момент, созданный торсионной пружиной при угле поворота φ_к.M is the moment created by the torsion spring at an angle of rotation φ _to .

Для удержания якоря в крайних положениях (угол поворота = ± φ_к) электромагнитный момент М_эл должен превышать момент М. Следовательно, при росте момента инерции J необходимо увеличивать момент М_эл. Предложенная модульная конструкция электромагнита позволяет за счет установки на общем якоре нескольких модулей наращивать результирующий момент М_эл∑ без увеличения размеров электромагнита в плоскости, перпендикулярной оси вращения якоря.To keep the anchor in extreme positions (angle of rotation = ± φ _k ), the electromagnetic moment M _el must exceed the moment M. Therefore, with an increase in the moment of inertia J, it is necessary to increase the moment M _el . The proposed modular design of the electromagnet allows, due to the installation of several modules on a common anchor, to increase the resulting moment M _el without increasing the size of the electromagnet in a plane perpendicular to the axis of rotation of the armature.

Claims

A multi-module high-speed polarized two-position electromagnet with a rotary armature, each module of which contains a magnetic circuit with pronounced poles and non-magnetic flanges, control windings and a four-pole armature with distinct poles, rigidly connected to a torsion spring, which is fixed on one non-magnetic flange of the magnetic circuit and freely passes through another , and installed with the possibility of rotation in the interpolar space of the magnetic circuit, characterized in that the magnetic circuit consists of two plates, non-magnetic spacer sleeves and permanent magnets mounted between the plates of the magnetic circuit, and mounting plates are made in the plates of the magnetic circuit and non-magnetic spacer sleeves, the four-pole armature is made with magnetic shunts in the form of protrusions, all modules are combined by rigidly fastening the four-pole anchors on a common torsion spring .