ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСЦЕПИТЕЛЬ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ
ELECTROMAGNETIC RELEASE MECHANISM OF AUTOMATIC CIRCUIT BREAKER

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим аппаратам, и может быть использовано в автоматических выключателях, реле максимального тока и др. для осуществления функции защиты от токов короткого замыкания.
Известен электромагнитный расцепитель, который применяется в автоматических выключателях, патент KR100421909(B1), 2004-03-11 «A momentary false control trip device of a wiring circuit breaker». Общим признаком аналога и прототипа является конструктивное выполнение электромагнитного расцепителя, магнитная система которого состоит из неподвижной скобы(ярма), установленной на токоведущей шине и подвижной скобы(якоря). Подвижная часть закреплена на рычаге с возможностью его поворотного движения относительно оси, установленной на блоке поддержки подвижной скобы магнитопровода, неподвижно закрепленного на токоведущей шине.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является электромагнитный расцепитель, описанный в статье «Расчет клапанной магнитной системы максимального расцепителя тока автоматического выключателя» Н.Ю. Зайцев и др., ж. Электротехника, 2018г., №8. - с. 15-19, который представляет собой электромагнит, содержащий магнитную систему с неподвижной П-образной, как представлено на рисунке, скобой магнитопровода (ярмом), закрепленной на токоведущей шине автоматического выключателя и охватывающей ее, и П-образной подвижной частью (якорем), установленной на включающем возвратную пружину блоке поддержки с возможностью поворота и установки в исходное положения симметрично неподвижной скобы для последующего движения относительно продольной оси под действием электромагнитной силы, обусловленной магнитным потоком при протекании тока короткого замыкания по шине. Боковые элементы 1а, 1б и 3а, 3б П-образных скоб магнитопровода магнитной системы, соответственно неподвижной скобы магнитопровода (ярма) 1 и подвижной скобы магнитопровода (якоря) 3 являются полюсами (фиг. 1 и фиг. 2). Причем, торцы полюсов подвижной скобы установлены в исходном положении на расстоянии от торцов полюсов неподвижной части, равном ходу подвижной скобы при срабатывании устройства, с образованием в нейтральном положении воздушного зазора, и соединяются торцами при срабатывании встык с полюсами неподвижной части. Недостатками прототипа являются:
- низкая чувствительность по току срабатывания, так как величина тока уставки достаточно велика,
l
- ограниченное быстродействие электромагнита, что обусловлено перемещением по одной оси для соединения встык торцевых поверхностей полюсов подвижной скобы магнитопровода и ярма в процессе срабатывания электромагнита при заданном неизменном ходе подвижной скобы магнитопровода h, величина которого равна длине начального рабочего воздушного зазора  и довольно значительна, что создает повышенное магнитное сопротивление в воздушном зазоре
Таким образом, при описанном взаимном положении полюсов возникает значительное сопротивление магнитному потоку в магнитной системе, что при заданной электромагнитной силе, равной противодействующей силе, приводит к увеличению тока срабатывания.
В свою очередь, увеличение тока срабатывания в соответствии с законом Ома для магнитной цепи и, как указано в книге «Электромагниты и постоянные магниты.», Сливинская А.Г. - М: Энергия, 1972. -248 с., исходя из приведенных формул (2-2) и (2-3), на странице 20, приводит к снижению чувствительности электромагнита при сохранении определенного времени срабатывания.
В приведенном источнике представлены следующие формулы:
где: Ф - магнитный поток,
м
U - разность магнитных потенциалов между концами участка;
м
м
w
R - магнитное сопротивление; G - магнитная проводимость участка, (I) -м.д.с. Известно (там же, с.33, с.53), что магнитное сопротивление воздушных путей (воздушного промежутка) магнитного потока определяется по следующему выражению
, (1)
l
S
где  Гн/м - магнитная постоянная,  - длина воздушного промежутка,  - площадь поперечного сечения полюса. Величина магнитного потока в воздушных путях, как следует из закона Ома для магнитной цепи
, (2)
F
где  - магнитодвижущая сила, созданная в воздушном зазоре Электромагнитная сила притяжения полюсов согласно закону Максвелла
.(3)
P
мх.н
Условием срабатывания электромагнита (расцепителя) является равенство электромагнитной силы и противодействующего усилия  при начальном положении подвижного элемента магнитопровода (подвижной скобы магнитопровода):
P
=P
P
э
мх.н
мх.н
, причем =const.
После подстановки выражения (2) в выражение (3) можно увидеть, что электромагнитная сила равна:
.(4)
F
I∙W
I
W
Если учесть, что магнитодвижущая сила определяется выражением =, где  - ток в токоведущей шине, а =1 - число витков токоведущей шины, то с учетом выражения (1):
.(5)
P
=P
I
э
мх.н
ср
Так как при срабатывании , то ток срабатывания электромагнита  будет определяться выражением:
, откуда
или ,
l
где , как было отмечено выше, длина воздушного промежутка, по которому проходит магнитный поток между полюсами подвижного и неподвижного элементов магнитопровода. Таким образом, величина тока срабатывания также тем больше, чем больше величина рабочего воздушного зазора
Задачей заявляемого изобретения является создание конструкции электромагнитного расцепителя для автоматического выключателя с увеличенной чувствительностью, быстродействием, позволяющей повысить уровень унификации автоматических выключателей на разные по величиненоминальные токи.
Техническим результатом заявленного изобретения являются увеличение чувствительности, быстродействия, позволяющих повысить уровень унификации автоматических выключателей на разные по величине номинальные токи
h
Этот технический результат достигается тем, что в электромагнитном расцепителе автоматического выключателя, содержащем магнитопровод, включающий две П-образных скобы, с обращенными друг к другу торцами боковых элементов, которые являются полюсами магнитопровода, причем, одна из скоб выполнена с возможностью закреплления на токоведущей шине автоматического выключателя и является неподвижной, а другая подсоединена к возвратной пружине и установлена с возможностью движения относительно другой скобы на расстояние рабочего хода  под действием электромагнитной силы магнитного потока, воздействующего на полюсы при протекании тока короткого замыкания по токоведущей шине, В СООТВЕТСТВИИ С ЗАЯВЛЕННЫМ ИЗОБРЕТЕНИЕМ, одна из П-образных скоб магнитопровода образует приемное пространство для свободного вхождения в нее полюсов другой П-образной скобы, причем расстояние между боковыми внутренними поверхностями скобы, образующей приемное пространство и внешними боковыми поверхностями скобы, входящей в приемное пространство выбрано из условия свободного движения полюсов относительного друг друга без притирания.
При этом расстояние между боковыми внутренними поверхностями скобы, образующей приемное пространство, и внешними боковыми поверхностями скобы, входящей в приемное пространство, может быть не более 0,1h, а расстояние между плоскостями, проходящими через торцевые поверхности полюсов частей магнитопровода в начальном положении меньше 0,9 рабочего хода.
В результате использования такой конструкции полюсы магнитопровода при срабатывании автоматического выключателя перемещаются параллельно вдоль относительно друг друга. При этом полюсы подвижной скобы магнитопровода входят без притирания боковых сторон полюсов к полюсам неподвижной скобы в приемное пространство неподвижной части. Это позволяет уменьшить магнитное сопротивление воздушных путей магнитного потока путем уменьшения величины воздушных путей в магнитной системе в начальном положении подвижной скобы магнитопровода при заданном рабочем ходе, что повышает чувствительность и быстродействие.
Из уровня техники неизвестно устройство электромагнитного расцепителя, обладающего совокупностью признаков заявляемого технического решения. Поэтому можно сделать вывод, что техническое решение обладает новизной.
Из уровня техники также неизвестна совокупность заявленных отличительных признаков, использование которых в каких-либо технических решениях имело бы такое же влияние на такой же технический результат, как и указанный в описании заявляемого технического решения. Поэтому можно сделать вывод, что техническое решение соответствует критерию изобретательский уровень.
Сущность изобретения поясняется рисунками.
На фиг. 1 изображено поперечное сечение прототипа заявляемого устройства в начальном положении подвижной скобы магнитопровода до срабатывания.
На фиг. 2 изображено поперечное сечение прототипа заявляемого устройства в конечном положении подвижной скобы магнитопровода после срабатывания.
На фиг. 3 изображено поперечное сечение электромагнита заявляемого расцепителя в начальном положении подвижной скобы магнитопровода до срабатывания.
На фиг. 4 изображено поперечное сечение электромагнита заявляемого расцепителя в конечном положении подвижной скобы магнитопровода после срабатывания.
На фиг. 5 приведена картина магнитного поля в магнитной системе прототипа при начальном положении подвижной скобы магнитопровода .
На фиг. 6 приведена картина магнитного поля в магнитной системе электромагнита заявляемого расцепителя при начальном положении подвижной скобы магнитопровода для случая, когда неподвижная часть П-образного магнитопровода образует приемное пространство для вхождения в нее П-образной подвижной скобы магнитопровода.
На фиг. 7 приведена картина магнитного поля в магнитной системе электромагнита заявляемого расцепителя при начальном положении подвижной скобы магнитопровода для случая, когда П-образная подвижная скоба образует приемное пространство для вхождения в него П-образной неподвижной скобы магнитопровода.
h
На фиг. 8 в качестве примера приведены расчетные статические тяговые характеристики: 1 - прототипа электромагнита расцепителя с прямоходовым якорем и 2, 3, 4 - заявляемого электромагнита, при различных значениях расстояния между боковыми внутренними поверхностями скобы, образующей приемное пространство и внешними боковыми поверхностями скобы входящей в приемное пространство для начального положения подвижной скобы при значении рабочего хода подвижной скобы магнитопровода , равного 6 мм, а также полученная экспериментально противодействующая характеристика 5.
а
б
в
а
б
в,
Заявляемый электромагнитный расцепитель (фиг.3) содержит П-образную неподвижную скобу (ярмо), являющуюся частью магнитопровода 1 с образующими полюсы боковыми 1 и 1 элементами и поперечным элементом 1, выполненным с возможностью закрепления на токоведущей шине 2 автоматического выключателя и охватывающего ее, П-образную подвижную скобу (якорь) 3 с боковыми 3 и 3элементами, также образующими полюсы, и поперечным элементом 3который может быть, какустановленным с возможностью поворотного и последующего прямоходового движения, так и только прямоходового движения. Неподвижная П-образная скоба магнитопровода  с полюсами образует приемное пространство для вхождения в нее П-образной подвижной скобы магнитопровода с возможностью свободного движения ее полюсов вдоль полюсов неподвижной скобы. Расстояние между боковыми внутренними поверхностями скобы, образующей приемное пространство, и внешними боковыми поверхностями скобы, входящей в приемное пространство, выбрано из условия свободного движения полюсов относительного друг друга без притирания.
В исходном состоянии магнитная система разомкнута, подвижная скоба 3 находится в начальном положении, прижатой к упорам 6 под действием возвратной пружины 4, соединенной с подвижной частью и устройством регулирования ее усилия в соответствии с заданным диапазоном кратностей тока срабатывания по отношению к номинальному току выключателя из линейки токов. По шине 2 при включенном выключателе может протекать ток. При этом магнитный поток, возбужденный в магнитной системе, замыкающийся по магнитной цепи, состоящей из неподвижной скобы магнитопровода 1, подвижной скобы магнитопровода 3 и воздушных путей протекания магнитного потока (наибольшее значение имеют воздушные зазоры между торцами полюсов 1а и 3а, а также 1б и 3б), недостаточен для создания электромагнитной силы срабатывания. При этом заявляемая конструкция предоставляет, как уже отмечалось, возможность уменьшить воздушные зазоры, величину которых которых в заявляемой конструкции меньше рабочего хода h подвижной скобы магнитопровода. Возникновение тока короткого замыкания, превышающего номинальный ток, при условии равенства сил, развиваемой пружиной 4 и электромагнитным усилием электромагнита приведет к срабатыванию электромагнитного расцепителя
Как показали экспериментальные исследования, расстояние между боковыми внутренними поверхностями скобы, образующей приемное пространство и внешними боковыми поверхностями скобы входящей в приемное пространство, меньшее 0,1h, а расстояние между плоскостями, проходящими через торцевые поверхности полюсов частей магнитопровода в начальном положении меньше 0,9 рабочего хода, являются наиболее эффективными, так как сопротивление магнитному потоку при начальном положении подвижной скобы в соответствии с заданным ходом h позволяет уменьшить величину воздушного зазора и достичь увеличения чувствительности расцепителя и быстродействия.
В процессе работы происходит перемещение торцевых поверхностей полюсов подвижной скобы магнитопровода относительно торцевых поверхностей неподвижной скобы магнитопровода, исключающее их стыковку, под действием электромагнитной силы, обусловленной магнитным потоком при протекании тока короткого замыкания по шине 2.
h
При равенстве рабочих ходов подвижной скобы магнитопровода заявляемого электромагнитного расцепителя и подвижной скобы прототипа магнитное сопротивление воздушных путей протекания магнитного потока заявляемого электромагнита в начальном положении значительно меньше магнитного сопротивления воздушных путей протекания магнитного потока прототипа также в начальном положении. При этом расстояние между торцевыми поверхностями полюсов подвижной скобы магнитопровода и неподвижной скобы магнитопровода (ярма) в прототипе (фиг. 1) равно рабочему ходу  подвижного элемента магнитопровода (подвижной скобы магнитопровода) и величина рабочего воздушного зазора между торцевыми поверхностями полюсов подвижной скобы магнитопровода и неподвижной скобы магнитопровода (ярма) также равна рабочему ходу. Величина воздушного зазора в заявляемом расцепителе значительно меньше, а заданная длина рабочего хода расцепителя во многом определяется соответствующей рабочему ходу длиной полюсов расцепителя. (фиг. 3), При этом уменьшается и магнитное сопротивление в воздушном зазоре, так как имеется, как уже отмечалось, возможность уменьшит величину зазора. Следовательно, магнитодвижущая сила, необходимая для срабатывания  уменьшается, и, соответственно уменьшается ток срабатывания заявляемого электромагнитного расцепителя, который меньше, чем у прототипа в соответствии с законом Ома для магнитной цепи. Это и определяет увеличение чувствительности и быстродействия заявляемого электромагнитного расцепителя в сравнении с прототипом.
R
l
S
R
l
S
U
U
R
δ
δ
δ
0
δ
δ
δ
δ
Данное утверждение можно дополнительно пояснить следующим образом. Известно, что магнитное сопротивление воздушных путей протекания магнитного потока в магнитной системе прямо пропорционально средней длине воздушных путей протекания магнитного потока и обратно пропорционально площади поперечного сечения полюсов подвижной скобы магнитопровода и неподвижной =/(μ). Магнитный поток по воздушным путям протекания (согласно закону Ома для магнитных цепей) прямо пропорционален магнитному напряжению  между полюсами подвижной скобы магнитопровода и ярма и обратно пропорционален магнитному сопротивлению: Ф=/. Действительно, моделирование магнитного поля электромагнита расцепителя для начального положения подвижной скобы магнитопровода в программе FEMM показывает, что средняя длина магнитных силовых линий воздушных путей протекания магнитного потока прототипа намного больше (фиг. 5), чем для электромагнита заявляемого расцепителя (фиг. 6, фиг. 7). Соответственно магнитное сопротивление воздушных путей протекания магнитного потока прототипа будет больше, а величина магнитного потока меньше при одной и той же магнитодвижущей силе, определяемой величиной тока в токоведущей шине. Следовательно, электромагнитная сила, пропорциональная квадрату магнитного потока, действующего на якорь электромагнита заявляемого расцепителя будет больше, чем для прототипа.
l
l
Как показано на фиг. 3 для заявляемого электромагнитного расцепителя этот путь () меньше, чем для прототипа. Соответственно заявляемый электромагнитный расцепитель сработает при меньшем токе, а чувствительность соответственно будет выше. Чем ближе находятся в первоначальном положении друг к другу торцевые поверхности полюсов, тем меньше величина зазора расстояние (длина ) и тем выше чувствительность электромагнита.
Значительное по величине магнитное сопротивление магнитной системы прототипа препятствует использованию данной конструкции для выполнения функции защиты от токов короткого замыкания в широком диапазоне номинальных токов выключателей. Это вызывает увеличение числа конструктивных исполнений расцепителей, что приводит к снижению уровня унификации разрабатываемых автоматических выключателей.
U
R
U
δ
δ
δ
δ
δ
-6
-6
8
0,115 Н
Пиведенные расчеты в программной среде FEMM также показали, что для прототипа при токе в шине, равном 500 А, магнитное напряжение воздушных путей протекания магнитного потока для одной половины симметричных полюсов подвижной скобы магнитопровода и ярма =244 А, магнитный поток составил Ф=2,41⋅10 Вб, а магнитное сопротивление равно =/Ф=244/(2,41⋅10)=1,01⋅101/Гн. Величина суммарной электромагнитной силы составила .
U
R
U
δ
δ
δ
δ
δ
-6
-6
8
1,298 Н
Для электромагнита заявляемого расцепителя соответственно были получены значения: =246 А, магнитный поток Ф=7,11⋅10Вб, магнитное сопротивление =/Ф=246/(7,11⋅10)=0,346⋅10 1/Гн. Величина суммарной электромагнитной силы составила .
Как следствие, расширяется диапазон номинальных токов с применением электромагнитного расцепителя, основанного на данной конструкции и уменьшается количество конструктивных исполнений унифицированных электромагнитных расцепителей на заданную линейку номинальных токов автоматических выключателей. Также применение данной конструкции обеспечивает увеличение быстродействия автоматического выключателя. Увеличение чувствительности и быстродействия поясняется видом тяговых характеристик (фиг. 8) заявляемого 2,3,4 электромагнитного расцепителя и прототипа 1.
В начальном положении подвижной скобы магнитопровода все характеристики имеют равные электромагнитные усилия и обеспечивают надежное срабатывание электромагнита расцепителя.
При этом тяговая характеристика 1 электромагнитного расцепителя прототипа (рабочий ход которого равен 6 мм) соответствует току шины 2500 А.
Для заявляемого электромагнита при рабочем ходе, равном 6 мм, на интервале от начального положения до срабатывания все тяговые характеристики располагаются выше характеристики прототипа: характеристика 2 соответствует расстоянию между плоскостями, проходящими через торцевые поверхностями полюсов частей магнитопровода в начальном положении подвижной скобы магнитопровода Δ=1 мм и току шины 610 А, характеристика 3 соответствует значениям Δ=3 мм и току шины 1140 А, а характеристика 4 соответствует значениям Δ=5 мм и току шины 1635 А. Таким образом, чем меньше расстояние Δ между торцевыми поверхностями полюсов частей магнитопровода в начальном положении подвижной скобы магнитопровода, тем меньше ток срабатывания заявляемого электромагнита, то есть выше его чувствительность. Это расстояние, по сути, входит в величину рабочего хода и выбирается из конструктивных соображений.
h
z
h
h
Тяговая характеристики заявляемого 2,3,4 электромагнитного расцепителя построена при следующих характерных размерах: рабочий ход =6 мм; расстояние  между обращенными к друг другу боковыми поверхностями элемента, образующего приемное пространство и входящей в приемное пространство скобыравно 0,6 мм (меньше 0,1 от рабочего хода ), наименьшее его значение выбирают исходя из шероховатости поверхности полюсов, так должно быть соблюдено условие свободного вхождения без притирания; расстояние Δ между плоскостями, проходящими через торцевые поверхности полюсов частей магнитопровода в начальном положении равно 1, 3 и 5 мм (меньше 0,9 от рабочего хода ).
Зависимости, приведенные на фиг. 8, соответствуют величинам магнитодвижущей силы срабатывания, составившим для заявляемого электромагнита 610 А, прототипа - 2500 А, что свидетельствует о более высокой чувствительности заявляемого электромагнита по сравнению с прототипом и применимости предлагаемой конструкции на меньшие значения номинальных токов, т.е. расширения диапазона номинальных токов в сторону малых токов из заданной линейки токов.
Электромагнитная сила заявляемого электромагнита в диапазоне рабочих воздушных зазоров от 2 до 6 мм значительно превышает значение электромагнитной силы прототипа, что обеспечивает более высокое быстродействии заявляемого электромагнита по сравнению с прототипом в соответствии с формулой (9-12), приведенной в [Сливинская А.Г. Электромагниты и постоянные магниты. - М: Энергия, 1972. - 248 с, страница 227].
По результатам проведенных испытаний прототипа и макетного образца электромагнита, изготовленного по заявляемому техническому решению измеренные значения магнитодвижущих сил срабатывания прототипа при максимально и минимально затянутой возвратной пружине соответственно составили 2700 А и 1700 А. Магнитодвижущие силы срабатывания заявляемого электромагнита расцепителя соответственно составили 1240 А и 760 А, что подтвердило увеличение чувствительности более чем в два раза.
Источникиинформации:
1. Патент KR20030016977. Momentary false control trip device of wiring circuit breaker.
2. Зайцев Н.Ю. Расчет клапанной магнитной системы максимального расцепителя тока автоматического выключателя / Н.Ю. Зайцев [и др.] // Электротехника. - 2018. - №8. - С. 15-19.
3. Сливинская А.Г. Электромагниты и постоянные магниты. - М: Энергия, 1972. - 248 с.