ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПРИВОДНОЕ УСТРОЙСТВО
ELECTROMAGNETIC DRIVE DEVICE

Изобретение относится к электромагнитному приводному устройству с подвижным вдоль оси якорем, который имеет поршнеобразный участок, который является подвижным в цилиндрическом участке статора.
Подобное электромагнитное приводное устройство является известным, например, из полезной модели DE 29715900 U1. Там описано электромагнитное приводное устройство, которое служит для инициирования коммутационной операции силового выключателя. Для этого электромагнитное приводное устройство имеет статор с электрической обмоткой, в которую втягивается якорь при пропускании тока через обмотку. Якорь содержит поршнеобразный участок, который является подвижным в цилиндрическом участке статора. Для установки времени срабатывания якоря предусмотрено варьировать массу якоря.
С повышением массы якоря электромагнитного приводного устройства вся система становится более инерционной и это приводит к замедлению срабатывания приводного устройства.
В основе изобретения лежит задача выполнить электромагнитное приводное устройство названного выше вида таким образом, чтобы обеспечивалось быстрое срабатывание с точным движением якоря.
Задача для электромагнитного приводного устройства названного выше вида решается согласно изобретению за счет того, что поршнеобразный участок пронизан по меньшей мере одной проходящей в основном в направлении оси выемкой.
Посредством введения выемки достигается, что подушка текучей среды, появляющаяся при быстром движении перед поршнеобразным участком, может расширяться через поршнеобразный участок. Через выемку текучие среды, как газы или жидкости, с повышенным давлением могут направляться через поршнеобразный участок. При этом проходящая в направлении оси выемка может иметь самые различные формы. Так, например, могут быть предусмотрены линейные каналы или также использованы каналы, лежащие наклонно в поршнеобразном участке. Кроме того, могут использоваться также дальнейшие формы выполнения как выемки в форме спирали, выемки в форме меандра и т.д. Для всех выемок является общим, что в направлении оси перед и после поршнеобразного участка предусмотрены входные или соответственно выходные отверстия, чтобы быстро пропускать поток газа или соответственно жидкости через поршнеобразный участок. В частности, при движении поршнеобразного участка в замкнутом пространстве в направлении движения перед поршнеобразным участком образование подушки текучей среды исключается. Чтобы обеспечить возможно более точное направление якоря в статоре, якорь скользит внутри цилиндрического участка статора. При этом не нужно предусматривать особое уплотнение между статором и якорем. Уже малые размеры щели между поршнеобразным участком и цилиндрическим участком являются достаточными, чтобы предотвратить проход жидкостей через зазор между поршнеобразным и цилиндрическим участком.
При этом предпочтительная форма выполнения может предусматривать, что выемка прорезает обращенный к цилиндрическому участку край поршнеобразного участка.
Размещенная на краю поршнеобразного участка выемка может, например, быть надрезом или пазом, который нацеленно образует канал между поршнеобразным участком и цилиндрическим участком, чтобы сделать возможным прохождение газов или жидкостей во время движения якоря. При этом выемка может иметь различные виды профилирования. Так паз может быть выполнен, например, в виде ласточкина хвоста, щелеообразной, прямоугольной, V-образной, а также любой другой формы.
Независимо от положения выемки в краевой области или также окруженной поршнеобразным участком могут быть предусмотрены следующие меры. Чтобы во время движения можно было нацеленно управлять проходом текучей среды, также может быть, например, предусмотрено, что выемка снабжена определенным профилированием. Так в выемке могут быть нацеленно предусмотрены участки с более высоким сопротивлением или соответственно более низким сопротивлением потоку. Далее, за счет определенного пути выемки, например спирально вокруг поршнеобразного участка, можно нацеленно воздействовать на объем прошедшей текучей среды во время движения якоря. Так, например, может быть достигнуто, что во время движения сначала весь образованный выемкой перепускной канал пропускает большое количество текучей среды и в поступательном движении в выемке возникает волна обратного подпора, которая ограничивает дальнейшее последовательное поступление текучей среды. Тем самым может, например, поддерживаться соблюдение определенного профиля движения якоря.
Предпочтительным образом далее может быть предусмотрено, что выемка является щелью, ориентированной в основном радиально относительно оси.
Ориентированная в основном радиально относительно оси щель наряду со своим наведением и управлением потока текучей среды является предпочтительно подходящей, чтобы избежать возникновения вихревых токов в якоре при протекании тока в статоре. В электромагнитном приводном устройстве вследствие появляющихся магнитных полей создаются действия сил между якорем и статором. В нормальном случае неподвижный статор содержит для этого электрическую обмотку, которая может нагружаться током. Вследствие текущего тока внутри обмотки образуется магнитное поле. Якорь, выполненный, например, из ферромагнитного материала, приводится в движение под действием магнитного поля. В движущемся в магнитном поле якоре индуцируются вихревые токи. Эти вихревые токи приводят к нагреву якоря и обуславливают уменьшение электромагнитной силы, действующей на приводимый якорь. Введением по меньшей мере одной щели, ориентированной радиально относительно оси, потенциальные пути вихревых токов прерываются. При этом может быть предусмотрено, что в радиальном направлении относительно оси в якоре размещены несколько щелей. Щели при этом могут быть различной формы. Так они могут быть, например, окружены якорем или простираться через край якоря в направлении оси. Это может достигаться, например, за счет пропиливания или фрезерования краевой области якоря.
Следующая предпочтительная форма выполнения может предусматривать, что к поршнеобразному участку примыкает конусообразная приформованная часть.
Конусообразная, приформованная к поршнеобразному участку часть позволяет выгодное прохождение линий магнитного поля внутри якоря. Простым образом выходящие из статора в якорь линии магнитного поля могут направляться так, что на граничных поверхностях линии магнитного поля выступают из поверхности или соответственно входят в поверхность, по-возможности, отвесно. Это является предпочтительным потому, что для создания действия силы на якорь являются эффективными исключительно нормальные составляющие линий магнитного поля. Поршнеобразный участок может, например, быть расположен на дне конуса.
Дальнейшая предпочтительная форма выполнения может при этом предусматривать, что к поршнеобразному участку примыкает ступенчатая приформованная часть по типу стопки дисков.
Ступенчатое выполнение приформованной части имеет также выгодные характеристики для наведения линий магнитного поля. Так нацеленно могут выполняться поверхности полюсов, в которые концентрированно направляются линии магнитного поля. В случае прямоугольных ступеней ими могут быть, например, кольцевые поверхности, которые расположены коаксиально относительно оси. Поверхности в виде боковых поверхностей цилиндров ступенчатой приформованной части, которые также проходят коаксиально вокруг оси, в основном свободны от пронизывающих их линий магнитного поля.
Наряду с прямоугольной формой выполнения ступеней могут использоваться также ступенчатые пилообразные расположения или другие подходящие профилирования приформованной части.
Как ступенчатые, так и конусообразные приформованные части могут быть выполнены монолитно с поршнеобразным участком. Однако является также возможным выполнять саму приформованную часть, так же, как и якорь, из нескольких частей.
За счет конусообразной приформованной части или соответственно ступенчатой приформованной части далее созданы благоприятные условия потока, чтобы быстро перемещать якорь через текучую среду и направлять вытесняемый объем газа или жидкости мимо поршня или соответственно сквозь поршень.
Далее, сужающиеся приформованные части являются подходящими, чтобы обеспечивать центрирование якоря при прохождении тока статора. Через подобную приформованную часть электромагнитным приводным устройством могут создаваться большие силы удержания.
Предпочтительным образом может быть предусмотрено, что приформованная часть выполнена полой.
За счет полой приформованной части, во-первых, уменьшается масса подлежащего перемещению якоря. За счет этого снижается инерционность подвижных частей и обеспечивается быстрое срабатывание якоря. Кроме того, через стенки полого тела может быть вызвано нацеленное наведение линий магнитного поля.
Для выполнения стенки может быть, например, предпочтительно предусмотрено, что полая приформованная часть в направлении оси имеет уменьшающийся периметр и с становящимся все меньше периметром уменьшается толщина стенки полой приформованной части.
Сокращение стенок полой приформованной части в направлении узкой вершины приформованной части позволяет получать выгодное распределение проходящих внутри якоря линий магнитного поля. Созданные внутри электрической обмотки линии магнитного поля могут переходить через соответствующие полюсные наконечники на статоре в большой объем на поршнеобразном участке. При этом является предпочтительным, если поршнеобразный участок выполнен цилиндрическим или соответственно в виде полого цилиндра и, по возможности, приближен к цилиндрическому участку статора. Так является возможным переход с малыми потерями линий магнитного поля от статора в якорь или соответственно наоборот. С уменьшающийся толщиной стенки полой приформованной части магнитное сопротивление стенки усиливается. За счет этого линии магнитного поля распределяются на большой площади на внешней боковой поверхности (поверхность входа или соответственно выхода) приформованной части. За счет этого достигается равномерная намагничивающая сила якоря. С равномерной плотностью потока магнитного поля от электромагнитного приводного устройства может отдаваться соответственно высокая мощность. Далее также обеспечена высокая сила удержания по меньшей мере в одном из конечных положений подвижного якоря.
Предпочтительная форма выполнения может, например, предусматривать, что на якоре в качестве концевого упора выполнена стоящая в основном отвесно относительно оси плоскость.
Отвесно стоящие упоры позволяют использовать в качестве поверхностей упора сравнительно малые площадки. Необходимые для создания и направления линий магнитного поля внешние боковые поверхности могут нацеленно удерживаться с зазором от ограничительных поверхностей статора. За счет этого происходит повреждение имеющих высокое качество поверхностей входа и выхода для линий магнитного поля. Пригодными в качестве концевого упора поверхностями являются, например, круговые или соответственно кольцевые поверхности. Наклонные поверхности якоря или соответственно статора не соприкасаются. Тем самым опасность механического приваривания этих поверхностей практически исключена. Могут быть предусмотрены также несколько ограничительных поверхностей, которые действуют вместе в качестве концевого упора. Они могут также придаваться в соответствие различным конечным положениям.
Предпочтительная форма выполнения может предусматривать, что конусообразная приформованная часть имеет вершину в форме усеченного конуса, которая действует в качестве концевого упора.
Вершина в форме усеченного конуса конусообразной приформованной части позволяет хороший ввод сил упора в конусообразную приформованную часть, а также в весь якорь. Расплющивания или соответственно деформации могут таким образом предотвращаться.
Предпочтительная форма выполнения может предусматривать, что боковая поверхность приформованной части в конечных положениях якоря имеет зазор от ограничительных поверхностей статора.
Боковые поверхности приформованной части, то есть конусная боковая поверхность или соответственно ступенчатые боковые поверхности, должны удерживаться на расстоянии от ограничительных поверхностей статора, чтобы исключить повреждение чувствительных поверхностей. Так, к примеру, при конусообразном выполнении приформованной части может быть предусмотрено, что только имеющая форму усеченного конуса вершина приходит в соприкосновение с ограничительной поверхностью статора и конусная боковая поверхность лежит на расстоянии относительно ограничительных поверхностей статора. Расстояния при этом должны быть настолько малыми, чтобы выступающие линии магнитного поля в их прохождении подвергались возмущающим воздействиям только в малой степени. При ступенчатом выполнении приформованной части может быть предусмотрено, что в соприкосновение с ограничительной поверхностью статора приходят только определенные участки поверхности, а другие участки поверхности являются дистанцированными от ограничительной поверхности статора. При прямоугольно ступенчатом вращательно-симметричном выполнении приформованной части к ограничительным поверхностям статора могут прилегать, например, кольцевые диски, которые лежат коаксиально к оси. Через эти поверхности соприкосновения линии магнитного поля могут направляться с малым сопротивлением. В противоположность этому цилиндрические боковые поверхности, которые расположены коаксиально к оси, должны располагаться дистанцированно относительно соответствующих ограничительных поверхностей статора, чтобы нацеленно наводить линии магнитного поля в соприкасающиеся друг с другом поверхности.
В последующем примеры выполнения изобретения схематически показываются на фигурах и затем более подробно описываются.
При этом показывают:
Фигура 1 первый вариант выполнения электромагнитного приводного устройства в его положении покоя.
Фигура 2 первый вариант выполнения электромагнитного приводного устройства в его положении "включено".
Фигура 3 перспективный вид с частичными вырезами показанного на Фигурах 1 и 2 якоря.
Фигура 4 второй вариант выполнения электромагнитного приводного устройства со ступенчатой приформованной частью по типу стопки дисков на поршнеобразном участке якоря.
Фигура 5 третий вариант выполнения электромагнитного приводного устройства с альтернативным выполнением ступенчатой приформованной части по типу стопки дисков на поршнеобразном участке якоря.
В качестве примера сначала на основе Фигуры 1 поясняется принципиальная конструкция соответствующего изобретению электромагнитного приводного устройства. Представленные на Фигурах 4 и 5 варианты выполнения сконструированы принципиально однотипно, имеют, однако, отличия относительно выполнения якоря.
Первый вариант выполнения электромагнитного приводного устройства содержит статор 1. Статор 1 составлен из первой части 1а и второй части 1b. Первая часть 1а содержит цилиндрический участок 2. Цилиндрический участок 2 имеет круглую форму поперечного сечения. Цилиндрический участок 2 расположен коаксиально относительно оси 3. Вторая часть 1b статора 1 содержит лежащий коаксиально относительно оси 3 канал 4 с круглой формой поперечного сечения. Первая часть 1а и вторая часть 1b статора соединены друг с другом, так что возникает компактное, направляющее линии магнитного поля тело. В статоре 1 в выполненном в области стыка первой части 1а и второй части 1b кольцевом зазоре вложена обтекаемая током обмотка со стальным сердечником 5. Обмотка со стальным сердечником 5 расположена коаксиально относительно оси 3.
В цилиндрическом участке 2 статора 1 направляется поршнеобразный участок 8 с круглым поперечным сечением якоря 6. Якорь 6 содержит приводную штангу 7, которая также расположена коаксиально относительно оси 3 и направляется в канале 4. К поршнеобразному участку 8 якоря 6 примыкает конусообразная приформованная часть 9. Поршнеобразный участок 8 и конусообразная приформованная часть 9 выполнены в виде цельных тел. Однако может быть предусмотрено применять для поршнеобразного участка 8 и конусообразной приформованной части 9 отдельные составные тела. Конусообразная приформованная часть 9, а также поршнеобразный участок 8 выполнены в виде полых тел. Как можно видеть в сечении Фигуры 1, толщина стенки при этом выбрана так, что с уменьшающимся периметром конусообразной приформованной части 9 толщина стенки уменьшается. Для избежания вихревых токов и для создания возможности прохождения газа в якоре 6 введены радиально ориентированные щелеобразные выемки 10. Щелеобразные выемки 10 при этом могут быть размещены настолько глубоко, что они заходят в конусообразную приформованную часть 9. Выемки 10 лежат при этом радиально относительно оси 3 и прорезают край поршнеобразного участка 8.
На обращенной к приводной штанге 7 стороне конусообразная приформованная часть 9 имеет сплющенность в виде усеченного конуса. За счет этого образована кольцевая поверхность 11, которая проходит вокруг приводной штанги 7. Кольцевая поверхность 11 служит в качестве концевого упора для якоря 6. На обращенной от приводной штанги 7 стороне якоря 6 в области дна поршнеобразного участка 8 образована кольцевая поверхность 12. Кольцевая поверхность 12 также действует в качестве концевого упора. В положении покоя кольцевая поверхность 12 на дне якоря 6 прижата относительно закрывающей цилиндрический участок 2 пластины 16. В показанном на Фигуре 1 положении покоя первого варианта выполнения электромагнитного приводного устройства якорь 6 простирающейся внутри канала 4 вокруг приводной штанги 7 винтовой пружиной 13 удерживается на расстоянии от второй части 1b статора 1. Через кольцевую поверхность 12 на обращенном от приводной штанги 7 конце якоря 6 якорь 6 удерживается в своем конечном положении. При появлении тока в обмотке со стальным сердечником 5 образуется магнитное поле, которое проходит в первой части 1а и во второй части 1b статора 1 и направляется внутри статора 1. Линии магнитного поля в области цилиндрического участка 2 выходят из первой части 1а и входят в стенку полого якоря 6 предпочтительно в области поршнеобразного участка 8. Вследствие уменьшающейся толщины стенки в направлении вершины якоря 6 линии поля распределяются равномерно на конусной боковой поверхности конусообразной приформованной части 9. В стремлении замкнутых по себе линий поля к сокращению линии поля выходят из поверхности якоря 6 и входят во вторую часть 1b статора 1. Вследствие возникающего теперь силового воздействия якорь 6 движется в направлении второй части 1b. В состоянии "включено" (Фигура 2) первого варианта выполнения электромагнитного приводного устройства в виде примера представлено несколько линий магнитного поля. Линии магнитного поля выходят вертикально из граничных поверхностей ферромагнитного материала. На Фигуре 2 можно видеть, что линии магнитного поля на граничных поверхностях в области поршнеобразного участка 8, а также в области граничных поверхностей боковой поверхности конусообразной приформованной части 9 проходят через граничный слой почти перпендикулярно. За счет этого большая часть линий поля на этих граничных слоях становится нормальными составляющими и создает высокую силу удержания. Сила удержания действует против натянутой в состоянии "включено" пружины 13. При прекращении прохождения тока пружина 13 приводит приводную штангу 7 вместе с якорем 6 снова в показанное на Фигуре 1 положение.
При движении якоря 6 через приводную штангу 7 может совершаться работа. Например, блокировочная защелка привода электрического коммутационного аппарата, как, например, высоковольтного силового выключателя, может быть приведена в движение и также вызвать процесс коммутации.
В представленном на Фигуре 2 в положении "включено" первом варианте выполнения электромагнитного приводного устройства кольцевая поверхность 11, которая проходит вокруг приводной штанги 7, прилегает ко второй части 1b. Встречно одинаково выполненная поверхность к конусообразной приформованной части 9 на второй части 1b статора 1 при этом образована так, что она лежит приблизительно параллельно к боковой поверхности конусообразной приформованной части 9, однако между этими обоими поверхностями не имеется непосредственного контакта. За счет этого предотвращается повреждение поверхности конусообразной приформованной части 9.
Фигура 3 показывает перспективно выполнение якоря 6 при отказе от представления приводной штанги 7. Можно видеть поршнеобразный участок 8, кольцевую поверхность 11, которая окружает приводную штангу 7, а также несколько щелевидных выемок 10, радиально пронизывающих поршнеобразный участок 8.
Альтернативно к выполнению показанного на Фигуре 3 якоря могут быть использованы также другие якори. Для этого на Фигурах 4 и 5 показаны принципиальные варианты выполнения. На Фигуре 4 представлен второй вариант электромагнитного приводного устройства. Электромагнитное приводное устройство показано в своем положении покоя.
Оно имеет такую же принципиальную конструкцию, а также тот же самый принцип действия, что и показанный на Фигурах 1 и 2 первый вариант выполнения электромагнитного приводного устройства. В связи с Фигурой 4 следует остановиться на различных выполнениях якоря 6а. Якорь 6а содержит на своем поршнеобразном участке 8а ступенчатую приформованную часть 9а по типу стопки дисков. Вследствие ступенчатого выполнения периметр приформованной части 9а в направлении приводной штанги 7 все больше уменьшается. Также ступенчатая приформованная часть имеет вращательно-симметричную форму, причем ось вращения соответствует оси 3. Якорь 6а выполнен также полым, причем ограничивающая полое пространство поверхность далее имеет конусообразную форму. Тем самым обеспечено, что толщина стенки в направлении приводной штанги 7 якоря 6а уменьшается и тем самым происходит равномерное распределение линий магнитного поля по поверхности ступенчатой приформованной части 9а. В ступенчатом виде выполнена встречно одинаковая ограничительная поверхность на второй части 1b статора 1.
Фигура 5 показывает третий вариант выполнения электромагнитного приводного устройства в его положении "включено". Третий вариант выполнения электромагнитного приводного устройства содержит якорь 6b с поршнеобразным участком 8b, к которому примыкает ступенчатая приформованная часть 9а по типу стопки дисков. Также якорь 6b третьего варианта выполнения электромагнитного приводного устройства выполнен полым, причем обращенная к полому пространству поверхность ступенчатой приформованной части выполнена ступенчатой. Также таким образом имеется гарантия уменьшения толщины стенки полой приформованной части в направлении приводной штанги 7.
В показанных на Фигурах 4 и 5 вариантах выполнения электромагнитного приводного устройства соответственно имеющие форму круглых дисков поверхности 14 якоря 6а, 6b служат в качестве концевых упоров. Имеющие форму боковой поверхности цилиндра поверхности 15 расположены соответственно дистанцированно относительно встречно одинаковых ограничительных поверхностей статора 1. В этих областях также в положении "включено" нацеленно выполнены воздушные зазоры, которые проходят в виде полого цилиндра вокруг оси 3. Вследствие образованных таким образом соотношений относительно магнитных сопротивлений линии магнитного поля вынуждены переходить сквозь кольцевые поверхности 14 от приформованной части 9а, 9b во вторую часть 1b статора 1. Таким образом обеспечено, что также здесь линии магнитного поля переходят всегда вертикально от статора 1 в якорь 6а, 6b и наоборот. Таким образом создаются большие силы удержания или соответственно силы притяжения.