ТАНДЕМ-РАСЦЕПИТЕЛЬ МАКСИМАЛЬНОГО ТОКА

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к расцепителям максимального тока низковольтных автоматических выключателей на большие номинальные токи.
Известны расцепители максимального тока низковольтных автоматических выключателей, предназначенные для защиты от токов короткого замыкания, использующие эффект взаимодействия электромагнитного поля шины, по которой проходит ток короткого замыкания, с ферромагнитной пластиной, закрепляемой над шиной на требуемом для срабатывания механизма расстоянии (см. учебник под ред. И.С.Таева «Основы теории электрических аппаратов», «Высшая школа», М., 1987 г., стр.150-151, рис.3.15, а также описание к изобретению «Быстродействующий автоматический выключатель» RU 2338289, Н01H 73/36, от 10.11.2008 г., фиг.3, поз.35-38).
Расцепители, основанные на взаимодействии ферромагнитной пластины с выводом выключателя, выполненным в виде плоской шины прямоугольного сечения с двумя рабочими параллельными гранями, имеющими площадь поверхности значительно больше площади поверхности боковых граней, применяются в выключателях серии Isomax S7 на 1600А номинального тока фирмы ABB SACE (см. Технический каталог ABB SACE 649240/011 ru, июль 1998 год, «Автоматические выключатели от 10А до 1600А SACE Isomax S»). Конструкция расцепителя выключателя Isomax S7 изображена на рисунке фиг.1. Она является прототипом предлагаемой полезной модели. Прототип содержит вывод 1 выключателя в виде отрезка плоской шины прямоугольного сечения с двумя рабочими параллельными гранями 2, 3, имеющими площадь поверхности значительно больше площади поверхности боковых граней 4, 5. В выводе выполнено сквозное цилиндрическое отверстие 6 с осью 7, перпендикулярной рабочим граням 2, 3 шины и совпадающей с продольной плоскостью симметрии 8 вывода, параллельной боковым граням 4, 5. В сквозное отверстие 6 установлен подпружиненный шток 9 с возможностью воздействия на расцепляющую рейку выключателя. На штоке 9 напротив первой рабочей грани 2 закреплена ферромагнитная пластина 10. При прохождении тока короткого замыкания по выводу 1 вокруг вывода возникает мощное магнитное поле, которое взаимодействуя с ферромагнитной пластиной, мгновенно притягивает пластину к рабочей грани 2, преодолевая усилие возвратной пружины. Одновременно подпружиненный шток 9 ударяет по расцепляющей рейке автоматического выключателя, который разрывает цепь с коротким замыканием. Быстродействие отключения тока определяется максимальной величиной развиваемого штоком усилия, которая в свою очередь, при прочих равных условиях, определяется величиной минимального зазора между рабочей гранью 2 и пластиной 10, минимальным усилием возвратной пружины, а также площадью поверхности пластины 10. Однако минимальная величина зазора для конкретного выключателя определяется заданным перемещением расцепляющей рейки, а величина минимального усилия возвратной пружины фактическими силами сопротивления движению штока. Поэтому усилие на штоке конкретной конструкции такого расцепителя может быть повышено увеличением площади ферромагнитной пластины. Но увеличение площади пластины вступает в техническое противоречие с требованием уменьшения габаритов выключателя (уменьшения материалоемкости изделия). Так увеличение площади пластины за счет увеличения размера b приведет к увеличению ширины шины выключателя, т.е. к увеличению межполюсного расстояния и увеличению ширины трехполюсного выключателя, а увеличение размера с увеличит длину шины внутри выключателя, т.е увеличит высоту всего изделия. Разрешением такого технического противоречия между увеличением усилия на штоке расцепителя и уменьшением материалоемкости выключателя могло бы быть использование второй рабочей грани вывода путем установки напротив нее дополнительной ферромагнитной пластины. Прототип не решает указанную проблему и это является его недостатком в части повышения быстродействия отключения токов короткого замыкания. Предлагаемая полезная модель устраняет обозначенное техническое противоречие путем создания конструкции расцепителя, обеспечивающей работу обеих пластин на общий исполнительный шток тандемом, несмотря на противоположные направления усилий, развиваемых этими пластинами под действием магнитного поля тока короткого замыкания.
Использование предлагаемой полезной модели обеспечивает следующий технико-экономический результат:
- повышение усилия на штоке расцепителя;
- повышение быстродействия срабатывания расцепителя;
- уменьшение разрушительного действия токов короткого замыкания на защищаемые цепи и электрооборудование за счет более быстрого срабатывания автоматического выключателя и уменьшение затрат на ремонтно-восстановительные работы.
Указанный технико-экономический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что расцепитель максимального тока автоматического выключателя, содержащий вывод выключателя в виде отрезка плоской шины прямоугольного сечения с двумя рабочими параллельными гранями, имеющими площадь поверхности значительно больше площади поверхности боковых граней, в котором выполнено сквозное цилиндрическое отверстие с осью, перпендикулярной рабочим граням шины и совпадающей с продольной плоскостью симметрии вывода, параллельной боковым граням, а также установленный в сквозное отверстие подпружиненный исполнительный шток с возможностью воздействия на расцепляющую рейку выключателя и закрепленную на штоке напротив первой рабочей грани исполнительную ферромагнитную пластину, снабжен дополнительным штоком с закрепленной на нем дополнительной ферромагнитной пластиной, расположенной напротив второй рабочей грани, а также валиком с зубчатым венцом, разборным корпусом из электроизоляционного материала, состоящим из двух П-образных кронштейнов, установленных на выводе напротив первой и второй рабочих граней, а в выводе выполнено второе сквозное отверстие, ось которого тоже перпендикулярна рабочим граням шины и совпадает с продольной плоскостью симметрии вывода, но расположена относительно первого отверстия со смещением вдоль плоскости симметрии. При этом в каждом кронштейне выполнены по два отверстия напротив первого и второго сквозного отверстия шины, в которых помещены с возможностью поступательного перемещения основной шток и дополнительный шток. Кроме этого оба штока снабжены профильными кольцевыми пазами, валик смонтирован в одном из кронштейнов посредине между штоками перпендикулярно своей осью к плоскости симметрии вывода и с возможностью контактирования зубчатым венцом с кольцевыми пазами обоих штоков. Причем, исполнительная и дополнительная ферромагнитная пластины имеют отверстие, смещенное вдоль плоскости симметрии вывода относительно осей штоков таким образом, что отверстие дополнительной пластины охватывает с зазором исполнительный шток, а отверстие исполнительной пластины - дополнительный шток.
Снабжение расцепителя дополнительным штоком с закрепленной на нем дополнительной ферромагнитной пластиной, расположенной напротив второй рабочей грани и выполнение в выводе второго сквозного отверстия, ось которого тоже перпендикулярна рабочим граням шины и совпадает с продольной плоскостью симметрии вывода, но расположена относительно первого отверстия со смещением вдоль плоскости симметрии, позволяет без существенного изменения габаритов вывода и самого выключателя получить дополнительное усилие для воздействия на расцепляющую рейку.
Так как дополнительное усилие направлено в противоположную сторону по отношению к направлению силы исполнительного штока, то для суммирования и направления этих усилий в одну сторону конструкция расцепителя снабжена валиком с зубчатым венцом, разборным корпусом из электроизоляционного материала, состоящим из двух П-образных кронштейнов, установленных на выводе напротив первой и второй рабочих граней, а на обоих штоках выполнены профильные кольцевые пазы. Валик смонтирован в одном из кронштейнов посредине между штоками перпендикулярно своей осью к плоскости симметрии вывода и с возможностью контактирования зубчатым венцом с кольцевыми пазами обоих штоков. При возникновении усилия притяжения между исполнительной пластиной и первой рабочей гранью вывода, а также усилия притяжения между дополнительной пластиной и второй рабочей гранью вывода валик, вращаясь в корпусе, суммирует эти разнонаправленные усилия на исполнительном штоке. В результате обе пластины работают тандемом на исполнительный шток, усилие воздействия на расцепляющую рейку возрастает, и расцепление механизма свободного расцепления происходит быстрее. Автоматический выключатель быстрее отключает потребителя от питающей сети, уменьшая время воздействия тока короткого замыкания на защищаемое оборудование. Пропусканием исполнительного штока через отверстие дополнительной пластины, а дополнительного штока через отверстие исполнительной пластины достигнута надежность поступательного перемещения штоков в кронштейнах за счет увеличения длины посадки штоков в корпусе.
Предлагаемая полезная модель тандем-расцепителя максимального тока может использоваться при серийном производстве в составе низковольтных автоматических выключателей с массивными выводами на большие номинальные токи.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели, позволил установить, что заявитель не обнаружил прототип, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленной полезной модели. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленной конструкции, изложенных в формуле полезной модели.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «новизна».
Конструкция заявляемой полезной модели изображена на рисунках фиг.2 и 3. На фиг.2 показан разрез тандем-расцепителя, проходящий через продольную плоскость симметрии вывода, параллельную его боковым граням, с выносным элементом I, изображающим зацепление зубчатого венца валика с профильными кольцевыми пазами штоков. Конструкция представлена в положении, когда ток короткого замыкания в цепи отсутствует. На фиг.3 приведен вид Б на расцепитель, показывающий установку валика.
Тандем-расцепитель максимального тока автоматического выключателя содержит (см. фиг.2 и 3) вывод 1 выключателя в виде отрезка плоской шины прямоугольного сечения с двумя рабочими параллельными гранями 2, 3, имеющими площадь поверхности значительно больше площади поверхности боковых граней 4, 5. В выводе 1 выполнено сквозное цилиндрическое отверстие 6 с осью, перпендикулярной рабочим граням 2, 3 и совпадающей с продольной плоскостью симметрии 7 вывода, параллельной боковым граням 4, 5. В сквозное отверстие 6 установлен подпружиненный пружиной 8 исполнительный шток 9 с возможностью воздействия на расцепляющую рейку 10 выключателя. На штоке напротив первой рабочей грани 2 закреплена исполнительная ферромагнитная пластина 11. Тандем-расцепитель снабжен дополнительным штоком 12 с закрепленной на нем дополнительной ферромагнитной пластиной 13, расположенной напротив второй рабочей грани 3, а также валиком 14 с зубчатым венцом 15 и разборным корпусом из электроизоляционного материала, состоящим из двух П-образных кронштейнов 16, 17, установленных на выводе напротив первой 2 и второй 3 рабочих граней. В выводе 1 выполнено второе сквозное отверстие 18, ось которого тоже перпендикулярна рабочим граням шины и совпадает с продольной плоскостью симметрии 7 вывода, но расположена относительно первого отверстия 6 со смещением вдоль плоскости симметрии. При этом в каждом кронштейне 16, 17 выполнены по два отверстия 19, 20 и 21, 22 напротив первого 6 и второго 18 сквозных отверстий вывода, в которых помещены с возможностью поступательного перемещения исполнительный шток 9 и дополнительный шток 12. Кроме этого, оба штока снабжены профильными кольцевыми пазами 23, 24, а валик 14 смонтирован в кронштейне 17 посредине между штоками 9, 12 перпендикулярно своей осью к плоскости симметрии 7 вывода и с возможностью контактирования зубчатым венцом 15 с кольцевыми пазами 23, 24 обоих штоков. Для обеспечения большей длины посадки штоков в кронштейнах исполнительная 11 и дополнительная 13 ферромагнитные пластины имеют отверстие соответственно 25 и 26, смещенное вдоль плоскости симметрии вывода относительно осей штоков таким образом, что отверстие 26 дополнительной пластины 13 охватывает с зазором исполнительный шток 9, а отверстие 25 исполнительной пластины 11 - дополнительный шток 12. При сборке кронштейны 16, 17 базируются на боковых гранях 4, 5 по двум координатам с помощью выступов 27, 28 и крепятся к выводу 1. Для установки валика 14 кронштейн 17 имеет съемную крышку 29.
Тандем-расцепитель максимального тока автоматического выключателя работает следующим образом.
кз
и
д
кз
д
и
д
При прохождении тока короткого замыкания I через вывод 1 (см. фиг.2) вокруг поперечного сечения вывода образуется магнитное поле, которое, взаимодействуя с исполнительной 11 и дополнительной 13 ферромагнитными пластинами, создает в них усилия притяжения к рабочим граням 2 и 3, соответственно F и F, направленные навстречу друг другу. Под воздействием этих усилий пластины перемещаются на величину зазоров δ. Пластина 11 преодолевает усилие возвратной пружины 8 и воздействует исполнительным штоком 9 на расцепляющую рейку 10 механизма свободного расцепления выключателя, после чего происходит автоматическое размыкание цепи, в которой возник ток короткого замыкания I. Дополнительная пластина 13 не имеет на дополнительном штоке 12 возвратной пружины, поэтому результирующее усилие на штоке 12, как разница усилия F и сил трения штока в отверстиях, будет больше результирующего усилия на исполнительном штоке 9, определяемого как разница между усилием F и усилием возвратной пружины 8. Так как исполнительный шток 9 связан с дополнительным штоком 12 через профильные пазы 23 и зубчатый венец 15 валика 14, который суммирует два разнонаправленных усилия, то суммарное, воздействующее на расцепляющую рейку 10, усилие на исполнительном штоке, увеличится на величину усилия F, за вычетом сил трения в зубчатом зацеплении и в парах трения «поверхность отверстий - поверхность штока». Тандемное воздействие двух ферромагнитных пластин 11,13 на расцепляющую рейку 10 увеличивает усилие удара по рейке с учетом потерь на трение в 1,6-1,8 раза, что соответственно увеличивает ускорение всех деталей, участвующих в расцеплении, а значит и быстродействие отключения тока короткого замыкания.
Таким образом, выполнение расцепителя максимального тока автоматического выключателя на большие номинальные токи в заявляемом виде с новыми конструктивными элементами, а именно с дополнительным штоком 12 и с закрепленной на нем дополнительной ферромагнитной пластиной 13, а также валиком 14 с зубчатым венцом 15, разборным корпусом, состоящим из двух П-образных кронштейнов 16, 17, со вторым сквозным отверстием 18 в выводе, с профильными кольцевыми пазами 23, 24 на штоках в описанных взаимосвязях и взаимодействиях позволило достичь в предлагаемой модели:
- повышения усилия на исполнительном штоке расцепителя в 1,6-1,8 раза за счет суммирования разнонаправленных магнитных сил на исполнительной и дополнительной ферромагнитных пластинах;
- повышения быстродействия срабатывания расцепителя и ускорения процесса автоматического размыкания цепи с током короткого замыкания за счет большего ударного усилия и большего ускорения подвижного штока расцепителя;
- уменьшения разрушительного действия токов короткого замыкания на защищаемые цепи и электрооборудование за счет более быстрого срабатывания автоматического выключателя и уменьшения затрат на ремонтно-восстановительные работы после аварийного отключения токов короткого замыкания.
Описанная конструкция тандем-расцепителя и описание его работы свидетельствуют о соответствии заявленной полезной модели следующей совокупности условий:
-устройство, воплощающее заявленную модель, при его осуществлении предназначено для использования в составе автоматических выключателей на большие номинальные токи в качестве расцепителя максимального тока короткого замыкания и относится к электротехнике;
-для заявленной конструкции в том виде, как она охарактеризована в изложенной формуле полезной модели, подтверждена возможность ее осуществления с помощью описанных в заявке средств;
-устройство, воплощающее заявленную полезную модель, при осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «промышленная применимость».