МАГНИТНОЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО С НЕМАГНИТНОЙ ВСТАВКОЙ
MAGNETIC ACTUATION DEVICE WITH NON-MAGNET INSERT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к магнитному исполнительному устройству для автоматического выключателя, в частности для средневольтного вакуумного автоматического выключателя, к автоматическому выключателю и магнитному исполнительному устройству для переключения автоматического выключателя, к применению магнитного исполнительного устройства для переключения автоматического выключателя и к способу сборки магнитного исполнительного устройства для автоматического выключателя.
Уровень техники
Для работы автоматического выключателя, в частности средневольтного вакуумного автоматического выключателя, необходимо создавать большое усилие для прижатия первого подвижного электрического контакта к соответствующему второму неподвижному электрическому контакту. Усилие может создаваться магнитным исполнительным устройством. Магнитное исполнительное устройство содержит катушку для создания магнитного поля, магнитный сердечник для формирования этого поля и подвижную пластину, которая притягивается магнитным сердечником. В притянутом состоянии подвижная пластина создает усилие, используемое для замыкания автоматического выключателя.
В документе WO 01/46968 А1 описан соленоид с переменным магнитным сопротивлением, который включает в себя сердечник и ярмо, расположенное аксиально с одного конца сердечника. Магнитное притяжение в аксиальном зазоре между сердечником и ярмом заставляет сердечник двигаться в осевом направлении и замыкать зазор. Сердечник состоит из ферромагнитных пластин, расположенных в плоскости, перпендикулярной осевому направлению. Эти пластины могут иметь щели, подобранные и расположенные таким образом, чтобы бороться с токами Фуко и уменьшать перемещаемую массу, в то же время не создавать для магнитного потока узких мест. Соленоид может иметь два ярма на противоположных сторонах сердечника, обеспечивающих возвратно-поступательное движение сердечника.
В документе EP 1843375 А1 описано электромагнитное исполнительное устройство для средневольтного автоматического выключателя, имеющее первую подвижную пластину в виде круглого ярма, приводной шток и нижнюю вторую подвижную пластину меньших размеров в виде нижнего ярма меньших размеров, которая неподвижно закреплена на удалении от первой подвижной пластины и расположена на противоположной стороне сердечника. Между сердечником магнитного исполнительного устройства и малым ярмом вставлена демпфирующая прокладка для обеспечения механического демпфирования.
Однако толщина демпфирующих прокладок обычно слишком велика, чтобы создавать требуемое усилие удержания системы, например, состоящей из магнитного исполнительного устройства и внешних устройств типа одного или нескольких вакуумных выключателей, в положении РАЗОМКНУТО или ВЫКЛ. Типично требуемое усилие в положении ВЫКЛ создается отключающей пружиной. Отключающая пружина создает максимальное усилие в положении ВКЛ выключателя. Ввиду того что магнитное исполнительное устройство, как правило, не может магнитно создавать свое собственное усилие зажима для положения ВЫКЛ, отключающая пружина должна быть выполнена таким образом, чтобы также помогать создавать усилие зажима в положении ВЫКЛ. Следовательно, механическая энергия для сжатия отключающей пружины в замкнутом состоянии выключателя относительно велика и выше, чем требуется для получения необходимой скорости отключения.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в создании компактного, гибкого и эффективного магнитного исполнительного устройства для автоматического выключателя.
Указанная задача решена в объектах согласно независимым пунктам формулы изобретения. Дополнительные типичные варианты осуществления изобретения очевидны из зависимых пунктов формулы изобретения.
Одним объектом настоящего изобретения является магнитное исполнительное устройство для автоматического выключателя, в частности для средневольтного автоматического выключателя, в котором магнитное исполнительное устройство предназначено для переключения автоматического выключателя между положениями ВКЛ и ВЫКЛ путем перемещения первой подвижной пластины на приводном штоке с помощью магнитного сердечника между положениями ВКЛ и ВЫКЛ. Магнитное исполнительное устройство содержит немагнитную плоскую вставку, расположенную между магнитным сердечником и второй подвижной пластиной, установленной на упомянутом приводном штоке на определенном расстоянии от первой подвижной пластины, при этом немагнитная плоская вставка и вторая подвижная пластина используются для настройки удерживающего усилия магнитного исполнительного устройства, создаваемого второй подвижной пластиной в положении ВЫКЛ, в котором удерживающее усилие достаточно велико для удержания магнитного исполнительного устройства в положении ВЫКЛ вопреки воздействию на магнитное исполнительное устройство внешних сил. Для создания удерживающего усилия в положении ВЫКЛ нет необходимости использовать дополнительную пружину.
Немагнитная плоская вставка и (или) вторая подвижная пластина могут быть использованы для настройки удерживающего усилия магнитного исполнительного устройства, создаваемого второй подвижной пластиной в положении ВЫКЛ путем подбора толщины немагнитной плоской вставки и (или) толщины и (или) ширины или диаметра второй подвижной пластины.
Другими словами, в данном варианте выполнения настоящего изобретения предлагается относительно плоская немагнитная вставка вместо демпфирующего слоя, в котором удерживающее усилие магнитного исполнительного устройства в положении ВЫКЛ или разъединенном положении может быть настроено в соответствии с требованиями системы, управляемой данным магнитным исполнительным устройством путем изменения толщины немагнитной вставки. Открывающая пружина для удержания магнитного исполнительного устройства в положении ВЫКЛ может быть исключена, так как необходимое удерживающее усилие в положении ВЫКЛ создается второй подвижной пластиной. Удерживающее усилие возрастает при уменьшении толщины немагнитной плоской вставки и уменьшается при увеличении ее толщины. Дополнительная настройка удерживающей силы в положении ВЫКЛ может быть осуществлена путем изменения толщины и (или) ширины или диаметра второй подвижной пластины.
В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения магнитное исполнительное устройство дополнительно содержит крепежное устройство для крепления немагнитной плоской вставки к магнитному сердечнику, в частности, выполненное в виде винта. Может быть выгодным использовать имеющиеся винты для надежного крепления вставки к магнитному сердечнику. Крепежное устройство может состоять из одного винта.
В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения плоскую немагнитную вставку выполняют из нержавеющей стали. Плоская немагнитная вставка может иметь вид слоя, который может быть также выполнен из различных немагнитных материалов, соответствующих требованиям к заданному количеству срабатываний магнитного исполнительного устройства и его коррозионной стойкости. Нержавеющая сталь удовлетворяет обоим вышеприведенным аспектам.
В зависимости от конкретного применения немагнитная плоская вставка используется для настройки удерживающего усилия магнитного исполнительного устройства, создаваемого второй подвижной пластиной в положении ВЫКЛ путем подбора расстояния между второй подвижной пластиной и магнитным сердечником, т.е. путем подбора толщины немагнитной плоской вставки. В целом эта зависимость имеет гиперболический характер.
В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения магнитное исполнительное устройство дополнительно содержит центральный элемент сердечника, по меньшей мере два боковых элемента, окружающих центральный элемент, и по меньшей мере два постоянных магнита, располагаемых между центральным и боковыми элементами сердечника, при этом вторая подвижная пластина используется для настройки удерживающего усилия магнитного исполнительного устройства, создаваемого второй подвижной пластиной в положении ВЫКЛ, исходя из отношения ширины второй подвижной пластины к расстоянию между внешними сторонами постоянных магнитов.
Из-за распределения и концентрации магнитного потока и из-за эффекта насыщения в металлических частях, таких как центральный элемент сердечника, боковые элементы сердечника и вторая подвижная пластина, удерживающая сила имеет максимальное значение, когда ширина второй подвижной пластины немного больше, чем расстояние между внешними сторонами постоянных магнитов.
При более широких вторых подвижных пластинах удерживающая сила уменьшается, так как магнитный поток становится менее концентрированным.
При более узких вторых подвижных пластинах удерживающая сила также уменьшается, так как магнитный поток уменьшается из-за малого содержания железа и большого содержания воздуха в магнитном контуре, включающем вторую подвижную пластину.
В случае если первая подвижная пластина имеет не прямоугольную, а круглую форму, также наблюдается максимальная удерживающая сила в положении ВЫКЛ при некотором диаметре второй подвижной пластины, но с менее выраженным пиком из-за наложения областей круглой второй подвижной пластины, которые шире, чем ширина между внешними сторонами постоянных магнитов, и других областей круглой второй подвижной пластины, которые менее широки.
В другом варианте выполнения настоящего изобретения удерживающее усилие магнитного исполнительного устройства, создаваемое второй подвижной пластиной в положении ВЫКЛ, настраивают путем изменения толщины второй подвижной пластины. Если вторая подвижная пластина относительно тонкая, то может случиться, что магнитный поток насытит области второй подвижной пластины до такой степени, что магнитное сопротивление существенно возрастет. Тогда магнитный поток уменьшится, и, следовательно, также уменьшится магнитное удерживающее усилие в положении ВЫКЛ.
Для получения более компактной конструкции магнитного исполнительного устройства предлагается автоматический выключатель и магнитное исполнительное устройство для переключения автоматического выключателя, в котором магнитное исполнительное устройство может быть интегрировано в автоматический выключатель. Использование такого магнитного исполнительного устройства в автоматическом выключателе предлагается в другом предпочтительном варианте осуществления.
Еще одним объектом настоящего изобретения является способ сборки магнитного исполнительного устройства для автоматического выключателя, способ, включающий в себя этапы установки катушки на центральном элементе сердечника магнитного исполнительного устройства, чтобы катушка создавала магнитное поле в сердечнике, подвижной установки первой подвижной пластины на приводном штоке, проходящем через центральный элемент сердечника, так что первая подвижная пластина может перемещаться между положением ВКЛ и положением ВЫКЛ автоматического выключателя, установки плоской немагнитной вставки на внешней стороне сердечника, противоположной первой подвижной пластине, и затем установки второй подвижной пластины ниже плоской немагнитной вставки на том же приводном штоке, на котором установлена первая подвижная пластина, так что плоская немагнитная вставка оказывается между центральным элементом сердечника и второй подвижной пластиной магнитного исполнительного устройства. Плоскую вставку и вторую подвижную пластину используют для настройки удерживающего усилия магнитного исполнительного устройства, создаваемого второй подвижной пластиной в положении ВЫКЛ.
Эти и другие аспекты настоящего изобретения очевидны из нижеследующего описания и поясняются со ссылкой на типичные варианты выполнения, описанные ниже.
Краткое описание чертежей
Ниже более подробно описаны наиболее предпочтительные варианты выполнения настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 показано изображение сечения магнитного исполнительного устройства для автоматического выключателя в положении ВКЛ в соответствии с одним из вариантов выполнения настоящего изобретения;
на фиг.2 - перспективное изображение магнитного исполнительного устройства в положении ВКЛ в соответствии с другим вариантом выполнения настоящего изобретения;
на фиг.3 - изображение сечения магнитного исполнительного устройства для автоматического выключателя, приведенного на фиг.2;
на фиг.4 - график, демонстрирующий отношение ширины второй подвижной пластины магнитного исполнительного устройства, показанного на фиг.1 - 3, к расстоянию между внешними сторонами постоянных магнитов сердечника магнитного исполнительного устройства;
на фиг.5 - блок-схема последовательности этапов способа сборки магнитного исполнительного устройства для автоматического выключателя в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Все чертежи являются схематическими.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показано магнитное исполнительное устройство 100 для автоматического выключателя, в частности для средневольтного вакуумного автоматического выключателя, содержащее сердечник 101 с центральным элементом 109, по меньшей мере два боковых элемента 102, окружающих центральный элемент 109, и по меньшей мере два постоянных магнита 106, расположенных между центральным элементном 109 и боковыми элементами 102 сердечника. Магнитное исполнительное устройство предназначено для переключения автоматического выключателя между положением ВКЛ и положением ВЫКЛ путем перемещения первой подвижной пластины 103 между положением ВКЛ и положением ВЫКЛ. Немагнитная вставка 110 установлена между сердечником 101 магнитного исполнительного устройства и второй подвижной пластиной 107.
Первая подвижная пластина 103 притягивается сердечником 101 в первое положение Р1 с первой стороны сердечника 101, когда создается магнитное поле катушкой 105, которая создает магнитный поток 112 в сердечнике 101. Первая подвижная пластина 103 перемещается в направлении сердечника 101, когда она притягивается сердечником 101. Первая подвижная пластина 103 и вторая подвижная пластина 107 разнесены друг от друга на расстояние d1, так что если первая подвижная пластина 103 поднимается вверх от сердечника 101 на заданную длину хода магнитного исполнительного устройства 100 в положение ВЫКЛ, вторая подвижная пластина 107 касается плоской немагнитной вставки 110 со второй стороны сердечника 101 во втором положении Р2, противоположном первому положению Р1.
На фиг.2 показано магнитное исполнительное устройство 100 для автоматического выключателя в соответствии с другим типичным вариантом осуществления настоящего изобретения. Магнитное исполнительное устройство показано в положении Р1, т.е. в положении ВКЛ или закрытом положении не показанного на чертеже автоматического выключателя, приводимого в действие магнитным исполнительным устройством. Плоская немагнитная вставка 110 может быть выполнена из нержавеющей стали и установлена между сердечником 101 и второй подвижной пластиной 107 и может быть прикреплена к сердечнику или второй подвижной пластине 107, например, с помощью крепежного устройства 111.
Плоская вставка 110 вместе со второй подвижной пластиной 107 предназначена для настройки удерживающего усилия магнитного исполнительного устройства 100, создаваемого второй подвижной пластиной 107 в положении ВЫКЛ, в частности, если первая подвижная пластина 103 поднимается вверх от сердечника 101 на заданный ход Т магнитного исполнительного устройства 100, настройка возможна путем регулирования толщины плоской немагнитной вставки ПО. Приводной шток 104 используется для направления движения первой подвижной пластиной 103 и второй подвижной пластиной 107 относительно сердечника 101.
На фиг.2 показано магнитное исполнительное устройство 100 для автоматического выключателя, в котором первая подвижная пластина 103 закреплена на приводном штоке 104. Магнитное исполнительное устройство, показанное на фиг.2, содержит катушку 105, сердечник 101 с центральным элементом 109, по меньшей мере два боковых элемента 102, окружающих центральный элемент, и по меньшей мере два постоянных магнита, установленных между центральным элементом 109 и боковыми элементами 102, как это показано на фиг.1, с той разницей, что вторая подвижная пластина 107 имеет форму круга диаметром 201, а плоская немагнитная вставка 110 прикреплена к сердечнику винтом 111.
На фиг.3 показано сечение магнитного исполнительного устройства 100, изображенного на фиг.2. Толщина плоской немагнитной вставки 110 позволяет регулировать удерживающее усилие магнитного исполнительного устройства 100, создаваемого второй подвижной пластиной 107 в положении ВЫКЛ. Удерживающее усилие уменьшается с увеличением толщины Т плоской немагнитной вставки, и настройка удерживающего усилия, основанная на отношении ширины 201 второй подвижной пластины 107 к расстоянию между внешними сторонами 202, 203 постоянных магнитов 106, становится менее чувствительной к величине этого отношения.
Вторая подвижная пластина 107 круглой формы обеспечивает максимальное удерживающее усилие для заданного диаметра 201, но с менее выраженным пиком по сравнению со второй подвижной пластиной 107 прямоугольной формы, как это показано на фиг.1, из-за того что некоторые области второй подвижной пластиной 107 круглой формы шире, чем ширина 200 между внешними сторонами 202, 203 постоянных магнитов 106, а другие области второй подвижной круглой пластины 107 имеют меньшую ширину.
Усилие зажима или удерживающее усилие в положении ВЫКЛ может также зависеть от толщины Т2 второй подвижной пластины 107. Магнитный поток, который создается постоянными магнитами 106 и направляется сердечником 101, соответственно центральным элементом 109 и боковыми элементами 102, проходит, в конце концов, через пластину 107 и тем самым создает удерживающее усилие или усилие зажима. Если вторая подвижная пластина 107 относительно тонка, может случиться, что магнитный поток насытит области второй подвижной пластины 107 до такого уровня, что магнитное сопротивление значительно возрастет. Тогда магнитный поток уменьшится, и, следовательно, также уменьшится магнитное удерживающее усилие в положении ВЫКЛ.
Магнитное удерживающее усилие в положении ВЫКЛ может также зависеть от толщины Т немагнитного слоя или плоской немагнитной вставки 110. В целом эта зависимость имеет гиперболический характер. Железо во второй подвижной пластине 107 может насыщаться, если как вторая подвижная пластина 107, так и плоская немагнитная вставка 110 имеют малую толщину, и в этом случае удерживающее усилие или усилие зажима в положении ВЫКЛ будет уменьшено из-за насыщения.
На фиг.4 показан график зависимости удерживающего усилия или усилия зажима (вертикальная ось 402), создаваемого второй подвижной пластиной 107 в положении ВЫКЛ, от ширины или диаметра второй подвижной платины, если она имеет круглую форму (горизонтальная ось 401).
Кривая 404 показывает принципиальную форму зависимости удерживающего усилия или усилия зажима, когда вторая подвижная пластина и плоская немагнитная вставка имеют относительно небольшую толщину по отношению к размерам других частей магнитного контура, таких как сердечник 101, постоянные магниты 106, боковые элементы 102 и первая подвижная пластина 103. Вертикальная линия 403 показывает ширину 200 между внешними сторонами 202, 203 постоянных магнитов (см. также фиг.3). Кривая 405 показывает удерживающее усилие, когда подвижная пластина и плоская немагнитная вставка имеют большую толщину.
Благодаря распределению и концентрации магнитного потока и благодаря эффекту насыщения железных частей (сердечника, боковых элементов, второй подвижной пластины) удерживающее усилие имеет максимальное значение, когда ширина второй подвижной пластины немного больше расстояния между внешними сторонами постоянных магнитов.
При более широких вторых подвижных пластинах удерживающее усилие снижается, так как магнитный поток становится менее концентрированным.
При более узких вторых подвижных пластинах удерживающее усилие также снижается, так как уменьшается магнитный поток из-за низкого содержания железа и высокого содержания воздуха в магнитном контуре, включающем в себя вторую подвижную пластину.
При большей толщине плоской немагнитной вставки, как показано на графике линией 405, удерживающее усилие в положении ВЫКЛ будет, как правило, меньше. Кроме того, пиковое усилие с изменением ширины второй подвижной пластины будет менее выраженным и будет иметь место при более широких вторых подвижных пластинах.
На фиг.5 показана блок-схема последовательности этапов способа 500 сборки магнитного исполнительного устройства для автоматического выключателя с этапом 501 установки катушки на центральном элементе сердечника магнитного исполнительного устройства, чтобы катушка создавала магнитное поле в сердечнике, этапом 502 подвижной установки первой подвижной пластины на приводном штоке, чтобы первая подвижная пластина могла перемещаться между положением ВКЛ и положением ВЫКЛ автоматического выключателя, который переключается магнитным исполнительным устройством между положениями ВКЛ и ВЫКЛ, и чтобы первая подвижная пластина притягивалась сердечником в первое положение сердечника, когда катушка создает магнитное поле. Следующий этап - это этап 503 установки плоской немагнитной вставки на другой стороне сердечника, т.е. стороне, противоположной той, на которой расположена первая подвижная пластина. Последний этап способа 500 - это этап 504 установки второй подвижной пластины ниже плоской немагнитной вставки на том же приводном штоке, на котором установлена первая подвижная пластина, так чтобы плоская немагнитная вставка оказывалась между сердечником и второй подвижной пластиной. Плоскую вставку и вторую подвижную пластину используют для настройки удерживающего усилия магнитного исполнительного устройства, создаваемого второй подвижной пластиной в положении ВЫКЛ, при этом первая подвижная пластина и вторая подвижная пластина разнесены относительно друг друга на фиксированное расстояние, такое, что если первая подвижная пластина поднимется от сердечника на заданную длину хода магнитного исполнительного устройства в положение ВЫКЛ, то вторая подвижная пластина упирается в плоскую немагнитную вставку во втором положении сердечника, противоположном первому положению, создавая удерживающее усилие магнитного исполнительного устройства в положении ВЫКЛ.
Несмотря на то, что настоящее изобретение проиллюстрировано чертежами и подробно описано в вышеприведенном описании, такая иллюстрация и такое описание должны рассматриваться только в качестве иллюстраций и примеров, но не ограничений; настоящее изобретение не ограничивается описанными вариантами выполнения. Другие разновидности описанных вариантов выполнения понятны и могут быть осуществлены специалистами в данной области техники, использующими настоящее изобретение, исходя из изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения выражение «содержит» не исключает наличия других элементов или стадий, а неопределенный артикль «a» или «an» не исключает множественного числа. Сам факт того, что некоторые параметры приводятся в различных зависимых пунктах формулы изобретения не означает, что в целях получения выгоды не может использоваться комбинация этих параметров. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны рассматриваться в качестве факторов, ограничивающих объем изобретения.
Перечень ссылочных позиций
100 - магнитное исполнительное устройство
101 - сердечник
102 - боковые элементы
103 - первая подвижная пластина
104 - приводной шток
105 - катушка
106 - постоянные магниты
107 - вторая подвижная пластина
109 - центральный элемент сердечника
110 - плоская немагнитная вставка
111 - крепежное средство, винт
112 - магнитный поток
200 - расстояние (между внешними сторонами постоянных магнитов)
201 - ширина или диаметр (первой подвижной пластины)
202 - внешняя сторона (постоянного магнита)
203 - внешняя сторона (постоянного магнита)
400 - график зависимости удерживающего усилия от отношения ширины второй подвижной пластины к расстоянию между внешними сторонами постоянных магнитов
401 - ось ширины второй подвижной пластины
402 - ось удерживающего усилия
403 - расстояние между внешними сторонами постоянных магнитов
404 - кривая для относительно тонкой плоской немагнитной вставки
405 - кривая для относительно толстой плоской немагнитной вставки
d1 - расстояние между первой подвижной пластиной и второй подвижной пластиной
d2 - расстояние между второй подвижной пластиной и сердечником
P1 - первое положение = ВКЛ
P2 - второе положение = ВЫКЛ
T - толщина плоской немагнитной вставки
T2 - толщина второй подвижной пластины