CS269003B1

CS269003B1 - Electromagnet with multiple controlled active air gap

Info

Publication number: CS269003B1
Application number: CS844153A
Authority: CS
Inventors: Stefan Ing Mocko
Original assignee: Stefan Ing Mocko
Priority date: 1984-06-04
Filing date: 1984-06-04
Publication date: 1990-04-11
Also published as: CS415384A1

Abstract

Rieženie sc týká elektromagnetu s viacnásobnou riadenou aktívnou vzduchovou medzerou, najma s priamočiarym, otáČavým kombinovaným pohybom kotvy. Podstatou riešenia je, že medzi kotvou a vonkajšim polovým nástavcom je vytvořená aspoň jedna vonkajšia aktívna vzduchová medzera.The solution relates to an electromagnet with a multiple controlled active air gap, in particular with a rectilinear, rotary combined movement of the armature. The essence of the solution is that at least one external active air gap is formed between the armature and the external pole piece.

Description

Vynález sa týká elektromagnetu sa viacnásobnou riadenou aktívnou vzduchovou medzerou, najma s priamočiarým, otáčavým, kombinovaným pohybom kotvy.The invention relates to an electromagnet with a multiple controlled active air gap, in particular with rectilinear, rotary, combined armature movement.

V skupině akčných členov i členov na přenos informácií sa často v automatizácii nespojitých technologických mikroelektronických výrob používajú elektromagnety. Použitie elektromagnetov je podmienené vel’kost’ou posuvu kotvy, tvarom statickej charakteristiky, vel’kost’ou sil generovaných magnetickým polom elektromagnetu,rychlosťou časovej odozvy a často je predepísaná horná hranica rozmerov a hmotnosti elektromagnetov. Dosiahnuť limitně rozměry a hmotnosti elektromagnetov pri predpísanej charakteristike v převádzkovom intervale pohybu kotvy často nejde použitím známých geometrií elektromagnetov s jednou aktívnou vzduchovou medzerou. Známe elektromagnety tejto triedy sú v zahraničí konštruované z feromagnetík s vyššou magnetickou permeabili tou a vyššou magnetickou indukciou sýtenia, ktoré v ČSSR nie sú k dospozícii. S nimi nie je možno často dosiahnuť limitně sily, rozměry a váhy pře potřeby mikroelektronických výrobných zariadení tradičnou geometriou magnetického obvodu. Existujú aj známe riešenia s dvomi vnútornými aktívnymi medzerami k vyvodzovaniu príamočiareho pohybu kotvy. Ich podstatnou nevýhodou je, že obidve medzery působia v sérii ako nenulové aj na konci zdvihu, kedy sa v dóslodku nelinearity funkcie B (H) spomal’uje prirastok energie magnetického póla, v důsledku čeho nastáva pokles sily a niet fyzikálneho mechanizmu, ktorý by tento pokles zastavil. Ďalšou nevýhodou je, že aktivně medzery nemožno modifikovat’ po zmontovaní elektromagnetu, pretože rozmontovanie magnetu vo váčšine prípadov znamená jeho poškodenie, nemožno tiež korigovat silovú charakteristiku v důsledku nepřesností výroby, respektive starnutia magnetického materiálu. Obidve aktivně medzery sú kuželového tvaru, sú trvale aktivně a vyžadujú obidve značné a trvale přesné geometriu čo zdražuje výrobu. Tvary aktívnych vzduchových medier neumožňuji! vyvodzovanie otáčivého momentu magnetickým potom magnetu.In the group of actuators and information transfer elements, electromagnets are often used in the automation of discontinuous technological microelectronic production. The use of electromagnets is conditioned by the size of the armature displacement, the shape of the static characteristic, the size of the forces generated by the magnetic field of the electromagnet, the speed of the time response, and an upper limit of the dimensions and weight of the electromagnets is often prescribed. It is often not possible to achieve the limit dimensions and weights of electromagnets with the prescribed characteristic in the operating interval of the armature movement using known geometries of electromagnets with one active air gap. Known electromagnets of this class are constructed abroad from ferromagnets with higher magnetic permeability and higher magnetic induction of saturation, which are not available in the Czechoslovak Socialist Republic. With them, it is often not possible to achieve the limit forces, dimensions and weights for the needs of microelectronic production equipment using traditional geometry of the magnetic circuit. There are also known solutions with two internal active gaps to derive the rectilinear movement of the armature. Their significant disadvantage is that both gaps act in series as non-zero even at the end of the stroke, when the increase in the energy of the magnetic pole slows down due to the nonlinearity of the function B (H), as a result of which the force decreases and there is no physical mechanism that would stop this decrease. Another disadvantage is that the active gaps cannot be modified after the electromagnet is assembled, because disassembling the magnet in most cases means its damage, and it is also impossible to correct the force characteristic due to manufacturing inaccuracies, or aging of the magnetic material. Both active gaps are conical in shape, are permanently active and both require significant and permanently accurate geometry, which increases the cost of production. The shapes of active air media do not allow! the extraction of torque by the magnetic force of the magnet.

Uvedené nevýhody zmierňuje a technický problém rieši elektromagnet s viacnásobnou riadenou aktívnou vzduchovou medzerou podía vynálezu, ktorého podstatou je, že medzi kotvou a vonkajším pólovým nástavcom je vytvořená aspoň jedna vonkajšia aktívna vzduchová medzera.The above disadvantages are mitigated and the technical problem is solved by an electromagnet with a multiple controlled active air gap according to the invention, the essence of which is that at least one external active air gap is formed between the armature and the external pole piece.

Výhodou elektromagnetu s viacnásobnou riadenou aktívnou vzduchovou medzerou je, že v hlavnom magnetickom obvode působia najmenej dve aktivně vzduchové medzery a to buď súčasne alebo ich aktivovanie je riadené automaticky změnou polohy kotvy. Vzájemnou séhrou viacerých aktívnych vzduchových medzier možno íormovať statické silové charakteristiku želateíným spósobom, čo je v riešeniach s jednou aktívnou medzerou niekedy příliš náročný problém teoretický, experimentální, technologický a tým aj ekonomický.The advantage of an electromagnet with multiple controlled active air gaps is that at least two active air gaps operate in the main magnetic circuit, either simultaneously or their activation is controlled automatically by changing the armature position. By interacting with multiple active air gaps, it is possible to shape the static force characteristic in the desired way, which is sometimes too difficult a theoretical, experimental, technological and thus economic problem in solutions with a single active gap.

Fyzikálnu podstatu výhod tohto riešenia možno objasnit’ následovně:The physical nature of the advantages of this solution can be explained as follows:

Velkost’ sily vyvodzovanej sústavou elektromagnetu v smere súradnice x jeThe magnitude of the force exerted by the electromagnet system in the x-coordinate direction is

- z^6 /χ/- z^6 /χ/

- o W /x/ <T/v/ dv Z H /X / o d B /x/ ^{/x/ =} ξ ⁼ Z kde x je geometrická súradnica, pozdlž ktorej sa uskutečňuje pohyb kotvy vzhladom k plášťů elektromagnetu- o W /x/ <T/v/ dv ZH /X / from B /x/ ^{/x/ =} ξ ⁼ Z where x is the geometric coordinate along which the armature moves with respect to the electromagnet shell

W je energia magnetického póla séstavy je vektor magnetickej indukcieW is the energy of the magnetic pole of the assembly is the magnetic induction vector

H je vektor sily mag. póla od makroskopických prúdov dv-element objemu magnetického obvodu elektromagnetu o-znak operácie skalárneho súčinu vektorovH is the vector of the magnetic pole force from macroscopic currents dv-element of the volume of the magnetic circuit of the electromagnet o-sign of the scalar product operation of vectors

Ak sa při pohybe kotvy vzduchová medzera blíží k malým hodnotám, potom v důsledku nelinearity magnetického obvodu a změnách v rozptylových poliach sa velmi ťažko ziska požadovaný tvar i velkosť silovej charakteristiky. Ak v tejto fáze zapůsobí ďalšia aktívna vzduchová medzera, ktorú možno l’ahko technologicky modifikovat' aj po zmontovaní elektromagnetu a umožňuje jej změnu až na nulová hodnotu, možno problem úspěšně riešiť. Ďalšou výhodou je možnost' realizácie nulovej vonkajšej aktívnej vzduchovej medzery na konci zdvihu elektromagnetu, čím nastane značná změna magnetickej vodivosti a zmierni sa pokles ťažnej sily na konci zdvihu, možnost’ modifika'cie vonkajšej aktívnej vzduchovej medzery po zmontovaní elektromagnetu, možnost’ sformovania vonkajšej vzduchovej medzery do tvaru, ktorý umožní vyvodzovanie aj otáčivého momentu a tým natočenie kotvy.If the air gap approaches small values during armature movement, then due to the nonlinearity of the magnetic circuit and changes in the stray fields it is very difficult to obtain the required shape and size of the force characteristic. If at this stage an additional active air gap is introduced, which can be easily technologically modified even after the electromagnet is assembled and allows its change to zero, the problem can be successfully solved. Another advantage is the possibility of implementing a zero external active air gap at the end of the electromagnet stroke, which causes a significant change in magnetic conductivity and reduces the drop in pulling force at the end of the stroke, the possibility of modifying the external active air gap after the electromagnet is assembled, the possibility of forming the external air gap into a shape that allows the extraction of torque and thus the rotation of the armature.

Elektromagnet s viacnásobnou riadenou aktívnou vzduchovou medzerou je znázorněný na pripojenom výkrese v náryse, v řeze.The electromagnet with multiple controlled active air gap is shown in the attached drawing in elevation, in section.

Elektromagnet s viacnásobnou riadenou vzduchovou medzerou pozostáva z plášťa £, v ktorom je uložená cievka £. V cievke £ je súoso uložená kotva y. Kotva £ je posuvné a otočné uložená na magneticky nevodivom hriadeli £, uloženom v ložisku 5. Plá5t £ spojuje vnútorný pólový nástavec £ a vonkajší pólový nástavec £. Medzi vnútorným pólovým nástavcem 6 a kotvou £ je vytvořená vnútorná aktívna vzduchová medzera 11 a medzi kotvou 3 a vonkajším pólovým nástavcom £ je vytvořená vonkajšia aktívna vzduchová medzera 12 Vyhotovenie cievky 2 je známe. Plášt £ má tvar valca, vonkajší pólový nástavec 7 má tvar rotačně symetrický s priemerom d při posuvnom pohybe kotvy alebo rotačně asymetrický s natáčeným i posuvným pohybem kotvy £. Rozměr d možno vhodné meniť v rámci priemeru 0 plášťa 1 .The electromagnet with a multiple controlled air gap consists of a housing £, in which a coil £ is mounted. An armature y is mounted coaxially in the coil £. The armature £ is slidably and rotatably mounted on a magnetically non-conductive shaft £, mounted in a bearing 5. The housing £ connects the inner pole piece £ and the outer pole piece £. An inner active air gap 11 is formed between the inner pole piece 6 and the armature £, and an outer active air gap 12 is formed between the armature 3 and the outer pole piece £. The design of the coil 2 is known. The housing £ has the shape of a cylinder, the outer pole piece 7 has a rotationally symmetrical shape with a diameter d during the sliding movement of the armature or a rotationally asymmetrical shape with both the rotating and sliding movement of the armature £. The dimension d can be suitably varied within the diameter 0 of the housing 1.

Funkcia elektromagnetu s viacnásobnou riadenou aktívnou vzduchovou medzerou je následovná: kotva 3 je povysunutá, čo představuje východiskový stav nevybudovaného elektromagnetu. Nastavenie kotvy £ do tejto polohy vykonává například mechanizmus, ktorý kotva 3 ovládá. Po vybudení cievky £ elektromagnetu sa vytvoří magnetické pole zobrazené indukčnou čiarou £ hlavného póla, která se uzatvára pláštěm £, kotvou £, vnútornou aktívnou vzduchovou medzerou ££ a vnútorným pólovým nástavcom 6. Podstatná časť energie magnetického pol'a je sústredená v poli vnútornej aktívnej vzduchovej medzery 11 a v rozptylovém poli reprezentovaném indukčnou čiarou 9. Změna tejto energie pozdlž súradnice x spčsobí posuv kotvy v kladnem smere os i x. Ak sa kotva pod účinkem vyvodzovaných sil posunie tak, že rozšířená časť kotvy £ sa dostane do blízkosti vonkajšieho pólového nástavca £, začne sa formovat' magnetické pole zobrazené indukčnou čiarou £0 korekčného póla a rast jeho energie spčsobí vytváranie ďalšej zložky sily, která sa superponuje vo výslednú silu pĎsobiacu na kotvu £. Ku konci zdvihu kotvy limituje vonkajšia aktívna vzduchová medzera 12 k nule. Rýchla změna například vodivosti e tým spojená spomalí pokles ťažnej sily. V tomto bode pěsobí parazitně v obvode jedna vzduchová medzera. Tvar vonkajšieho pólového nástavca £ a priliehajúcej časti kotvy £ možno voliť tak, aby pri súčasnom posuve kotvy £ nastalo aj jej pootočenie.The function of the electromagnet with a multiple controlled active air gap is as follows: the armature 3 is extended, which represents the initial state of the unbuilt electromagnet. The setting of the armature £ to this position is performed, for example, by a mechanism controlled by the armature 3. After the coil £ of the electromagnet is excited, a magnetic field is created, represented by the induction line £ of the main pole, which is closed by the casing £, the armature £, the internal active air gap ££ and the internal pole piece 6. A substantial part of the energy of the magnetic field is concentrated in the field of the internal active air gap 11 and in the scattering field represented by the induction line 9. The change of this energy along the x coordinate causes the displacement of the armature in the positive direction of the x axis. If the armature is displaced under the effect of the applied forces so that the extended part of the armature £ comes close to the outer pole piece £, the magnetic field shown by the induction line £0 of the correction pole begins to form and the growth of its energy causes the creation of another force component, which is superimposed on the resulting force acting on the armature £. Towards the end of the armature stroke, the external active air gap 12 limits it to zero. The rapid change in conductivity e, for example, associated with this, slows down the decrease in the pulling force. At this point, one air gap acts parasitically in the circuit. The shape of the outer pole piece £ and the adjacent part of the armature £ can be chosen so that, with the simultaneous displacement of the armature £, its rotation also occurs.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

An electromagnet with a multiple controlled active air gap, consisting of a coil and a casing connecting the pole pieces, wherein the coil contains an armature with an internal active air gap, rotatably and slidably mounted on a shaft, characterized in that at least one external active air gap (12) is formed between the armature (3) and the external pole piece (7).