ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ УПРАВЛЕНИЯ, В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ
ELECTROMAGNET ACTUATING CONTROL ELEMENT, IN PARTICULAR, FOR MEDIUM VOLTAGE BREAKER

Изобретение относится к электромагнитному исполнительному элементу управления, в частности, для выключателя среднего напряжения, имеющему катушку, надетую на сердечник, а также подвижное ярмо согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, а также к способу изготовления такого исполнительного элемента управления согласно ограничительной части пункта 15 формулы изобретения.
Электромагнитные исполнительные элементы управления такого рода имеют широкое применение. Наряду с использованием в выключателях среднего напряжения для регулируемого управления подвижными контактами подобные исполнительные элементы управления также применяются в машинах и выключателях.
Уровень техники для электромагнитных приводов вакуумных силовых выключателей среднего напряжения представлен электромагнитами с одной или двумя катушками. Как уже было упомянуто, электромагнит предназначен для перемещения подвижного контакта вакуумной камеры при включении на неподвижный контакт и натяжения пружины, создающей контактное давление, во время избыточного хода.
Чтобы начать движение, на катушку электромагнита подается ток. Включенное положение затем сохраняется с помощью одного или нескольких постоянных магнитов, действующих против силы пружины, создающей контактное давление. Ток в катушке, используемой в качестве катушки включения, в дальнейшем больше не требуется.
Для отключения выключателя подается ток на катушку выключения исполнительного элемента управления с двумя катушками, которая так уменьшает удерживающую силу постоянных магнитов, что пружина, создающая контактное давление, не может быть удержана и открывает подвижный контакт. При дальнейшем ходе выключения посредством катушки выключения может быть сгенерирована открывающая сила.
В случае электромагнита с одной катушкой катушка может, по существу, только инициировать выключение. Дальнейший ход отключения определяется пружиной, создающей контактное давление, а также специальной пружиной выключения.
Существующие исполнительные элементы управления с одной катушкой часто выполняются осесимметричными. Это препятствует простому согласованию с другим расчетным током короткого замыкания, так как для изменения площади воздушного зазора должен быть выбран другой диаметр. При этом каждая из деталей используется только для одного конструктивного размера.
Задача настоящего изобретения состоит в создании такого электромагнитного исполнительного элемента управления упомянутого выше типа, в частности, для предпочтительного использования в выключателе среднего напряжения, благодаря которому достигается компактное конструктивное исполнение при одновременной высокой мощности исполнительного элемента управления.
Для решения указанной задачи электромагнитный исполнительный элемент управления, в частности, для выключателя среднего напряжения, содержащий магнитную цепь, включающую подвижный магнитный прямоугольный сердечник с катушкой управления и подвижное круглое ярмо, соответствующее магнитной цепи, снабжен приводной осью, проходящей сквозь магнитный сердечник, на которой с одной стороны зафиксировано верхнее круглое ярмо, а другая сторона выступает наружу, и ее нижний конец соединен с нижним меньшим ярмом. Благодаря такому исполнению в выключенном положении генерируется удерживающая сила.
Другие предпочтительные варианты исполнения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Благодаря комбинированию прямоугольного сердечника не с прямоугольным ярмом, а с круглым, осесимметричным ярмом не нужно защищать осесимметричное ярмо от проворачивания: оно выполняет свою функцию одинаково в любом положении, что особенно важно при использовании в выключателях среднего напряжения.
Таким образом, приходят к конструкции прямоугольного магнитного сердечника с фиксированной длиной и переменной шириной. Так как сердечник изготовлен из слоев листового металла путем изменения количества металлических листов, можно изменять его ширину. Боковые укрепления, подшипник и оси можно сохранить. Необходимо только подстроить постоянные магниты и каркасы катушек под конструктивный размер сердечника с помощью модификаций разной длины.
По сравнению с исполнительным элементом управления с двумя катушками предлагаемое изобретение, как и существующие исполнительные элементы управления с одной катушкой, имеет преимущество в виде уменьшения конструктивного размера, а также снижения веса. Это осуществляется в основном за счет того, что необходима только одна катушка и одна магнитная цепь.
По сравнению с существующими исполнительными элементами управления с одной катушкой настоящее изобретение позволяет легко осуществить подгонку габарита магнита к расчетным токам короткого замыкания силовых выключателей среднего напряжения с растром 2,5-16-20-25-31,5-40 и 50 кА. При этом в первую очередь требуется изменить удерживающую силу исполнительного элемента управления путем изменения площади воздушного зазора.
Другое преимущество изобретения состоит в том, что ярмо может вращаться по резьбе на оси, позволяя плавно настраивать ход магнитного исполнительного элемента управления. Здесь также появляется выгода от использования отдельного исполнительного элемента управления для целого ряда приложений, различающихся длиной хода размыкания.
Полностью компактный прибор может быть реализован, если привод расположен непосредственно под приводимым в действие коммутационным полюсом без использования рычагов и отводов. Прямое сцепление улучшает качество характеристики путь/время привода, свободной при этом от искажающих влияний жесткости пружины и зазоров в более сложных системах приводов.
Разумеется, может возникнуть необходимость подгонки привода существующим конструкциям. При этом становится возможным соединить магнитный исполнительный элемент посредством, например, систем рычагов с несколькими приводимыми в движение коммутационными полюсами и приводить их в движение одновременно. Преимущества в данном случае заключаются в том, что с помощью отношения плеч рычага могут целенаправленно регулироваться усилие и ход.
Далее отличием настоящего изобретения является использование высокой концентрации магнитной энергии. При заданном конструктивном объеме, в особенности при ограниченной площади магнитного воздушного зазора, могут быть достигнуты небольшие магнитные силы за счет того, что:
1) площадь постоянных магнитов не ограничивается заданной площадью воздушного зазора, и за счет того, что
2) магнитный поток затем концентрируется непосредственно в воздушном зазоре.
В предпочтительном варианте исполнения предусмотрено, что исполнительный элемент управления без рычагов и отводов расположен непосредственно под вакуумной камерой выключателя среднего напряжения и воздействует непосредственно на контактный стержень.
При этом обеспечивается хороший и быстрый эффект действия силы.
В предпочтительном варианте исполнения предусмотрено, что исполнительный элемент управления одновременно выключает несколько камер выключателя с помощью элементов сцепления.
Кроме того, преимуществом данного варианта исполнения является то, что исполнительный элемент управления приводит в движение камеру выключателя или камеры выключателя с помощью рычагов. Это может быть необходимо при определенных конструктивных исполнениях выключателей. Это также вполне возможно посредством достигнутых с помощью данного преимущества значительных приводных усилий.
Далее в предпочтительном варианте исполнения указано, что ход может изменяться за счет конструктивного изменения ярма на приводной оси.
Далее в предпочтительном варианте исполнения указано, что постоянные магниты уложены в магнитный сердечник, и их направление намагничивания располагается параллельно плоскости воздушного зазора.
При этом магнитная цепь конструктивно согласована таким образом, что в воздушном зазоре создается магнитная индукция более 2 Тл.
В предпочтительном варианте исполнения указано, что ярмо зафиксировано на приводной оси, которая с одной стороны подвижно проходит сквозь центр магнитного сердечника, а с другой стороны соединена с коммутируемой тягой замыкания контакта. Таким образом, реализуется конструктивная форма, при которой достигается компактное прямое шарнирное соединение для приведения в действие контактных элементов.
При раскрытом далее варианте исполнения конструктивной формы, при которой нижнее ярмо и верхнее ярмо разнесены относительно друг друга на расстояние с помощью жесткой связки и размещены на приводной оси таким образом, что, когда верхнее ярмо в заданном ходе приподнимается над магнитным сердечником, нижнее ярмо снизу примыкает к магнитному сердечнику, образуется как бы блокировка выключенной позиции контактного элемента.
Чтобы полностью погасить перемещение в концевом ограничителе перемещения, между нижним ярмом и нижней стороной магнитного ярма расположена демпфирующая прокладка.
Для обеспечения выключения предусмотрена, по крайней мере, одна пружина с воздействием на приводную ось, при этом предпочтительна пластинчатая пружина.
Так как магнитный сердечник собран из металлических листов, в достаточной степени уменьшаются вихревые токи, индуктируемые изменениями потока. От добавления кремния к металлу можно отказаться.
В целом также раскрыт способ изготовления ряда различных электромагнитных исполнительных элементов управления с конструктивным исполнением согласно пунктам с 1 по 14 формулы изобретения, серийно изготавливаемых при варьировании ширины прямоугольного магнитного сердечника и диаметра круглого ярма. Таким образом, возможно серийное производство с учетом различных размеров.
Изобретение представлено на чертежах и затем более подробно раскрыто.
На фиг.1 - вид в перспективе на магнитный исполнительный элемент управления с круглым ярмом.
На фиг.2 - представление линий потоков.
На фиг.1 в перспективе изображен исполнительный элемент управления с электромагнитом 1, катушкой 5, прямоугольным магнитным сердечником 2 и круглым ярмом 3. При этом ярмо закреплено на приводной оси 4, которая подвижно проходит через центр магнитного сердечника 2.
На фиг.2 изображены линии потоков данного электромагнитного исполнительного элемента управления. Магнитный сердечник 2 показывает характеристики линий потока при закрытой системе, т.е. когда круглое ярмо 3 прилегает к магнитному сердечнику 2. Внутри магнитного сердечника интегрированы постоянные магниты 6, направление намагничивания которых параллельно плоскости воздушного зазора.
Приводная ось здесь не изображена, однако на ней держатся круглое ярмо 2 и нижнее меньшее ярмо 7 на расстоянии, как описано выше. Между меньшим ярмом 7 и магнитным сердечником 2 может быть расположена демпфирующая прокладка 8.
Исполнительный элемент управления может быть также размещен внутри коммутационного аппарата. Приводная ось исполнительного элемента управления при этом связана с подвижным контактом вакуумной камеры и соответственно воздействует на нее, вызывая включение/выключение. Эта связь может быть реализована прямолинейно или через рычаг на шарнирах.
В целом возникают также следующие зависимости.
Имеющиеся на практике материалы для постоянных магнитов с высокой магнитной энергией (например, неодим-железо-бор, самарий-кобальт) имеют остаточные магнитные индукции в диапазоне от 1 до 1,4 Тл. Это значительно меньше того, что можно установить в металлическом сердечнике при допустимых магнитных утечках. Поэтому в соответствии с изобретением устанавливаются постоянные магниты с горизонтальной полярностью. Когда поток проходит в горизонтальном направлении в стержне сердечника, он концентрируется. При заданной длине стержня сердечника может генерироваться больший поток, чем при расположении постоянных магнитов в стержне сердечника и при вертикальной поляризации.
Дальнейшая концентрация магнитного потока происходит на переходе от стержня сердечника к ярму через воздушный зазор. Для максимизации удерживающей силы обсуждаемый магнитный исполнительный элемент управления рассчитывается таким образом, что достигается магнитная индукция более 2 Тл.
Если постоянные магниты встроены, как показано здесь, таким образом, что их концы видимы на нижней стороне магнита и, кроме того, образуют с нижним концом металлической цепи ровную поверхность, с помощью второго меньшего ярма можно генерировать вторую меньшую удерживающую силу в отключенном состоянии магнита. Это обеспечивает блокировку выключенных положений подвижных контактов вакуумной камеры, защищенной таким образом от самопроизвольного включения, например, из-за сотрясения.
Между сердечником магнитного исполнительного элемента управления и вторым ярмом может располагаться демпфирующая прокладка, амортизирующая механический удар второго ярма по сердечнику при выключении. Это обеспечивает как предотвращение колебаний при ударе, так и способствует большему сроку службы всего коммутационного аппарата.
Здесь применяют для магнитного сердечника металлические листы с низким содержанием кремния, чтобы уменьшить вихревые токи, индуцируемые изменениями потока. Однако применение кремния уменьшает магнитную поляризуемость материала. Для достижения наибольших сил в обсуждаемом магнитном исполнительном элементе управления могут применяться металлические листы без добавки кремния.
При необходимости варьирования ширины магнитного сердечника для реализации магнитов различной силы, как описано выше, пружина выключения не может располагаться в середине магнита, так как это нарушает магнитную симметрию, которая может быть скомпенсирована только для одного конструктивного размера. Вместо этого предусмотрено размещение пружины выключения вне магнита.
Кроме того, предложена пластинчатая пружина, укрепляемая внутри исполнительного элемента управления и опирающаяся на боковину корпуса коммутационного аппарата. Наряду с очень простой конструкцией преимущества здесь заключаются в малом количестве элементов, низких издержках и в возможности посредством длины печатной платы настраивать силу натяжения пружины.