ЗАЩЕЛКИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО И ПРИВОДНОЙ МЕХАНИЗМ С ТАКИМ ЗАЩЕЛКИВАЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ
LATCHING DEVICE AND DRIVE MECHANISM WITH SUCH LATCHING DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение относится к защелкивающему устройству для приводного механизма для коммутационного электрического аппарата, причем приводной механизм выполнен с возможностью оперативного соединения с коммутационным аппаратом, а защелкивающее устройство содержит:
стопорный элемент, выполненный с возможностью движения между, по меньшей мере, одним первым положением и, по меньшей мере, одним вторым положением, причем в первом положении стопорный элемент располагается, стопоря ведущий элемент приводного механизма в застопоренном положении, и при этом к контактному участку стопорного элемента прикладывается сила ведущего элемента, а во втором положении стопорный элемент располагается, высвобождая ведущий элемент из застопоренного положения;
опорный ролик, определяющий первую ось, причем, по меньшей мере, в первом положении стопорный элемент располагается, опираясь на опорный ролик;
отключающий элемент, выполненный с возможностью движения между, по меньшей мере, одним первым положением отключения и, по меньшей мере, одним вторым положением отключения, причем в первом положении отключения отключающий элемент располагается, стопоря стопорный элемент в первом положении, а во втором положении отключения отключающий элемент располагается, высвобождая стопорный элемент из застопоренного положения.
Во втором аспекте изобретение относится к приводному механизму для коммутационного электрического аппарата.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В случае сети разводки питания или линий передачи, в эту сеть встраивают коммутационные электрические аппараты, чтобы обеспечить автоматическую защиту в ответ на условия аномальной нагрузки или разрешить размыкание или замыкание (коммутацию) секций сети. Следовательно, коммутационный аппарат может быть призван для выполнения ряда разных операций, таких, как прерывание повреждений на выводах или коротких замыканий на линии, прерывание малых индуктивных токов, прерывание емкостных токов, коммутация не в фазе или коммутация ненагруженных линий, причем все эти операции известны специалисту в данной области техники.
В коммутационных аппаратах реальную операцию размыкания или замыкания проводят с помощью, по меньшей мере, двух контактов, которые выполнены с возможностью движения друг относительно друга, при этом один из них неподвижен, а другой подвижен. Подвижный контакт приводится в действие исполнительной системой, которая может содержать защелкивающее устройство, например, управляемое приводным механизмом, и механическую систему, при этом механическая система оперативно соединяет защелкивающее устройство с подвижным контактом коммутационного аппарата.
В документе EP 2001031-A1 раскрыта защелка в сборе для приводного механизма коммутационного электрического аппарата.
В документе US 2009/0050605-A1 описан автоматический выключатель, имеющий автоматически разъединяющее звено.
В документе US 6008459 раскрыт токоограничивающий автоматический выключатель из формованной пластмассы, включающий в себя приводной механизм и исполнительный механизм.
В документе US 5713459 описан механизм защелкивания и высвобождения роликов для коммутационного электрического аппарата.
В документе US 4679018 раскрыт механизм защелкивания для автоматического выключателя. Защелка содержит звено с тремя взаимно соединенными связующими элементами. Движение звена активируется электромагнитным плунжером, а привод осуществляется пружиной.
В документе US 3810051 раскрыт механизм отключения и защелкивания автоматического выключателя.
В документе US 2372140 раскрыт механизм защелкивания для автоматического выключателя. Защелка содержит звено с пятью взаимно соединенными связующими элементами. Движение звена активируется электромагнитным плунжером, а привод осуществляется пружиной.
В документе US 1807041 раскрыт механизм защелкивания для автоматического выключателя. Защелка содержит звено с тремя связующими элементами, привод которых осуществляет электромагнитный плунжер. Механизм смещается в застопоренное положение пружиной. Равнодействующее движение блокирующего тела происходит в стороны и вниз.
Устройства в описаниях старых американских патентов обычно неуклюжие и громоздкие из-за того, что через упомянутый механизм передается большинство силы, которой приходится осуществлять высвобождение.
В документе EP 2246869-A1 раскрыт механический защелкивающий узел для узла главного привода коммутационного электрического аппарата с опорным роликом, так что через механизм приходится передавать лишь малую толику силы. Защелкивающий узел содержит первый ролик, выполненный с возможностью движения между первым положением и вторым положением, причем в первом положении первый ролик адаптирован к стопорению ведущего зубца узла основного привода в застопоренном положении, и к первому ролику прикладывается сила ведущего зубца. Во втором положении первый ролик адаптирован к высвобождению ведущего зубца из застопоренного положения. Защелкивающий узел также содержит опорный ролик, а первый ролик адаптирован к опиранию на опорный валик, по меньшей мере, в первом положении. Защелкивающий узел дополнительно содержит направляющие желобки, каретку и стопорный рычаг для направления движения первого ролика. В первом положении первый ролик адаптирован к распределению силы ведущего зубца, прикладываемой к первому ролику, на основную составляющую силы, прикладываемую к опорному ролику, и второстепенную составляющую силы, прикладываемую к каретке.
В документе WO 2012/089550 раскрыто устройство, аналогичное тому, о котором идет речь в документе EP 2246869, и дополнительно оснащенное направляющими средствами, адаптированными к направлению первого участка первого элемента в первом направлении к опорному ролику. Возможность направлять представляет собой усовершенствование по отношению к решению согласно документу EP 2246869.
В документах EP 2012/089550 и EP 2246869 представлены существенные усовершенствования по отношению к традиционному методу, касающиеся надежности, стойкости к ударным воздействиям и условиям перегрузок, малого разброса и продолжительности работы. Вместе с тем, сохраняется потребность совершенствовать работу в этих аспектах. В этих известных устройствах внутренние движущиеся детали защелкивающего устройства по-прежнему препятствуют движению главного плеча после отпускания его электромагнитом. Тогда эти внутренние движущиеся детали приходится выталкивать с траектории главного плеча, привод которого осуществляет основная пружина. Это отнимает время и - следовательно - увеличивает продолжительность работы системы.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача данного изобретения состоит в том, чтобы добиться создания усовершенствованного ззащелкивающего устройства, в частности, добиться меньшей продолжительности работы.
Эта задача решается данным изобретением, в соответствии с которым защелкивающее устройство того типа, о котором идет речь в ограничительной части п.1 формулы изобретения, включает в себя отличительные признаки, указанные в отличительной части упомянутого пункта формулы изобретения. Таким образом, стопорный элемент имеет первый участок и второй участок, причем первый участок соединен с первым звеном с возможностью поворота вокруг первой оси поворота и с возможностью движения перпендикулярно ее направлению, и при этом второй участок соединен со вторым звеном с возможностью поворота вокруг второй оси поворота, паралельной первой оси поворота и предусматривающей возможность движения перпендикулярно ее направлению, причем второе звено соединено с отключающим элементом с возможностью поворота вокруг третьей оси поворота, паралельной первой оси поворота, за счет чего движение отключающего элемента из его первого положения отключения в его второе положение отключения инициирует движение контактного участка с выведением его из связи с ведущим элементом, обеспечивающей передачу силы.
При такой компоновке защелкивающего устройства, функция зацепления будет воплощена электромагнитом, что значительно уменьшает продолжительность работы - до половины. Предлагаемое защелкивающее устройство не имеет незакрепленных или несоединенных деталей, так что функция защелкивания будет предсказуемой и устойчивой. Также снижается трение. Требуется меньше деталей, что снижает издержки производства. Ведущий элемент сможет проходить совершенно беспрепятственно после того, как электромагнит отпустит защелку. Это важно для быстрого маневра замыкания-размыкания вследствие того, что в противном случае ведущий элемент будет медленно опускаться и даже кратковременно останавливаться у защелки, ему придется сталкивать внутреннюю движущуюся деталь со своего пути. Таким образом, посредством изобретения достигаются следующие преимущества:
вместо силы ведущего элемента функцию зацепления воплощает электромагнит;
все движущиеся части соединены друг с другом;
для выполнения функции возврата в исходное положение требуется лишь одна пружина;
во время заранее отключенного взаимодействия функция блокировки отменяется;
малое трение; и
требуется меньше деталей, а допуски для большинства деталей делаются больше, что приводит к уменьшению издержек производства.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, звенья во время движения располагаются так, что движут контактный участок в направлении, имеющем первую составляющую в продольном направлении стопорного элемента и вторую составляющую, перпендикулярную ему. Продольное направление стопорного элемента определяется как направление линии от точки контакта между стопорным элементом и ведущим элементом до точки контакта между стопорным элементом и опорным роликом.
Движение контактного участка одновременно в двух направлениях таким образом облегчает быстрое и хорошо управляемое движение контактного участка с выведением его из связи, обеспечивающей передачу силы, так что стопорный элемент больше не препятствует движению ведущего элемента.
В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления, первое звено выполнено с возможностью поворота вокруг четвертой оси поворота, паралельной первой оси поворота.
Поскольку первое звено выполнено с возможностью поворота таким образом, его сочленение со стопорным элементом может следовать по траектории, имеющей круговую линию в качестве одной составляющей во время движения из первого положения во второе положение. Это представляет собой простой и безопасный способ достижения движения контактного участка в упомянутых двух направлениях.
В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления, положение четвертой оси поворота является фиксированным.
Вынуждая первое звено поворачиваться вокруг фиксированной оси поворота, получают ситуацию, в которой вышеупомянутая круговая линия будет представлять собой траекторию движения первой оси поворота, т.е., сочленения между стопорным элементом и первым звеном. Это облегчает получение полностью определенного и хорошо управляемого движения контактного участка.
В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления, предусматривается возможность движения третьей оси поворота перпендикулярно ее направлению.
Возможность сочленения, связанного с движением этой оси, представляет собой простой способ обеспечить движение этой части стопорного элемента таким образом, что достигается вышеупомянутая картина движения контактного участка.
В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления, отключающий элемент выполнен с возможностью поворота вокруг пятой оси поворота, паралельной первой оси поворота.
Вращательная составляющая движения отключения выгодна в контексте управления движением сочленения между отключающим элементом и вторым звеном, причем это сочленение связано с третьей осью поворота. Тем самым это движение включает в себя вращательную составляющую движения соединенного конца второго звена, так что другой конец этого звена прикладывает адекватное тяговое усилие к стопорному элементу.
В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления, положение пятой оси поворота является фиксированным.
Фиксированная ось поворота для отключающего элемента гарантирует надежное функционирование защелкивающего устройства, в частности, в том, что касается приложения тягового усилия к тому концу стопорного элемента, который отдален от контактного участка.
В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления, устройство дополнительно включает в себя тормозящий элемент, приводимый в действие электромагнитом, причем тормозящий элемент выполнен с возможностью воздействия на отключающий элемент, чтобы произошло движение отключающего элемента из его первого положения отключения в его второе положение отключения за счет приложения силы отключения к отключающему элементу.
Использование тормозящего элемента, приводимого в действие электромагнитом, представляет собой быстрое инициирование операции защелкивания. Благодаря конструкции предлагаемого защелкивающего устройства, сила тормозящего элемента должна составлять лишь малую толику силы стопорения, составляя, скажем 1 % ее. Вследствие этого, электромагниту можно придать соответственные, т.е. относительно малые размеры.
В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления, отключающий элемент включает в себя первое плечо рычага, с которым соединено второе звено, и второе плечо рычага, с возможностью воздействия на которое выполнен тормозящий элемент.
Вследствие этого, тормозящий элемент действует как двуплечий рычаг, что дает возможность оптимизировать местоположение и ориентацию компонентов, с которыми он взаимодействует.
В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления, первое и второе плечи рычага располагаются под углом примерно 180° друг от друга по отношению к пятой оси поворота.
Во многих случаях это наиболее практичная компоновка в отношении взаимодействия с соседними элементами.
В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления, плечи рычага имеют отношение в диапазоне от 1,5:1 до 1:1,5, предпочтительно, примерно 1:1.
Оно представляет симметричную или почти симметричную конфигурацию рычага по отношению к силам, что обычно выгодно и практично с точки зрения размеров рычага и связанных с ним компонентов.
В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления, длина стопорного элемента находится в диапазоне, где она в 1,3-5 раз превышает длину каждого из первого и второго звеньев, предпочтительно, в диапазоне превышения в 1,8-2,5 раза.
При попытках достичь желаемой картины движения контактного участка, обнаружено, что это означает, что стопорный элемент предпочтительно должен быть примерно вдвое длиннее звеньев. При коротком стопорном элементе движение контактной детали в стороны будет труднее достижимым, а при слишком длинном стопорном элементе может пострадать стабильность, а устройство станет громоздким. Упомянутый диапазон предоставляет подходящий баланс в этом отношении, в частности, это более узкий диапазон.
В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления, длина первого звена находится в пределах диапазона, где она в 0,7-1,5 раза превышающем длину второго звена, предпочтительно, в пределах диапазона превышения в 0,9-1,1 раза.
Получение желаемой картины движения упрощается, если оба звена примерно одинаковы по длине, а отклонение от нее ограничено, становясь приемлемым, если находится в пределах заданного диапазона.
В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления, устройство дополнительно включает в себя пружинное средство, противодействующее силе включения и выполненное с возможностью возврата стопорного элемента из его второго положения в его первое положение сразу же после завершения срабатывания. Срабатывание - это операция, проводимая при коммутации электрического аппарата, например, при размыкании выключателя.
Пружина воплощает эффективный способ возврата в исходное положение устройства, и благодаря конструкции предлагаемого защелкивающего устройства возврат в исходное положение может быть достигнут с помощью относительно простой компоновки пружины.
В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления, пружинное средство представляет собой пружину растяжения.
В контексте пружины растяжения обеспечивается простейшая и надежнейшая альтернатива.
В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления, пружинное средство воздействует на соединение между вторым звеном и отключающим элементом или соседним с ним.
В этой области эффективно действует, в частности, сила возврата в исходное положение.
В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления, стопорный элемент выполнен с возможностью опираться на опорный ролик на протяжении, по меньшей мере, основной части движения из своего первого положения в свое второе положение.
Опора стопорного элемента на опорный ролик на протяжении всего движения или, по меньшей мере, основной его части вносит вклад в достижение движения стопорного элемента, которое гарантирует желаемую картину движения контактного участка.
Задача изобретения в соответствии со вторым аспектом изобретения состоит в том, чтобы разработать приводной механизм для коммутационного электрического аппарата, причем приводной механизм выполнен с возможностью оперативного соединения с коммутационным аппаратом, и этот приводной механизм содержит защелкивающее устройство и ведущий элемент, выполненный с возможностью движения относительно защелкивающего устройства между, по меньшей мере, одним застопоренным положением и, по меньшей мере, одним высвобожденным положением, для чего защелкивающее устройство наделено признаками предлагаемого защелкивающего устройства, в частности - признаками согласно любому из предпочтительных вариантов его осуществления.
Предлагаемый приводной механизм и предпочтительные варианты его осуществления имеют преимущества, аналогичные преимуществам предлагаемого защелкивающего устройства и преимущественным вариантам его осуществления, и эти преимущества описываются ниже.
Вышеописанные предпочтительные варианты осуществления изобретения изложены в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует понять, что дополнительные предпочтительные варианты осуществления можно составить из любой возможной комбинации признаков описанных предпочтительных вариантов осуществления и из любой возможной комбинации их признаков с признаками, приводимыми в описании нижеследующего примера.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 представлена схематическая иллюстрация примера защелкивающего устройства, соответствующего изобретению, в первом, застопоренном положении.
На фиг.2 представлена схематическая иллюстрация защелкивающего устройства согласно фиг.1 во втором, высвобожденном положении.
ОПИСАНИЕ ПРИМЕРА
Защелкивающее устройство изображено на фиг.1 в положении, когда оно удерживает приводной механизм 100 коммутационного электрического аппарата, например - выключателя, в застопоренном положении. В том положении выключатель готов к размыканию выключателя, если оно потребуется. Приводной механизм может быть механизмом обычного типа и не нуждаться в пояснении для специалиста в данной области техники. Таким образом, приводной механизм обозначен в целом как коробка 100, а проиллюстрирован лишь его ведущий элемент 101, который взаимодействует с предлагаемым защелкивающим устройством.
Таким образом, приводной механизм обычно может иметь узел привода вращения, соединенный с возможностью привода с валом привода вращения, который выполнен с возможностью передачи исполнительного движения коммутационному аппарату, например - части подвижного контакта коммутационного аппарата посредством механической конструкции, известной специалисту. Подвижный контакт выполнен с возможностью движения к части другого контакта и от нее для замыкания и размыкания токовой цепи. Приводной механизм может быть, как обычно, оснащен средством смещения, например - нагруженной торсионной пружиной, которая вынуждает перевод узла привода упомянутого механизма и вместе с ним - ведущего элемента в первом направлении вокруг вала привода. На рассматриваемом чертеже это направление вращения по часовой стрелке.
При необходимости операции замыкания, защелкивающее устройство высвобождает застопоренный узел привода, так что тот обеспечивает вращение по часовой стрелке, вследствие чего устройство достигает положения, иллюстрируемого на фиг.2. Вскоре после этого защелкивающее устройство возвращает узел привода в его исходное положение, показанное на фиг.1, так что он готов для следующей операции размыкания. Это общая функция защелкивающего устройства I в этом контексте. Ниже будут подробнее описаны частности защелкивающего устройства в соответствии с изобретением.
Обращась к фиг.1, отмечаем, что защелкивающее устройство включает в себя стопорный элемент 1, который на этом чертеже показан упирающимся в ведущий элемент 101 приводного механизма. Ведущий элемент 101 снабжен шарнирно с ним соединенным узлом 102 контакта. Узел 102 контакта смещается пружиной 103 растяжения при повороте по часовой стрелке. Нижний конец стопорного элемента 1 упирается в опорный ролик 2, выполненный с возможностью вращения вокруг оси O ролика. Ведущий элемент 101 прикладывает силу контакта к стопорному элементу 1 благодаря своему смещению при повороте, упомянутому выше. Опорный ролик 2 служит опорой стопорному элементу 1 и вследствие этого воспринимает почти всю силу от ведущего элемента.
Сила контакта между ведущим элементом 101 и стопорным элементом 1 имеет направление, которое в основном, но не полностью, выровнено с продольной протяженностью стопорного элемента 1. Направление силы F контакта проиллюстрировано на рассматриваемом чертеже, но в несколько увеличенном масштабе с целью пояснения. Угол между силой F контакта и продольным направлением стопорного элемента 1, т.е. направлением от точки контакта между стопорным элементом 1 и контактной частью 102 ведущего элемента 101 к точке контакта между стопорным элементом 1 и опорным роликом, предпочтительно должен составлять примерно 1°. Это означает, что опорный ролик 2 воспринимает примерно 99 % силы, тогда как звено 5 воспринимает примерно 1 %.
1
1
1
На первом участке 12 стопорного элемента 1 этот стопорный элемент соединен с первым концом первого звена 4 с возможностью поворота вокруг первой оси P поворота. В иллюстрируемом примере это соединение находится на верхнем конце стопорного элемента вблизи точки контакта. Первая ось P поворота простирается перпендикулярно плоскости бумаги и поэтому паралельна оси вращения (не показана) приводного механизма 100. Первая ось P предусматривает возможность движения перпендикулярно ее направлению.
4
1
Второй конец первого звена 4 выполнен с возможностью поворота вокруг четвертой оси P поворота, которая неподвижна и параллельна первой оси P поворота.
2
1
2
Второй участок 13 первого элемента 1 соединен с первым концом второго звена 5 с возможностью поворота вокруг второй оси P поворота, которая паралельна первой оси P поворота и предусматривает возможность движения перпендикулярно своему направлению. Вторая ось P поворота в этом примере находится на нижнем конце стопорного элемента 1 вблизи точки его контакта с опорным роликом 2.
3
3
1
5
1
Второе звено 5 соединено с отключающим элементом 3 с возможностью поворота вокруг третьей оси P поворота. Третья ось P поворота паралельна первой оси P поворота и предусматривает возможность движения перпендикулярно ее направлению. Отключающий элемент 3 в этом примере имеет конфигурацию рычага, выполненного с возможностью поворота вокруг пятой оси поворота P, которая неподвижна и параллельна первой оси P поворота. Он имеет два плеча 31, 32 рычага, расположенные диаметрально друг относительно друга. Второе звено 5 соединено с концом первого плеча 31 рычага.
С точкой шарнирного сочленения между вторым звеном 5 и первым плечом 31 рычага соединена пружина 7 растяжения.
Рядом со вторым плечом 32 рычага находится электромагнит 6, который снабжен плунжером 61, выполненным с возможностью воздействия на второе плечо 32 рычага.
При появлении сигнала, указывающего, что выключатель надо разомкнуть, электромагнит 6 активируют, что приводит к высвобождению узла 100 привода для осуществления размыкания, и устройство достигнет положения, иллюстрируемого на фиг.2.
3
2
1
4
Это происходит следующим образом. Активация электромагнита 6 влияет на плунжер 61, вследствие чего он поворачивается по часовой стрелке. Поэтому плунжер 61 ударяется о второе плечо 32 рычага, так что рычаг повернется против часовой стрелки. Таким образом, шарнирное сочленение между вторым звеном 5 и первым плечом 31 рычага, имеющее Р в качестве третьей оси поворота, будет двигаться по круговой линии в направлении против часовой стрелки. Тем самым, вторая ось P поворота в сочленении между стопорным элементом 1 и вторым звеном 5 вызовет движение нижнего конеца по круговой траектории рядом с периферией опорного ролика 2. Причиной этого является направленная вниз и с нарастанием - вправо сила тяги со стороны первого плеча 31 рычага, действующая на второе звено 5. Вследствие этого, первая ось P поворота, где стопорный элемент 1 соединен с первым звеном 4, тоже будет двигаться вниз и влево - по круговой траектории, описываемой первым звеном 4, когда оно поворачивается против часовой стрелки вокруг четвертой оси P поворота.
1
Это движение первой оси P поворота вызывает выход точки контакта стопорного элемента 1 из контакта с узлом 102 контакта ведущего элемента 101 в двух направлениях - вниз и вправо. Направленная вправо составляющая движения позволяет ведущему элементу 101 свободно двигаться вниз, как иллюстрируется на фиг.2, и тем самым размыкать выключатель за счет вращения приводного механизма. Таким образом, ведущий элемент 101 не должен толкать стопорный элемент 1, когда тот движется, что в противном случае замедлило бы скорость его движения вниз. И никакого влияния трения со стороны стопорного элемента 1 не будет, поскольку препятствия на его пути нет. С помощью предлагаемого устройства можно достичь быстрой - за 7 миллисекунд операции размыкания.
Сила, необходимая для воздействия плунжера 61 на рычаг 3, по существу, соответствует горизонтальной составляющей силы F контакта. Эта горизонтальная составляющая имеет величину примерно 1 % силы F контакта, т.е. силы стопорения. Таким образом, отношение требуемой силы включения к силе стопорения составляет примерно 1:100.
3
Во время движения размыкания, пружина 7 растяжения будет растягиваться за счет движения сочленения вокруг третьей оси P поворота. Когда размыкание завершится, пружина 7 растяжения оттянет устройство назад в его исходное положение, как проиллюстрировано на фиг.1. Во время возврата устройства в исходное положение, узел 102 контакта ведущего элемента 101 будет немного отведен в направлении по часовой стрелке благодаря пружине 103. Это облегчает ведущему элементу 101 прохождение мимо стопорного элемента 1, когда происходит возврат против часовой стрелки в положение, показанное на фиг. 1.