Электромагнитный клапан

 

Использование: в электротехнике для управления различными механизмами агрегатов дистанционного управления, а также в электромагнитных форсунках, инжекторах импульсной подачи различных видов топлива. Сущность изобретения: электромагнитный клапан содержит разъемный корпус, в котором установлены стоп и якорь с запорным органом. В одной из кольцевых выемок, выполненных на обращенной друг к другу торцевых поверхностях разъема корпуса, установлена электромагнитная катушка. Внутренняя стенка кольцевой полости корпуса выполнена с кольцевыми проточками, расположенными по обе стороны стенки. Проточки выполнены шириной до 2 мм и толщиной стенки 0,6...0,5 мм. Общая их дина составляет 4...10 рабочих зазоров якоря. Корпус, стоп и якорь выполнены из нелегированной электротехнической стали с диффузионным слоем глубиной 0,2...0,3 мм, насыщенным азотом, алюминием, кислородом и углеродом с содержанием неферромагнитных фаз. Диффузионный слой имеет магнитную анизотропию с увеличением магнитной проницаемости в направлении рабочего магнитного потока. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электромагнитам, и может быть использовано для управления различными механизмами агрегатов дистанционного управления. Кроме того, изобретение может быть использовано в различного рода электромагнитных форсунках, эжекторах импульсной подачи различного вида топлива: бензин, метанол и пр.

Основными проблемами, определяющими конструкцию электромагнитных клапанов, является создание рабочего магнитного потока в нужном направлении (его шунтирование) для обеспечения быстродействия и многократности срабатывания клапана (скорость перемещения якоря и величина его рабочего зазора), а также защита всех деталей от коррозии, температуры и высокого давления внутри электромагнитного клапана.

При использовании электромагнитного клапана в форсунках для впрыска топлива его элементы (якорь, клапан, стол, внутренняя поверхность корпуса) находятся в агрессивной среде топлива при воздействии значительной температуры, а импульсное ударное воздействие в зоне впрыска топлива достигает до 40 атм.

При использовании электромагнита для управления различными механизмами необходимо также обеспечить возбуждение значительного по величине рабочего магнитного потока, создающего большое усилие на толкателе для преодоления усилия пружины клапана.

Все перечисленные задачи должны быть решены при минимальном весе всех деталей электромагнитного клапана.

Для решения названных проблем традиционно используют при изготовлении корпуса, охватывающего электромагнитную катушку, дорогой ферромагнитный материал легированную сталь, обладающую хорошими прочностными свойствами, имеющую хорошую магнитную проницаемость. Например, используют железо-хромистый сплав (16% Cr-Fe). Якорь и стоп выполняют из железокобальтового сплава с высокими магнитными свойствами пермендюра (50% Fe-50% Co), который сверху имеет хромовое покрытие.

Средства предотвращения шунтирования рабочего магнитного потока выполняют в виде втулки из немагнитного материала (нержавейка, аустенитная сталь типа 12X18H9T) или может выполнена втулка из термопластика [1] Недостатком данного известного электромагнитного клапана является сложность и, следовательно, трудоемкость его изготовления. В известном клапане используются детали, выполненные из разнородных материалов, в том числе из высоколегированной стали сцепленного назначения, термопластик. При работе в агрессивных средах при высоких температурах и импульсных нагрузках синтетические материалы недолговечны.

Наиболее близким техническим решением является известный электромагнитный клапан /2/. Он содержит корпус из ферромагнитного материала, в котором размещены электромагнитная катушка, якорь, стоп, подпружиненный запорный орган, средства ограничения шунтирования рабочего потока магнитного поля. На рабочих поверхностях якоря и стопа выполнен диффузионный слой с высоким сопротивлением, который после отключения электромагнитной катушки позволяет разъединить якорь и стоп без дополнительных упоров между ними.

Недостатком известного устройства является использование дорогих легированных сталей при изготовлении корпуса, якоря, стопа. Недостатком также является использование специальных втулок между электромагнитной катушкой и якорем для предотвращения шунтирования рабочего магнитного потока в данном направлении. Недостатком является выполнение формы якоря, сказывающейся на стабильности его взаимодействия с исполнительным органом толкателем или клапаном. В данном случае якорь имеет форму тонкостенного стакана, неустойчивого в осевом направлении, в направлении приложения усилия.

Задачей изобретения является устранение вышеназванных недостатков.

Это достигается за счет того, что в электромагнитном клапане в качестве материала для корпуса используют низколегированную электротехническую сталь, имеющую низкие свойства (коррозионностойкость, жаростойкость, износостойкость). Корпус выполнен разъемным в радиальном направлении для обеспечения доступа к регулировочным элементам электромагнитного клапана к регулировочному кольцу и упорам якоря. Корпус выполнен также с кольцевыми выемками на обращенных друг к другу торцевых поверхностях разъема. В одной из выемок размещена электромагнитная катушка. Выполнение кольцевых выемок в торцах разъема корпуса для размещения электромагнитной катушки позволяет обработать внутреннюю стенку, выполнить проточки, использовать стенку в новом качестве. При этом кольцевые выемки выполнены разной ширины для возможности установки частей корпуса с перекрытием внутренних стенок и исключения радиальных сдвигов при сборке электромагнитных клапанов в массовом производстве.

В стенке корпуса, отделяющей одну из выемок от полости корпуса, выполнены две кольцевые проточки, расположенные с обеих сторон стенки и смещенные друг относительно друга вдоль продольной оси корпуса на величину, равную толщине стенки в проточке. При этом ширина каждой проточки не превышает 2 мм, а толщина стенки в проточке не превышает 0,6.0,5 мм и суммарная длина проточек составляет 4.10 рабочих зазоров якоря. Средство ограничения шунтирования рабочего потока магнитного поля выполнено в виде диффузионного слоя на упомянутой стенке корпуса.

Данный диффузионный слой образован специальной химико-термической обработкой, определяющей новые свойства стали, полностью соответствующие и даже превосходящие свойства материалов аналогичного назначения. Указанный диффузионный слой глубиной 0,2.0,3 мм насыщен азотом, алюминием, кислородом, углеродом и содержит неферромагнитные фазы. Образование данного слоя ведут в вакуум, с цилиндрическим последовательным введением насыщающей среды. Кроме того, используемая химико-термическая обработка предусматривает одновременное наложение магнитных полей, ориентированных во взаимно перпендикулярных направлениях. Один из ориентированных магнитных полей, образованное постоянным магнитом, совпадает с направлением рабочего магнитного потока, в деталях магнитного клапана при их эксплуатации. Это позволяет получить детали с повышенными магнитными свойствами, направленными вдоль направления рабочего потока магнитного поля, а в направлении ограничения шунтирования магнитного потока полностью исключить магнитную проницаемость.

В электромагнитном клапане, согласно изобретению, отсутствуют проставки, втулки из неферромагнитного материала, в том числе резины, пластика и пр.

Вся поверхность корпуса, в том числе и стенки кольцевых полостей, благодаря диффузионному слою имеют свойства высококачественной стали с хорошими прочностными антикоррозионными антифрикционными свойствами.

При этом вся поверхность имеет анизотропию магнитных свойств с их интенсификацией вдоль направления рабочего потока магнитного поля и, следовательно, ограничения данных свойств в поперечном к указанному направлению.

Данный диффузионный слой включает также неферромагнитные фазы для создания магнитного насыщения в указанной стенке корпуса в пределах полей, меньших, чем напряженность рабочего магнитного поля.

Поскольку указанная стенка корпуса (как и весь корпус) имеет насыщенный диффузионный слой с ориентированными магнитными свойствами, то по толщине стенки магнитные свойства минимальны и направление рабочего потока поля ориентировано через кольцевые полости корпуса на якорь. При уменьшении сечения стенки проточкам с последующим созданием указанного диффузионного слоя значительно увеличивается магнитное сопротивление в данном месте стенки. Толщина стенки в проточках составляет 0,6.0,5 мм, при этом большую ее часть составляет диффузионный слой, препятствующий прохождению поперек него магнитного потока. Вместе с тем центральные слои стенки из магнитомягкого материала (низколегированная электротехническая сталь) не обладают указанными свойствами. Поэтому имеет место в данной стенке незначительное шунтирование магнитного потока. Расположение проточек по обе стороны стенки полностью его перекрывает. Большое значение также имеет близость расположения проточек друг относительно друга. Магнитные силовые линии имеют по своей природе прямолинейное направление потока. Резкое изменение направления магнитного потока вызывает его сопротивление. Расположение проточек на стенке образует перегиб в движении магнитного потока, что почти полностью его перекрывает.

Кроме того, в углах проточек стенки при химико-термической обработке поверхности образуется наложение диффузионного слоя с двух примыкающих поверхностей, образующих данный угол и происходит двойное насыщение поверхности углов. Диффузионный слой в углах проточек сформирован двумя фронтами диффузии в двух взаимно перпендикулярных направлениях, что определяет свойства поверхности, превышающие суммарные от воздействия каждого из названных фронтов.

Углы имеют более высокое сопротивление магнитному потоку, а при близком расположении противолежащих углов по обе стороны стенки диффузионные слои, запирающие магнитный поток, сливаются.

Диффузионный слой включает неферромагнитные фазы для создания магнитного насыщения в указанной стенке корпуса и пределах полей, меньших, чем напряженность рабочего магнитного потока. Так магнитный поток, проходящий поперек стенки, практически перекрыт за счет создания диффузионного слоя. Что же касается магнитного потока, проходящего вдоль стенки, то диффузионный слой с неферромагнитными фазами его значительно уменьшает.

Величина магнитного потока зависит от индукции и поперечного сечения магнитопровода. Выполнение стенки с проточками (перегиб потока) и диффузионными слоями уменьшает площадь поперечного сечения магнитопровода. Неферромагнитные фазы диффузионного слоя изменяют структуру стали (средний слой стенки) и сообщает ей новые свойства, в том числе, уменьшают значение ее магнитного насыщения.

Таким образом неферромагнитные фазы диффузионных слоев ускоряют достижение полного магнитного насыщения слоя металла, расположенного между ними. Относительная магнитная проницаемость стали становится равной единице (исходя из соотношения, что сопротивление потоку обратно пропорционально магнитной проницаемости). Полное магнитное насыщение рабочего магнитного поля, возникающее в стали корпуса имеет большое значение, достигается оно за больший промежуток времени и поэтому при подходе рабочего магнитного потока к стенке он встречает уже ранее полностью насыщенный металл, обладающий максимальным электромагнитным сопротивлением. Рабочий магнитный поток шунтируется через торцы якоря и стопа.

Вид ферромагнитных фаз в диффузионном слое определяется химико-термической обработкой поверхности и представляет собой композицию различных структур железа.

Согласно изобретению, корпус, якорь и стоп выполнены из нелегированной электротехнической стали с диффузионным слоем, глубиной 0,2.0,5 мм, насыщенным азотом, алюминием, кислородом и углеродом. Данное выполнение позволяет использовать дешевую сталь, однородную для всех деталей электромагнитного клапана, но благодаря обработанной поверхности, имеющей высокие прочностные свойства коррозионностойкость, жаростойкость и пр.

Использование однородных по химическому составу материалов исключает образование гальванических пар и, следовательно, возникновение контактной коррозии при работе в агрессивных средах, являющихся электролитами.

Выполнение якоря с ребрами жесткости в виде резьбы по внутреннему диаметру сообщает ему гидравлическую сбалансированность, т.е. уравновешенность давление жидкости с обоих его торцев, в пространстве между стенкой и корпусом и по осевому проему одинаково. При этом концевая часть внутренней поверхности якоря уже имеет резьбу для соединения с запорным органом. Выполнение резьбы по всей длине поверхности до седла несет две функции: на определенном участке поверхности это элемент крепления запорного органа, а на свободном участке внутренней поверхности это усиливающий элемент конструкции. Преимуществом данного увеличения жесткости якоря тонкостенного стакана является также незначительное увеличение веса электромагнитного клапана, поскольку резьба имеет кольцевые ребра и значительное пространство между витками (выбирают соответствующую резьбу).

На фиг. 1 изображен общий вид электромагнитного клапана, продольный разрез; на фиг. 2 узел 1 на фиг. 1.

Электромагнитный клапан содержит корпус, разъемный в радиальном направлении. Обе части 1 и 2 корпуса соединены резьбовым соединением 3 через прокладку 4. В торцах разъема выполнены кольцевые выемки, в которых установлена электромагнитная катушка 5.

Кольцевые выемки выполнены разной ширины, а их внутренние стенки расположены с взаимным перекрытием.

Электромагнитная катушка 5 установлена с возможностью взаимодействия внутренней поверхностью со стенкой кольцевой полости меньшей ширины.

В осевом канале корпуса установлены стоп 6 с регулировочным кольцом 7 из неферромагнитного материала. Стоп выполнен с конической торцевой поверхностью для контакта с якорем 8. Якорь жестко связан с запорным органом 9, установленным в седле части 2 корпуса и подпружинен относительно стопа 6 в осевом направлении пружиной 10. На внутренней поверхности якоря выполнены ребра жесткости 11 в виде витков резьбы, расположенных на участке длины указанной поверхности якоря, превышающей длину резьбового соединения якоря с клапаном. На торце якоря выполнен упор для взаимодействия с регулировочным кольцом 7 стопа. Между стопом и корпусом размещено уплотнение 12. Внутренняя стенка кольцевой полости части 2 корпуса, примыкающая к якорю, выполнена с кольцевыми проточками 13, последовательно расположенными по обеим сторонам. Ширина каждой проточки составляет до 2 мм, толщина стенки в проточке составляет 0,6.0,5 мм. Общая длина проточки составляет 4.10 рабочих зазоров якоря.

Корпус, стоп и якорь выполнены из нелегированной электротехнической стали с диффузионным слоем глубиной 0,2-0,5 мм, насыщенным азотом, алюминием, кислородом и углеродом.

Электромагнитный клапан работает следующим образом.

При возбуждении электромагнитных катушек возникает рабочий магнитный поток, который замыкается по магнитопроводу через торец катушки, часть 2 корпуса, якорь, стоп, через часть 1 корпуса и на противоположный торец катушки. При этом якорь 8, преодолевая сопротивление пружины 10, притягивается к стопу 6 и замыкается с ним своим упором через регулировочное кольцо 7. Запорный орган 9 отходит от седла. При этом, в зависимости от назначения электромагнитного клапана, может быть произведен или впрыск топлива или взаимодействие с деталями сопряженного с ним агрегата.

Преимуществом выполнения электромагнитного клапана является использование сравнительно недорогой, пластичной низколегированной стали, позволяющей выполнять корпус любой, в том числе, и сложной формы с использованием высокопроизводительного оборудования (штамповка, прессование). Вместе с тем диффузионный слой позволяет получить свойства, соответствующие лучшим потребительским свойствам аналогичных приборов.

Разъемная конструкция корпуса позволяет упростить сборку и настройку клапана, а выполнения якоря с ребрами жесткости позволяет стабилизировать его работу.

Формула изобретения

1. Электромагнитный клапан, содержащий корпус из ферромагнитного материала, в полости которого размещены электромагнитная катушка, якорь, стоп, подпружиненный запорный орган и средства ограничения шунтирования рабочего потока магнитного поля, отличающийся тем, что корпус выполнен из низколегированной электротехнической стали разъемным в радиальном направлении с кольцевыми выемками на обращенных друг к другу торцевых поверхностях разъема, при этом электромагнитная катушка размещена в одной из выемок, а в стенке корпуса, отделяющей одну из выемок от полости корпуса, выполнены по меньшей мере две кольцевые проточки, расположенные с обеих сторон стенки и смещенные друг относительно друга вдоль продольной оси корпуса на величину, равную толщине стенки в проточке, причем ширина каждой проточки не превышает 2 мм, толщина стенки в проточке не превышает 0,6 0,5 мм, а суммарная длина проточек составляет 4 10 рабочих зазоров якоря, при этом средство ограничения шунтирования рабочего потока магнитного поля выполнено в виде диффузионного слоя на упомянутой стенке корпуса глубиной 0,2 0,3 мм, насыщенного азотом, алюминием, кислородом и углеродом с содержанием неферромагнитных фаз для создания магнитного насыщения в стенке корпуса в пределах полей меньших, чем напряженность рабочего магнитного поля, и имеющего магнитную анизотропию с увеличением магнитной проницаемости в направлении рабочего магнитного потока.

2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что корпус, якорь и стоп выполнены из нелегированной электротехни- ческой стали с диффузионным слоем глубиной 0,2 0,5 мм, насы- щенным азотом, алюминием, кислородом и углеродом.

3. Электромагнитный клапан по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что якорь связан с запорным органом резьбовым соединением и вы- полнен с ребрами жесткости на своей внутренней поверхности в виде витков резьбы, расположенной вне участка соединения с запорным органом.

4. Электромагнитный клапан по пп. 1-3, отличающийся тем, что кольцевые выемки корпуса выполнены различными по ширине, при этом электромагнитная катушка установлена в меньшей из них, а сумма высот их внутренних стенок, превышает сумму высот их наруж- ных стенок.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2