БИСТАБИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТ ПРИВОДА КОММУТАЦИОННОГО УСТРОЙСТВА

Полезная модель относится к области электротехники, а именно, к бистабильным электромагнитам с двумя обмотками, и может быть использована в приводах различных устройств автоматики, которые приводятся в действие при раздельной или одновременной коммутации обмоток, в частности, в приводах вакуумных выключателей высокого напряжения, используемых в комплектных распределительных устройствах и в камерах сборных одностороннего обслуживания.
Известен бистабильный электромагнит привода коммутационного устройства (патент UA №70574, H01F 7/08, дата публикации 15.10.2004), содержащий неподвижную часть магнитопровода, состоящую из корпуса кольцеобразной формы и коаксиально расположенного в нем цилиндрического сердечника с центральным отверстием и кольцевым выступом на внешней поверхности в его средней части, подвижную часть, состоящую из штока, размещенного в центральном отверстии цилиндрического сердечника с возможностью его возвратно-поступательного перемещения в осевом направлении, и закрепленных на противоположных концевых частях штока двух якорей дискообразной формы, две катушки, расположенные между корпусом и цилиндрическим сердечником с двух сторон от кольцевого выступа с образованием кольцеобразного зазора между последним и внутренней поверхностью корпуса, и постоянный магнит, расположенный в упомянутом кольцеобразном зазоре. Корпус и цилиндрический сердечник соединены между собой посредством элементов крепления и выполнены таким образом, что высота корпуса превышает высоту цилиндрического сердечника.
Якоря выполнены с разными площадями поперечного сечения. Расстояние между якорями превышает высоту корпуса на величину хода в осевом направлении. Корпус, сердечник и якоря выполнены из магнитомягкого материала, шток и элементы крепления выполнены из немагнитного материала, а постоянный магнит выполнен из высококоэрцитивного магнитотвердого материала, намагниченного в радиальном направлении. Известный бистабильный электромагнит содержит два воздушных зазора в магнитных цепях включения и выключения, один из которых образуется в стабильных положениях электромагнита между торцами корпуса и близлежащей к ним поверхностью соответствующего якоря, а второй - между одним торцом цилиндрического сердечника и близлежащей к нему поверхностью якоря.
Недостатками известной конструкции бистабильного электромагнита являются:
- выполнение с открытыми торцевыми частями, что приводит к загрязнению опорных поверхностей полюсов и увеличению воздушных зазоров между прилегающими поверхностями подвижной части магнитопровода и неподвижной части и, соответственно, к уменьшению силы притяжения якоря к неподвижной части магнитопровода, что снижает стабильность силовых характеристик при эксплуатации;
- выполнение с двумя зазорами между неподвижной частью магнитопровода и подвижной частью, что способствует увеличению тягового усилия в режиме удержания, но приводит к необходимости соответствующего увеличения значений магнитодвижущей силы при срабатывании.
Известен бистабильный электромагнит привода коммутационного устройства (патент UA №51731, H01H 33/42, H01F 7/08, дата публикации 26.07.2010), содержащий неподвижную часть магнитопровода, состоящую из корпуса кольцеобразной формы и соединенных с ним верхней и нижней крышек, выполненных с центральными отверстиями, и кольцеобразной втулки, расположенной коаксиально внутри корпуса, подвижную часть, состоящую из штока, концевые части которого расположены в центральных отверстиях верхней и нижней крышек с возможностью его возвратно-поступательного перемещения в осевом направлении, и закрепленного на штоке якоря цилиндрической формы, расположенного коаксиально внутри корпуса, катушку, расположенную между корпусом и якорем с образованием под одной из ее торцевых поверхностей кольцеобразного зазора, и постоянный магнит, расположенный в кольцеобразном зазоре между корпусом и кольцеобразной втулкой.
Якорь выполнен таким образом, что его высота меньше расстояния между внутренними поверхностями упомянутых крышек на величину хода в осевом направлении, а его диаметр соответствует внутреннему диаметру кольцеобразной втулки. Концевые части штока выполнены с возможностью соединения с исполнительным механизмом привода коммутационного устройства. Катушка содержит общий каркас для обмоток включения и выключения. Корпус соединен с упомянутыми крышками и кольцеобразной втулкой посредством элементов крепления. Корпус, упомянутые крышки, кольцеобразная втулка и якорь выполнены из магнитомягкого материала, постоянный магнит выполнен из высококоэрцитивного магнитотвердого материала, а шток и элементы крепления выполнены из немагнитного материала. Известный бистабильный электромагнит содержит два воздушных зазора в магнитных цепях включения и выключения, которые образуются в его стабильных положениях между внутренними поверхностями крышек и близлежащей к ним поверхностью соответствующего якоря.
Выполнение известного бистабильного электромагнита с крышками исключает возможность загрязнения опорных поверхностей полюсов, что повышает стабильность его силовых характеристик и надежность работы при эксплуатации.
Недостатками известной конструкции бистабильного электромагнита являются:
- выполнение катушки с расположением обмоток включения и выключения на одном каркасе, что не позволяет использовать бистабильный электромагнит в приводах коммутационных устройств, которые приводятся в действие при одновременной коммутации двух обмоток, и, соответственно, ограничивает область его применения;
- выполнение с одной катушкой, что вызывает необходимость в оснащении приводов коммутационных устройств возвратными пружинами для перемещения подвижной части в первоначальное стабильное положение и приводит к усложнению их конструкции и, соответственно, к снижению стабильности силовых характеристик и надежности при эксплуатации.
В основу полезной модели поставлена задача создания такого бистабильного электромагнита привода коммутационного устройства, в котором за счет введения в его конструкцию второй катушки, создающей иные магнитные взаимосвязи между неподвижной частью магнитопровода, постоянным магнитом и якорем при выполнении операций включения и выключения, обеспечивается возможность его использования в приводах коммутационных устройств как с поочередной, так и с одновременной коммутацией обмоток, что расширяет область его применения. Указанный технический результат достигается одновременно с повышением стабильности силовых характеристик и эксплуатационной надежности бистабильного электромагнита.
Поставленная задача решается тем, что в бистабильном электромагните привода коммутационного устройства, содержащем неподвижную часть магнитопровода, состоящую из корпуса кольцеобразной формы, соединенных с ним верхней и нижней крышек, выполненных с центральными отверстиями, и кольцеобразной втулки, расположенной коаксиально внутри корпуса, подвижную часть, состоящую из штока, концевые части которого размещены в центральных отверстиях верхней и нижней крышек с возможностью его возвратно-поступательного перемещения в осевом направлении, и закрепленного на штоке якоря цилиндрической формы, расположенного коаксиально внутри корпуса, катушку, расположенную между корпусом и якорем с образованием под одной из ее торцевых поверхностей кольцеобразного зазора, и постоянный магнит, расположенный в кольцеобразном зазоре между корпусом и кольцеобразной втулкой, при этом якорь выполнен таким образом, что его высота меньше расстояния между внутренними поверхностями упомянутых крышек на величину хода в осевом направлении, а его диаметр соответствует внутреннему диаметру кольцеобразной втулки, концевые части штока выполнены с возможностью соединения с исполнительным механизмом привода коммутационного устройства, неподвижная часть магнитопровода и якорь выполнены из магнитомягкого материала, постоянный магнит выполнен из высококоэрцитивного магнитотвердого материала, а шток выполнен из немагнитного материала, согласно полезной модели он содержит вторую катушку, расположенную внутри корпуса симметрично первой катушке относительно горизонтальной оси симметрии кольцеобразной втулки с образованием кольцеобразного зазора между их близлежащими торцами, при этом высота кольцеобразной втулки и высота постоянного магнита соответствуют расстоянию между близлежащими торцами катушек.
Целесообразно, чтобы верхняя и нижняя крышки были выполнены дискообразной формы.
Целесообразно, чтобы верхняя и нижняя крышки были выполнены с разными площадями поперечного сечения
Для улучшения центрирования подвижной части при ее возвратно-поступательных перемещениях и предотвращения износа центральных отверстий в верхней и нижней крышках и, соответственно, повышения стабильности силовых характеристик и эксплуатационной надежности верхняя и нижняя крышки содержат втулки из немагнитного материала, расположенные в центральных отверстиях крышек, а концевые части штока выполнены таким образом, что их диаметр соответствует внутреннему диаметру втулок.
Постоянный магнит может быть выполнен в виде цельного магнита кольцеобразной формы или в виде отдельных магнитов, например, в форме призм или параллелепипедов.
Для исключения смещения деталей неподвижной части магнитопровода и, соответственно, повышения надежности работы привода в эксплуатации корпус соединен с упомянутыми крышками и кольцеобразной втулкой посредством элементов крепления, выполненных из немагнитного материала, при этом корпус и кольцеобразная втулка выполнены по меньшей мере с тремя парами соосных отверстий для размещения элементов крепления, а ось одной пары отверстий не совпадает с осями других пар отверстий.
Совокупность общих и отличительных существенных признаков заявляемой конструкции бистабильного электромагнита позволяет расширить область его применения в приводах различных устройств автоматики, которые приводятся в действие как при раздельной, так и при одновременной коммутации обмоток, в частности, в приводах вакуумных выключателей высокого напряжения, используемых в комплектных распределительных устройствах и в камерах сборных одностороннего обслуживания. Использование бистабильного электромагнита в приводах коммутационных устройств с одновременной коммутацией обмоток позволяет упростить конструкцию исполнительных механизмов, исключив из их состава возвратные пружины. В свою очередь, использование таких приводов позволяет увеличить контактные нажатия в коммутационном устройстве и, как следствие, улучшить выполнение операций отключения в аварийном режиме за счет уменьшения величин усилий, необходимых для преодоления приваривания контактов при коротких замыканиях. Расположение второй катушки внутри корпуса симметрично первой катушке относительно горизонтальной оси симметрии кольцеобразной втулки позволяет реализовать в магнитной системе бистабильного электромагнита соответствующие симметричные по направлению поляризующие магнитные потоки и электромагнитные силы притяжения якоря при выполнении операций включения и выключения, что повышает управляемость его работой и стабильность силовых характеристик. Кольцеобразный зазор между близлежащими торцами симметрично расположенных катушек и выполнение кольцеобразной втулки и постоянного магнита с высотой, соответствующей расстоянию между близлежащими торцами этих катушек, позволяют симметрично расположить кольцеобразную втулку и постоянный магнит в корпусе, что также обеспечивает в магнитной системе бистабильного электромагнита симметричные по направлению поляризующие магнитные потоки и электромагнитные силы притяжения якоря как в стабильном положении, так и при выполнении операций включения и выключения. Использование в конструкции привода постоянного магнита из высококоэрцитивного магнитотвердого материала и выполнение неподвижной части магнитопровода и якоря из магнитомягкого материала, а штока и элементов крепления из немагнитного материала позволяет обеспечить необходимые по величине усилия удержания якоря в его конечных положениях и соответствующие тяговые характеристики привода.
Кроме того, расположение втулок в центральных отверстиях верхней и нижней крышек улучшает центрирование подвижной части при ее возвратно-поступательных перемещениях относительно неподвижной части магнитопровода, предотвращает появление сил одностороннего притяжения между якорем и кольцеобразной втулкой, которые могут возникнуть при сборке привода, а также уменьшает износ центральных отверстий в крышках при эксплуатации, что дополнительно обеспечивает стабильность силовых характеристик привода и повышает его надежность. Выполнение корпуса и кольцеобразной втулки, по меньшей мере, с тремя парами соосных отверстий для размещения элементов крепления, ось одной пары из которых не совпадает с осями других пар, позволяет исключить смещение деталей неподвижной части магнитопровода друг относительно друга при эксплуатации и за счет этого обеспечить стабильность силовых характеристик и, соответственно, повысить как надежность привода, так и технологичность его сборки при изготовлении.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется представленными фигурами чертежей, где на фиг.1 показан общий вид (осевое сечение); на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.
Бистабильный электромагнит содержит (фиг.1, 2) неподвижную часть магнитопровода, состоящую из корпуса 1 кольцеобразной формы и соединенных с ним верхней 2 и нижней 3 крышек, выполненных с центральными отверстиями (не обозначены), и кольцеобразной втулки 4, расположенной коаксиально внутри корпуса 1, подвижную часть, выполненную в виде штока 5, концевые части которого (не обозначены) размещены в центральных отверстиях верхней 2 и нижней 3 крышек с возможностью возвратно-поступательного перемещения в осевом направлении, и закрепленного на нем якоря 6 цилиндрической формы, расположенного коаксиально внутри корпуса 1, катушек 7 и 8, расположенных симметрично относительно горизонтальной оси симметрии кольцеобразной втулки 4 между корпусом 1 и якорем 6 с образованием между их близлежащими торцами кольцеобразного зазора (не обозначен), и постоянный магнит 9, расположенный в кольцеобразном зазоре между корпусом 1 и кольцеобразной втулкой 4.
Верхняя 2 и нижняя 3 крышки выполнены с разными площадями поперечного сечения, а в их центральных отверстиях размещены втулки 10. Высота кольцеобразной втулки 4 и высота постоянного магнита 9 соответствуют расстоянию между близлежащими торцами катушек 7 и 8. В рассматриваемом примере исполнения постоянный магнит 9 выполнен в виде отдельных магнитов, например, в форме призм или параллелепипедов. Постоянный магнит 9 может быть выполнен также цельным кольцеобразной формы (не показан).
Концевые части штока 5 выполнены с возможностью соединения с исполнительным механизмом привода коммутационного устройства (не показан), а диаметр концевых частей соответствует внутреннему диаметру втулок 10. Якорь 6 выполнен с центральным ступенчатым отверстием (не обозначено) для крепления на штоке 5. Высота якоря 6 меньше расстояния между внутренними поверхностями упомянутых крышек 2 и 3 на величину его хода «δ», что в конечных положениях якоря 6 создает воздушный зазор между одним из его торцов и близлежащей поверхностью соответствующей крышки.
Корпус 1 соединен с крышками 2 и 3 и с кольцеобразной втулкой 4 посредством элементов крепления 11. При этом корпус 1 и кольцеобразная втулка 4 выполнены, по меньшей мере, с тремя парами соосных отверстий (не обозначены) для размещения элементов крепления 11, а ось одной пары отверстий не совпадает с осями других пар.
Упомянутые корпус 1, крышки 2 и 3, кольцеобразная втулка 4 и якорь 6 выполнены из магнитомягкого материала, постоянный магнит 9 выполнен из высококоэрцитивного магнитотвердого материала, а шток 5, втулки 10 и элементы крепления 11 выполнены из немагнитного материала.
Работа заявляемого бистабильного электромагнита поясняется на примерах его использования в приводах высоковольтных вакуумных выключателей, выполненных с одновременной или с раздельной коммутацией обмоток при осуществлении операций включения и выключения.
Работа бистабильного электромагнита при одновременной коммутации обмоток осуществляется следующим образом.
На фигурах 1 и 2 бистабильный электромагнит изображен в исходном положении, соответствующем выключенному состоянию высоковольтного выключателя. В этом состоянии высоковольтного выключателя главные контакты в камере вакуумного выключателя разомкнуты (не показаны), а в бистабильном электромагните катушки 7 и 8 обесточены. Якорь 6 прижат к верхней крышке 2 и надежно удерживается в верхнем стабильном положении за счет разницы в значениях электромагнитных сил, которые создаются в магнитной системе бистабильного электромагнита постоянным магнитом 9. Первый поляризующий магнитный поток, создаваемый постоянным магнитом 9, проходит через верхнюю часть корпуса 1, кольцеобразную втулку 4, верхнюю крышку 2 и якорь 6, а второй - через нижнюю часть корпуса 1, кольцеобразную втулку 4, нижнюю крышку 3 и якорь 6. При этом значение первого поляризующего магнитного потока и соответствующей ему электромагнитной силы многократно превышают значение второго поляризующего магнитного потока, ослабленного воздушным зазором «δ», и создаваемой им электромагнитной силы.
Включение высоковольтного выключателя осуществляется по внешней команде, поступающей на бистабильный электромагнит от управляющего устройства (не показано), после чего ток от внешнего источника питания (не показан) подается одновременно на катушки 7 и 8, при этом ток, поступающий на катушку 7, ограничивается управляющим устройством. Протекание тока в катушках 7 и 8 происходит во встречных направлениях, что создает в магнитной системе бистабильного электромагнита противоположные по направлению и разные по значению магнитные потоки и соответствующие им электромагнитные силы притяжения якоря 6 к неподвижным частям магнитопровода. В результате воздействия этих сил электромагнитная сила притяжения якоря 6 к верхней части корпуса 1 и к верхней крышке 2 уменьшается, а сила его притяжения к нижней части корпуса 1 и к нижней крышке 3 увеличивается. В момент, когда электромагнитная сила притяжения якоря 6 к нижней части корпуса 1 и нижней крышке 3 становится больше электромагнитной силы, удерживающей его в верхнем стабильном положении, начинается перемещение якоря 6 со штоком 5 в противоположное положение, соответствующее включенному состоянию высоковольтного выключателя. После завершения перемещения по команде внешнего датчика положения (не показан) подача тока через управляющее устройство на катушки 7 и 8 бистабильного электромагнита прекращается. Выполнение концов штока 5 с возможностью соединения с исполнительным механизмом привода обеспечивает соответствующее перемещение главных контактов в камере вакуумного выключателя во включенное положение, после чего бистабильный электромагнит готов к выполнению следующей операции - выключению высоковольтного выключателя. В нижнем стабильном положении якорь 6 удерживается под действием поляризующего магнитного потока, создаваемого постоянным магнитом 9, при котором значение второго поляризующего магнитного потока и соответствующей ему электромагнитной силы многократно превышают значение первого поляризующего магнитного потока, ослабленного воздушным зазором «δ», и создаваемой им электромагнитной силы.
Выключение высоковольтного выключателя выполняется по внешней команде, поступающей на бистабильный электромагнит от управляющего устройства, после чего от внешнего источника питания (не показан) ток подается одновременно на катушки 7 и 8, при этом ток, поступающий на катушку 8, ограничивается управляющим устройством. Протекание тока в катушках 7 и 8, а также соответствующее индуцирование магнитных потоков в магнитной системе бистабильного электромагнита и создаваемых ими электромагнитных сил притяжения якоря 6 к неподвижной части магнитопровода происходит ассиметрично операции включения. После завершения перемещения подвижной части по команде внешнего датчика положения подача тока через управляющее устройство на катушки 7 и 8 бистабильного электромагнита прекращается. За счет выполнения концов штока 5 с возможностью соединения с исполнительным механизмом привода главные контакты в камере вакуумного выключателя выключаются, после чего бистабильный электромагнит готов к выполнению следующей операции - включению высоковольтного выключателя. В верхнем стабильном положении якорь 6 удерживается под действием поляризующего магнитного потока от постоянного магнита 9, который аналогичен исходному положению бистабильного электромагнита.
Работа бистабильного электромагнита при поочередной коммутации катушек 7 и 8 осуществляется следующим образом.
Исходное положение бистабильного электромагнита соответствует ранее рассмотренному примеру. Включение высоковольтного выключателя осуществляется по внешней команде, поступающей на бистабильный электромагнит от управляющего устройства (не показано), после чего ток от внешнего источника питания (не показан) подается на нижнюю катушку 8. Направление магнитного потока, создаваемого катушкой 8, совпадает с направлением поляризующего магнитного потока, проходящего через нижнюю крышку 3, и противоположно направлению поляризующего магнитного потока, проходящего через верхнюю крышку 2. При таком соотношении направлений поляризующих магнитных потоков электромагнитная сила притяжения якоря 6 к верхней части корпуса 1 и к верхней крышке 2 уменьшается, а сила его притяжения к нижней части корпуса 1 и к нижней крышке 3 увеличивается. В момент, когда электромагнитная сила притяжения якоря 6 к нижней части корпуса 1 и нижней крышке 3 становится больше электромагнитной силы, удерживающей его в верхнем стабильном положении, начинается перемещение якоря 6 со штоком 5. После завершения их перемещения по команде внешнего датчика положения (не показан) подача тока через управляющее устройство на катушку 8 бистабильного электромагнита прекращается. За счет выполнения концов штока 5 с возможностью соединения с исполнительным механизмом привода главные контакты в камере вакуумного выключателя включаются, после чего бистабильный электромагнит готов к выполнению следующей операции - выключению высоковольтного выключателя. Удержание якоря 6 в нижнем стабильном положении происходит аналогично ранее рассмотренному примеру.
Выключение высоковольтного выключателя осуществляется по внешней команде, поступающей на бистабильный электромагнит от управляющего устройства, после чего ток от внешнего источника питания подается на верхнюю катушку 7. Принцип работы бистабильного электромагнита в этом режиме аналогичен рассмотренной выше операции включения.
Заявляемое техническое решение прошло испытания в приводах высоковольтного вакуумного выключателя, выполненных с одновременной и раздельной коммутацией катушек бистабильного электромагнита, результаты которых подтвердили эффективность его применения в указанных приводах, в том числе в части упрощения конструкции исполнительного механизма привода и увеличения контактных нажатий в выключателе. Это позволяет расширить область применения бистабильного электромагнита при одновременном повышении стабильности силовых характеристик и надежности в эксплуатации.