электромагнитный привод

Формула изобретения

Электромагнитный привод, содержащий кольцеобразный корпус, расположенные в нем коаксиально катушку, сердечник, выполненный из магнитомягкого материала с цилиндрическим выступом, а также фланец, причем катушка, сердечник и фланец выполнены с цилиндрическими отверстиями, а сердечник и корпус имеют плоские торцы, параллельные друг другу и перпендикулярные оси привода, отличающийся тем, что корпус выполнен из магнитомягкого материала, один из торцов корпуса и торец сердечника со стороны цилиндрического выступа соединены друг с другом при помощи фланца, в отверстиях сердечника и фланца расположен немагнитный шток, выполненный с возможностью осевого перемещения, шток соединен с якорем дискообразной формы с диаметром, превосходящим внутренний диаметр корпуса, и имеющим, по крайней мере, один плоский торец, расположенный напротив торцов сердечника и корпуса, противоположных торцам, соединенных фланцем, катушка расположена в пространстве между сердечником и корпусом, а, по крайней мере, один постоянный магнит, намагниченный в радиальном направлении, расположен между корпусом и цилиндрическим выступом сердечника, причем осевой размер выступа сердечника превосходит осевой размер постоянного магнита.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электромагнитным приводам различных устройств, и может быть использовано в электрических аппаратах, в частности в вакуумных выключателях.

Известен электромагнитный привод для высоковольтных выключателей, содержащий магнитную систему с рабочим воздушным зазором, а также две катушки управления. Магнитная система состоит из неподвижного основного магнитопровода, по крайней мере, одного постоянного магнита, подвижного сердечника, выполненного из двух частей, между которыми установлен примыкающий к постоянному магниту неподвижный дополнительный магнитопровод с отверстием. Между частями подвижного сердечника дополнительно свободно установлен толкающий стержень, проходящий через указанное отверстие в неподвижном дополнительном магнитопроводе и обеспечивающий между указанными частями подвижного сердечника расстояние, по меньшей мере, равное суммарной протяженности рабочего зазора и дополнительного магнитопровода в осевом направлении. При этом подвижный сердечник выполнен из магнитомягкого материала (низкоуглеродистая сталь) [1].

Недостатком такой конструкции электромагнитного привода является относительно небольшая сила притяжения подвижного сердечника к неподвижному дополнительному магнитопроводу в притянутом положении при обесточенной катушке, вследствие того что сила удержания в этом положении создается лишь в одном зазоре и ограничивается величиной магнитной индукции насыщения материала магнитопровода, которая в современных магнитомягких материалах равняется приблизительно 2 Т, а соответствующее такой индукции значение силы удержания составляет 16 кГс/см ², что приводит к необходимости увеличения габаритов, массы и стоимости привода в устройствах, в которых требуется создание больших усилий удержания, в частности в вакуумных выключателях.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является электромагнитный привод вакуумного выключателя серии BB/TEL, содержащий кольцеобразный корпус, расположенные в нем коаксиально катушку, сердечник, выполненный из магнитомягкого материала с цилиндрическим выступом, а также фланцы - упорный и проходной, причем катушка, сердечник и фланцы выполнены с цилиндрическими отверстиями, а сердечник и корпус имеют плоские торцы, параллельные друг другу и перпендикулярные оси привода. Корпус изготовлен из магнитотвердого материала [2]. В исходном положении (выключатель отключен) корпус находится в размагниченном состоянии, катушка обесточена и якорь под действием противодействующих пружин прижимается к выступу проходного фланца. При пропускании тока через катушку в магнитопроводе, состоящем из корпуса, якоря, упорного фланца и проходного фланца, появляется магнитное поле, детали магнитопровода намагничиваются и возникают тяговые усилия, притягивающие якорь к упорному фланцу (Q₁) и упору проходного фланца (Q₂). Размеры магнитопровода подобраны так, что Q₁>Q₂ и якорь перемещается к упорному фланцу. Если импульс тока имеет достаточную амплитуду, магнитотвердый корпус после отключения катушки остается в намагниченном состоянии, обеспечивая притяжение якоря к упорному фланцу (выключатель включен). Для перемещения якоря в исходное положение через катушку необходимо пропустить импульс тока противоположного направления. При этом магнитотвердый корпус размагничивается, сила притяжения якоря к упорному фланцу уменьшается и под действием противодействующих пружин якорь возвращается к выступу проходного фланца.

Недостатком известной конструкции электромагнитного привода является то, что в нем практически невозможно применить высококоэрцитивные постоянные магниты, поскольку корпус, выполненный из магнитотвердого материала, имеет большой осевой размер, вследствие чего для намагничивания и размагничивания корпуса через обмотку следует пропускать очень большие токи, которые сложно создавать и коммутировать. Применение магнитотвердых материалов с относительно небольшой коэрцитивной силой приводит к тому, что сила притяжения якоря к упорному фланцу получается относительно небольшой. При этом даже незначительные немагнитные зазоры между деталями магнитопровода приводят к существенному (в несколько раз) уменьшению силы притяжения якоря к неподвижной части магнитопровода, в данном случае к упорному фланцу. Кроме того, поскольку в данной конструкции привода сила удержания в притянутом положении создается лишь в одном зазоре, то в устройствах, в которых требуется создание больших усилий удержания, например в вакуумных выключателях, необходимо увеличивать габариты и массу привода, что приводит к увеличению его стоимости.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования электромагнитного привода, в котором за счет введения новых конструктивных элементов, иных связей между деталями, а также изготовления деталей из иных материалов, обеспечивается увеличение силы притяжения якоря к неподвижной части магнитопровода, что приводит к увеличению тягового усилия и, следовательно, к уменьшению габаритов, массы и стоимости электромагнитного привода.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в электромагнитном приводе, содержащем кольцеобразный корпус, расположенные в нем коаксиально катушку, сердечник, выполненный из магнитомягкого материала, с цилиндрическим выступом, а также фланец, причем катушка, сердечник и фланец выполнены с цилиндрическими отверстиями, а сердечник и корпус имеют плоские торцы, параллельные друг другу и перпендикулярные оси привода, согласно изобретению корпус выполнен из магнитомягкого материала, один из торцов корпуса и торец сердечника со стороны цилиндрического выступа соединены друг с другом при помощи фланца, в отверстиях сердечника и фланца расположен немагнитный шток, выполненный с возможностью осевого перемещения, шток соединен с якорем дискообразной формы с диаметром, превосходящим внутренний диаметр корпуса, и имеющим, по крайней мере, один плоский торец, расположенный напротив торцов сердечника и корпуса, противоположных торцам, соединенных фланцем, катушка расположена в пространстве между сердечником и корпусом, а, по крайней мере, один постоянный магнит, намагниченный в радиальном направлении, расположен между корпусом и цилиндрическим выступом сердечника, причем осевой размер цилиндрического выступа сердечника превосходит осевой размер постоянного магнита.

В результате использования заявляемого изобретения обеспечивается получение технического результата, заключающегося в увеличении силы притяжения якоря к неподвижной части магнитопровода.

Заявленные отличительные признаки заявляемого электромагнитного привода позволяют увеличить силу притяжения якоря к неподвижной части магнитопровода - сердечнику и корпусу, уменьшить габариты, массу и стоимость электромагнитного привода. Выполнение корпуса из магнитомягкого материала в сочетании с применением постоянного магнита, намагниченного в радиальном направлении, дает возможность расположить постоянный магнит между корпусом и цилиндрическим выступом сердечника, вследствие чего постоянный магнит не воспринимает ударных воздействий, что дает возможность применить относительно хрупкие высококоэрцитивные магнитотвердые материалы, обеспечивающие создание больших тяговых усилий привода. При этом особенность конструкции, при которой один из торцов корпуса и торец сердечника со стороны его цилиндрического выступа соединены друг с другом при помощи фланца, а осевой размер выступа сердечника превосходит осевой размер постоянного магнита, обеспечивает вытеснение магнитного потока в зазор между выступом сердечника вне постоянного магнита и корпусом, а также во фланец при реверсировании тока в катушке, вследствие чего не требуется перемагничивания постоянного магнита при отключении привода, следовательно, обеспечивается возможность применения постоянных магнитов из высококоэрцитивных магнитотвердых материалов, обеспечивающих увеличение усилие притяжения якоря к неподвижной части магнитопровода. Применение соединенного с якорем немагнитного штока, выполненного с возможностью осевого перемещения в отверстиях сердечника и фланца, исключает магнитное шунтирование зазора между якорем и сердечником, что также способствует увеличению усилия притяжения якоря к неподвижной части магнитопровода. Расположение постоянного магнита между корпусом и цилиндрическим выступом сердечника в сочетании с якорем дискообразной формы с диаметром, превосходящим внутренний диаметр корпуса, и имеющим, по крайней мере, один плоский торец, расположенный напротив торцов сердечника и корпуса, противоположных торцам, соединенным фланцем, обеспечивает создание тягового усилия не в одном зазоре, как в прототипе, а в двух зазорах - между сердечником и якорем и между якорем и корпусом, что также увеличивает силу притяжения якоря к неподвижной части магнитопровода. Расположение катушки в пространстве между сердечником и корпусом, то есть над цилиндрическим выступом сердечника, имеющим больший диаметр, чем сердечник, позволяет рационально использовать указанное пространство, уменьшив габаритные размеры привода. В целом, отличительные признаки заявляемого устройства являются существенными и необходимыми для достижения нового технического результата.

По имеющимся у заявителя сведениям, совокупность существенных признаков, характеризующих сущность заявляемого изобретения, не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна". По мнению заявителя, для специалиста в области конструирования электромагнитных приводов, преимущественно для электрических аппаратов и, в частности, вакуумных выключателей, сущность заявляемого изобретения не следует явным образом из уровня техники, так как из него не выявляется совокупность существенных признаков и ее влияние на достигаемый технический результат, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию изобретательский уровень. Заявляемое устройство может быть неоднократно воспроизведено и использовано в электротехнической промышленности с получением ожидаемого технического результата, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость". Таким образом, заявляемый электромагнитный привод является техническим решением, отвечающим всем условиям патентоспособности изобретения.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематически изображена профильная проекция (осевое сечение) предложенного электромагнитного привода.

На представленном чертеже предложенного электромагнитного привода обозначено: 1 - якорь, 2 - сердечник, 3 - кольцеобразный корпус; 4 - катушка, 5 - постоянный магнит, 6 - фланец, 7 - немагнитный шток, 8 - цилиндрическое отверстие в сердечнике, 9 - цилиндрическое отверстие во фланце, 10 - цилиндрический выступ сердечника, 11 - плоский торец якоря, 12 - плоский торец корпуса, расположенный напротив плоского торца якоря, 13 - плоский торец корпуса, соединяемый с фланцем, 14 - плоский торец сердечника, расположенный напротив плоского торца якоря; 15 - плоский торец сердечника, соединяемый с фланцем.

Электромагнитный привод содержит кольцеобразный корпус 3, в котором коаксиально расположены катушка 4 и сердечник 2, выполненный из магнитомягкого материала, с цилиндрическим выступом 10, а также фланец 6, немагнитный шток 7, якорь 1 и постоянный магнит 5. Детали магнитопровода: якорь 1, сердечник 2 и корпус 3 изготовлены из магнитомягкого материала, например низкоуглеродистой электротехнической стали. Якорь 1 дискообразной формы выполнен с диаметром, превосходящим внутренний диаметр корпуса 3, и имеет, по крайней мере, один плоский торец 11, расположенный напротив торца 14 сердечника 2 и торца 12 корпуса 3, противоположных торцу 13 корпуса 3 и торцу 15 сердечника 2 со стороны цилиндрического выступа 10. При этом торцы 13 и 15 расположены напротив фланца 6, который их соединяет. Постоянный магнит 5 - один или несколько, намагниченный в радиальном направлении, например, сплошной, кольцеобразной формы, изготовлен из высококоэрцитивного магнитотвердого ферромагнетика и расположен между корпусом 3 и цилиндрическим выступом сердечника 10, причем осевой размер цилиндрического выступа сердечника 10 превосходит осевой размер постоянного магнита 5. Шток 7 изготовлен из немагнитного материала, например из т.н. нержавеющей стали. Немагнитный шток 7 расположен в цилиндрических отверстиях 8 и 9 соответственно сердечника 2 и фланца 6, соединен с якорем 1 дискообразной формы и выполнен с возможностью осевого перемещения.

Предложенный электромагнитный привод на примере его использования в вакуумном выключателе работает следующим образом.

В исходном положении (выключатель находится в положении «отключено») катушка 4 обесточена, а противодействующие пружины выключателя - контактная, возможно, тарельчатая и возвратная, возможно, цилиндрическая (на чертеже не показаны), воздействуя на шток 7, вместе с якорем 1 в осевом направлении по стрелке, показанной на чертеже, прижимают шток 7 и якорь 1 к упору (на чертеже не показан).

Постоянный магнит 5, намагниченный в радиальном направлении, создает поляризующий магнитный поток, проходящий в том числе и через воздушные зазоры между якорем 1 и сердечником 2, а также между якорем 1 и корпусом 3. При этом возникает сила притяжения якоря 1 к сердечнику 2 и корпусу 3. Эта сила, вследствие большого магнитного сопротивления воздушных зазоров, намного меньше сил, создаваемых пружинами, и якорь 1 фиксируется на упоре.

При пропускании через обмотку катушки 4 тока такого направления, при котором создаваемый катушкой магнитный поток будет совпадать по направлению с поляризующим магнитным потоком, суммарный магнитный поток обеспечит создание электромагнитной силы, превосходящей силу противодействующих пружин выключателя, и якорь 1, воздействуя на шток 7, притянется к неподвижной части магнитопровода, состоящей из сердечника 2 и корпуса 3. При этом контакты выключателя, механически через систему рычагов связанные со штоком 7, замкнутся (выключатель переходит в положение «включено»). После притяжения якоря 1 к неподвижной части магнитопровода катушка 4 отключается при помощи устройства управления выключателем, однако якорь 1 остается в притянутом положении за счет сил, создаваемых поляризующим потоком, величина которого во много раз увеличивается за счет уменьшения магнитного сопротивления зазоров между якорем 1 и сердечником 2, а также между якорем 1 и корпусом 3.

Благодаря тому, что сила, которая прижимает якорь 1 к неподвижной части магнитопровода, в предложенной конструкции электромагнита создается в двух зазорах - между якорем 1 и сердечником 2, а также между якорем 1 и корпусом 3, суммарная сила удержания подвижной части магнитопровода при обесточенной катушке 4 увеличивается примерно вдвое (при той же величине магнитного потока) в сравнении с силой удержания в известном электромагните, где сила удержания создается лишь в одном зазоре. Применение высококоэрцитивных постоянных магнитов обеспечивает еще большее возрастание силы удержания якоря.

Для приведения выключателя в положение «отключено» через катушку 4 необходимо кратковременно пропустить ток противоположного направления, вследствие чего катушка будет создавать магнитный поток, противоположный по направлению поляризующему потоку. Суммарный магнитный поток в зазорах между якорем 1 и сердечником 2, а также между якорем 1 и корпусом 3 уменьшается практически до нуля, сила притяжения якоря к неподвижной части магнитопровода также уменьшается и подвижная часть привода - якорь 1 со штоком 7 под действием противодействующих пружин перемещается от корпуса 1 с сердечником 2 к упору (выключатель переходит в положение «отключено»). Расположение постоянного магнита, намагниченного в радиальном направлении, между корпусом 3 и цилиндрическим выступом 10 сердечника 2 с осевым размером выступа 10 сердечника 2, превосходящим осевой размер постоянного магнита, обеспечивает вытеснение магнитного потока, создаваемого постоянным магнитом во фланец 6 (если фланец изготовлен из ферромагнитного материала) или в зазор между выступом 10 сердечника 2 (в части, не занятой постоянным магнитом) и корпусом 1, поэтому постоянный магнит не размагничивается. В отличие от прототипа, отключение выключателя происходит не за счет размагничивания постоянного магнита, а за счет вытеснения магнитного потока из рабочих зазоров электромагнитного привода.

Таким образом, заявленный электромагнитный привод при его использовании позволяет увеличить силу притяжения якоря к неподвижной части магнитопровода, что приводит к уменьшению габаритов, массы и стоимости электромагнитного привода.

По данному изобретению изготовлен опытный образец, который прошел испытания, подтвердившие его работоспособность и получение ожидаемого технического результата и положительного эффекта. Эффективность предлагаемого устройства подтверждается сравнительными испытаниями приводного электромагнита выключателя BB/TEL по прототипу и опытного образца по изобретению, который при приблизительно равных габаритных размерах и массах обеспечивал силу удержания приблизительно 5,4 кН, в то время как приводной электромагнит выключателя BB/TEL обеспечивал силу удержания около 1,3 кН.

Предложенный электромагнитный привод может найти применение в вакуумных выключателях и других электрических аппаратах.

Источники информации

1. Патент RU №2233496, МПК 7 Н01Н 33/38, Н01F 7/1, опубл. 27.07.2004.

2. Выключатели вакуумные серии BB/TEL. Руководство по эксплуатации ИТЕА674152.003РЭ. 2002 г.(прототип).