ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСЦЕПИТЕЛЬ ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ Российский патент 1997 года по МПК H01H73/18 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к области электроаппапаратостроения и может быть использовано в воздушных автоматических выключателях, предназначенных для защиты потребителей электрической энергии от токовых перегрузок и короткого замыкания.

Известны электромагнитные расцепители, служащие расцепляющими устройствами контактных аппаратов, например максимальными расцепителями тока в автоматических выключателях с высокой отключающей способностью серии S 500 (каталог ВВС "Автоматические выключатели серии S 500", 1989).

Названные электромагнитные расцепители широко применяются и в отечественных сериях автоматических выключателей, предназначенных для защиты электрических цепей и электродвигателей (Выключатели автоматические серии ВА 14, Электротехника СССР, Информэлектро, 1988).

Конструкция известных максимальных расцепителей тока содержит сердечник, магнитопровод, прямоходовой пружинный якорь с двумя хвостовиками, катушку, выполненную обмоточным проводом. Прямоходовый якорь образует с сердечником рабочий зазор в гильзе и полость в зазоре между ним и гильзой для пропуска окружающей среды, например воздуха, при движении на срабатывание и возвращение в исходное состояние якоря.

Принцип действия известной конструкции максимальных расцепителей тока заключается в создании в магнитной цепи током перегрузки или короткого замыкания магнитодвижущей силы, обеспечивающей проведение магнитного потока через рабочий зазор магнитной цепи, достаточный для притяжения якоря к сердечнику. При этом движущийся якорь, выбирая рабочий зазор, одним хвостовиком взаимодействует с подвижным контактодержателем выключателя, а другим с защелкой механизма свободного расцепления.

Магнитное поле и магнитный поток в магнитной цепи у известного максимального расцепителя тока распределены неравномерно по сечению и длине сердечника. Неравномерность плотности силовых линий обусловлена малой протяженностью сердечника в сравнении с величиной его диаметра и особенностью формы исполнения магнитопровода.

К недостаткам конструкции известных электромагнитных максимальных расцепителей тока относятся: сложность конструкции, невозможность воздействия на защелку механизма свободного расцепления до отброса главных контактов выключателя, большие потери энергии в рабочем воздушном зазоре магнитной цепи, не использование неравномерности магнитного потока в рабочем зазоре для улучшения характеристик срабатывания.

Несколько упростить конструкцию электромагнитных расцепителей максимального тока удалось в автоматических выключателях серии ВА 19, выпускаемых по техническим условиям ТУ 16 89, ИГР. 641233.007 ТУ, исключением одного хвостовика у якоря. Эта известная конструкция электромагнитного максимального расцепителя тока является наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому решению и принята авторами за прототип, который содержит сердечник, магнитопровод и установленные коаксиально гильзу с обмоткой и прямоходовым подпружиненным якорем с хвостовиком. Якорь образует рабочий зазор с сердечником и зазор с гильзой. В зазорах якоря с сердечником и гильзой образована полость для прохождения окружающей среды при его движении и возможности осуществления взаимодействия хвостовиком с защелкой выключателя при срабатывании.

К недостаткам известного расцепителя максимального тока, выбранного за прототип, относятся:
1. Большие потери магнитодвижущей силы на проведение магнитного потока через воздушный зазор магнитной цепи.

2. В конструкции не используется присущая ей неравномерность магнитного поля при обеспечении перемещения якоря на срабатывание.

3. Высокая металлоемкость, обусловленная расходом стали. Невозможность уменьшения металлоемкости конструкции без ухудшения характеристик срабатывания.

4. Сила удара якоря по защелке при срабатывании излишне велика, что снижает ресурс и надежность аппарата. Излишняя энергия удара связана с зависимостью роста магнитного потока не только от тока, но и от положения якоря при его движении к сердечнику.

Цель изобретения заключается в устранении названных недостатков, а именно, в усовершенствовании конструкции электромагнитного расцепителя, увеличении проводимости магнитной цепи, получении и использовании дополнительной неоднородности магнитного поля для движения якоря. Поставленная цель достигается тем, что в электромагнитном расцепителе для автоматического выключателя, содержащем магнитную систему, состоящую из сердечника, магнитопровода и установленных коаксиально обмотку с гильзой и прямоходовым подпружиненным якорем, в зазорах которого с сердечником и гильзой образована полость для прохода окружающей среды и возможности взаимодействия хвостовиком с защелкой выключателя при срабатывании, магнитная система выполнена в виде замкнутой магнитной цепи, содержащей магнитопровод, сердечник и магнитную жидкость, а якорь выполнен из немагнитного материала, при этом магнитная жидкость размещена в полости гильзы так, что занимает рабочий зазор между сердечником и якорем и охватывает якорь.

Специфика магнитных жидкостей связана с наличием в них в неоднородном магнитном поле объемной механической силы F, действующей на погруженное немагнитное тело и по величине пропорциональной намагниченности магнитной жидкости. Немагнитное тело, погруженное в магнитную жидкость, будет "всплывать" при определенной намагниченности жидкости и "тонуть" с ее падением (Магнитные жидкости /Б.М. Берковский, В.Ф. Медведев, М.С. Краков М. Химия, 1989. 240 с).

Следовательно, сущность предлагаемого технического решения заключается в использовании магнитной жидкости для проведения магнитного потока в магнитной цепи электромагнитного расцепителя и обеспечения "выталкивания" (срабатывания) якоря при достаточной намагниченности магнитной жидкости, наступающей с достижением током нагрузки величины, равной величине уставки по току срабатывания.

Указанное достигается тем, что в электромагнитном расцепителе для автоматического выключателя, содержащем сердечник, магнитопровод и установленные коаксиально гильзу с обмоткой и прямоходовым подпружиненным якорем с хвостовиком, в зазорах которого с сердечником и гильзой образована полость для прохода среды, окружающей якорь, в соответствии с изобретением якорь выполнен из немагнитного материала, а сам электромагнитный расцепитель снабжен магнитной жидкостью. При этом магнитная жидкость размещена в полости гильзы так, что занимает зазор между сердечником и якорем, полость в зазоре между якорем и гильзой и охватывает якорь.

На фиг. 1 изображен предлагаемый электромагнитный расцепитель для автоматического выключателя в разрезе в исходном положении без тока в цепи обмотки; на фиг. 2 он же, при токе нагрузки в цепи обмотки не обеспечивающем магнитного потока, способного вызвать движение якоря на срабатывание. Направление тока указано в сечении витков обмотки и стрелкой в подводящем проводе; на фиг. 3 предложенный электромагнитный расцепитель для автоматического выключателя в разрезе в положении "срабатывание". Хвостовик движущегося якоря сбрасывает спусковую защелку выключателя. Тонкими линиями со стрелками обозначены силовые линии магнитного поля. На фиг. 4 предложенный электромагнитный расцепитель для автоматического выключателя, функционирующий в автоматическом выключателе ВА-19.

Предложенный электромагнитный расцепитель для автоматического выключателя содержит магнитную систему, состоящую из сердечника 1, магнитопровода 2, размещенных на сердечнике 1 гильзу 3 с обмоткой 4, прямоходовым немагнитным якорем 5 и магнитной жидкостью 6.

Гильза 3, обмотка 4 и немагнитный якорь 5 установлены коаксиально. Немагнитный якорь 5 поджат пружиной 7 к магнитопроводу 2 и образует зазор 8 с сердечником 1 и полость 9 в зазоре с гильзой 3. В зазоре 8 между сердечником 1 и немагнитным якорем 5 в полости 9 размещена магнитная жидкость 6. Немагнитный якорь 5 охвачен магнитной жидкостью 6, а его хвостовик 10 имеет возможность взаимодействовать со спусковой защелкой выключателя 11 при срабатывании (фиг. 1, 4).

Предложенный электромагнитный максимальный расцепитель тока работает следующим образом:
При номинальной токовой нагрузке и технологической нагрузке цепи обмотки I_ном≅I_нагр≅I_тн
В исходном положении при отсутствии тока в витках обмотки 4 на якорь 5 электромагнитного расцепителя, охваченный магнитной жидкостью 6, действуют силы: веса якоря 5 -P_я, поджатия пружины 7 F_пр, направленные к сердечнику 1, и сила Архимеда f, противостоящая им. Сила Архимеда f по величине меньше суммы сил поджатия и веса якоря f<P_я+F_пр. Поэтому якорь 5 находится в покое на расстоянии зазора 8 от сердечника 1 (фиг. 1).

При прохождении в главной цепи автоматического выключателя и по виткам обмотки 4 номинального тока, либо тока технологической нагрузки магнитодвижущая сила развивает в сердечнике 1 неравномерный по его длине магнитный поток, идущий через магнитную жидкость 6, охватывающую немагнитный якорь 5 к магнитопроводу 2. Наибольшая плотность силовых линий магнитного поля к поверхности сердечника 1 в зазоре с немагнитным якорем 5 (под якорем), наименьшая над немагнитным якорем 5 у поверхности магнитопровода 2 (на фиг. 2 плотность силовых линий магнитного поля условно не показана).

Эффективная плотность магнитной жидкости 6 в неравномерном магнитном поле увеличивается пропорционально намагниченности, плотности силовых линий магнитного поля. Поэтому объемная механическая силы F, вызванная разностью плотностей немагнитного якоря 5 и магнитной жидкости 6, воздействуя на немагнитный якорь 5, стремится поднять его от сердечника 1 и вытолкнуть из магнитной жидкости 6.

Однако, величина силы F, выталкивающей немагнитный якорь 5 при названных токах в главной цепи автоматического выключателя еще недостаточна, чтобы преодолеть суммарное усилие пружины 7, поджимающей хвостовик 10 и вес немагнитного якоря 5, F < F_пр + P_я.

Все подвижные элементы электромагнитного расцепителя находятся в исходном состоянии (фиг. 2).

II. При протекании токов короткого замыкания, равных или превосходящих по величине уставку по току срабатывания I_кз≥I_ср
Нарастающий ток короткого замыкания, проходя по виткам обмотки 4, вызывает в сердечнике 1 магнитодвижущую силу, обеспечивающую проведение в магнитной цепи нарастающего по величине и неравномерности магнитного потока, увеличивающего намагниченность магнитной жидкости 6.

Так как электромагнитный расцепитель снабжен магнитной жидкостью 6, имеющей более высокую магнитную проницаемость, чем воздух (например μ 15) и она размещена в полости 9 гильзы 3 и между сердечником 1 и магнитопроводом 2, то потери магнитодвижущей силы на проведение магнитного потока уменьшены по сравнению с затратами в прототипе.

Плотность силовых линий под якорем не зависит от его положения и всегда превосходит плотность силовых линий над якорем.

Неравномерность магнитного поля в магнитной цепи, присущая электромагнитным расцепителям с протяженностью сердечников незначительно превышающих их диаметр, увеличена тем, что прямоходовый якорь 5, находящийся на пути магнитного потока, выполнен из немагнитного материала, например из аминопласта МФВ1 Гост 9359-80, с малой магнитной проницаемостью и охвачен магнитной жидкостью 6.

В неравномерном магнитном поле при токе короткого замыкания, превосходящем уставку по току срабатывания, эффективная плотность магнитной жидкости 6, охватывающей немагнитный якорь 5, намного превосходит плотность немагнитного якоря, что и обеспечивает мгновенный рост усилия, выталкивающего якорь 5 (F >F_пр +P_я). Якорь 5 моментно всплывает, уходит из сердечника 1 и хвостовиком 10 срывает спусковую защелку 11 выключателя.

От положения немагнитного якоря 5 при движении на срабатывание не зависит величина магнитного потока, поэтому энергия удара хвостовика 10 по спусковой защелке 11 ограничена в сравнении с прототипом, что повышает ресурс и надежность аппарата.

С отключением автоматическим выключателем после срыва спусковой защелки тока короткого замыкания вместе с магнитным потоком падает эффективная плотность магнитной жидкости 6 и выталкивающая сила F. Под действием усилия пружины 7 и веса P_я немагнитный якорь 5 возвращается в исходное состояние и охватывается магнитной жидкостью 6.

В случае медленного монотонного нарастания тока нагрузки и приближения к величине уставки по току срабатывания усилие выталкивания F может превзойти противодействие пружины 7 до достижения током величины уставки. Якорь 5 выдвинет хвостовик 10 к защелке 11, но не обеспечит срабатывания. Сброс защелки и срабатывание выключателя произойдет только при достижении током нагрузки уставки по току срабатывания.

Существенность каждого из отличительных признаков предложенного технического решения следующим образом определяет достижения заявляемого положительного эффекта.

Предложенный электромагнитный расцепитель для автоматического выключателя совершеннее прототипа, так как использует дополнительную неоднородность магнитного поля для движения якоря и в сравнении с прототипом имеет преимущества:
меньшие потери магнитодвижущей силы на проведение магнитного потока (в зазоре магнитная жидкость, а не воздух);
меньшую металлоемкость конструкции (якорь выполнен из пластмассы, а не из стали);
меньшую, рациональную по величине (сберегающую ресурс и надежность) энергию удара при моментном срабатывании, обеспечиваемую магнитным потоком, не зависящим от положения движущегося якоря.

Выполнен опытный образец предлагаемого электромагнитного расцепителя для автоматического выключателя, встроенный в автоматический выключатель ВА 19, который при стендовой проверке обеспечил его срабатывание при токах короткого замыкания.

Использование: изобретение относится к электротехнике, в частности к области электроаппаратостроения и может быть использовано в воздушных автоматических выключателях, предназначенных для защиты потребителей электрической энергии от токовых перегрузок и короткого замыкания. Электромагнитный расцепитель для автоматического выключателя содержит магнитную систему, состоящую из сердечника 1 магнитопровода 2, размещенных на сердечнике 1, гильзу 3 с обмоткой 4, прямоходовым немагнитным якорем 5 и магнитной жидкостью 6. Гильза 3, обмотка 4 и немагнитный якорь 5 установлены коаксиально. Немагнитный якорь 5 поджат пружиной 7 к магнитопроводу 2 и образует зазор 8 с сердечником 1 и полость 9 в зазоре с гильзой 3. В зазоре 8 между сердечником 1 и немагнитным якорем 5 в полости 9 размещена магнитная жидкость 6. Немагнитный якорь 5 охвачен магнитной жидкостью 6, а его хвостовик 10 имеет возможность взаимодействовать со спусковой защелкой выключателя 11 при срабатывании. 4 ил.

Электромагнитный расцепитель для автоматического выключателя, содержащий магнитную систему, состоящую из сердечника, магнитопровода и установленных коаксиально обмотку с гильзой и прямоходовым подпружиненным якорем, в зазорах между якорем, сердечником и гильзой образована полость для прохождения окружающей среды, хвостовик якоря расположен с возможностью взаимодействия с защелкой выключателя при срабатывании, отличающийся тем, что якорь выполнен из немагнитного материала, в полости гильзы размещена магнитная жидкость так, что она занимает рабочий зазор между сердечником и якорем и охватывает якорь с образованием замкнутой магнитной цепи, состоящей из магнитопровода, сердечника и магнитной жидкости.