PL207196B1

PL207196B1 - Elektromagnetyczne urządzenie przełączające

Info

Publication number: PL207196B1
Application number: PL369284A
Authority: PL
Inventors: Richard P. Kolb; Kevin G. Nowobilski
Original assignee: Woodward Governor Co
Priority date: 2003-08-01
Filing date: 2004-07-26
Publication date: 2010-11-30
Also published as: GB2404790A; JP4392555B2; US20070257757A1; US7280019B2; GB2404790B; US8274348B2; PL369284A1; GB0416076D0; JP2005064491A; US20050024174A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest elektromagnetyczne urządzenie przełączające, złożone z korpusu z nawiniętą wokół niego pojedynczą cewkę z drutu, ruchomej zwory znajdującej się wewnątrz pojedynczej cewki, oraz magnesu trwałego.

Elektromagnetyczne urządzenia przełączające, jak solenoidy, mają powszechne zastosowania, na przykład w urządzeniach odcinających paliwo, lub w różnych rodzajach pomp cieczy. Solenoidy często są wykorzystywane w przepustnicach, zasysaczach, zaworach, sprzęgłach i podzespołach silnika zabezpieczających przez przekroczeniem prędkości. Solenoidy stosowane są w różnych urządzeniach napędzanych silnikiem, jak łodzie, sprzęt do pielęgnacji trawników, pojazdy, generatory i podobne.

Solenoidy są tak zaprojektowane, aby przetwarzać energię elektryczną na pracę mechaniczną. Zwykle, ruchoma zwora magnetyczna, albo trzpień przemieszcza się liniowo z jednego do innego położenia, kiedy w cewce/cewkach, w której jest umieszczona zwora/trzpień, płynie prąd. Płynący przez cewkę/i prąd wytwarza pole magnetyczne wokół zwory, który powoduje w siłowniku ruch w jednym kierunku. W związku z tym, zwora może być połączona z urządzeniem, lub częścią wyposażenia, które zwora ta może włączyć, wyłączyć, otwierać bądź zamykać po pobudzeniu w cewce prądu.

Solenoidy zawierają zwykle pojedynczą cewkę, albo parę cewek z drutu miedzianego. W solenoidzie z pojedynczą cewką po wzbudzeniu w niej prądu wytwarzane jest pole magnetyczne, które powoduje ruch trzpienia bądź zwory magnetycznej. Pole magnetyczne przesuwa zazwyczaj trzpień do położenia wciągniętego bądź aktywnego. W solenoidzie z pojedynczą cewką płynący przez cewkę prąd w celu wytworzenia pola magnetycznego powodującego ruch zwory lub trzpienia magnetycznego, musi być wystarczający nie tylko do pchania, lub wciągania trzpienia, ale musi być również wystarczający do utrzymywania trzpienia w położeniu aktywnym. Niedogodnością solenoidu z pojedynczą cewką jest to, że po zasilaniu cewki przez długi okres czasu może nastąpić jej przegrzanie powodujące niesprawność solenoidu. W celu usunięcia tej niedogodności, w zastosowaniach, w których może zachodzić potrzeba utrzymywania trzpienia bądź zwory magnetycznej w położeniu aktywnym przez długi okres czasu, zazwyczaj wykorzystuje się solenoidy z dwiema cewkami.

Typowy solenoid z dwiema cewkami przedstawiony jest na fig. 1. Solenoid 10 zawiera pierwszą lub ciągnącą cewkę 12 i drugą lub trzymającą cewkę 14. Zwoje pierwszej cewki 12 zasilane są prądem o wysokim natężeniu w celu dostarczenia maksymalnej siły ciągnącej, lub pchającej działającej na trzpień 16. Druga cewka 14 wykorzystywana jest do utrzymywania trzpienia 16 w położeniu, które osiąga trzpień po wykonaniu pełnego skoku, do czego potrzeba jest mniej energii. Cewki 12 i 14 wykonane są zwykle z drutu miedzianego, a trzpień wykonany jest z materiału magnetycznego, na który nałożona jest powłoka odporna na zużycie, tarcie i korozję. Natężenie prądu potrzebne do utrzymania trzpienia 16 w położeniu trzymającym jest zazwyczaj mniejsze niż to, które potrzebne jest do pchania, lub ciągnięcia trzpienia 16, zatem solenoid z dwiema cewkami może być zasilany w sposób ciągły, nie powodując przegrzania. Cewki 12 i 14, jak również trzpień 16, umieszczone są zazwyczaj w stalowej obudowie 18, która może być wyposażona w obejmy montażowe 20 umożliwiające zamocowanie solenoidu do ramy, albo innej części wyposażenia. Niektóre solenoidy mogą być ponadto wyposażone w sprężynę powrotną 22, która wykorzystywana jest do ustawiania trzpienia 16 w położeniu spoczynkowym. Siła magnetyczna działająca na trzpień 16, wytworzona przez prąd o wysokim natężeniu płynący przez pierwszą cewkę 12, musi być wystarczająca do pokonania siły ustawiającej sprężyny 22. W solenoidach wykorzystujących sprężynę powrotną 22, stosowana jest zwykle elastyczna osłona 24 obejmująca sprężynę powrotną 22 i chroniąca ją przed kurzem. Osłona 24 montowana jest zwykle, lub łączona z obudową 18. Na przeciwnym końcu obudowy 18 umieszczony jest zwykle podwójny przełącznik przerywający 26, który steruje zasilaniem cewek. Przełącznik przerywający 26 może być pobudzany w taki sposób, że zapewnia dynamiczne sterowanie natężenia prądu płynącego przez cewkę ciągnącą/pchającą 12 i cewkę trzymającą 14. Podwójny przełącznik przerywający 26 uszczelniony jest zwykle przed kurzem i pyłem za pomocą osłony 28, która przytwierdzona jest do obudowy 18. Poprzez osłonę 28 wyprowadzone są łączówki 30 celem przyłączenia przewodów elektrycznych do solenoidu.

Jak pokazano na fig. 1, typowy solenoid wykonany jest z drutu miedzianego nawiniętego na nieprzewodzący, niemagnetyczny korpus, które tworzą razem zespół cewki. Zespół cewki osadzony w przewodzącej magnetycznie osłonie tworzy z nią elektromagnes, który podczas zasilenia może wytwarzać siłę działającą na ruchomy obiekt magnetyczny taki jak trzpień lub zwora. Siła działająca na trzpień jest wprost proporcjonalna do natężenia prądu i liczby zwojów drutu na korpusie. Im większa jest zatem liczna amperozwojów, tym większa jest wytwarzana siła. Z tego proporcjonalnego związku

PL 207 196 B1 wynika, że zwiększając liczbę zwojów cewki, bądź zwiększając natężenie prądu, możliwe jest zwiększenie wielkości wytwarzanej siły. W niektórych solenoidach dla określonych zastosowań, wykorzystuje się dwie oddzielne cewki nawinięte na jednym korpusie. Jak opisano powyżej, cewki te zazwyczaj określane są jako cewka „ciągnąca” i cewka „trzymająca”.

Cewka ciągnąca jest tak skonstruowana, aby przewodzić prąd o bardzo wysokim natężeniu celem wytworzenia względnie dużych sił działających początkowo na trzpień bądź zworę magnetyczną. Ta duża siła działa zwykle przez krótki okres czasu, po którym prąd jest odłączany, aby chronić cewkę przed przegrzaniem. Cewka trzymająca działa zwykle z wykorzystaniem prądu o znacznie niższym natężeniu, co wynika z faktu, że do utrzymywania zwory bądź trzpienia magnetycznego w danym położeniu potrzebna jest znacznie mniejsza ilość energii niż do wytworzenia siły „ciągnięcia”. Cewki ciągnące odłączane są na różne sposoby, ale dwoma najpowszechniejszymi z nich są mechaniczny i elektroniczny. W sposobie mechanicznym odłączania cewki cią gną cej, do przerwania obwodu elektrycznego wykorzystywany jest zwykle trzpień w punkcie zwrotnym skoku poprzez otwarcie zestawu styków przełącznika, który jest częścią solenoidu. Położenie tych styków jest krytyczne, jak również ich zdolność do przewodzenia prądów o wysokim natężeniu. Konstrukcja przełącznika ma swoje własne unikalne wymagania, które muszą być uwzględnione w konstrukcji całościowej solenoidu, co stwarza dalszą komplikacje solenoidu, jak również zwiększa koszty wytwarzania i potencjalne obawy o niezawodność. Z drugiej strony, w celu realizacji funkcjonalnoś ci przełączającej, sterowane elektronicznie solenoidy mogą wykorzystywać przekaźniki, lub półprzewodnikowe urządzenia przełączające. Jednakże, elementy elektroniczne zwiększają koszty solenoidu. W innym elektronicznym sposobie przełączania stosowana jest pojedyncza cewka nawiniętego drutu, podobna do cewki ciągnącej, w której stosowany jest prąd o wysokim natężeniu celem wytworzenia dużej siły początkowej. Stosowana elektronika zapewnia więc początkowo pełne zasilanie. Kiedy trzpień wykona pełny skok, zwykle po określonym przedziale czasu, elektronika rozpoczyna włączanie i odłączanie zasilania ze względnie wysoką częstotliwością, co zmniejsza efektywną wartość natężenia prądu. Proces ten określany jest jako modulacja szerokości impulsu i umożliwia wykorzystanie pojedynczej, wysokoprądowej cewki ciągnącej jako niskoprądowej cewki trzymającej. Jednakże, elektronika nie tylko zwiększa koszty wytwarzania, ale również złożoność konstrukcyjną solenoidu.

Opis patentowy Stanów Zjednoczonych A. P. nr US 6 218 921 ujawnia elektromagnetyczne urządzenie przełączające wyposażone w solenoid. Solenoid składa się z pojedynczej cewki, ruchomego trzpienia znajdującego się na zewnątrz otworu cewki, magnesu trwałego znajdującego się na zewnątrz cewki wokół trzpienia, nieruchomego kołka znajdującego się wewnątrz otworu cewki, oraz sprężyny ściskającej osadzonej wokół nieruchomego kołka. Cewka solenoidu po naładowaniu energetycznym generuje pole magnetyczne wystarczające do przezwyciężenia przez sprężynę siły przyciągania między trzpieniem i nieruchomym kołkiem, a więc elementem, który przemieszcza trzpień po indukcji prądu w cewce jest sprężyna, a nie magnes trwały. Natomiast po rozładowaniu energetycznym cewki, siłownik może zostać ponownie nastawiony przez fizyczne popchnięcie trzpienia z powrotem do położenia cofniętego. W tym rozwiązaniu, siła przyciągania magnetycznego między trzpieniem i magnesem trwałym istnieje zawsze, niezależnie od tego czy cewka jest pobudzona energetycznie, czy nie.

Opis patentowy Stanów Zjednoczonych A. P. nr US 4 419 643 przedstawia solenoid złożony z czł onu cylindrycznego, z owinię tej wokół niego pojedynczej cewki, ruchomego rdzenia ż elaznego osadzonego wewnątrz członu cylindrycznego, a więc wewnątrz cewki, pierścieniowego magnesu trwałego, osadzonego w pobliżu końca ruchomego rdzenia żelaznego, przekładki niemagnetycznej, znajdującej się między członem cylindrycznym i pierścieniowym magnesem trwałym obwodowo wokół ścieżki ruchu rdzenia, oraz trwałego odbieralnika, znajdującego się w przeciwległym końcu członu cylindrycznego w stosunku do położenia magnesu trwałego. Przy braku przepływu prądu przez cewkę, rdzeń przyciągany jest przez magnes trwały. Również podczas przepływu prądu przez cewkę rdzeń przyciągany jest przez magnes trwały do zestyku z trwałym odbieralnikiem. Tak więc rdzeń żelazny solenoidu przemieszcza się tylko w wyniku przyciągania magnetycznego magnesu trwałego.

Celem wynalazku jest skonstruowanie takiego elektromagnetycznego urządzenia przełączającego, które zawierały by pojedynczą cewkę z drutu pełniącą obydwie funkcje: pchającą/ciągnącą oraz trzymającą bez dodatkowego wzrostu kosztów wytwarzania, jak również złożoności konstrukcyjnej z uwzględnieniem mechanicznych i elektronicznych zespołów przełączających.

Istotę wynalazku stanowi elektromagnetyczne urządzenie przełączające, złożone z korpusu z nawinię t ą wokół niego pojedyncz ą cewkę z drutu, ruchomej zwory znajdują cej się wewną trz pojedynczej cewki, oraz magnesu trwałego.

PL 207 196 B1

Elektromagnetyczne urządzenie przełączające charakteryzuje się tym, że magnes trwały oddzielony jest od zwory przekładką niemagnetyczną, przy czym magnes trwały przyciąga magnetycznie zworę po rozładowaniu energetycznym pojedynczej cewki, oraz odpycha magnetycznie tę zworę po naładowaniu energetycznym pojedynczej cewki. Ponadto, urządzenie wyposażone jest sprężynę powrotną, dociskającą zworę do przekładki niemagnetycznej w tym samym kierunku co kierunek przyciągania magnetycznego magnesu trwałego.

Kiedy cewka urządzenia elektromagnetycznego zasilana jest prądem, wtedy obiekt magnetyczny, korzystnie zwora względnie trzpień, przemieszcza się liniowo w otworze cewki. W przypadku braku zasilania cewki, zwora znajduje się w położeniu, w którym styka się z przekładką niemagnetyczną. W takich warunkach elektromagnetycznych, magnes trwały przyciąga zworę, dociskając ją do przekładki niemagnetycznej. Kiedy natomiast cewka zasilana jest prądem, wtedy powstają warunki elektromagnetyczne, w których zwora uzyskuje polaryzację magnetyczną taką samą jak polaryzacja magnesu trwałego. W wyniku takiej polaryzacji powstaje siła odpychania między zworą i magnesem trwałym, która odsuwa liniowo zworę od przekładki niemagnetycznej.

Po indukcji prądu w cewce, jego natężenie winno być wystarczające nie tylko do odwrócenia polaryzacji zwory, ale i do wytworzenia takiej siły działającej na zworę, która pokona również siłę dociskania sprężyny powrotnej.

Urządzenie wyposażone jest korzystnie w płytkę krańcową z bolcem przyciągającym połączoną z jednym końcem korpusu, przy czym między bolcem przyciągającym i zworą zaindukowana jest siła przyciągająca po naładowaniu energetycznym pojedynczej cewki. Siła przyciągania między bolcem przyciągającym i zworą jest wynikiem przeciwnych polaryzacji bolca i zwory po indukcji w cewce prądu.

Płytka krańcowa z bolcem przyciągającym zamocowana jest najkorzystniej na przeciwległym końcu względem sprężyny powrotnej.

W korzystnym rozwiązaniu urządzenia sprężyna powrotna dociska zworę do przekładki niemagnetycznej po rozładowaniu energetycznym pojedynczej cewki.

Korzystnie zwora ma pierwszą polaryzację po rozładowaniu energetycznym pojedynczej cewki, oraz drugą polaryzację po naładowaniu energetycznym pojedynczej cewki. Druga polaryzacja zwory jest najkorzystniej zgodna z polaryzacją magnesu trwałego, oraz przeciwna do polaryzacji płytki krańcowej.

Korzystnym jest, jeżeli sprężyna powrotna dociska w swym położeniu powrotnym ruchomą zworę w kierunku przekładki niemagnetycznej przy braku przepływu prądu w pojedynczej cewce.

Urządzenie wyposażone jest korzystnie w liczne elementy bocznikujące, rozmieszczone promieniowo wokół siłownika między pojedynczą cewką i magnesem trwałym.

Urządzenie zawiera w swym korzystnym rozwiązaniu konstrukcyjnym obudowę, w której znajduje się pojedyncza cewka, ruchoma zwora, przekładka niemagnetyczna, oraz korpus. W tym rozwiązaniu, z korpusem połączone są korzystnie liczne elementy bocznikujące, które najkorzystniej są tak rozmieszczone, że wraz ze zrostem odległości między tymi elementami i magnesem trwałym maleje siła trzymająca między ruchomą zworą i magnesem trwałym.

W jeszcze innym korzystnym rozwiązaniu urządzenia, między licznymi elementami bocznikującymi i obudową utworzona jest szczelina powietrzna.

W kolejnym korzystnym rozwiązaniu, urządzenie zawiera pierwszy obwód magnetyczny utworzony między ruchomą zworą w postaci trzpienia i magnesem trwałym odseparowanym od ruchomego trzpienia za pomocą przekładki niemagnetycznej, kiedy drut pojedynczej cewki nie jest naładowany energetycznie; oraz drugi obwód magnetyczny utworzony między ruchomym trzpieniem i członem przyciągającym, kiedy drut pojedynczej cewki naładowany jest energetycznie.

Korzystnie jeden koniec przekładki niemagnetycznej opiera się o magnes trwały, a jej drugi koniec opiera się o ruchomy obiekt magnetyczny w przypadku braku indukcji prądu w pojedynczej cewce.

Korzystnym jest, jeżeli sprężyna powrotna urządzenia znajduje się, przynajmniej częściowo, na zewnątrz solenoidu.

Wynalazek w przykładzie wykonania przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia konstrukcję znanego solenoidu, w widoku z boku z częściowym przekrojem podłużnym, fig. 2 - solenoid według wynalazku z wyłączonym zasilaniem cewki, w przekroju podłużnym, a fig. 3 - ten sam solenoid z włączonym zasilaniem, w przekroju podłużnym.

Przedstawiony na fig. 2 solenoid 32 według wynalazku z pojedynczą cewką i magnesem trwałym o dwukierunkowym wspomaganiu wyposażony jest w korpus 34 wokół którego owinięta jest pojedyncza cewka z drutu 36 w ustalonym położeniu przy jednym z końców solenoidu 32. Z korpusem 34 zintegrowane są elementy bocznikujące 40, które opisane są szczegółowo poniżej. Korpus 34 wypoPL 207 196 B1 sażony jest również w przekładkę niemagnetyczną 42 znajdującą się w sąsiedztwie magnesu trwałgo 38, oraz tworzącą stałą przestrzeń, lub dystans między ruchomym obiektem magnetycznym 44 i magnesem trwałym 38 w przypadku braku zasilania solenoidu 32.

Figura 2 ilustruje solenoid 32 w położeniu z odłączonym zasilaniem, w którym ruchomy obiekt magnetyczny 44, jak zwora magnetyczna, względnie trzpień, odseparowany jest od magnesu trwałego 38 za pomocą przekładki niemagnetycznej 42. W położeniu solenoidu z odłączonym zasilaniem, to znaczy kiedy przez cewkę 36 płynie zerowy, albo bardzo mały prąd, ruchomy obiekt magnetyczny 44 nie posiada polaryzacji i dlatego jest przyciągany przez magnes trwały 38 przyjmując jego charakterystykę. Utworzona między obiektem magnetycznym 44 i magnesem trwałym 38 siła przyciągania utrzymuje obiekt magnetyczny 44 w położeniu dociśniętym do przekładki niemagnetycznej 42. Dla znawców tej dziedziny techniki winno być oczywiste, że grubość przekładki niemagnetycznej 42 do uzyskania pożądanej siły trzymającej, aby wielkość energii/siły potrzebnej do zwolnienia obiektu magnetycznego 44 przy włączonym zasilaniu mogła być regulowana dla konkretnego zastosowania, może być różna. W celu uzyskania dodatkowej siły dociskającej siłownik do przekładki niemagnetycznej 42, może być opcjonalnie zastosowana i połączona z obiektem magnetycznym 44, jak zworą, sprężyna powrotna 46. Zatem siła wywierana na obiekt magnetyczny 44 składa się z sił wytworzonych przez magnes trwały 38 i sprężynę powrotną 46. Pozwala to na uzyskanie większej siły solenoidu w jego położeniu spoczynkowym, lub z odłączonym zasilaniem. Kiedy cewka 36 jest zasilana, wtedy obiekt magnetyczny 44, jak zwora, jest magnetycznie polaryzowany poprzez elementy bocznikujące 40, podobnie do magnesu trwałego 38. W rezultacie powstaje siła odpychania między magnesem trwałym 38 i obiektem magnetycznym 44, która dodaje się do siły przyciągania między bolcem przyciągającym 56 i obiektem magnetycznym 44. Ta sumaryczna siła musi być wystarczająca do pokonania siły pozycjonującej sprężyny powrotnej 46.

Wewnętrzne elementy solenoidu 32 zamknięte są w relatywnie sztywnej i trwałej obudowie 50. Do końca 52 obudowy, przeciwległego do końca gdzie umieszczony jest magnes trwały 38, przytwierdzona jest płytka krańcowa 54, do której z kolei przytwierdzony jest bolec przyciągający 56. Kiedy przez pojedynczą cewkę 36 nie płynie prąd, wówczas bolec przyciągający 56 i obiekt magnetyczny 44, jak zwora, nie mają realnej polaryzacji magnetycznej. Oznacza to, że między bolcem przyciągającym 56 i końcem obiektu magnetycznego 44 w pobliżu bolca przyciągającego 56 nie występuje siła przyciągająca. W tym przypadku, siły przyciągania magnesu trwałego 38 i sprężyny powrotnej 46 utworzone między nimi i obiektem magnetycznym 44 odpychają ten obiekt magnetyczny 44 od bolca przyciągającego 56. Tak więc magnes trwały 38, obiekt magnetyczny 44, jak zwora, elementy bocznikujące 40, oraz obudowa 50 solenoidu tworzą kompletny i wydajny obwód magnetyczny, który wytwarza względnie dużą siłę przyciągającą działającą na obiekt magnetyczny 44, a powodowaną przez magnes trwały 38. Wpływ magnesu trwałego 38 na obiekt magnetyczny 44 dodaje się do siły sprężyny powrotnej 46, co generuje względnie dużą siłę powrotną dociskającą obiekt magnetyczny 44 do położenia przy przekładce niemagnetycznej 42 w przypadku braku zasilania cewki 36.

Solenoid 32 zawiera elementy bocznikujące 40, które wspomagają tworzenie względnie dużej siły trzymającej obiekt magnetyczny 44, jak zworę, w przypadku braku zasilania pojedynczej cewki 36. Brak tych elementów powoduje, że ścieżka magnetyczna ma mniejszą wydajność z tego względu, że główna część strumienia magnetycznego musi przepływać przez obiekt magnetyczny 44 i „przeskoczyć” względnie dużą szczelinę powietrzną między tym obiektem magnetycznym 44 i bolcem przyciągającym 56. Ponadto, długość ścieżki magnetycznej byłaby znacznie większa, więc dlatego wymagana byłaby znacznie większa siła magnesu trwałego 38. W rezultacie punkt pracy magnesu trwałego 38 byłby znacznie niższy, co redukowałoby siłę trzymającą z jaką działa magnes trwały 38 na obiekt magnetyczny 44. Efektywność elementów bocznikujących 40 może być zmienna przez zmianę wielkości szczeliny powietrznej między elementami bocznikującymi 40 i obudową 50. Przerwa ta wpływa nie tylko na siłę trzymającą działającą na obiekt magnetyczny 44 w przypadku braku zasilania, ale wpływa również na wielkość energii potrzebnej do zwolnienia obiektu magnetycznego 44 w przypadku zasilania prądem pojedynczej cewki 36. Ponadto, osiowa lokalizacja elementów bocznikujących 40 względem magnesu trwałego 38 również wpływa na siłę trzymającą działającą na obiekt magnetyczny 44 w przypadku braku zasilania cewki 36, a także na wielkość energii potrzebnej do zwolnienia obiektu magnetycznego 44 w przypadku zasilania prądem pojedynczej cewki 36. Jeżeli więc odległość między elementami bocznikującymi 40 i magnesem trwałym 38 wzrasta, wówczas siła trzymająca pomiędzy obiektem magnetycznym 44 i magnesem trwałym 38 maleje. Dlatego też umiejscowienie elementów bocznikujących 40 względem magnesu trwałego 38, obudowy 50, solenoidu 32 i obiektu magnetyczne6

PL 207 196 B1 go 44 zwiększa efektywność obwodu magnetycznego, w rezultacie dając wzrost siły trzymającej w położeniu bez zasilania i redukcję energii potrzebnej do zwolnienia obiektu magnetycznego 44 podczas zasilania pojedynczej cewki 36.

W przypadku zerowego, względnie bardzo małego prądu płynącego przez pojedynczą cewkę 36 z drutu nawiniętego na korpus 34 przyjmuje się, że solenoid 32 znajduje się w stanie lub położeniu bez zasilania. W położeniu tym, polaryzacja obiektu magnetycznego 44, jak zwory, zależy od polaryzacji magnesu trwałego 38. Magnes trwały 38 wytwarza siłę przyciągającą obiekt magnetyczny 44. Siła magnesu trwałego 38 w połączeniu z siłą pozycjonującą sprężyny powrotnej 46 tworzy działającą na obiekt magnetyczny 44 względnie dużą siłę trzymającą, która, jak to zilustrowano na fig. 2, zapewnia pozycjonowanie obiektu magnetycznego 44, jak zwory, względem urządzenia lub wyposażenia, z którym obiekt magnetyczny 44 jest sprzęgnięty. A więc w celu utrzymywania obiektu magnetycznego 44 w położeniu spoczynkowym nie jest potrzebny przepływ prądu przez pojedynczą cewkę 36.

Figura 3 przedstawia solenoid 32 w położeniu, w którym przez pojedynczą cewkę 36 przepływa prąd. Polaryzacja cewki musi być taka, aby elementy bocznikujące 40 posiadały taką samą polaryzację jak powierzchnia czołowa magnesu trwałego 38, która znajduje się w pobliżu, względnie styka się z obiektem magnetycznym 44, jak zworą. Przepływ prądu przez cewkę 36 powoduje polaryzację obiektu magnetycznego 44 taką samą, jaką posiada magnes trwały 38. W związku z tym, między obiektem magnetycznym 44 i magnesem trwałym 38 tworzy się siła odpychająca. Ponadto, podczas przepływu prądu przez cewkę 36, polaryzacja bieguna obiektu magnetycznego 44 znajdującego się w pobliżu bolca przyciągającego 56 jest przeciwna do polaryzacji tego bolca, dlatego też między bolcem przyciągającym 56 i obiektem magnetycznym 44 wytwarza się siła przyciągająca. Jeżeli prąd płynący przez pojedynczą cewkę 36 posiada wystarczającą amplitudę, wówczas siła przyciągania wytworzona między bolcem przyciągającym 56 i obiektem magnetycznym 44 w połączeniu z siłą odpychania wytworzoną między obiektem magnetycznym 44 i magnesem trwałym 36 będzie wystarczająca do pokonania siły pozycjonującej sprężyny 46, co w efekcie spowoduje liniowy ruch obiektu magnetycznego 44 w otworze korpusu 34 w kierunku do płytki krańcowej 54. Ponadto, sprężyna powrotna 46 jest tak usytuowana i ściskana, że w przypadku braku przepływu prądu przez cewkę 36, obiekt magnetyczny 44 wyciągany jest z urządzenia lub wyposażenia, z którym był sprzęgnięty.

Drugi obwód magnetyczny utworzony jest przez obudowę 50, płytkę krańcową 54, bolec przyciągający 56, obiekt magnetyczny 44, oraz elementy bocznikujące 40 podczas przepływu prądu przez pojedynczą cewkę 36. Powstałe warunki elektromagnetyczne powodują, że obiekt magnetyczny 44, jak zwora, staje się magnesem o biegunach przeciwnych niż bieguny magnesu trwałego 38, przez co wytwarza się między nimi siła odpychająca. Ta siła odpychania w połączeniu z siłą przyciągania powstałą pomiędzy bolcem przyciągającym 56 i obiektem magnetycznym 44, minus siła mechaniczna lub pozycjonująca sprężyny powrotnej 46, wytwarza efektywnie większą siłę ciągnącą działającą na obiekt magnetyczny 44, niż ta możliwa do uzyskania tylko z cewki elektromagnetycznej. Po ustaniu zasilania cewki 36, sprężyna powrotna 46 wycofuje obiekt magnetyczny 44 aż do jej zetknięcia się z przekładką niemagnetyczną 42. A więc pole elektromagnetyczne zanika jak obiekt magnetyczny 44 zbliża się do magnesu trwałego 38, który przyciąga obiekt magnetyczny 44, powodując dodanie tej siły przyciągania do siły sprężyny powrotnej 46 przyłożonej do obiektu magnetycznego 44. Zatem, energia zgromadzona w magnesie trwałym 38 wykorzystywana jest do zwiększenia siły działającej na obiekt magnetyczny 44 w obydwu kierunkach jego przemieszczenia.

W alternatywnym rozwiązaniu wynalazku, między bolcem przyciągającym 56 i płytką krańcową 54 może być umieszczony drugi magnes trwały o odpowiedniej orientacji magnetycznej. Umieszczenie drugiego magnesu trwałego wspomaga magnetyczne dostrojenie siły wypadkowej działającej na obiekt magnetyczny 44. Oznacza to, że drugi magnes trwały może być tak zorientowany, aby zwiększyć siłę wywieraną na obiekt magnetyczny 44 przez bolec przyciągający 56. Dodatkowo, wewnątrz zwojów cewki wspomagających dostrojenie magnetyczne, może być umieszczony drugi zestaw elementów bocznikujących celem uzyskania pożądanej siły wypadkowej działającej na obiekt magnetyczny 44.

W ogólności, zgodnie z rozwiązaniem wynalazku solenoid elektromagnetycznego urządzenia przełączającego zawiera magnetycznie przewodzącą obudowę z umieszczoną w niej pojedynczą cewką zwiniętego drutu. Solenoid zawiera również ruchomy obiekt magnetyczny umieszczony w otworze pojedynczej cewki, który podatny jest na działanie siły magnetycznej w przypadku przepływu prądu przez pojedynczą cewkę. Solenoid zawiera również magnes trwały o stałej polaryzacji, który odpycha ruchomy obiekt magnetyczny w przypadku przepływu prądu przez pojedynczą cewkę, oraz przyciąga koniec ruchomego obiektu magnetycznego w przypadku braku przepływu prądu przez cewkę.

PL 207 196 B1

Rozwiązanie wynalazku dotyczy elektromagnetycznego urządzenia przełączającego, które zawiera korpus z nawiniętym na nim drutem pojedynczej cewki. W pojedynczej cewce, tak jak magnes trwały, umieszczona jest ruchoma zwora. Magnes trwały oddzielony jest od zwory za pomocą niemagnetycznej przekładki tak, że przyciąga on zworę w przypadku braku przepływu prądu przez cewkę, oraz odpycha tę zworę w przypadku przepływu prądu przez cewkę.

Inne rozwiązanie wynalazku dotyczy elektromagnetycznego urządzenia przełączającego z pojedynczą cewką, które obejmuje pierwszy obwód magnetyczny utworzony między ruchomą zworą w postaci trzpienia i oddzielonym od niego przekładką magnesem trwałym przy braku przepływu prądu przez uzwojenie pojedynczej cewki, oraz drugi obwód magnetyczny utworzony między trzpieniem i elementami przyciągającymi przy braku przepływu prądu przez uzwojenie pojedynczej cewki.

Przedstawione w opisie wykonania wynalazku są przykładowe, dlatego też możliwe są modyfikacje i rozwiązania alternatywne określone przez zakres ochrony zastrzeżeń patentowych.

Wykaz oznaczeń znany solenoid cewka ciągnąca cewka trzymająca trzpień obudowa obejmy montażowe sprężyna powrotna

24, 28 osłona przełącznik przerywający łączniki elektryczne solenoid według wynalazku korpus cewka magnes trwały elementy bocznikujące przekładka niemagnetyczna ruchomy obiekt magnetyczny (zwora magnetyczna/trzpień) sprężyna powrotna obudowa koniec obudowy płytka krańcowa bolec przyciągający

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Elektromagnetyczne urządzenie przełączające, złożone z korpusu z nawiniętą wokół niego pojedynczą cewkę z drutu, ruchomej zwory znajdującej się wewnątrz pojedynczej cewki, oraz magnesu trwałego, znamienne tym, że:

magnes trwały (38) oddzielony jest od zwory przekładką niemagnetyczną (42), przy czym magnes trwały (38) przyciąga magnetycznie zworę po rozładowaniu energetycznym pojedynczej cewki (36), oraz odpycha magnetycznie tę zworę po naładowaniu energetycznym pojedynczej cewki (36), a ponadto, urządzenie wyposażone jest sprężynę powrotną (46), dociskającą zworę do przekładki niemagnetycznej (42) w tym samym kierunku co kierunek przyciągania magnetycznego magnesu trwałego (38).
2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że wyposażone jest w płytkę krańcową (54) z bolcem przyciągającym (56) połączoną z jednym końcem korpusu (34), przy czym między bolcem przyciągającym (56) i zworą zaindukowaną jest siła przyciągająca po naładowaniu energetycznym pojedynczej cewki (36).

PL 207 196 B1
3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że płytka krańcowa (54), z którą połączony jest bolec przyciągający (56), zamocowana jest na przeciwległym końcu względem sprężyny powrotnej (46).
4. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że sprężyna powrotna (46) dociska zworę do przekładki niemagnetycznej (42) po rozładowaniu energetycznym pojedynczej cewki (36).
5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że zwora ma pierwszą polaryzację po rozładowaniu energetycznym pojedynczej cewki (36), oraz drugą polaryzację po naładowaniu energetycznym pojedynczej cewki (36).
6. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że druga polaryzacja zwory jest zgodna z polaryzacją magnesu trwałego (38).
7. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że druga polaryzacja zwory jest przeciwna do polaryzacji płytki krańcowej (54).
8. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sprężyna powrotna (46) dociska w swym położeniu powrotnym ruchomą zworę w kierunku przekładki niemagnetycznej (42) przy braku przepływu prądu w pojedynczej cewce (36).
9. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że wyposażone jest w liczne elementy bocznikujące (40), rozmieszczone promieniowo wokół siłownika między pojedynczą cewką (36) i magnesem trwałym (38).
10. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że zawiera ponadto obudowę (50), w której znajduje się pojedyncza cewka (36), ruchoma zwora, przekładka niemagnetyczna (42), oraz korpus (34).
11. Urządzenie według zastrz. 10, znamienne tym, że z korpusem (34) połączone są liczne elementy bocznikujące (40).
12. Urządzenie według zastrz. 11, znamienne tym, że liczne elementy bocznikujące (40) są tak rozmieszczone, że wraz ze zrostem odległości między tymi elementami i magnesem trwałym (38) maleje siła trzymająca między ruchoma zworą i magnesem trwałym (38).
13. Urządzenie według zastrz. 11, znamienne tym, że między licznymi elementami bocznikującymi (40) i obudową (50) utworzona jest szczelina powietrzna.
14. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że zawiera:

pierwszy obwód magnetyczny utworzony między ruchomą zworą w postaci trzpienia i magnesem trwałym (38) odseparowanym od ruchomego trzpienia za pomocą przekładki niemagnetycznej (42), kiedy drut pojedynczej cewki (36) nie jest naładowany energetycznie; oraz drugi obwód magnetyczny utworzony między ruchomym trzpieniem i członem przyciągającym, kiedy drut pojedynczej cewki (36) naładowany jest energetycznie.
15. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że jeden koniec przekładki niemagnetycznej (42) opiera się o magnes trwały (38), a jej drugi koniec opiera się o ruchomy obiekt magnetyczny (44) w przypadku braku indukcji prądu w pojedynczej cewce (36).
16. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sprężyna powrotna (46) znajduje się, przynajmniej częściowo, na zewnątrz solenoidu.