Электромагнитный привод выключателя

Изобретение относится к электротехнике, в частности к выключателям и их приводам. Задачей изобретения является уменьшение влияния паразитных токов на работу быстродействующего электромагнитного привода. Техническим результатом изобретения является повышение надежности привода путем снижения эрозии зеркала замковой зоны и размагничивания магнитотвердого ярма. Технический результат достигается использованием электромагнитного привода выключателя, содержащего верхний магнитопровод, магнитопровод-направляющую, якорь с удерживающим пояском, магнитотвердое ярмо, отключающую пружину и катушку электромагнита, также немагнитную токопроводящую втулку, установленную соосно магнитотвердому ярму и эквидистантно внутренней поверхности катушки, враспор между верхним магнитопроводом и магнитопроводом-направляющей, причем внутренняя поверхность немагнитной токопроводящей втулки имеет гарантированный зазор с якорем, а ее высота выполнена на 1,5-2 хода якоря. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к выключателям и их приводам.

Известен электромагнитный привод вакуумного выключателя (патент РФ №2310941, 20.11.2007 г.), содержащий магнитопровод из магнитного материала, якорь, перемещающийся в двух направляющих в пределах рабочего зазора, постоянные магниты высокой энергии на основе соединений редкоземельных элементов, установленные в магнитной системе с ориентацией одноименными полюсами в сторону рабочего зазора, одну катушку управления. Привод имеет однопозиционную, с одним устойчивым состоянием магнитную систему, которая имеет, по крайней мере, четыре постоянных магнита, образующих совместно с магнитопроводом и якорем четыре параллельные магнитные цепи, в каждой из которых постоянные магниты своими полюсами установлены последовательно с образующимся при включении и отключении магнитным потоком катушки управления.

Известен также электромагнитный привод вакуумного выключателя (патент РФ №82929, 10.05.2009 г.), содержащий верхний и нижний магнитомягкие магнитопроводы, магнитомягкий якорь, катушку электромагнита, магнитотвердое наружное кольцо с встроенным кольцевым постоянным магнитом и пружину отключения.

Недостатками вышеуказанных аналогов являются противодействие постоянных магнитов при изменении на противоположное поля электромагнита для отключения, а также эрозия зеркала замковой зоны магнитной защелки от вихревых токов при частом замыкании-размыкании привода.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является вакуумный выключатель модульный серии «TEL» (патент РФ №2020631, 30.09.1994 г.), где электромагнитный привод содержит магнитную защелку и единую катушку на включение и отключение, причем защелка формируется в удерживающем пояске в виде кольцевой замковой зоны. Ярмо электромагнита выполнено из магнитотвердого материала, а якорь и остальные детали привода - магнитомягкие.

Недостатками вышеуказанной конструкции является нестабильность сохранения намагниченности ярма, а также формирование, при частых коммутациях, эрозии на поверхности удерживающего пояска якоря вследствие воздействия паразитных токов, формирующих поток размагничивания, и накопление продуктов сгорания в рабочей замковой зоне, что приводит к самоотвалу защелки.

Задачей изобретения является уменьшение влияния паразитных токов на работу быстродействующего электромагнитного привода.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности привода путем снижения эрозии зеркала замковой зоны и размагничивания магнитотвердого ярма.

Технический результат достигается использованием электромагнитного привода выключателя, содержащего верхний магнитопровод, магнитопровод-направляющую, якорь с удерживающим пояском, магнитотвердое ярмо, отключающую пружину и катушку электромагнита, также немагнитную токопроводящую втулку, установленную соосно магнитотвердому ярму и эквидистантно внутренней поверхности катушки, враспор между верхним магнитопроводом и магнитопроводом-направляющей, причем внутренняя поверхность немагнитной токопроводящей втулки имеет гарантированный зазор с якорем, а ее высота выполнена на 1,5-2 хода якоря.

Магнитотвердое ярмо, катушка электромагнита и немагнитная токопроводящая втулка выполняются геометрически подобными, например, в форме кольца или многоугольника.

Наличие верхнего магнитопровода, магнитопровода-направляющей, якоря с удерживающим пояском, магнитотвердого ярма, отключающей пружины, катушки электромагнита, расположение втулки из немагнитного токопроводящего материала таким образом, чтобы ось устройства совпадала с осью катушки и магнитотвердого ярма, а торцы упирались в верхний магнитопровод и магнитопровод-направляющую, также выполнение внешней поверхности немагнитной токопроводящей втулки эквидистантно внутренней поверхности катушки электромагнита, внутренней поверхности втулки с гарантированным зазором с якорем, а ее высоты - на 1,5-2 хода якоря позволяют сформировать внутри основного магнитного потока локальный или вложенный магнитный поток, пересекающий удерживающий поясок якоря и имеющий направление, противоположное потоку катушки включения. Формирование встречных магнитных потоков в зоне концентрации силовых линий якоря порождает вихревые токи противоположного знака, взаимно нейтрализующие друг друга, что снижает эрозию замковой зоны и размагничивание магнитотвердого ярма, что, в свою очередь, повышает надежность электромагнитного привода.

Немагнитная токопроводящая втулка по сути является барьером-преобразователем, так как она позволяет создать «барьер» для проникновения части энергии катушки в рабочую зону электромагнита и «преобразовать» эту энергию в магнитное поле противоположного знака, локализованного в рабочей зоне пояска на ход якоря.

На фиг. 1 изображен продольный разрез привода в отключенном состоянии; на фиг. 2 изображен выносной элемент А фиг. 1 с немагнитной токопроводящей втулкой; на фиг. 3 показан электромагнит и условное распределение магнитного поля в момент подачи питания на катушку; на фиг. 4 - в момент движения якоря; на фиг. 5 - в момент замыкания магнитной системы; на фиг. 6 - в момент снятого питания с катушки; на фиг. 7 - график изменения тока в катушке электромагнита при включении; на фиг. 8 - график хода якоря в электромагните при включении.

Электромагнитный привод выключателя состоит из верхнего магнитопровода 1, магнитопровода-направляющей 2, якоря 3 с удерживающим пояском 4, магнитотвердого ярма 5, отключающей пружины 6, катушки электромагнита 7 и немагнитной токопроводящей втулки 8. При этом магнитотвердое ярмо 5, катушка электромагнита 7 и немагнитная токопроводящая втулка 8 могут иметь, например, форму кольца или многоугольника (фиг. 1, фиг. 2).

Электромагнитный привод работает следующим образом. При подаче тока включения на катушку электромагнита 7 в магнитном контуре, образованном магнитопроводом 1, магнитопроводом-направляющей 2, якорем 3, магнитотвердым ярмом 5, формируется поле, сила которого перемещает якорь 3 в направлении уменьшения зазора. Якорь 3 сжимает пружину отключения 6. При соприкосновении деталей 3 и 1 происходит постановка на магнитную защелку, которая формирует замковую зону в удерживающем пояске 4. Удерживание якоря 3 происходит за счет насыщения магнитотвердого ярма 5. Сила удержания замковой зоны превышает силу пружины 6.

Отключение реализуется подачей в катушку 7 тока, противоположного включению. Индукция в магнитной системе привода уменьшается и магнитная защелка сбрасывается. Якорь 3 под действием пружины 6 ускоренно движется в исходное положение (фиг. 6).

Намагничивание в электромагните нелинейно, то есть изменение тока dI/dt не равно нулю, кроме экстремумов (см. фиг. 7), соответственно и изменение основного магнитного потока во времени нелинейно. Такие процессы всегда сопровождаются возникновением вихревых паразитных токов в стали, которые создают свой встречный магнитный поток, стремящийся ослабить намагничивание, а при замыкании-размыкании, вихревые токи образуют дугу в замковой зоне. Ток дуги создает эрозию поверхностей и образование продуктов сгорания металла. Для нейтрализации паразитных токов и усиления намагничивания, привод снабжают немагнитной токопроводящей втулкой 8, которую устанавливают соосно с катушкой 7, торцами враспор между верхним магнитом 1 и магнитопроводом-направляющей 2 (фиг. 2). Внешняя поверхность немагнитной токопроводящей втулки 8 выполняется эквидистантно внутренней поверхности катушки 7, внутренняя поверхность немагнитной токопроводящей втулки 8 имеет гарантированный зазор с якорем 3, а высота немагнитной токопроводящей втулки должна быть выполнена на 1,5-2 хода якоря 3.

Нейтрализация паразитных токов осуществляется созданием локального или вложенного, встречного магнитного потока немагнитной токопроводящей втулки 8, охватывающей зону движения магнитного пояска 4 (см. фиг. 3).

Работает немагнитная токопроводящая втулка 8 в предлагаемом устройстве следующим образом. На катушку 7 электромагнита подают постоянный ток. В интервале времени t1-t2 ток электромагнита нарастает до максимального значения Imax. Одновременно нарастает основной магнитный поток, который возбуждает электрический ток в немагнитной токопроводящей втулке 8, противоположный току катушки 7, при этом указанная втулка 8 образует свое магнитное поле, встречное основному и образующее «коридор» на ход якоря 3. Таким образом, немагнитная токопроводящая втулка 8 создает «барьер» для проникновения части энергии катушки 7 в рабочую зону электромагнита и «преобразует» эту энергию в магнитное поле противоположного знака, локализованного в рабочей зоне пояска 4.

Концентрация вихревых паразитных токов от основного магнитного потока происходит в зоне пояска 4, а магнитное поле от немагнитной токопроводящей втулки 8 также концентрируется в этой зоне. Магнитное поле указанной втулки 8 также формирует в пояске 4 вихревые токи, но противоположного знака. В результате в интервале t1-t2 формируются четыре магнитных потока: основной, направленный в сторону уменьшения зазора электромагнита; вложенный от указанной втулки 8, направленный противоположно основному; поток, ослабляющий основной, от вихревых токов в пояске 4 и сонаправленный вложенному; поток, ослабляющий вложенный, от вихревых токов в пояске 4 и сонаправленный основному. На участке t2-t3 якорь 3 движется (см. фиг. 4) в «коридоре» поля, сформированного указанной втулкой 8 и основным полем электромагнита до контакта пояска 4 с верхним магнитопроводом 1, причем момент начала движения tгр (см. фиг. 8) якоря 3 происходит несколько раньше t2. Это вызвано действием немагнитной токопроводящей втулки 8, облегчающим начало движения якоря 3. На участке t3-t4 электромагнит (см. фиг. 5) встает на замок и домагничивается током Iдом (см. фиг. 7) до насыщения, при этом взаимодействие магнитных потоков не прекращается. В момент t4 отключают питание электромагнита (см. фиг. 7). На участке t4-t5 происходит падение тока до нуля, при этом одновременно затухает ток катушки 7 и ток указанной втулки 8 (см. фиг. 6), а магнитный поток насыщенного магнитотвердого ярма 5 удерживает магнит.

Немагнитные свойства втулки 8 необходимы для избежания потерь на собственные вихревые токи и излишнего разогрева.

Токопроводящие свойства указанной втулки 8 позволяют электрически замкнуть магнитную систему с целью искусственного переброса токов магнита в зону минимального сопротивления, в тело втулки 8.

Соосность немагнитной токопроводящей втулки 8 с катушкой 7 важна для равномерности взаимодействия магнитных потоков. Установка указанной втулки 8 враспор между верхним магнитопроводом 1 и магнитопроводом-направляющей 2, а также эквидистантность его внешней поверхности с внутренней поверхностью катушки 7 необходимы для прочного удержания, так как токи в указанной втулке 8 значительны. Внутренняя поверхность втулки 8 выполняется с гарантированным зазором с якорем 3 для избежания заклинивания последних при разогреве привода. Это особенно важно при частых коммутациях. Высота указанной втулки 8, равная 1,5-2 хода якоря 3, получена экспериментально и обеспечивает оптимальные условия для создания электромагнитного «коридора», в котором нейтрализуются вихревые токи пояска 4.

Предлагаемое устройство было опробовано. Привод прототипа выдерживал максимум 15000 коммутаций с интервалом «включение» - 4 сек - «отключение» - 4 сек, после чего происходил самоотвал привода из-за значительного размагничивания магнитотвердого ярма, накопления продуктов эрозии в замковой зоне и кратерообразования на зеркале магнитной защелки. Предлагаемый электромагнитный привод с немагнитной токопроводящей втулкой 8, выполненной из меди сечением 11 мм², выдержал испытания в 50000 коммутаций с тем же интервалом между «включением»-«отключением», при этом увеличилась сила притяжения якоря более чем в 1,5 раза, поверхность магнитной защелки практически не содержала следов эрозии, а удержание магнитного замка в конце испытаний снизилось не более 35%.

Использование заявляемого изобретения позволяет уменьшить влияние паразитных токов на работу быстродействующего электромагнитного привода без дополнительных затрат энергии и автоматизировать данный режим.

Введение нового элемента - немагнитной токопроводящей втулки - в указанной связи с остальными элементами в заявляемом техническом решении позволяет получить качественно новые режимы работы устройства, что приводит к снижению эрозии зеркала замковой зоны и повышению стабильности намагниченности магнитотвердого ярма и, как следствие, повышению надежности функционирования устройства в целом.

1. Электромагнитный привод выключателя, характеризующийся тем, что содержит верхний магнитопровод, магнитопровод-направляющую, якорь с удерживающим пояском, магнитотвердое ярмо, отключающую пружину и катушку электромагнита, также немагнитную токопроводящую втулку, установленную соосно магнитотвердому ярму и эквидистантно внутренней поверхности катушки, враспор между верхним магнитопроводом и магнитопроводом-направляющей, причем внутренняя поверхность немагнитной токопроводящей втулки имеет гарантированный зазор с якорем, а ее высота выполнена на 1,5-2 хода якоря.

2. Электромагнитный привод выключателя по п. 1, характеризующийся тем, что магнитотвердое ярмо имеет форму кольца или многоугольника.

3. Электромагнитный привод выключателя по п. 1, характеризующийся тем, что катушка электромагнита имеет форму кольца или многоугольника.

4. Электромагнитный привод выключателя по п. 1, характеризующийся тем, что немагнитная токопроводящая втулка имеет форму кольца или многоугольника.