ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ВАКУУМНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ Российский патент 1996 года по МПК H01H33/66 

Изобретение относится к электротехнике, а именно, к высоковольтным вакуумным переключателям, предназначенным для коммутации без нагрузки мощных высокочастотных цепей.

Вакуумный переключатель может быть использован в стационарной, передвижной и бортовой аппаратуре для подключения источников питания и нагрузок; для переключения антенных цепей, отводов катушки высокочастотного контура, конденсаторов высоковольтных высокочастотных цепей, в антенно-согласующих устройствах, фильтрах подавления гармоник, резонансных контурах и т.д.

Известны высоковольтные вакуумные выключатели и переключатели (реле) для указанных выше целей, в которых для упрощения конструкции и обеспечения высокой устойчивости к воздействию ускорения механических нагрузок (вибрация, удары) подвеска плоского якоря у электромагнита клапанного типа выполнена на оси вращения [1.2] Недостатком таких вакуумных переключателей (выключателей, реле) является нестабильность их характеристик при эксплуатации. Обусловлено это тем, что для обеспечения свободного вращения якоря электромагнита на оси вращения между их поверхностями вращения имеются гарантированные зазоры (люфты) в осевом и радиальном направлениях. Имеющиеся допуски на изготовление деталей и узлов увеличивают величину этих люфтов. При воздействии ускорений механических нагрузок и в момент срабатывания, при подаче напряжения питания на обмотку управления электромагнита, якорь электромагнита смещается в осевом и радиальном направлениях на суммарную величину имеющихся люфтов. В результате у переключателя изменяются контактное нажатие у замкнутой пары контактов и длина межконтактного зазора у разомкнутой пары контактов. Эти изменения становятся еще более значительными из-за всегда имеющегося отклонения расположения оси вращения от оптимального ее положения относительно плоскости контактирования неподвижных контактов и подвижного контакта. В результате имеет место нестабильное замыкание цепи между одним из неподвижных контактов и подвижным контактом, из-за значительного увеличения межконтактного зазора между ними вследствие наличия люфтов. При этом на ту же величину уменьшается межконтактный зазор между вторым неподвижным и подвижным контактами, что ведет к электрическому пробою между ними, а при замыкании этой пары контактов к значительному увеличению контактного нажатия между ними относительно оптимального его значения.

В случае совпадения упругой силы реакции подвижного контакта с направлением сил воздействия механических нагрузок, их суммарная величина может иметь значение, соизмеримое или превышающее силу тяги электромагнита или силу поджатия возвратной пружины. Это ведет к упругим колебаниям всей подвижной системы переключателя при воздействии вибрационных и ударных нагрузок. Следствием этого является размыкание высоковольтной цепи замкнутой пары контактов. Кроме того, изменение межконтактного и рабочего магнитного зазоров из-за люфтов, увеличивающихся при длительной коммутации, вследствие износа поверхностей оси и отверстий в якоре при "сухом" трении в вакууме, приводит к изменению параметров срабатывания (напряжение срабатывания и отпускания, время срабатывания и отпускания) и электрического сопротивления цепи замкнутых контактов.

Ближайшим техническим решением является конструкция вакуумного выключателя, описанная в [3] Сущность предложенного в [3] решения состоит в том, что повышение стабильности характеристик выключателя достигнуто применением подвески якоря электромагнита на двух винтовых полуосях с коническими концами, жестко закрепленных в кольце корпуса электромагнита и соосно расположенных между собой, причем конические концы полуосей выполнены из твердого материала и входят в цилиндрические отверстия якоря электромагнита. Обеспечивается это путем устранения при сборке паразитных люфтов регулировкой положения конических концов полуосей в отверстиях якоря электромагнита. Однако и эта конструкция, наряду с упомянутыми выше, имеет присущий им общий недостаток. Он существенный и состоит в том, что использованная в них подвеска якоря электромагнита на оси (полуосях) вращения вызывает необходимость наличия гарантированного зазора между торцевой поверхностью якоря и корпуса электромагнита в месте их стыковки по контуру или обеспечивает их соприкосновение в одной точке (или по линии) при отжатом пружиной якоре электромагнита. Наличие в месте наибольшей напряженности магнитного поля гарантированного зазора, т.е. значительного магнитного сопротивления из-за соприкосновения якоря электромагнита и его корпуса в одной точке, вызывает большие потери энергии магнитного поля на рассеивание. Это особенно нежелательно в начальный момент трогания якоря при возбуждении обмотки управления электромагнита, поскольку этим резко снижается тяговое усилие электромагнита, существенно снижающее стабильность срабатывания переключателя. Для повышения стабильности срабатывания необходимо повышать мощность электромагнита, т.е. увеличивать массу и габариты переключателя.

Таким образом, ни известная подвеска якоря на оси вращения, ни подвеска его на двух винтовых полуосях не решают радикально проблему стабилизации характеристик вакуумного переключателя и надежности его работы без увеличения массы и габаритов.

Сущность изобретения заключается в том, что содержащий вакуумированную оболочку, высоковольтные выводы-контакты на ее боковой поверхности, расположенный на изоляторе подвижный контакт, вращающийся на оси якорь электромагнита, отличается тем, что у него якорь электромагнита снабжен ленточной гибкой пластиной из магнитомягкого металла, закрепленной одним концом на якоре электромагнита, а другим концом на корпусе электромагнита. Причем пластина выполнена в виде пакета из пластин малой толщины. В пакете по крайней мере одна из пластин выполнена из упругого и термически стойкого материала, например, из сплава молибдена с рением. Кроме того, пластина снабжена гофрой V-образной, колоколообразной, полусинусоидальной или Ω-образной формы, линия перегиба которой расположена над осью вращения якоря электромагнита строго по ее середине и параллельно ее продольной оси.

Сопоставительный анализ с известными техническими решениями позволяет сделать вывод о том, что заявляемый высоковольтный вакуумный переключатель отличается тем, что у него якорь электромагнита снабжен ленточной гибкой пластиной из магнитомягкого металла, закрепленной одним концом на якоре электромагнита, а другим концом на корпусе электромагнита; пластина выполнена в виде пакета из пластин малой толщины, в котором одна из пластин выполнена из упругого и термически стойкого металла, например, сплава молибдена с рением; пластина снабжена гофрой V-образной, колоколообразной, полусинусоидальной или W-образной формы, линия перегиба которой расположена над осью вращения якоря электромагнита по ее середине и параллельно к ней. Таким образом, заявляемый высоковольтный вакуумный переключатель соответствует критерию изобретения "новизна". Анализ известных технических решений в исследуемой области электротехники [4,5] позволяет cделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявляемом высоковольтном вакуумном переключателе, и признать заявляемое решение соответствующим изобретательскому уровню.

Применение в предлагаемом вакуумном переключателе гибкой пластины из магнитомягкого металла, закрепленной одним концом непосредственно на якоре электромагнита, а другим концом на корпусе электромагнита или его элементе, устраняет недостатки, имеющиеся при подвеске плоского якоря (у электромагнита клапанного типа) только на оси вращения.

Достигается это за счет того, что расположенная параллельно гарантированному стыковочному зазору пластина из магнитомягкого металла практически полностью устраняет потери магнитного потока на рассеивание в месте наибольшей концентрации силовых линий магнитного поля электромагнита, т.е. в месте стыка по контуру с гарантированным зазором якоря с корпусом электромагнита, благодаря прохождению в этом случае магнитного потока не через фиксированный стыковочный зазор с очень большим магнитным сопротивлением, а через пластину из магнитомягкого металла с небольшим магнитным сопротивлением. Устранение потерь магнитного потока на рассеивание на стыковочном зазоре, имевших место при отсутствии пластины из магнитомягкого металла, повышает силу тяги электромагнита без увеличения его массы, габаритов и потребляемой электроэнергии. Это способствует повышению контактного нажатия, а следовательно, величины пропускаемого через замкнутые контакты тока высокой частоты и устойчивости к воздействию механических нагрузок, а также и стабильности срабатывания. В результате достигнуто повышение надежности работы без увеличения массы и габаритов переключателя.

Выполнение пластины в виде ленты устраняет радиальное и продольное смещение якоря электромагнита относительно оси вращения при воздействии ускорений механических нагрузок, поскольку пластина имеет высокую механическую устойчивость как вдоль так и перпендикулярно к оси вращения якоря. Поэтому даже увеличение люфтов из-за износа поверхностей оси и отверстий в якоре не оказывают сколь-нибудь существенного влияния на изменение межконтактного и рабочего магнитного зазоров, благодаря чему обеспечивается стабильность параметров предлагаемого переключателя при длительной коммутации и надежность цепи замкнутых контактов при пропускании тока высокой частоты в процессе воздействия вибрационных и ударных нагрузок. Таким образом, выполнение пластины в виде ленты также способствует повышению надежности работы предлагаемого переключателя.

Применение пакета из пластин малой величины из магнитомягкого металла позволяет при той же инерционности якоря электромагнита увеличить общую толщину пакета в сравнении с одной "толстой" пластиной, благодаря более высокой гибкости пакета из тонких пластин. В результате это еще способствует уменьшению потока рассеивания магнитного потока в месте наибольшей его концентрации. Кроме того, пакет в виде тонких пластин обладает более высокой циклопрочностью в сравнении с одной "толстой" пластиной одинаковой толщины с пакетом. Практика показала, что пакет из тонких пластин имеет недостаточную формоустойчивость после вакуумно-термической обработки. Этот его недостаток устраняется выполнением одной из пластин в пакете из упругого и термически стойкого металла, например, сплава молибдена с рением.

Снабжение пластины из магнитомягкого металла гофрой V-образной, колоколообразной, полусинусоидальной или W-образной формы, линия перегиба которой расположена над осью вращения якоря электромагнита строго по ее середине и параллельно ее продольной оси симметрии, повышает количество механических операций предлагаемого переключателя (включение-отключение) до разрушения (излома) пластины. Достигается это за счет большей подвижности гофрированной пластины. Линию перегиба необходимо располагать над осью вращения по ее середине и параллельно ей, поскольку смещение линии перегиба относительно оси вращения увеличивает противодействующее усилие.

Таким образом, совокупность отмеченных выше признаков позволяет получить технический результат, заключающийся в снижении потерь магнитного потока на рассеивание в месте наибольшей его концентрации и в устранении люфтов якоря электромагнита в осевом и радиальном направлениях и в достижении за счет этого существенного повышения мощности электромагнита, токопропускной способности переключателя и устойчивости его к воздействию механических нагрузок, в стабилизации параметров при длительной коммутации и при изготовлении, в повышении количества коммутационных операций. В результате повышается стабильность характеристик переключателя при эксплуатации и надежность работы без увеличения его массы и габаритов.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого высоковольтного переключателя; на фиг. 2 тоже при притянутом якоре электромагнита; на фиг. 3 сечение по А-А на фиг. 2; на фиг. 4 вид Б на фиг. 2; на фиг. 5 сечение Б-Б на фиг. 4; на фиг. 6 и 7 схема прохождения магнитного потока соответственно при отсутствии и наличии пластины из магнитомягкого материала между якорем электромагнита и его корпусом (элементом корпуса).

Возможность осуществления изобретения подтверждается представлением конструкции переключателя во взаимосвязи входящих в него элементов. Переключатель состоит из вакуумплотной металлокерамической оболочки, узла подвижного контакта, корпуса электромагнитной системы управления и катушки электромагнита.

Металлокерамическая оболочка включает в себя вакуумплотный керамический корпус 1 цилиндрической формы, в боковую поверхность которого под определенным углом и на одном уровне вакуумплотно впаяны медные выводы-контакты 2 и 3 в виде цилиндрических стержней. Для исключения разрушения керамики в месте пайки из-за разности коэффициентов термического линейного расширения керамики и меди выводы 2 и 3 более чем наполовину выполнены полыми. Входящие внутрь металлокерамической оболочки концы выводов-контактов 2 и 3 имеют коническую форму для снижения межконтактной емкости, при этом концы сферически скруглены для снижения напряженности электрического поля в межконтактном зазоре и расположены на строго заданном расстоянии друг от друга и от оси симметрии. Строго по оси симметрии относительно концов неподвижных контактов 2 и 3, перпендикулярно к образующей цилиндрического керамического корпуса 1 и на одном уровне с неподвижными выводами-контактами 2 и 3, вакуумплотно впаян вывод подвижного контакта 4 из меди, выполненный более чем наполовину полым для исключения разрушения места пайки eгo с керамическим корпусом 1. Входящий внутрь металлокерамической оболочки конец вывода 4 имеет паз, расположенный параллельно продольной оси переключателя и имеющий ширину, достаточную для обеспечения замыкания и размыкания электрической цепи между подвижным и неподвижными контактами при коммутации. Пайку указанных деталей к металлизированным поверхностям отверстий керамического корпуса 1 производят по боковым поверхностям, с помощью твердого медносеребрянного припоя, поскольку конструкция охватывающих спаев обеспечивает получение надежных вакуумплотных швов с высокой механической прочностью. К верхнему торцу керамического корпуса 1 вакуумплотно припаяна заглушка 5 из меди или медноникелевого сплава, которая снабжена гофрой для компенсации КТЛР материала заглушки и керамики. В средней части заглушки 5 ваккумплотно припаяна трубка штенгеля 7 из меди, используемого для откачки из внутреннего объема переключателя воздуха и газов, выделяющихся из внутренней арматуры в процессе его вакуумно-термической обработки. По ее завершению трубка штенгеля вакуумплотно герметизируется методом диффузионной сварки. К нижнему торцу керамического корпуса 1 вакуумплотно до торцу припаяно переходное кольцо 8 из меди или медноникелевого сплава, служащее для вакуумплотного соединения с помощью сварки металлокерамической оболочки с корпусом электромагнитной системы управления.

Корпус электромагнитной системы управления включает корпус 9 из магнитомягкого металла. К внешней его поверхности вакуумплотно припаяна тарельчатой фермы крышка 10, служащая для вакуумплотного соединения ее с помощью сварки с переходным кольцом 8 металлокерамической оболочки по завершению регулировки контактного нажатия при сборке переключателя. Корпус 9 вакуумплотно спаян с шайбой 11, которая в свою очередь вакуумплотно спаяна с сердечником 12 из магнитомягкого металла. Поскольку шайба 11 выполняет роль разделители среды атмосфера-вакуум и одновременно не должна шунтировать силовые линии магнитного поля, она выполнена из диамагнитного вакуумплотного металла. Пайку указанных выше деталей производят твердым медносеребрянным припоем. На корпусе 9 выполнена резьба, служащая для крепления переключателя на рабочем месте в аппаратуре. На противоположном торце корпуса 9 жестко закреплены таблетки газопоглотителя 13, обеспечивающие поддержание рабочего давления в приборе в течение заданного срока службы. Диаметрально противоположно газопоглотителю 13 и торцу корпуса 9 механически прочно прикреплена накладка 14 из магнитомягкого металла, в которой выполнен паз под выступающую часть якоря электромагнита 15 и имеется отверстие под ось вращения 16. Под якорем электромагнита 15 установлена возвратная пружина 17 из термостойкого упругого немагнитного металла. Якорь электромагнита 15 из магнитомягкого металла вращается на оси 16, жестко закрепленной своими концами в накладке 14. Для обеспечения требуемой свободы перемещения якоря 15 на оси 16 он установлен относительно контура накладки 14 с гарантированным зазором 6, величина которого в месте перемещения хвостовика (выступа) якоря при срабатывании не может быть меньше его толщины. Чтобы исключить потери магнитного потока на рассеивание, из-за наличия гарантированнного зазора 6 между сопредельными поверхностями якоря 15 и накладки 14, они соединены между собой ленточной гибкой пластиной 18 из магнитомягкого металла, один конец которой жестко закреплен для этого на якоре электромагнита, а второй на накладке 14 (элементе корпуса 9). На якоре электромагнита 15 механически прочно закреплен стержень 19, с которым пайкой скреплена скоба 20. В отверстиях скобы 20 с помощью пайки жестко закреплен изоляционный стержень 21 из искусственного минерала. На его верхнем конце шарнирно закреплен подвижный контакт 22 из твердого немагнитного металла высокой элетропроводности с помощью стопорных колец 23 и 24 из упругого термостойкого и немагнитного металла, причем они расположены внутри между ушками подвижного контакта для увеличения изоляционного промежутка вдоль изоляционного стержня.

При сборке металлокерамической оболочки с корпусом электромагнитной системы управления подвижный контакт 22 ориентируется своим более коротким концом в паз вывода 4, а другим концом в образованный между неподвижными выводами-контактами 2 и 3 зазор. После окончательной регулировки контактного нажатия на каждый из неподвижных выводов-контактов, переходное кольцо 8 соединяется вакуумплотно с крышкой 10.

По завершению вакуумно-термической обработки трубка штенгеля 7 вакуумплотно пережимается, с обеспечением при этом диффузионной сварки места пережима, а затем на него устанавливается на клею защитный колпачок 30. В зазор между корпусом 9 и сердечником 12 устанавливают пружинную шайбу 25 из немагнитного металла, на которую устанавливают катушку электромагнита 26, а на нее основание 27 из магнитомягкого металла. После этого они закрепляются в корпусе 9 с помощью гайки 29 из магнитомягкого металла, навинчиванием ее на резьбовую часть сердечника 12.

Крепление переключателя на рабочем месте в аппаратуре обеспечено наличием резьбы на корпусе 9, фигурной пружинной шайбой 31 и гайкой 32.

Принцип работы переключателя заключается в следующем. Контактная система переключателя состоит из двух неподвижных контактов и одного подвижного контакта, размещенных с определенным зазором относительно друг друга в вакууме внутри металлокерамической оболочки.

При отсутствии напряжения питания на катушке электромагнита 26, пружина 17 отжимает якорь 15 от сердечника 12. Якорь 15, вращаясь на оси 16, через стержень 19, скобу 20 и изоляционный стержень 21 передает движение подвижному контакту 22, заставляя его поворачиваться вокруг стержня 21 до момента замыкания его длинного конца на неподвижный вывод-контакт 3, а короткого конца на соответствующую поверхность паза в выводе 4. В этом положении подвижного контакта 22 требуемое для надежной работы контактное нажатие обеспечивается соответствующим выбором жесткости возвратной пружины 17. Ток высокой частоты в этом случае идет по следующему пути: вывод 4, контактный переход в вакууме между поверхностью паза в выводе 4 и подвижным контактом 22, далее подвижный контакт 22, контактный переход в вакууме между подвижным контактом 22 и выводом-контактом 3, а затем вывод-контакт 3.

При подаче напряжения питания на выводы 28 катушки электромагнита. 26, под действием создаваемого ею магнитного поля якорь электромагнита 15, вращаясь на оси 16, притягивается к сердечнику 12 и сжимает при этом возвратную пружину 17. Одновременно, благодаря отмеченной ваше взаимосвязи расположенных на якоре 15 элементов, подвижный контакт 22 поворачивается вокруг стержня 21 до момента замыкания на неподвижный вывод-контакт 2 и на соответствующую этому его положению плоскость паза в выводе 4. Ток высокой частоты в данном положении подвижного контакта идет по следующему пути: вывод 4, контактный переход в вакууме между плоскостью паза в выводе 4 и подвижным контактом 22, далее подвижный контакт 22, контактный переход в вакууме между подвижным контактом 22 и выводом контактом 2, а затем по выводу-контакту 2. Требуемое для надеждой работы контактное нажатие для рассмотренного положения подвижного контакта 22 обеспечивается соответствующим выбором силы тяги электромагнита системы управления.

После снятия напряжения питания с обмотки управления электромагнита, возвратная пружина 17 отжимает якорь 15 и возвращает тем самым подвижный контакт 22 в первоначальной положение, т.е. до замыкания его на вывод-контакт 3.

Источники информации:
1. Патент США N 3238324, кл. 200-87, 1966.

2. А.с. N 305517, М.кл. Н 01 Н, 33/66, 1971.

3. А.с. N 866602, М.кл. Н 01 Н, 33/66, 1981.

4. Патент США N 3296568, кл. 335-185, 1967.

5. А.С. N 551720, М.кл. H 01 H, 33/66, 1977.

Использование: в высоковольтных вакуумных переключателях, предназначенных для коммутации баз нагрузки мощных высокочастотных цепей. Сущность изобретения достигается введением в конструкцию ленточной гибкой пластины из магнитомягкого металла, закрепленной одним концом на якоре электромагнита, а другим концом - на корпусе электромагнита; выполнением пластины в виде пакета пластин малой толщины, одна из которых выполнена из упругого и термически стойкого металла, например, сплава молибдена с рением; снабжение пластины гофрой V- образной, колоколообразной, полусинусоидальной или Ω- образной формы, линия перегиба которой расположена над осью вращения строго по ее середине и параллельно ее продольной оси. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Высоковольтный вакуумный переключатель, содержащий вакуумированную оболочку, высоковольтные выводы-контакты на ее боковой поверхности, расположенный на изоляторе подвижный контакт и вращающийся на оси якорь электромагнита, отличающийся тем, что якорь электромагнита снабжен ленточной гибкой пластиной из магнитомягкого металла, закрепленной одним концом на якоре электромагнита, а другим концом на корпусе электромагнита. 2. Переключатель по п. 1, отличающийся тем, что пластина выполнена в виде пакета из пластин малой толщины. 3. Переключатель по п. 1, отличающийся тем, что одна из пластин в пакете выполнена из упругого и термически стойкого металла, например из сплава молибдена с рением. 4. Переключатель по п. 1, отличающийся тем, что пластина снабжена гофрой V-образной, колоколообразной, полусинусоидальной или Ω-образной формы, линия перегиба которой расположена над осью вращения якоря электромагнита строго по ее середине и параллельно ее продольной оси.