ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ
DRIVING ELECTROMAGNET OF AUTOMATIC SWITCH

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к низковольтному электроаппаратостроению, в частности к исполнительным электромагнитам автоматических выключателей.
Известны электромагниты с внешним притягивающимся якорем поворотного типа, см. [1], рис. 1-2, а), стр. 8; рис. 2-1, а), г), д), е), ж), стр. 48, содержащие корпусную скобу, установленные на ней сердечник с катушкой, вращающийся плоский якорь, который имеет возможность взаимодействия с ведомым механизмом, пружину, закрепленную одним концом на скобе, а другим на якоре. Конкретные конструкции таких электромагнитов приведены в описаниях к патентам [2-6]. Из-за простоты конструкции они нашли широкое применение в электроаппаратостроении (реле, контакторы, пускатели автоматические выключатели). Общим недостатком электромагнитов этого типа является небольшое начальное усилие, что снижает их быстродействие. Небольшое начальное усилие обусловлено большим начальным зазором между торцом сердечника и поверхностью якоря, увеличенными магнитными потоками рассеяния. Поэтому при расчетах и разработке конструкции на заданные нагрузочные характеристики прибегают к увеличению намагничивающей силы катушки (ампер-витков), что даже при существующих расчетных методах оптимизации расходов активных материалов (меди, электротехнической стали) [1, 6], все равно приводит к увеличению массы и габаритов исполнительных электромагнитов.
Наиболее близким по достигаемой цели и технической сути к заявляемому техническому решению является электромагнит по патенту на изобретение [3]. Прототип содержит ярмо в виде Г-образной скобы, на которую установлен сердечник с катушкой и притягивающийся внешний якорь, выполненный в виде плоской пластины с возможностью вращения относительно точки крепления якоря к скобе. Увеличение начального тягового усилия в прототипе [3] достигается за счет изменения формы сердечника внутри катушки. Сердечник внутри катушки выполнен в виде тела вращения (параболоида) с переменным сечением от основания до полюсного наконечника под якорем. Благодаря такому сечению достигается увеличение магнитного потока вблизи якоря и увеличение начального тягового усилия. Нетехнологичную форму сердечника в виде параболоида в прототипе предложено заменить усеченным конусом, однако изготовление конических катушек также требует нестандартных подходов в их намотке, что ведет к удорожанию конструкции.
Технический результат, достигаемый заявляемым предлагаемым изобретением, заключается в увеличении начального тягового усилия при сохранении рабочего хода якоря и сохранении намагничивающей силы катушки, т.е. при сохранении размеров исполнительного электромагнита в пределах габаритного места, отведенного для него внутри автоматического выключателя.
Указанный технический результат достигается тем, что в исполнительном электромагните автоматического выключателя, содержащем корпусную скобу, установленные на ней сердечник с катушкой, вращающийся на оси двуплечий плоский якорь, пружину, закрепленную одним концом на скобе, а другим на якоре, оснащенном роликом с возможностью взаимодействия с механизмом свободного расцепления автоматического выключателя, торец сердечника со стороны якоря выполнен с сегментообразной выемкой заподлицо с катушкой и снабжен дополнительным выступом, имеющим в основании форму кругового сегмента, который размещен на торце таким образом, что хорда выемки и хорда дополнительного выступа параллельны и лежат в одной плоскости, перпендикулярной поверхности торца сердечника, кроме этого, двуплечий плоский якорь выполнен Ω-образным по форме с разрезом в его коротком плече и с кольцевой частью в длинном плече якоря, имеющей внутренний диаметр больше диаметра окружности сегментного выступа и наружный диаметр больше наружного диаметра сердечника, при этом внутри разрезной части якоря закреплен конец пружины и смонтирован ролик, контактирующий с механизмом выключателя, причем ось вращения Ω-образного якоря, установленная в корпусной скобе, проходит через тело якоря между его кольцевой и разрезной частями параллельно хорде дополнительного выступа, а высота дополнительного выступа не меньше величины зазора между якорем и сердечником в плоскости хорд сегментной выемки и сегментного выступа.
Выполнение торца сердечника со стороны якоря с сегментообразной выемкой заподлицо с катушкой и снабжение дополнительным выступом, имеющим в основании форму кругового сегмента, который размещен на торце таким образом, что хорда выемки и хорда дополнительного выступа параллельны и лежат в одной плоскости, перпендикулярной поверхности торца сердечника, позволяют сконцентрировать магнитный поток, создаваемый намагничивающей силой катушки (ампер-витками) на предложенном полюсном наконечнике сердечника оригинальной сегментообразной формы. Для того чтобы рабочий ход якоря при этом не изменился, двуплечий плоский якорь выполнен Ω-образным по форме с разрезом в его коротком плече и с кольцевой частью в длинном плече якоря, имеющей внутренний диаметр больше диаметра окружности сегментного выступа и наружный диаметр больше наружного диаметра сердечника, при этом внутри разрезной части якоря закреплен конец пружины и смонтирован ролик, контактирующий с механизмом выключателя, причем ось вращения Ω-образного якоря, установленная в корпусной скобе, проходит через тело якоря между его кольцевой и разрезной частями параллельно хорде дополнительного выступа. Благодаря Ω-образной форме якоря и размещению сегментообразного выступа внутри кольцевой части якоря эквивалентный воздушный зазор между сердечником и якорем существенно уменьшен при сохранении рабочего хода электромагнита. В результате при появлении тока в катушке между якорем и сердечником возникают силы магнитного притяжения существенно больше, чем без дополнительного выступа. Якорь своим роликом раньше начинает преодолевать противодействующее со стороны механизма свободного расцепления выключателя усилие и тем самым способствует увеличению быстродействия отключения токов короткого замыкания. Чтобы развиваемое якорем усилие было равномерным по ходу углового перемещения якоря, ось вращения последнего размещена параллельно хорде дополнительного выступа, т.е. обеспечено равенство воздушных зазоров при движении внутренней кольцевой поверхности якоря относительно кольцевой части дополнительного выступа. Для обеспечения максимального электромагнитного импульса силы притяжения якоря к сердечнику высота дополнительного выступа выбирается не меньше величины зазора между якорем и сердечником в плоскости хорд сегментной выемки и сегментного выступа. Приведенное описание предложенного исполнительного электромагнита показывает, что введенные новые конструктивные элементы (сегментообразная выемка и сегментообразный дополнительный выступ), выполнение якоря Ω-образным по форме, расположение их в описанной взаимосвязи и описанном соотношении размеров позволяют достичь указанного технического результата.
При проведении патентного поиска технических решений со сходными с заявляемыми существенными отличительными признаками не обнаружено. Следовательно, описанный исполнительный электромагнит автоматического выключателя обладает элементами новизны.
Предлагаемая конструкция исполнительного электромагнита автоматического выключателя показана на фиг. 1-8. На фиг. 1 представлен аксонометрический общий вид предлагаемого электромагнита. На фиг. 2 изображен вид сбоку, а на фиг. 3 вид сверху на изделие. Фиг. 4 раскрывает внутреннее устройство электромагнита в разрезах А-А и Б-Б в обесточенном состоянии. На фиг. 5 показан тот же разрез А-А, но при прохождении тока через катушку. Фиг. 6 представляет вид В (сзади), а фиг. 7 - вид Г (снизу) на конструкцию. Фиг. 8 дает представление о форме дополнительного выступа и выемки на сердечнике электромагнита со стороны якоря.
1
2
1
2
Несущей конструкцией исполнительного электромагнита и частью его магнитопровода является корпусная скоба 1, см. фиг. 1-3, фиг. 6, 7. На нижней части скобы 1 с помощью гайки 2 закреплен сердечник 3 с катушкой 4, см. фиг. 2, фиг. 4. В верхней части скобы (см. фиг. 1-4) на оси 5 установлен вращающийся двуплечий якорь 6. На конце короткого плеча якоря 6 на оси 7 установлен ролик 8 для взаимодействия с механизмом свободного расцепления автоматического выключателя (на рисунках механизм свободного расцепления выключателя не показан). Якорь 6 подпружинен пружиной 9 (см. фиг. 4-6), верхний конец которой зацеплен за планку 10, закрепленную на якоре, а нижний - за шплинт 11, установленный в нижней части скобы 1, и концы которого разогнуты вдоль наружной поверхности скобы, см. фиг. 7. Отогнутый конец 12 планки 10 (см. фиг. 4 разрез Б-Б) является одновременно ограничителем перемещения длинного плеча якоря 6 вверх под действием пружины 9, поскольку он упирается в скос 13 корпусной скобы 1. Особенностью сердечника 3 является наличие на его торце 14 (см. фиг. 4, разрез А-А) со стороны якоря сегментообразной выемки 15 и дополнительного выступа 16, имеющего тоже форму кругового сегмента (см. на фиг. 3). Выемка 15 выполнена заподлицо с торцом 17 катушки 4, а хорда 18 выемки 15 (см. на фиг. 8) и хорда 19 дополнительного выступа 16 параллельны и лежат в одной плоскости, перпендикулярной поверхности торца 14 сердечника. Для исключения эффекта «залипания» якоря 6 на сердечнике 3 в зоне их механического контактирования на торец 14 установлена тонкая прокладка 20 из немагнитного материала, см. фиг. 2, 4, 5. С помощью выемки 15, оставшейся части 14 торца сердечника и дополнительного выступа 16 образован полюсный наконечник сердечника. Высота h дополнительного выступа 16 (см. на фиг. 4 разрез А-А и фиг. 8) выбрана по величине не меньше величины зазора t между якорем 6 и торцом 14 сердечника в плоскости хорд 18, 19 сегментной выемки и сегментного выступа. Для сохранения величины рабочего хода якоря x, в присутствии дополнительного выступа 16, якорь 6 выполнен Ω-образным по форме (см. на фиг. 1 и фиг. 3) с разрезом в его коротком плече и с кольцевой частью в длинном плече якоря, имеющей внутренний диаметр d (см. фиг. 5) больше диаметра окружности dсегментного выступа 16 и наружный диаметр D больше наружного диаметра торца сердечника D. Такая Ω-образная форма якоря позволяет при сохранении его рабочего хода х уменьшить эквивалентный воздушный зазор между якорем и сердечником за счет введения полюсного наконечника в виде дополнительного сегментообразного выступа 16 внутрь кольцевой части якоря 5. Ось вращения 5 якоря 6 закреплена в скобе 1 и проходит через тело якоря между его кольцевой и разрезной частями параллельно хорде 19 дополнительного выступа 16, что создает равномерное по окружности распределение воздушного зазора между дополнительным выступом и кольцевой частью якоря.
1
2
Работает исполнительный электромагнит следующим образом. При отсутствии тока в катушке 4 якорь 6 находится в положении, изображенном на фиг. 4. Отгибом 12 планки 10 якорь упирается в скос 13 скобы 1 и фиксируется на расстоянии рабочего хода х от рабочей поверхности 14 сердечника 3. Дополнительный выступ 16 сердечника при этом находится к якорю значительно ближе в начале кольцевой части якоря, образуя по окружности сегмента небольшой воздушный зазор. В первом приближении он равен разности диаметров (d-d) и существенно меньше эквивалентного воздушного зазора между якорем и торцом 14 сердечника, соответствующего величине рабочего хода х.
При прохождении тока по катушке 4 ее намагничивающая сила (ампер-витки) создает в сердечнике 3 магнитный поток. Этот поток, пытаясь замкнуться в цепи магнитопровода «сердечник 3 - скоба 1 - якорь 6 - дополнительный выступ 16 сердечника», как в цепи с наименьшим магнитным сопротивлением, начинает приводить в движение якорь 6 в сторону уменьшения зазора t значительно раньше, чем магнитный поток, замыкающийся через цепь магнитопровода «сердечник-скоба-якорь-поверхность 14 сердечника». Этим достигается более раннее появление начального тягового усилия на якоре и большего по величине. При достижении якорем определенного углового положения (при уменьшении зазора t) начнет действовать и второй магнитный поток, проходящий через цепь «сердечник-скоба-якорь-поверхность 14 сердечника», завершая срабатывание электромагнита, см. фиг. 5. Следовательно, не изменяя рабочего хода якоря х, достигнуто увеличение начального тягового усилия исполнительного электромагнита без увеличения намагничивающей силы катушки. Тем самым достигается повышение быстродействия срабатывания механизма свободного расцепления выключателя, на который якорь 6 воздействует роликом 8. Положение общей плоскости хорд 18, 19 на торце сердечника подбирается экспериментально в виду сложности расчетов при такой конфигурации магнитной цепи. Заявляемый исполнительный электромагнит был изготовлен и испытан в составе автоматического выключателя с положительными результатами.
Таким образом, заявляемая конструкция исполнительного электромагнита автоматического выключателя обеспечивает достижение декларируемого технического результата, а именно увеличение начального тягового усилия при сохранении рабочего хода якоря и сохранении намагничивающей силы катушки.
Источники информации
1. Любчик М.А. Силовые электромагниты аппаратов и устройств автоматики постоянного тока (Расчет и элементы проектирования). М.: Энергия, 1968. 158 с.
6
2. Описание изобретения к авторскому свидетельству RU 182799, МПК H01F 7/14, опубл. 01.11.1966.
6
3. Описание изобретения к авторскому свидетельству RU 394858, МПК H01F 7/13, опубл. 01.01.1973.
5
4. Описание изобретения к авторскому свидетельству RU 702414, МПК H01F 7/08, опубл. 05.12.1979.
5. Описание к патенту на изобретение RU 2393574, МПК H01F 77/06, (2006.01), опубл. 27.06.2010.
6. Описание к патенту на полезную модель RU 155938, МПК H01F 7/08, (2006.01), опубл. 20.10.2015.