ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ РЕЛЕ
ELECTROMAGNETIC RELAY

Изобретение относится к электротехнике, а именно, к электромагнитным реле для устройств железнодорожной автоматики и телемеханики.
Известно электромагнитное реле с магнитной системой клапанного типа [Политехнический словарь. (Гл. Редактор А. И. Ишлинский). - М.: Большая Российская энциклопедия, 1998 г., стр.454]. Реле состоит из ярма, выполненного в виде углом изогнутой пластины, на одной полке которой закреплен стержневой магнитопровод с установленной на нем обмоткой. К краю второй полки прикреплен поворотный якорь, на котором закреплены подвижные контакты контактной системы. Специальная пружина, прикрепленная к якорю, обеспечивает его возврат в исходное положение.
Недостаток данного устройства заключается в использовании пружины, что для устройств железнодорожной автоматики и телемеханики не допустимо.
Известно реле РЭЛ1 [Н.Г.Капитоненко, В.Н.Сусоев, X.Г.Офенгейм. Новое реле для железнодорожной автоматики и телемеханики. - «Автоматика, телемеханика, связь», 1983 г., №7, стр.14]. Реле имеет ярмо, выполненное в виде Z-образно-изогнутой пластины. Два стержня магнитопровода закреплены на одной из концевых полок ярма, к краю второй концевой полки прикреплен якорь поворотного типа. Реле имеет две независимые обмотки. Каждая обмотка размещена на двух катушках, т.е. обмотки выполнены двухсекционными. При этом катушки одной обмотки размещены на разных стержнях магнитопровода. Обе обмотки симметрично расположены относительно рабочего воздушного зазора. Возврат якоря в исходное положение обеспечивается действием веса двух специальных грузов. Контактная система установлена на основной панели ярма, ее подвижные контакты управляются якорем. Реле надежно в эксплуатации, имеет высокий коммутационный ресурс и высокую виброустойчивость.
Основным недостатком указанного реле является высокая трудоемкость сборки реле, низкая технологичность. Трудоемкость обусловлена тем, что электромагнитное реле указанного назначения имеет рабочий зазор магнитной системы при притянутом положении якоря примерно 0.2 мм, что соизмеримо с суммарными допусками размеров элементов конструкции.
В патенте на полезную модель №23349, опубликованном 10.12.2002 г., предложено данный зазор выдерживать с помощью шайбы или набора шайб, устанавливаемых на хвостовой части стержня магнитопровода и выполненных из магнитомягких материалов. Однако, в целом, конструкция остается сложной и громоздкой.
Известно решение конструкции электромагнитного реле по патенту №2161342, опубликованного 27.12.2000 г., направленное на упрощение конструкции, а именно снижение количества рабочих деталей (катушек, стержней магнитопровода) при сохранении мощности, надежности и виброустойчивости. Конструктивно реле относится к реле малогабаритным НМШ третьего поколения.
В данном электромагнитном реле, включающем ярмо, выполненное в виде Z-образно-изогнутой пластины, на одной из концевых полок которой закреплен стержневой магнитопровод с двумя обмотками, к краю второй концевой полки ярма прикреплен поворотный якорь с системой грузов, обеспечивающих его возврат в исходное положение, при этом контактная система установлена на основной панели ярма, при этом обе обмотки выполнены односекционными и установлены на одном стержне магнитопровода, а в основной панели ярма выполнено окно, форма и размеры которого обеспечивают частичное заглубление обмоток в окно.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является электромагнитного реле типа РЭЛ четвертого поколения (Сороко В.И., Милюков В.А. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики: Справочник: в 2 кн. Кн.1, - 3-е изд. - М.: НПФ «Планета», 2000, - стр.253-256). Электромагнитное реле имеет пластмассовое основание, крышку, магнитную систему, содержащую сердечники, ярмо, якорь, обмотки, намотанные на шпули и размещенные на сердечниках в виде стержней, имеющих полюсники и хвостовые части, соединенные ярмом, выполненным в виде Z-образно-изогнутой пластины. Два стержня магнитопровода закреплены на одной из концевых полок ярма, к краю второй концевой полки прикреплен якорь поворотного типа Г-образный формы, якорь закреплен на опоре в виде призмы при помощи скобы и может свободно поворачиваться на опоре при работе реле, на одной полке якоря прикреплена бронзовая пластина, обеспечивающая зазор не менее 0,15 мм между якорем и обоими полюсниками сердечников, на второй полке установлен пластмассовый поводок для упругих пластин и специальный груз для возврата якоря в исходное положение силой тяжести, контактную систему, состоящую из фронтовых, перекидных и тыловых контактов, установленных в основании, и жесткого упора для тыловых контактов, установленного на горизонтальной части ярма, при этом контактирующим материалом для фронтовых контактов служат серебро-графитовые композиционные материалы. Реле имеет две независимые обмотки. Каждая обмотка размещена на двух катушках, т.е. обмотки выполнены двухсекционными. При этом катушки одной обмотки размещены на разных стержнях магнитопровода. Обе обмотки симметрично расположены относительно рабочего воздушного зазора. Реле надежно в эксплуатации, имеет высокий коммутационный ресурс и высокую виброустойчивость.
Основным недостатком указанного реле является высокая металлоемкость и большие габариты, обусловленные конструктивным исполнении реле, а именно, здесь, как и в аналогах, магнитное поле магнитопровода замыкается через кинематический контакт между ярмом и якорем. Такое замыкание магнитного потока (стержень магнитопровода - ярмо-поворотный якорь) ведет к большим потерям в месте подвижного соединения якоря и ярма, поэтому чтобы притянуть якорь к концевой полке требуется увеличивать мощность реле за счет увеличения ампер витков катушек, а размещение контактной группы и части Г-образного якоря, приводящего в движение контакты в одной плоскости, приводит к значительному увеличению линейных размеров реле.
Для данного реле необходимо выполнить одно из условий, сохранение величины перемещения хода перекидных контактов, которая контролируется жестким упором при сохранении линейных размеров контактной группы. Чтобы выполнить это условие необходимо выполнить соотношение перемещений пластмассового поводка для перекидных контактов и перемещение якоря. Уменьшение габаритов магнитопровода приводит к уменьшению хода якоря, чтобы увеличить ход якоря его необходимо дальше отнести от полюсных наконечников, а это приводит к необходимости увеличивать количество ампер витков катушки и соответственно ее габаритов.
В основу изобретения поставлена задача - при сохранении преимуществ, присущих прототипу, а именно надежной работы и повышенной виброустойчивости - снизить металлоемкость и уменьшить габариты реле.
Поставленная задача решается тем, что в электромагнитном реле, имеющем пластмассовое основание, крышку, магнитную систему, содержащую сердечники, ярмо, якорь, обмотки, намотанные на шпули и размещенные на сердечниках, в виде стержней, имеющих полюсники и хвостовые части, соединенные ярмом, на якоре прикреплена бронзовая пластина, обеспечивающая зазор не менее 0,15 мм между якорем и обоими полюсниками сердечников, контактную систему, состоящую из фронтовых, перекидных и тыловых контактов, установленных в основании, пластмассового поводка для перекидных контактов, жесткого упора для тыловых контактов и грузов для возврата якоря в исходное положение силой тяжести, в качестве материала для фронтовых контактов использованы композиционные материалы, отличающееся тем, что реле дополнительно имеет раму из немагнитного материала, имеющую как минимум две базовые поверхности, одна - для крепления ее к основанию реле и вторая - для крепления на ней по крайней мере, двух сердечников, и, по крайней мере, одной опорой для установки и крепления Г-образного коромысла, выполненного из немагнитного материала, и закрепленного на опоре при помощи скобы с возможностью свободно поворачиваться на опоре при работе реле и жестким упором для тыловых контактов, хвостовые части сердечников магнитопровода соединены ярмом в виде перемычки из магнитомягкого материала и закреплены на раме, полюсники отделены немагнитным зазором, образованным их примыкающими сторонами и имеющих форму клина с углом от 20 до 60° и расстоянием между вершинами 1,0-1,2 мм, якорь имеет симметричную форму относительно немагнитного зазора, имеющего площадь от 20% до 70% от суммы площадей двух полюсников, выполнен из магнитомягкого материала и закреплен на конце Г-образного коромысла с возможностью регулирования перемещений относительно полки коромысла, а в качестве материала для фронтовых контактов использован графит.
Экспериментально установлено, что для заявляемого реле оптимальным является исполнение зазора, образованного примыкающими сторонами полюсников, имеющих форму клина с углом от 20 до 60° и расстоянием между вершинами 1,0-1,2 мм и замыкающих якорем, симметричной форму относительно немагнитного зазора, имеющего площадь от 20% до 70% от суммы площадей двух полюсников.
Такое исполнение полюсников и якоря позволяет выполнить необходимое соотношение величины перемещения ходов якоря и перекидных контактов. Оптимизация якоря по форме позволила увеличить силу удержания якоря на наконечниках. Увеличение площади магнитного якоря по сравнению с суммарной площадью полюсников свыше 70% приводит к резкому уменьшению силы притяжения якоря к полюсным наконечникам, то же самое происходит при уменьшении площади якоря свыше 20% от суммарной площади полюсников.
В изобретении сохранены преимущества, присущие прототипу, а именно надежность работы и повышенная виброустойчивость контактной группы за счет сохранения в виде линейных размеров контактной группы и величины хода ведущей пластмассовой планки.
При этом новое компоновочное решение электромагнитной системы, в котором ярмо, в отличие от прототипа, не является конструктивным элементом, на котором размещен якорь магнитопровода, позволило исключить замыкание магнитного потока через подвижную кинематическую цепь с высоким сопротивлением магнитному потоку, что позволило в предлагаемой конструкции магнитопровода значительно уменьшить число ампер витков и уменьшить размеры магнитопровода в целом. Размещение якоря вблизи основания реле позволило конструктивно разместить контактную группы и часть Г-образного коромысла, приводящего в движение контакты, в двух параллельных плоскостях, что позволило сократить габариты электромагнитного реле практически в два раза. Исполнение магнитопровода, исключающего замыкание магнитного потока через кинематически подвижные контакты и исполнение немагнитного зазора, образованного примыкающими сторонами полюсников, имеющих оптимальную форму клина и замыкающихся якорем симметричной формы относительно немагнитного зазора, и выполнение якоря из магнитомягкого материала и закрепленного на конце Г-образного коромысла с возможностью регулирования перемещений относительно полки коромысла немагнитного зазора позволило значительно сократить металлоемкость магнитопровода и реле в целом, так по сравнению с прототипом, вес сердечников уменьшился в два раза, а катушек в четыре раза при сохранении всех исходных параметров.
Изобретение иллюстрируется чертежвми. На фиг.1 показан общий вид устройства реле, на фиг.2 показан вид на реле со стороны контактной группы, на фиг.3 показан вид на магнитопровод со стороны якоря на полюсники, на фиг.4 показана оптимальная форма зазора между полюсниками.
Реле имеет пластмассовое основание 1, крышку 2, магнитную систему, содержащую сердечники 3, ярмо 4, якорь 5, обмотки 6, намотанные на шпули 7 и размещенные на сердечниках 3, в виде стержней, имеющих полюсники 8 и хвостовые части, соединенные ярмом 4, Г-образное коромысло 9 закреплено на опоре 10 при помощи скобы (не показано) с возможностью свободно поворачиваться на опоре при работе реле, на одной полке коромысла прикреплена бронзовая пластина 11, обеспечивающая зазор не менее 0,15 мм между якорем и обоими полюсниками сердечников, пластмассовый поводок 12 для упругих пластин и груз 13 для возврата якоря в исходное положение силой тяжести, контактная система состоит из фронтовых 14, перекидных 15 и тыловых 16, контактов, установленных в основании 1, и жесткого упора 17 для тыловых контактов, а контактирующим материалом 18 для фронтовых контактов служат композиционные материалы, раму 19, имеющую по крайней мере, две базовые поверхности, одна - для крепления ее к основанию и вторая - для крепления как минимум двух сердечников, и снабженная опорой 10 для установки и крепления якоря 5 и жесткого упора 17 для тыловых контактов 16, хвостовые части сердечников магнитопровода соединены ярмом 4 в виде перемычки и закреплены на раме 19, полюсники отделены немагнитным зазором друг от друга и замыкаются якорем 5.
Реле работает следующим образом.
При подаче напряжения на обмотки в электромагнитной системе, включающей стержень магнитопровода, ярмо и якорь, формируется электромагнитное поле, под воздействием которого якорь притягивается к полюсникам, поворачивая при этом коромысло на опоре и осуществляется коммутация контактов контактной системы. При снятии напряжения с обмотки магнитное поле, притягивающее якорь к полюсникам исчезает и под действием веса груза коромысло возвращается в исходное положение, а следовательно, в исходное положение возвращается контактная система.
Изобретение найдет промышленное применение в устройствах электрической централизации и автоблокировки на железных дорогах.