ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСЦЕПИТЕЛЬ МАКСИМАЛЬНОГО ТОКА

Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике, а именно к электромагнитным расцепителям максимального тока, применяемым, в частности, в низковольтных автоматических выключателях для защиты от больших токов короткого замыкания.
Известны электромагнитные расцепители максимального тока, содержащие П-образный ферромагнитный сердечник, размещенную на сердечнике обмотку с протекающим по ней номинальным током защищаемой автоматическим выключателем цепи, подпружиненный якорь, воздействующий на ведомый механизм выключателя. Под действием электромагнитного поля, создаваемого током короткого замыкания, якорь, перемещаясь к сердечнику, взаимодействует посредством кинематических звеньев с механизмом свободного расцепления автоматического выключателя, который производит отключение потребителя от питающей сети, см. [1]. Недостатком такого расцепителя является невозможность применения его на большие номинальные токи и большие токи короткого замыкания из-за небольшого сечения провода катушки. На несколько большие токи могут применяться расцепители по патентам [2-4]. В них вместо катушки используется токопроводящие элементы главной цепи выключателя, которые проходят через цельногнутые сердечники из ферромагнитного материала П-образной [2-3] или U-образной [4] формы. Диапазон токов указанных расцепителей ограничен большими тепловыми потерями в цельногнутых сердечниках и якорях из-за вихревых токов, возникающих в сплошном магнитопроводе. Более подходящими для больших номинальных токов (от нескольких сотен до нескольких тысяч ампер) и токов короткого замыкания (в несколько десятков киллоампер) являются расцепители, в которых для уменьшения тепловых потерь от вихревых токов и сердечник и якорь выполнен в виде пакета пластин из электротехнической стали, механически скрепленных между собой шпильками. Конструкции таких расцепителей приведены в [5-7]. Шихтованный магнитопровод, состоящий из сердечника и якоря, охватывает шину выключателя, по которой проходит и большой номинальный ток и предельно допустимый для каждого типоразмера выключателя максимальный ток короткого замыкания. Так как магнитопровод состоит из изолированных друг от друга пластин, то для вихревых токов он представляет большое сопротивление, что существенно снижает тепловые потери и обеспечивает нормированную стандартом температуру конструктивных частей выключателя. Недостаток конструкции расцепителя по патенту [6] - сложная кинематическая цепь для воздействия на ведомый механизм, увеличенные габариты, регулировка тока отключения только усилием пружины.
Наиболее близким по конструктивному исполнению к заявляемой полезной модели является электромагнитный расцепитель в составе комбинированного расцепителя по патенту [7]. Прототип содержит шихтованный П-образный сердечник и поворотный якорь, которые охватывают шину большого поперечного сечения, рассчитанную на большие токи. Поверхности пластин, из которых набран сердечник и якорь, изолированы и скреплены с помощью стяжных шпилек. В конструкции компактно размещены возвратные пружины и ограничитель хода якоря. Несколько неудачно выполнение толкателя в виде стержня, выбивающегося из общей компоновки расцепителя. К недостаткам прототипа относятся: возможность изменения порогового тока срабатывания только заменой пружин; отсутствие возможности ослабления магнитного потока в магнитопроводе при необходимости увеличения максимальных отключаемых токов короткого замыкания (например, с целью расширении зоны селективной работы выключателя по току) при заданном ходе якоря; возможность кратковременного «залипания» якоря на сердечнике при повышенных токах короткого замыкания, что приводит к нестабильной работе расцепителя, к дополнительным тепловым нагрузкам на выключатель. На преодоление указанных недостатков направлена конструкция заявляемой полезной модели. Технический результат, достигаемый предлагаемой полезной моделью, заключается:
- в расширении диапазона отключаемых токов короткого замыкания в сторону увеличения путем создания конструктивных возможностей для ослабления магнитного потока в сердечнике и якоре при заданном рабочем зазоре между якорем и сердечником;
- в исключении «залипаний» якоря на теле сердечника при больших отключаемых токах;
- в повышении точности отключения токов короткого замыкания заданной величины посредством введения юстировки усилия возвратной пружины;
- в создании более компактной конструкции расцепителя;
- в повышении надежности и увеличении технического ресурса расцепителя.
Поставленная цель достигается тем, что в электромагнитном расцепителе максимального тока, состоящем из П-образного сердечника и якоря, каждый из которых представляет собой пакет изолированных друг от друга ферромагнитных пластин, скрепленных между двумя щеками посредством шпилек, а также из ограничителя рабочего хода якоря, толкателя и возвратной пружины, его сердечник снабжен внутренним выступом, при этом выступ и якорь имеют форму прямоугольных трапеций, развернутых друг к другу контактирующими боковыми сторонами, неперпендикулярными к основаниям трапеций. Толкатель расцепителя выполнен в виде Г-образного отгиба на первой щеке якоря, между первой и второй щеками якоря под отгибом смонтирован неподвижный стержень с выступающими за щеки якоря консолями. На противоположном конце щек якоря установлена ось вращения якоря, причем первая и вторая щека сердечника оснащены отформованными в плоскости щек ограничителями рабочего зазора между сердечником и якорем в виде косых упоров, взаимодействующих с консолями стержня. Также на щеках сердечника выполнены горизонтально две пары прямоугольных пазов и соосные отверстия для оси вращения якоря. Отверстия для оси расположены так, что между хвостовой частью якоря и сердечником образован дополнительный рабочий зазор, пропорциональный величине максимального отключаемого тока, а между контактными поверхностями внутреннего выступа сердечника и якоря образован клиновидный воздушный зазор. Кроме этого, расцепитель снабжен пластинчатым прямоугольным зацепом с резьбовым отверстием, двумя вкладышами с гладкими отверстиями и прямоугольными выступами, расположенными в прямоугольных пазах между щеками сердечника, резьбовой регулировочной стойкой со шлицем и упорными заплечиками, установленной заплечиками в распор между вкладышами в их гладких отверстиях с возможностью вращения. При этом пластинчатый зацеп помещен своим резьбовым отверстием на стойке и ограничен от вращения щеками сердечника, а возвратная пружина закреплена одним концом на стержне якоря и другим на пластинчатом зацепе.
Выполнение сердечника с внутренним выступом, придание выступу и якорю формы прямоугольных трапеций, развернутых друг к другу контактирующими боковыми сторонами, неперпендикулярными к основаниям трапеций, создает компактную магнитную систему рацепителя с равномерным сечением магнитопровода. Компактности конструкции также способствует выполнение толкателя на первой щеке якоря в виде Г-образного отгиба, не выходящего за габаритную толщину расцепителя, а также выполнение ограничителя рабочего хода якоря в виде отформованных в плоскости щек сердечника косых упоров, взаимодействующих с консолями круглого стержня, вмонтированного под толкателем между первой и второй щеками якоря. Выбором величины дополнительного рабочего зазора между хвостовой частью якоря и сердечником можно изменять силу магнитного потока (при больших токах короткого замыкания возникающий магнитный поток избыточен), а значит уменьшать ударные нагрузки на сердечник и якорь расцепителя и увеличить технический ресурс расцепителя. Выбранное место на щеках сердечника для отверстий под ось вращения якоря также обеспечивает при срабатывании образование постоянного клиновидного воздушного зазора между контактной поверхностью внутреннего выступа сердечника и контактной поверхностью якоря. Клиновидный воздушный зазор исключает «залипание» якоря на сердечнике и способствует стабильной работе расцепителя, уменьшает тепловую нагрузку на выключатель. Для создания компактного и несложного механизма юстировки усилия возвратной пружины в щеках сердечника выполнены горизонтально две пары прямоугольных пазов, а расцепитель снабжен пластинчатым прямоугольным зацепом с резьбовым отверстием, двумя вкладышами с гладкими отверстиями и прямоугольными выступами, расположенными в прямоугольных пазах между щеками сердечника, резьбовой регулировочной стойкой со шлицем и упорными заплечиками. Резьбовая втулка установлена заплечиками в распор между вкладышами в их гладких отверстиях и имеет возможность вращения. Пластинчатый зацеп помещен своим резьбовым отверстием на резьбовой части стойки и ограничен от вращения щеками сердечника. Возвратная пружина закреплена одним концом на стержне якоря, а другим на пластинчатом зацепе. Поскольку пластинчатый зацеп не имеет возможности вращаться вокруг резьбовой стойки, то при вращении стойки за шлиц пластинчатый зацеп перемещается поступательно вверх-вниз между щеками сердечника, изменяя длину возвратной пружины, юстируя ее усилие под требуемую величину отключаемого тока короткого замыкания. Это уменьшает погрешность величины отключаемого тока, что важно при создании селективных систем защиты по величине отключаемых токов короткого замыкания.
Предлагаемая полезная модель может использоваться при серийном производстве в составе низковольтных автоматических выключателей на различные номинальные токи, в качестве малогабаритного электромагнитного расцепителя максимального тока. Благодаря предложенному формообразованию конструктивных элементов (толкателя, ограничителя рабочего хода якоря), отформованных непосредственно из материала щек якоря и сердечника, а также размещению остальных конструктивных элементов (стержень, ось вращения якоря) и деталей юстировки (вкладышей, резьбовой стойки с упорными заплечиками, пластинчатого зацепа) внутри расцепителя между щеками сердечника и якоря, получена компактная конструкция полезной модели. Предложенная форма сердечника и якоря, взаимное их расположение с образованием дополнительного рабочего зазора и клиновидного воздушного зазора обеспечивают расширение диапазона отключаемых токов в сторону увеличения тока с исключением больших механических нагрузок и залипания якоря. При этом увеличивается технического ресурс расцепителя и надежность его работы. Механизм юстировки усилия возвратной пружины уменьшает погрешность настройки расцепителя на требуемую величину токовой отсечки выключателя.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели, позволил установить, что заявитель не обнаружил прототип, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленной полезной модели. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленной конструкции, изложенных в формуле полезной модели.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «новизна».
Конструкция заявляемой полезной модели изображена на рисунках фиг. 1-7. На рисунке фиг. 1 изображен общий вид электромагнитного расцепителя при отсутствии тока короткого замыкания в защищаемой электрической цепи. На фиг. 2 приведен вид спереди на электромагнитный расцепитель. Рисунки фиг. 3 и фиг. 4 дают представление о положении якоря и других деталей расцепителя в разрезе А-А, соответственно, без тока короткого замыкания и с током короткого замыкания в защищаемой цепи. Разрез А-А условно выполнен между ферромагнитными пластинами якоря и сердечника. Положение секущей плоскости А-А см. на фиг. 5, которая изображает вид Б сверху на расцепитель. На фиг. 6 показан вид В сбоку слева, а на фиг. 7 вид Г сзади на полезную модель. Рисунки фиг. 5-7 соответствуют положению деталей расцепителя при притянутом к сердечнику якоре.
p
р
к
д
д
д
p
д
к
Электромагнитный расцепитель максимального тока (см. фиг. 1-фиг.4) состоит из П-образного сердечника 1 и якоря 2, каждый из которых представляет собой пакет изолированных друг от друга ферромагнитных пластин 3 и 4 (см. фиг. 1), скрепленных между щеками 5, 6 и 7, 8 посредством шпилек 9 и 10. Сердечник 1 снабжен внутренним выступом 11 (см. фиг. 3 и фиг. 4). Выступ 11 и якорь 2 имеют форму прямоугольных трапеций, развернутых друг к другу боковыми контактирующими сторонами 12 и 13, неперпендикулярными к основаниям трапеций. Между сторонами 12 и 13 образован рабочий зазор δ, определяющий рабочий ход якоря 2 при срабатывании расцепителя. Ограничитель рабочего хода якоря 2 выполнен в виде косых упоров 14 и 15, отформованных на первой 5 и второй 6 щеках сердечника 1. Толкатель, воздействующий на ведомый механизм выключателя, выполнен в виде Г-образного отгиба 16 на первой щеке 8 якоря 2. Под Г-образным отгибом 16 между первой и второй щеками 7, 8 якоря 2 смонтирован неподвижный круглый стержень 17 с выступающими за щеки якоря консолями 18 (см. фиг. 1) и 19 (см на фиг. 5). Консоли 18, 19 стержня 17, упираясь в косые упоры 14, 15, ограничивают перемещение якоря 2 под действием возвратной пружины 20 и определяют рабочий зазор δ. Толкатель, ограничитель, стержень, пружина, якорь компактно размещены в пределах толщины t сердечника и не увеличивают габариты расцепителя, что экономит компоновочное пространство выключателя, в который встраивается расцепитель (см. фиг. 6). На противоположном конце щек 7, 8 якоря установлена ось 21, на которой вращается якорь 2. Для монтажа оси 21 на сердечнике 1 в щеках 5, 6 выполнено два соосных отверстия 22 и 23 (отверстие 23 см. на фиг. 7). Место для отверстий 22 и 23 под ось 21 на щеках 5, 6 сердечника 1 подобрано так, что при срабатывании расцепителя между контактирующими поверхностями 12 и 13 сердечника 1 и якоря 2 образуется клиновидный воздушный зазор δ (см. фиг. 4), а между хвостовой частью 24 якоря 2 и сердечником 1 сохраняется дополнительный рабочий зазор δ, пропорциональный величине максимального отключаемого тока. Дополнительный воздушный зазор δ необходим для ослабления магнитного потока в магнитопроводе расцепителя при значительных токах короткого замыкания (до нескольких десятков тысяч ампер в зависимости от номинального тока выключателя и требуемого тока отсечки при коротких замыканиях). Конкретная величина зазора δ при выбранном ходе якоря δ, номинальном токе и токе отсечки выбирается экспериментально в виду сложности теоретических расчетов и низкой их точности. Дополнительный рабочий зазор δ уменьшает ударные нагрузки на конструкцию расцепителя, а клиновидный зазор δ исключает залипания якоря на сердечнике. На щеках 5 и 6 сердечника 1 также выполнены горизонтально друг против друга две пары прямоугольных пазов 25, 26 и 27, 28 (см. фиг. 2 и фиг.7 ), а расцепитель снабжен пластинчатым прямоугольным зацепом 29 (см. фиг. 3, 4) с резьбовым отверстием 30, двумя вкладышами 31 и 32 с гладкими отверстиями 33, 34 и прямоугольными выступами 35, 36 и 37, 38, расположенными в прямоугольных пазах 25, 26 и 27, 28 между щеками 5, 6 сердечника. Также расцепитель снабжен резьбовой регулировочной стойкой 39 со шлицем 40 и упорными заплечиками 41, 42, установленной заплечиками в распор между вкладышами 31, 32 в их гладких отверстиях 33, 34 с возможностью вращения. При этом пластинчатый зацеп 29 помещен своим резьбовым отверстием 30 на стойке 39 и ограничен от вращения щеками 5, 6 сердечника, а возвратная пружина 20 закреплена одним концом на стержне 17 якоря 2 и другим на пластинчатом зацепе 29. Так как пластинчатый зацеп 29 ограничен от вращения щеками 5 и 6, то при вращении резьбовой стойки 39 с помощью шлица 40 зацеп имеет возможность только поступательного движения вдоль резьбы, меняя угол наклона пружины 20 относительно якоря и меняя ее начальное усилие. Во время калибровки расцепителя, меняя (юстируя) начальное усилие возвратной пружины 20 добиваются срабатывания расцепителя с заданной погрешностью при заданном токе отсечки (заданном максимальном значении тока короткого замыкания, при котором должно происходить гарантированное автоматическое отключение потребителя от питающей сети), протекающем через шину 43, см. фиг.4.
Работает электромагнитный расцепитель следующим образом.
p
д
д
к
В исходном положении, когда ток через шину 43 отсутствует или его величина меньше величины тока отсечки, на который откалиброван расцепитель, якорь 2 удерживается в крайнем верхнем положении (см. фиг. 2, 3) возвратной пружиной 20. При этом якорь консолями 18, 19 стержня 17 упирается в косые упоры 14, 15 на сердечнике 1. При появлении в шине 43 тока равного или больше тока отсечки расцепитель работает как электромагнит. Магнитное поле в сердечнике и якоре, пытаясь замкнуться через воздушные зазоры δ и δ (см. фиг. 3 и 4), преодолевает усилие пружины 20 и вращает якорь 2 вместе с толкателем 16 в направлении к поверхности 12 сердечника 1. Толкатель 16 воздействует на отключающую рейку (на рисунках не показана) ведомого механизма, который производит мгновенное размыкание главных контактов автоматического выключателя. При срабатывании дополнительный рабочий зазор δ практически мало меняется и предохраняет расцепитель от возникновения больших электромагнитных сил от тока короткого замыкания, т.е. уменьшает механические удары якоря о сердечник, уменьшает внутренние механические напряжения в конструкции, обеспечивая тем самым надежную и долговечную работу расцепителя. Наличие после срабатывания клинообразного зазора δ (см. фиг. 4) исключает «залипание» якоря на сердечнике и способствует стабильной работе расцепителя. После срабатывания якорь возвращается без задержки в исходное положение.
д
к
Таким образом, выполнение электромагнитного расцепителя максимального тока в заявляемом виде, а именно с внутренним выступом 11 на сердечнике 1 и якорем 2 в форме прямоугольных трапеций, развернутых друг к другу контактирующими сторонами 12, 13, неперпендикулярными к основаниям трапеций, с толкателем в виде Г-образного отгиба 16 на одной из щек 8 якоря 2, с ограничителем в виде косых отгибов 14, 15 и консолей 18, 19 стержня 17, с размещением якоря 2 на сердечнике 1, при котором образован дополнительный рабочий зазор δ и клиновидный воздушный зазор δ, с механизмом юстировки пружины 20, состоящего из вкладышей 31, 32, резьбовой стойки 39 и резьбового зацепа 29, в описанной взаимосвязи и взаимном расположении с остальными деталями расцепителя, позволили достичь в предлагаемой модели декларируемого технического результата.
Описанная конструкция полезной модели и описание ее работы свидетельствуют о соответствии заявленной полезной модели следующей совокупности условий:
- устройство, воплощающее заявленную модель, при его осуществлении предназначено для использования в автоматических выключателях и относится к электротехнике, а именно к электромагнитным расцепителям максимального тока;
- для заявленной конструкции в том виде, как она охарактеризована в изложенной формуле полезной модели, подтверждена возможность ее осуществления с помощью описанных в заявке средств;
- устройство, воплощающее заявленную полезную модель, при осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Опытные образцы заявляемого электромагнитного расцепителя были изготовлены и испытаны с положительными результатами в составе автоматических выключателей на большие токи.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «промышленная применимость».
Источники, принятые во внимание:
1. Описание к патенту на изобретение SU 1003190, Н01Н 71/40, опубл. 07.03.1983.
2. Описание к патенту на полезную модель RU 150930, Н01Н 71/40, опубл. 10.03.2015.
3. Описание к патенту JPS 598235, (A) Н01Н 3/28, Н01Н 71/40, Н01Н 73/36, опубл. 17.01.1984.
4. Описание к патенту на полезную модель RU 158248, Н01Н 71/24, опубл. 27.12.2015.
5. Таев И.С. Электрические аппараты управления «Высшая школа», М., 1969, стр. 285, рис. 5.11.
6. Описание к патенту GB 1455747, (A) Н01Н 71/24, Н01Н 73/38, опубл. 17.11.1976.
7. Описание к патенту на полезную модель RU 140864, Н01Н 71/12, опубл. 20.05.2014.