ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИВОД

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электромагнитным приводам различных устройств, и может быть использовано в электрических аппаратах, в частности, в вакуумных выключателях.
Известен электромагнитный привод с двухпозиционным электромагнитом, используемый в вакуумных выключателях высокого напряжения типа VM1 концерна ABB [1]. Двухпозиционный электромагнит привода имеет два устойчивых положения при обесточенных катушках и состоит из неподвижной части магнитопровода, подвижной части, двух катушек и постоянных магнитов. Подвижная часть магнитопровода - якорь представляет собой параллелепипед, изготовленный из магнитомягкого материала. Катушки расположены в пространстве параллельно друг другу на расстоянии, которое приблизительно равняется ширине поперечного сечения якоря, и имеют прямоугольные отверстия с размерами, которые приблизительно равняются ширине и глубине поперечного сечения якоря. Якорь находится внутри отверстия катушки, причем длина якоря меньше расстояния между противоположными перпендикулярными оси якоря поверхностями катушек на величину рабочего хода якоря. Неподвижная часть магнитопровода представляет собой пакет ферромагнитных пластин прямоугольной снаружи формы, толщина которого приблизительно равняется глубине поперечного сечения якоря. Пластины имеют отверстия прямоугольной формы и два прямоугольных выступа, которые направлены внутрь отверстия и расположены один напротив другого посередине отверстия. Выступы имеют ширину, которая приблизительно равняется расстоянию между ближними перпендикулярными оси якоря поверхностями
катушек. Внутри отверстия пакета пластин расположены катушки и якорь, который свободно перемещается в отверстии катушек. На поверхностях выступов расположены высококоэрцитивные постоянные магниты, которые имеют форму параллелепипедов, ширина и глубина которых приблизительно равняются ширине выступа в отверстии неподвижной части магнитопровода и толщине пакета пластин неподвижной части магнитопровода. Толщина магнита выбрана таким образом, что он почти полностью заполняет промежуток между торцом выступа неподвижной части магнитопровода и боковой поверхностью якоря. В состав подвижной части электромагнита входит также немагнитный шток цилиндрической формы, который жестко скреплен с якорем, причем вертикальная ось якоря (в направлении его длины) и ось штока совпадают. На оси неподвижной части магнитопровода, совпадающей с осью якоря, расположены две втулки, в отверстиях которых перемещается шток, передающий движение якоря подвижным контактам вакуумных камер выключателя.
2
Недостатком такой конструкции электромагнита является относительно небольшая сила удержания подвижной части магнитопровода при обесточенных катушках, потому что сила удержания в каждом устойчивом положении создается лишь в одном зазоре и ограничивается величиной магнитной индукции насыщения материала магнитопровода, которая в современных магнитомягких материалах составляет приблизительно 2 Тл, а соответствующее такой индукции значение силы удержания составляет 16 кГ/см, что приводит к необходимости увеличения габаритов, массы и стоимости привода в устройствах, требующих создания больших усилий удержания, в частности, в вакуумных выключателях.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является используемый в качестве привода вакуумного выключателя известный двухпозиционный электромагнит с двумя устойчивыми положениями при обесточенных катушках, содержащий магнитную систему, состоящую из неподвижной части магнитопровода, подвижной части, двух катушек и одного или более постоянных магнитов [2]. Неподвижная часть
магнитопровода состоит из коаксиально расположенных деталей - цилиндрического сердечника с цилиндрическим отверстием и кольцеобразным выступом в средней части и кольцеобразного корпуса. Плоскости торцов сердечника и корпуса параллельны друг другу и перпендикулярны оси привода. Внутренний диаметр кольцеобразного корпуса превосходит внешний диаметр кольцеобразного выступа в средней части сердечника, а детали неподвижной части соединены между собой с помощью немагнитных деталей, частично заполняющих зазор между кольцеобразным выступом сердечника и корпусом. Катушки расположены между сердечником и корпусом с обеих сторон кольцеобразного выступа в средней части сердечника. Постоянные магниты расположены вне занятой немагнитными деталями части зазора между кольцеобразным выступом в средней части сердечника и корпусом. Подвижная часть состоит из немагнитного штока, а также двух коаксиальных со штоком дискообразных якорей. Осевой размер части штока, охватываемой отверстием в сердечнике при движении штока, превышает осевой размер неподвижной части магнитопровода на величину хода подвижной части. Плоские торцы дискообразных якорей закреплены на торцах части штока, охватываемой отверстием в сердечнике при движении штока. Срабатывание двухпозиционного электромагнита, то есть переход его подвижной части из одного устойчивого положения в другое, приводит к изменению коммутационного состояния объекта, например, вакуумного выключателя.
Недостатком известной конструкции является большое потребление энергии от источника питания при переходе подвижной части электромагнита из одного устойчивого положения в другое, а также его относительно низкое быстродействие, поскольку для перемещения подвижной части требуется большая магнитодвижущая сила (МДС) катушки, а скорость нарастания МДС ограничивается значительной индуктивностью обмотки электромагнита.
В основу изобретения поставлена задача усовершенствования электромагнитного привода, в котором за счет введения новых
конструктивных элементов и установления иных связей между деталями, обеспечивается повышение быстродействия электромагнитного привода, а также уменьшение потребления энергии от внешнего источника питания при переходе подвижной части из одного устойчивого положения в другое.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в электромагнитном приводе, содержащем магнитную систему, состоящую из неподвижной части магнитопровода, подвижной части, двух катушек и одного или более постоянных магнитов, в которой неподвижная часть магнитопровода состоит из коаксиально расположенных деталей - цилиндрического сердечника с цилиндрическим отверстием и кольцеобразным выступом в средней части и кольцеобразного корпуса, при этом плоскости торцов цилиндрического сердечника и кольцеобразного корпуса параллельны друг другу и перпендикулярны оси привода, внутренний диаметр кольцеобразного корпуса превосходит внешний диаметр кольцеобразного выступа в средней части цилиндрического сердечника, детали неподвижной части магнитопровода соединены между собой с помощью немагнитных деталей, частично заполняющих зазор между кольцеобразным выступом в средней части цилиндрического сердечника и кольцеобразным корпусом, подвижная часть состоит из расположенного в отверстии сердечника немагнитного штока и двух коаксиальных со штоком дискообразных якорей, плоские торцы которых закреплены на торцах части штока, охватываемой отверстием в сердечнике при движении штока, причем осевой размер части штока, охватываемой отверстием в сердечнике при движении штока, превышает осевой размер неподвижной части магнитопровода на величину хода подвижной части, катушки расположены между цилиндрическим сердечником и кольцеобразным корпусом с обеих сторон кольцеобразного выступа в средней части цилиндрического сердечника, а постоянные магниты расположены вне занятой немагнитными деталями части зазора между кольцеобразным выступом в средней части цилиндрического сердечника и кольцеобразным корпусом, согласно изобретению, с обеих сторон подвижной части вдоль оси привода,
установлены, по крайней мере, по одной пружине, один конец каждой из которых связан с упором, а второй связан с любым из элементов подвижной части, постоянные магниты и кольцеобразный выступ в средней части цилиндрического сердечника имеют разные осевые размеры, причем осевой размер постоянных магнитов меньше осевого размера кольцеобразного выступа в средней части цилиндрического сердечника.
В результате использования заявляемого изобретения обеспечивается получение технического результата, заключающегося в повышении быстродействия электромагнитного привода, а также в уменьшении потребления энергии от внешнего источника питания при переходе подвижной части из одного устойчивого положения в другое.
Заявленные отличительные признаки заявляемого устройства позволяют уменьшить потребление энергии от внешнего источника питания, поскольку при переходе подвижной части из одного устойчивого положения в другое, высвобождается энергия, накопленная в одной из пружин, которая затем преобразуется в потенциальную энергию другой пружины, а внешний источник питания необходим лишь для покрытия потерь энергии, затрачиваемой на преодоление сил трения, джоулевых потерь, а также для обеспечения запаса энергии в случае, когда высвобождающаяся энергия одной из пружин меньше накапливаемой потенциальной энергии другой пружины. Особенность конструкции электромагнитного привода, при которой осевой размер постоянных магнитов меньше осевого размера кольцеобразного выступа в средней части цилиндрического сердечника, обеспечивает вытеснение магнитного потока в зазор вне постоянного магнита между кольцеобразным выступом в средней части сердечника и кольцеобразным корпусом при изменении направления тока в катушке, вследствие чего не требуется перемагничивания постоянного магнита при отключении привода, что приводит к уменьшению промежутка времени между моментом начала пропускания тока через катушки и моментом начала движения подвижной части, а значит, к повышению его быстродействия. В целом, отличительные признаки заявляемого устройства являются
существенными и необходимыми для достижения нового технического результата.
По имеющимся у заявителя сведениям, совокупность существенных признаков, характеризующих сущность заявляемого изобретения, не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна". По мнению заявителя, для специалиста в области конструирования электромагнитных приводов, преимущественно для электрических аппаратов, и, в частности, вакуумных выключателей, сущность заявляемого изобретения не следует явным образом из уровня техники, так как из него не выявляется совокупность существенных признаков и ее влияние на достигаемый технический результат, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию "изобретательский уровень". Заявляемое устройство может быть неоднократно воспроизведено и использовано в электротехнической промышленности с получением ожидаемого технического результата, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость". Таким образом, заявляемый электромагнитный привод, является техническим решением, отвечающим всем условиям патентоспособности изобретения.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематически изображена профильная проекция (осевое сечение) предложенного электромагнитного привода.
На представленном чертеже предложенного электромагнитного привода обозначено: 1 - нижний упор, 2 - нижняя пружина, 3 - нижний дискообразный якорь; 4 - нижняя катушка, 5 - немагнитная деталь; 6 - постоянный магнит, 7 - кольцеобразный корпус, 8 - кольцеобразный выступ в средней части цилиндрического сердечника, 9 - верхняя катушка, 10 - верхний плоский торец кольцеобразного корпуса, 11 - цилиндрическое отверстие в цилиндрическом сердечнике, 12 - плоский торец верхнего дискообразного якоря, 13 - немагнитный шток, 14 - верхний дискообразный якорь, 15 - верхняя пружина, 16 - верхний упор, 17 - части штока, не
охватываемые цилиндрическим отверстием в цилиндрическом сердечнике при движении штока, 18 - верхний торец части штока, охватываемой цилиндрическим отверстием в цилиндрическом сердечнике при движении штока, 19 - верхний плоский торец цилиндрического сердечника, 20 - величина хода подвижной части, 21 - часть штока, охватываемая цилиндрическим отверстием в цилиндрическом сердечнике при движении штока, 22 - цилиндрический сердечник, 23 - нижний плоский торец кольцеобразного корпуса, 24 - ось привода, 25 - нижний плоский торец цилиндрического сердечника, 26 - нижний торец части штока, охватываемой цилиндрическим отверстием в цилиндрическом сердечнике при движении штока, 27 - плоский торец нижнего дискообразного якоря.
Электромагнитный привод содержит магнитную систему, состоящую из неподвижной части магнитопровода, подвижной части, двух катушек 4 и 9, а также постоянного магнита 6 (постоянных магнитов может быть несколько). Неподвижная часть магнитопровода содержит кольцеобразный корпус 7 и цилиндрический сердечник 22 с цилиндрическим отверстием 11 и кольцеобразным выступом 8 в средней части цилиндрического сердечника. Кольцеобразный корпус 7 и цилиндрический сердечник 22 являются коаксиальными с общей осью, являющейся осью 24 привода, и соединены друг с другом с помощью немагнитной детали 5 (немагнитных деталей может быть несколько). Немагнитные детали 5 частично заполняют зазор между кольцеобразным выступом 8 в средней части цилиндрического сердечника 22 и кольцеобразным корпусом 7. Верхний 19 и нижний 25 плоские торцы кольцеобразного сердечника, а также и верхний 10 и нижний 23 плоские торцы корпуса параллельны друг другу и перпендикулярны оси 24 привода, внутренний диаметр кольцеобразного корпуса 7 превосходит внешний диаметр кольцеобразного выступа 8 в средней части цилиндрического сердечника 22. Подвижная часть состоит из немагнитного штока 13, расположенного в цилиндрическом отверстии 11 в цилиндрическом сердечнике 22 и двух коаксиальных со штоком дискообразных якорей: нижнего 3 и верхнего 14, плоские торцы 12 и 27
которых закреплены соответственно на торцах 18 и 26 части 21 штока, охватываемой отверстием 11 в сердечнике 22 при движении штока 13. Осевой размер части 21 штока, охватываемой отверстием 11 сердечника при движении штока 13, превышает осевой размер неподвижной части магнитопровода на величину хода 20 подвижной части - например, расстояния между плоским торцом 12 верхнего дискообразного якоря 14 и верхним плоским торцом 10 кольцеобразного корпуса 7. Катушки 4 и 9 расположены между цилиндрическим сердечником 22 и кольцеобразным корпусом 7 с обеих сторон кольцеобразного выступа 8 в средней части сердечника 22. Постоянные магниты 6 расположены вне занятой немагнитными деталями 5 части зазора между кольцеобразным выступом 8 в средней части сердечника 22 и кольцеобразным корпусом 7. С обеих сторон подвижной части вдоль оси 24 привода, установлены, по крайней мере, по одной пружине: нижней 2 и верхней 15, один конец каждой из которых связан с соответствующим упором: нижняя пружина - с нижним упором 1, а верхняя пружина 15 - с верхним упором 16, а второй конец связан с любым из элементов подвижной части, например, с одним из дискообразных якорей: нижним 3 или верхним 14, или с частями 17 штока, не охватываемыми цилиндрическим отверстием 11 в цилиндрическом сердечнике 22 при движении штока 13. Осевой размер постоянных магнитов 6 меньше осевого размера кольцеобразного выступа 8 в средней части цилиндрического сердечника 22. При этом осевые размеры постоянных магнитов 6 и кольцеобразного выступа 8 в средней части цилиндрического сердечника 22 для каждого конкретного исполнения электромагнитного привода определяются путем расчетов.
Предложенный электромагнитный привод на примере его использования в вакуумном выключателе работает следующим образом.
В конструкции вакуумного выключателя имеется ряд элементов, создающих противодействие движению подвижных частей привода. Среди этих элементов находятся и пружины (контактные, возвратные и пр.), которые мы будем рассматривать как часть электромагнитного привода,
представленную нижней пружиной 2, с одной стороны связанной с нижним упором 1, а с другой стороны - связанной с каким-либо из элементов подвижной части, например, с частями 17 штока, не охватываемыми коаксиальным цилиндрическим отверстием 11 в цилиндрическом сердечнике 22 при движении штока 13.
В отключенном положении привода (вакуумный выключатель также находится в положении «отключено») нижняя 4 и верхняя 9 катушки обесточены, нижняя пружина 2 находится в отпущенном состоянии, а верхняя пружина 15 - в сжатом состоянии. Постоянные магниты 6, намагниченные в радиальном направлении, создают поляризующие магнитные потоки, один из которых проходит через нижний плоский торец 25 цилиндрического сердечника 22, нижний дискообразный якорь 3 и нижний плоский торец 23 кольцеобразного корпуса 7, а другой - через верхний плоский торец 19 цилиндрического сердечника 22, верхний дискообразный якорь 14 и верхний плоский торец 10 кольцеобразного корпуса 7. Значение поляризующего магнитного потока, проходящего через нижний дискообразный якорь 3, намного превосходит значение поляризующего магнитного потока, проходящего через верхний дискообразный якорь 14. Поэтому электромагнитная сила, притягивающая дискообразный якорь 3 к цилиндрическому сердечнику 22 и кольцеобразному корпусу 7 со стороны нижних плоских торцов 25 и 23 соответственно цилиндрического сердечника 22 и кольцеобразного корпуса 7, намного превосходит силу, притягивающую верхний дискообразный якорь 14 к цилиндрическому сердечнику 22 и кольцеобразному корпусу 7 со стороны верхних плоских торцов 19 и 10 соответственно цилиндрического сердечника 22 и кольцеобразного корпуса 7. Таким образом, нижний дискообразный якорь 3 надежно удерживается на нижних торцах 25 и 23 соответственно сердечника 22 и корпуса 7 и, воздействуя на немагнитный шток 13 через торец 26 его части 21, охватываемой коаксиальным цилиндрическим отверстием 11 в цилиндрическом сердечнике 22, удерживает в сжатом положении верхнюю пружину 15, которая с одной
стороны связана с верхним упором 16, а с другой стороны связана с одной из деталей подвижной части, например, с частью 17 штока, не охваченной коаксиальным отверстием 11 в цилиндрическом сердечнике 22 при движении штока 13.
Для перевода электромагнитного привода (и вакуумного выключателя) в положение «включено» система управления приводом (на чертеже не показана) должна обеспечить подключение катушек 4 и 9 электромагнитного привода к внешнему источнику питания (на чертеже не показан) таким образом, чтобы через нижнюю катушку 4 протекал относительно небольшой ток, а через верхнюю катушку 9 значительно больший ток с таким направлением (оба тока должны иметь одинаковое направление), чтобы магнитный поток, создаваемый нижней катушкой 4, был направлен против поляризующего магнитного потока в нижнем дискообразном якоре 3, вытесняя магнитный поток из нижнего дискообразного якоря 3 в зазор между кольцеобразным выступом 8 цилиндрического сердечника 22 и кольцеобразным корпусом 7 вне постоянного магнита 6, а магнитный поток, создаваемый верхней катушкой 9, был направлен согласно с поляризующим магнитным потоком в верхнем дискообразным якоре 14. При указанном соотношении направлений поляризующих магнитных потоков и магнитных потоков, создаваемых катушками 4 и 9, сила притяжения дискообразного якоря 3 к нижним торцам 25 и 23 соответственно цилиндрического сердечника 22 и кольцеобразного корпуса 7 ослабевает и в тот момент, когда указанная сила становится меньше силы сжатия верхней пружины 15, начинается движение подвижной системы - уменьшается зазор между плоским торцом 12 верхнего дискообразного якоря 14 и плоскими верхними торцами 19 и 10 соответственно цилиндрического сердечника 22 и кольцеобразного корпуса 7. При этом увеличивается зазор между плоским торцом 27 нижнего дискообразного якоря 3 и плоскими нижними торцами 25 и 23 соответственно цилиндрического сердечника 22 и кольцеобразного корпуса 7. Ускорению движения подвижной части способствует электромагнитная сила, возникающая в результате намагничивания верхнего
дискообразного якоря 14 поляризующим магнитным потоком и магнитным потоком, создаваемым верхней катушкой 9. Указанная сила увеличивается по мере уменьшения зазора между плоским верхним торцом 12 дискообразного якоря 14 и плоскими верхними торцами 19 и 10 соответственно цилиндрического сердечника 22 и кольцеобразного корпуса 7. По мере движения подвижной системы, сила сжатия верхней пружины 15 ослабевает, в результате чего потенциальная энергия, накопленная в ней, уменьшается, а сжатие нижней пружины 2 наоборот усиливается, в результате чего потенциальная энергия, накопленная в ней, возрастает.После завершения движения подвижной системы, когда плоский торец 12 верхнего дискообразного якоря 14 упирается в торцы 19 и 10 соответственно цилиндрического сердечника 22 и кольцеобразного корпуса 7, катушки 4 и 9 отключаются системой управления приводом. При этом верхний якорь 14 будет надежно удерживается на торцах 19 и 10 соответственно цилиндрического сердечника 22 кольцеобразного корпуса 7 и, воздействуя на немагнитный шток 13 через плоский торец 18 его части 21, охватываемой цилиндрическим отверстием 11 в цилиндрическом сердечнике 22, будет удерживать в сжатом положении нижнюю пружину 2, которая с одной стороны связана с нижним упором 1, а с другой стороны - с одной из деталей подвижной части, например, с частью 17 штока 13, не охватываемой коаксиальным цилиндрическим отверстием 11 в цилиндрическом сердечнике 22. При этом электромагнитный привод (и вакуумный выключатель) будет оставаться в положении «включено».
Благодаря тому, что движение подвижной части электромагнитного привода при включении вакуумного выключателя обеспечивается не только за счет электромагнитной силы, возникающей в результате намагничивания верхнего якоря 14 поляризующим магнитным потоком и магнитным потоком, создаваемым верхней катушкой 9, а и за счет сил, возникающих в результате высвобождения потенциальной энергии, накопленной в верхней пружине 15, существенно повышается быстродействие привода и уменьшается потребление приводом энергии от внешнего источника
питания, которая необходима лишь для покрытия потерь энергии, затрачиваемой на преодоление сил трения, джоулевых потерь в обмотках катушек, а также для обеспечения запаса энергии в случае, когда высвобождающаяся энергия верхней пружины 15 меньше накапливаемой потенциальной энергии нижней пружины 2.
Вытеснение поляризующего магнитного потока из нижнего дискообразного якоря 3 в зазор между кольцеобразным выступом 8 в средней части цилиндрического сердечника 22 и кольцеобразным корпусом 7 в части, не занятой постоянными магнитами 6, при переводе электромагнитного привода (и вакуумного выключателя) из положения «отключено» в положение «включено», благодаря особенности конструкции привода, при которой осевой размер постоянных магнитов 6 меньше осевого размера кольцеобразного выступа 8 в средней части сердечника 22, не требуется перемагничивания постоянных магнитов, что приводит к уменьшению промежутка времени между моментом начала пропускания тока через катушки 4, 9 и моментом начала движения подвижной части, а значит, к повышению быстродействия привода.
Для перевода электромагнитного привода (и вакуумного выключателя) из положения «включено» в положение «отключено» через катушки 4 и 9 магнитной системы необходимо кратковременно пропустить ток противоположного направления, вследствие чего подвижная система перемещается в исходное положение, чему способствует накопленная в нижней пружине 2 потенциальная энергия и благодаря чему повышается быстродействие привода также и при отключении.
Таким образом, заявленный электромагнитный привод при его использовании позволяет обеспечить повышение быстродействия и уменьшение потребления энергии от внешнего источника питания, как при его включении, так и при отключении.
По данному изобретению изготовлен опытный образец, который прошел испытания, подтвердившие его работоспособность и получение ожидаемого технического результата и положительного эффекта -
повышения быстродействия и уменьшения потребления энергии от внешнего источника питания.
Предложенный электромагнитный привод может найти применение в вакуумных выключателях и других электрических аппаратах.
Источники информации.
1. VM1. Vakuum-Leistungsschalter mit Magnetantrieb / Каталог ABB Calor Emag Mittelspannung GmbH - ABB Sace T.M.S. S.p.A
2. Патент RU №2276421 C1, МПК Н01F 7/08, H01F 7/16, заявл. 06.12.2004, опубл. 10.05.2006, Бюл. №13 (прототип).