ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИВОД ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ
CIRCUIT BREAKER ELECTROMAGNETIC DRIVE

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.
2
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 мм, 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.