Электромагнит сверхтока
OVERCURRENT ELECTROMAGNET

Заявляемое техническое решение относится к области электроаппаратостроения, в частности к коммутационным устройствам с защитой от токов короткого замыкания (сверхтоков) и может быть использовано в автоматических выключателях, предназначенных для пропускания тока в нормальном режиме, отключения тока при коротких замыканиях и перегрузках, а также оперативных включений и отключений электрических цепей в объектах электроснабжения.
Электромагниты сверхтока или электромагнитные расцепители мгновенного действия (далее - ЭМР) представляют собой электромагнит с сериесной катушкой (или просто проходящей шиной, образующей один виток) и поворотным или прямоходовым якорем, в исходном положении удерживаемым пружиной, усилие которой регулируется. Ток защищаемой цепи протекает по катушке или шине электромагнита и создает магнитодвижущую силу (МДС). При сверхтоках якорь, преодолевая усилие удерживающей пружины, притягивается и ударом по рейке вызывает расцепление механизма свободного расцепления (МСР) и отключение выключателя. Уставка на ток срабатывания в большинстве случаев регулируется изменением натяжения и крутизны характеристики пружины и величины рабочего хода.
Известен ЭМР (Автоматического выключателя A3790 (фиг. 1) из каталога фирмы ОАО «Контактор» (Торговая марка группы «Legrand») - URL: https://www.kontaktor.ru/files/library/book_of_kontaktor_2014_2.pdf), содержащий сериесный электромагнит, включающий в себя П-образный магнитопровод (сердечник) с проходящей по внутренней его части шиной, поворотный якорь с удерживающей пружиной сжатия, скобу общего крепления конструкции и ось вращения.
Недостатком этой конструкции является конструктивно не уравновешенный якорь, который имеет низкую устойчивость к механическим воздействиям. Якорь удерживается на противодействующей пружине сжатия через вспомогательную пластину, и при протекании токов близких к токам короткого замыкания (но меньших токов срабатывания) может вибрировать (и даже входить в резонанс) с частотой тока защищаемой цепи, тем самым вызывая большой разброс параметров срабатывания, особенно в условиях механических воздействий. Конструкция этого ЭМР имеет большие габариты и массу. Выключатели серии A3700 выпускались ранее на Дивногорском заводе низковольтной аппаратуры и Харьковском электромеханическом заводе. В автоматическом выключателе А3776П, выпускавшимся на Украине Харьковским электромеханическим заводом (фиг. 2), якорь ЭМР в сравнении с A3790 (фиг. 1) уравновешен латунным противовесом, что позволило значительно снизить усилие противодействующей пружины и повысить устойчивость к механическим воздействиям. Однако увеличилась и масса якоря.
Известен также ЭМР автоматического выключателя серии ВА16, выпускаемый ОАО «ВНИИР-Прогресс» (патент на полезную модель RU U1 №142156, МПК H01H 77/00, опубликован 20.06.2014), содержащий токопроводящую шину прямоугольного сечения с двумя рабочими параллельными гранями, имеющими площадь поверхности значительно больше площади боковых граней, плоский якорь из магнитного материала, размещенный на токопроводящей шине с возможностью поворота, пружину возвратную и отключающий рычаг. Такая конструкция имеет полностью уравновешенный якорь, что позволяет значительно снизить усилие противодействующей пружины, компактную конструкцию, небольшие габариты и массу.
Недостатком данной конструкции так же является то, что при токах, близких к срабатыванию, якорь может вибрировать с частотой тока сети, что негативно влияет на точность срабатывания автоматического выключателя и усложняет процесс регулировки. Другой недостаток данной конструкции - трудность регулировки подбором пружин сложной формы, т.к. рабочий ход якоря определен конструкцией и не регулируется.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому электромагниту сверхтока, выбранным за прототип (имеющим наибольшее количество общих конструктивных признаков), является ЭМР автоматического выключателя ВА08 (фиг. 3, 4) из каталога фирмы ОАО «Контактор» (Торговая марка группы «Legrand») - URL: https://www.kontaktor.ru/files/library/book_of_kontaktor_2014_2.pdf), содержащий сериесный электромагнит, включающий в себя П-образный магнитопровод (сердечник) с проходящей по внутренней его части шиной, поворотный якорь с удерживающей пружиной растяжения, скобу общего крепления конструкции и ось вращения.
Недостатком данной конструкции является то, что при токах, близких к срабатыванию, якорь может вибрировать с частотой сети, что негативно влияет на точность срабатывания ЭМР автоматического выключателя и усложняет процесс регулировки. Другие недостатки данной конструкции - большие габариты и масса, большие усилия удерживающей пружины, неуравновешенный якорь, низкая устойчивость к внешним механическим воздействиям.
Большие усилия удерживающей пружины ведут и к увеличению габаритов и массы всего ЭМР. Так же большие усилия удерживающей пружины при недостаточных контактных нажатиях могут возвращать начавший движение якорь в исходное состояние, т.к. при коротких замыканиях контакты могут отбрасываться динамическими усилиями, и при возникновении дуговых процессов в межконтактном промежутке, ток резко падает, соответственно уменьшаются и усилия на якоре электромагнита.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение устойчивости к внешним механическим воздействиям, надежности, быстродействия и точности срабатывания, уменьшение массогабаритных показателей и упрощение технологического процесса изготовления.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в электромагните сверхтока, содержащем П-образный магнитопровод (сердечник) с проходящей по внутренней его части шиной, поворотный якорь с удерживающей пружиной, скобу общего крепления конструкции и ось вращения, поворотный якорь электромагнита выполнен цельным, прямоугольного сечения, сформован изогнутым таким образом, что образованы дугообразные выступы со сквозными отверстиями для крепления оси вращения, при этом центр масс якоря находится на оси вращения якоря, а в центре якоря выполнен прямоугольный паз для размещения удерживающей пружины; с одной стороны П-образного магнитопровода выполнены, по крайней мере, один отгиб С-образной формы - насыщенный упор, конец которого одновременно является упором для ограничения движения якоря и определяет его начальное положение, один укороченный отгиб-полюс с большим сечением, образующим с якорем основной рабочий зазор, а с противоположной стороны магнитопровода выполнен радиусный изгиб во внутреннюю сторону для образования минимального рабочего зазора в сработанном положении якоря. Якорь и магнитопровод изготовлены из листового магнитопроводящего материала методом штамповки. Удерживающая пружина выполнена в виде пружины кручения.
Для пояснения описываемого объекта приведены:
на фиг. 5 изображено изменение усилия, удерживающего якорь на насыщенном упоре ЭМР на номинальный ток 630 А, при увеличении протекающего тока;
на фиг. 6 изображен электромагнит сверхтока, закрепленный на шине автоматического выключателя;
на фиг. 7 изображен плоский поворотный якорь с осью и удерживающей пружиной кручения;
на фиг. 8 изображен упрощенный эскиз магнитной цепи ЭМР;
на фиг. 9 изображен упрощенный эскиз участка магнитной цепи ЭМР с графическим изображением распределения магнитного потока в рабочем зазоре.
На изображениях приняты следующие обозначения:
1 - поворотный якорь;
2 - удерживающая пружина кручения;
3 - ось вращения якоря;
4 - насыщенный упор;
5 - токопроводящая шина или обмотка;
6 - радиально изогнутая часть П-образного магнитопровода;
7 - П-образный магнитопровод;
8 - рейка МСР;
9 - отгиб-полюс магнитопровода;
10 - прямоугольный паз;
11 - дугообразный выступ якоря.
Электромагнит сверхтока содержит П-образный магнитопровод с проходящей по внутренней его части шиной 5, поворотный якорь 1 с удерживающей пружиной 2, ось вращения 3, скобу общего крепления конструкции.
Поворотный якорь электромагнита выполнен цельным, прямоугольного сечения, в центре выполнен прямоугольный паз 10 для размещения удерживающей пружины кручения. Якорь изготовлен изогнутым из листового магнитопроводящего материала методом штамповки с целью обеспечения минимальных габаритов и массы устройства, устранения операций механообработки и сверления отверстия для оси вращения 3, упрощения технологического процесса изготовления. Изогнутая форма якоря позволила переместить центр масс из основного тела якоря 1 на ось вращения якоря 3, которая одновременно является способом крепления якоря с помощью образованных (выполненных) при штамповке на теле якоря с удлиненных сторон дугообразных выступов 11 (ушек) со сквозными отверстиями для оси 3 для точного конструктивного уравновешивания.
пруж.
Пружина кручения 2 имеет минимальное значение удерживающего усилия F, достаточного для удержания (и возврата) якоря 1 в исходном положении, т.к. пружина 2 предназначена для удержания (и возврата) якоря 1 только тогда, когда в магнитной системе (МС) отсутствует магнитный поток (при отсутствии тока в цепи).
пруж.
Удерживающее усилие пружины F выбрано с минимальным значением (например, 30…60 г в начале хода) и с очень пологой характеристикой (например, 40…70 г в конце хода). Пологая характеристика пружины в функции хода якоря необходима для снижения противодействующих усилий в процессе движения якоря и увеличения его скорости. Уменьшенные значения усилий противодействующей пружины позволили значительно уменьшить сечение магнитопровода (и, соответственно массу) и выполнить его цельным, плоским и из листового магнитопроводящего материала методом штамповки.
1раб
П-образный магнитопровод с одной стороны содержит, по крайней мере, один отгиб с меньшим сечением С-образной формы, называемый насыщенным упором 4, определяющий начальное положение якоря, ограничивающий его ход и удерживающий якорь в исходном положении при токах до срабатывания, выполняющий функцию удерживающей пружины, и, по крайней мере, один укороченный отгиб-полюс 9 с большим сечением, образующим основной рабочий зазор с якорем δ.
δ2раб.
2раб.
δ1раб
1раб
Противоположная насыщенному упору удлиненная часть скобы 6 П-образного магнитопровода выполнена радиально изогнутой формы для уменьшения магнитного сопротивления R в рабочем зазоре δ в конце хода сработавшего якоря. В этом положении сопротивление R в основном рабочем зазоре δ также имеет наименьшее значение, т.к. якорь прилегает к укороченной стороне (отгибу-полюсу) 9 магнитопровода, и магнитная система почти замкнута якорем (фиг. 8). Это позволяет получить максимальные значения усилия якоря в конце хода.
н.у.
раб.
н.у.
раб.
1раб.
В начальный момент срабатывания, после отрыва якоря от насыщенного упора весь магнитный поток Ф, проходящий по насыщенному упору, мгновенно переходит в рабочий зазор и складывается с потоком в рабочем зазоре Ф, дополнительно увеличивая усилия в рабочем зазоре Ф+Ф (фиг. 9). Якорь, оторвавшийся от насыщенного упора, будет уже иметь значительные усилия в рабочем зазоре δ и уже не может вернуться назад даже при снижении тока короткого замыкания вследствие динамического отброса контактов и появления дуги, т.е. якорь при срабатывании стремится замкнуть магнитную систему (МС), развивая максимальные усилия в конце хода.
н
Для примера на фиг. 5 изображена реальная характеристика изменения усилий, удерживающих якорь на насыщенном упоре, при увеличении тока ЭМР рассчитанного на номинальный ток 630 А. Из характеристики видно, что удерживающие усилия максимальны в диапазоне номинальных токов и токов перегрузки (ориентировочный диапазон (1,5÷2)⋅I), и плавно снижаются в сторону области срабатывания. Плавность снижения характеристики (отсутствие синусоидальных провалов с частотой сети) объясняется тем, что удерживающие якорь усилия (до момента срабатывания) всегда имеют положительные значения, т.к. являются разностью между усилиями, притягивающими якорь к упору, и усилиями в рабочем зазоре, направленными в противоположную сторону.
Сечение и форма насыщенного упора выбраны таким образом, что магнитное насыщение наступает при токах, ниже токов срабатывания, но выше номинальных значений токов электромагнита, а усилия, возникающие на упоре, достаточны для удержания якоря во всем диапазоне токов до срабатывания.
Предложенный электромагнит сверхтока работает следующим образом.
пруж.
упора
cраб.
cраб.
пруж.
упора
При протекании по шине (или обмотке) тока выше номинальных значений электромагнита, но ниже токов срабатывания якорь в исходном положении удерживается усилием пружины F и дополнительно усилием, возникающем на упоре. Усилие насыщенного упора F растет с увеличением тока только до полного насыщения упора. Дальнейшее увеличение тока приводит к тому, что электромагнитное усилие в рабочем зазоре начинает расти в противоположную сторону от насыщенного упора и, когда электромагнитное усилие F в рабочем зазоре превысит сумму усилий насыщенного упора и удерживающей пружины кручения F>F+F, произойдет отрыв якоря от упора и его движение в сторону замыкания МС и воздействия якоря на рейку МСР.
Таким образом, уменьшение массогабаритных показателей обусловлено тем, что П-образный магнитопровод выполнен содержащим с одной стороны отгиб С-образной формы - насыщенный упор, ограничивающий движение якоря и определяющий его начальное положение при токах до срабатывания, тем самым выполняя роль удерживающей пружины, это способствовало уменьшению значений противодействующей пружины и изготовлению ее в виде пружины кручения, что в свою очередь, позволило значительно уменьшить сечение магнитопровода и облегчить технологический процесс его изготовления, выполнив его плоским и из листового магнитопроводящего материала методом штамповки. Также на уменьшение массогабаритных показателей и на упрощение технологического процесса изготовления существенно оказывает влияние тот факт, что поворотный якорь выполнен цельным, прямоугольного сечения из листового магнитопроводящего материала методом штамповки.
Повышение устойчивости к внешним механическим воздействиям обусловлено тем, что конструкция поворотного якоря изогнута таким образом, что образованы дугообразные выступы со сквозными отверстиями для крепления оси вращения, при этом центр масс якоря находится на оси вращения якоря, тем самым конструктивно уравновешивая его.
Быстродействие и точность срабатывания определяется тем, что при токах близких к срабатыванию вибрация якоря с частотой сети исключается, так как П-образный магнитопровод содержит укороченный отгиб-полюс с большим сечением, образующий с якорем основной рабочий зазор, а с противоположной стороны магнитопровода - выполнен радиусный изгиб во внутреннюю сторону для образования минимального рабочего зазора в сработанном положении якоря, и благодаря этому якорь, оторвавшийся от насыщенного упора, будет уже иметь значительные усилия в рабочем зазоре и уже не может вернуться назад даже при снижении тока короткого замыкания, вследствие динамического отброса контактов и появления дуги, то есть якорь при срабатывании стремится замкнуть магнитную систему, развивая максимальные усилия в конце хода якоря.
Данное техническое решение ЭМР было проверено на различных макетных и опытных образцах в новых разработках автоматических выключателей. Получены положительные результаты. Предлагаемое техническое решение (электромагнит сверхтока с насыщенным упором) предполагается использовать во всех новых разработках автоматических выключателей.