ТЕРМОМАГНИТНЫЙ КОНТАКТОР Российский патент 1998 года по МПК H01H37/58 

Изобретение относится к группе термоконтакторов и, в частности является термомагнитным контактором, который служит для отключения электрического отопления, к примеру, в электропоездах типа ЭР2, ЭР9 и др.

Указанный термомагнитный контактор устанавливается в вентиляционном канале, в месте установки электротэнов калориферов и при достижении опасной температуры отключает электрическую цепь питания электротэнов.

Указанный термомагнитный контактор может быть использован и в других подобных устройствах, где необходимо контролировать нагрев и быстро отключать источник нагрева при недопустимом перегреве защищаемого объекта.

Описываемые термоконтакторы работают на принципе преобразования тепловых воздействий в механическое перемещение контактов при размыкании питающей электрической цепи.

К известным аналогам можно отнести тепловое реле ТРМ (см. книгу: "Электрические аппараты", автор: Л. А. Родштейн, изд. "Энергоиздат", Ленинградское отделение, 1981 г. , стр. 259...260, рис. 20-11 "б"), которое представляет собой устройство с чувствительным биметаллическим элементом 1, преобразующим тепловые воздействия в механическое перемещение контактов 4 при размыкании питающей электрической цепи.

Для ручного возврата в исходное положение (т.е. для замыкания контактов при включении вновь) служит кнопка 13, которая при нажатии на нее перебрасывает колодку 5 с контактами 4, и одновременно рычагом 12 возвращает биметаллический элемент 1 в исходное положение готовности к отключению электрической цепи.

Такое устройство имеет следующие существенные недостатки: сложность конструкции; использование дорогих серебряных напаек на мостиковых контактах; медленное размыкание контактов; непостоянство контактных нажатий при замкнутых контактах; незначительная скорость движения контактов; быстрый износ контактов; нестабильность (разброс) при срабатывании; сложность технологии изготовления деталей, сборки и калибровки; большое количество деталей; значительные габариты (в коробчатом кожухе); большое количество взаимодействующих деталей снижает надежность; имеет значительную стоимость.

Наиболее близким по технической сути, назначению и конструкции к предлагаемому техническому решению является "Термоконтактор с легкоплавким сплавом" (см. справочник: "Эксплуатация электропоезда", авторы: П.В. Цукало и др., изд. "Транспорт", Москва, 1994 г., стр. 98, рис. 4.17).

Указанный прототип представляет собой термостойкое диэлектрическое основание 4 на котором, симметрично относительно центра, жестко установлены, навстречу друг другу (зеркально), при помощи крепящих элементов 5 (к примеру, винтов, шайб и гаек, образующих контактный зажим) тонкие контактные пластины 2, подпружиненные отключающими листовыми пружинами 3.

В исходном (включенном) положении свободные концы контактных пластин 2 соединены внахлест друг с другом и пропаяны специальным припоем (состоящим: из 33,5% - олова, 33% - свинца, 33,5% - висмута), который образует замыкающий плавкий контакт 1.

В таком включенном положении устройство свободно пропускает электрический ток до тех пор пока окружающая его температура не поднимется до 105 - 125^oC, т.е. до температуры плавления плавкого контакта 1.

При достижении указанной температуры плавкий контакт 1 расплавляется и контактные пластины 2 под действием отключающих листовых пружин 3 расходятся, перемещаясь друг относительно друга до упора в верхней части основания 4, и образуют между собой воздушный зазор (раствор контактов) и электрическая цепь питания разрывается.

Указанный контактор - одностороннего действия, т.е. он может автоматически только отключаться, а для включения описанного термоконтактора необходимо (при обесточенной электросети) вручную сжать и соединить контактные пластины 2, совместно с листовыми пружинами 3, и пропаять вновь свободные концы контактных пластин 2 припоем, с образованием плавкого контакта 1 и тогда только термоконтактор будет включен.

Описанный прототип является весьма простым устройством, но имеет ряд существенных недостатков:
а) при отключении жидкий сплав разбрызгивается вокруг;
б) жидкий сплав металлизирует основание, уменьшая его диэлектрическую прочность (создание проводящих мостиков);
в) жидкий сплав после отключения теряется почти полностью;
г) для создания плавкого контакта необходима новая порция сплава;
д) сложность работы при пайке: сплав стекает, контактные пластины надо одновременно сжимать и прочее;
е) необходим соответствующий инструмент: паяльник, флюс, свет и прочее;
ж) односторонность действия, делает ручное включение совершенно неизбежным и не позволяет использовать устройство в автоматическом режиме, для работы без участия человека;
з) необходимость в специальном по химическому составу сплаве;
и) уходит значительное время на подготовку к включению;
к) не предусмотрены места для крепящих элементов стационарного крепления и защитный перфорированный кожух.

Задачей предлагаемого изобретения является создание термомагнитного контактора, свободного от вышеперечисленных недостатков прототипа (см. пункты: "а", "б", "в", "г", "д", "е", "ж", "з", "и", "к").

Задача решается тем, что предлагаемое устройство содержит диэлектрическое основание с жестко установленными на нем симметрично относительно центра и навстречу друг к другу, т.е. зеркально, при помощи крепящих элементов в виде зажимов, тонкие контактные пластины, подпружиненные листовыми пружинами, причем тонкие контактные пластины, только на своих свободных коммутирующих концах, содержат контактные накладки, а ниже их жестко установлены напротив друг друга, с внутренней стороны, при помощи крепящих элементов, на одной из контактных пластин - магнитопровод, выполненный из термомагнитного сплава с точкой Кюри θ_к = 110 - 120^oC, а с другой - сильный постоянный магнит, выполненный из магнитотвердого материала с точкой Кюри θ_к = 870 - 900^oC, с небольшим воздушным зазором друг к другу в включенном положении, образующие магнитную систему.

Силы взаимного притяжения магнитопровода и постоянного магнита значительно больше сил противодействия отключающих листовых пружин, поэтому они не только замыкают контакты контактных пластин, но и создают необходимые контактные нажатия.

При достижении опасной температуры перегрева (т.е. 110-120^oC) магнитопровод из термомагнитного сплава теряет свои магнитные свойства (точка Кюри θ_к = 110 - 120^oC), и под воздействием сил отключающих листовых пружин контакты разъединяются, образуя между собой воздушный зазор (раствор контактов "δ"), и электрическая цепь питания разрывается.

При понижении температуры до нормальной (т.е. ниже 110-120^oC) магнитопровод из термомагнитного сплава приобретает вновь свои магнитные свойства и, взаимодействуя с сильным постоянным магнитом магнитной системы, притягиваются друг к другу, при этом замыкают контакты и надежно удерживают их во включенном положении.

Таким образом, термомагнитный контактор является контактором двухстороннего действия, т. е. может работать в автоматическом режиме в диапазоне заданных температур (т.е. отключать электрическую цепь питания при повышенной температуре и автоматически включать ее при достижении нормальной пониженной температуры) без участия человека.

Новизна предлагаемого изобретения заключается в том, что для замыкания и размыкания контактов и удержания их во включенном положении используется магнитная система, состоящая из магнитопровода из термомагнитного сплава и сильного постоянного магнита из магнитотвердого материала, вместо пропаивания замкнутых контактов специальным сплавом.

Благодаря применению описанной магнитной системы (магнитопровода и сильного постоянного магнита) для управления контактами контактора появляются новые свойства, которые создают такие эффекты, к примеру, как возможность многократного автоматического включения и отключения без потерь, нет необходимости в применении специального сплава и инструментов, упрощается эксплуатация устройства, автоматическая работа в зависимости от температуры, без участия человека, незначительная стоимость, долговечность, надежность и пр.

К технико-экономическим преимуществам предлагаемого технического решения относятся следующие:
л) возможность многократного включения и отключения без потерь времени и материалов;
м) нет необходимости одноразового применения специальных сплавов инструментов при включении;
н) возможность работы в автоматическом режиме (включение-отключение) без участия человека в заданном диапазоне температуры;
п) не происходит загрязнения, металлизации поверхности основания и пр.;
р) наличие отверстий в основании для элементов крепления при стационарном креплении;
с) наличие защитного перфорированного кожуха улучшает условия по технике безопасности;
т) долговечность устройства;
у) незначительная стоимость;
ф) высокая надежность.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан термомагнитный контактор на виде сбоку во включенном положении (т.е. при температуре ниже 110 - 120^oC); на фиг. 2 показан термомагнитный контактор на виде сбоку во включенном положении; на фиг. 3 показан термомагнитный контактор в сечении по А-А, на виде сбоку во включенном положении; на фиг. 4 показан термомагнитный контактор на виде сбоку в отключенном положении (т.е. при температуре выше 110-120^oC).

Буквами обозначены: γ - воздушный зазор между магнитопроводом и постоянным магнитом во включенном положении устройства; δ - раствор контактов в отключенном положении устройства; α - воздушный зазор между магнитопроводом и постоянным магнитом в отключенном положении устройства.

Термомагнитный контактор (см. фиг. 1, 2, 3 и 4) содержит прочное термостойкое диэлектрическое основание 1 (к примеру, из пластмассы марки АГ-4 или др. ) с жестко установленными в нем с помощью крепящих элементов (к примеру, винтов, шайб и гаек), образующих контактный зажим 2, симметрично относительно друг другу (зеркально), тонкие контактные пластины 3 из упругого и хорошо токопроводящего металла (к примеру, из фтористой бронзы и др.), которые подпружинены листовыми пружинами 4 (к примеру, из холоднокатанной стали 60С2А или др.).

Указанные контактные пластины 3 содержат на своих свободных коммутирующих концах, жесткоустановленные (к примеру, припаянные или приваренные), металлокерамические круглые контактные накладки 5 (контакты, к примеру, из СОК или др. композиций).

На контактных пластинах 3 (ниже контактных накладок 5 и выше концов листовых пружин 4) жестко установлены напротив друг друга, с внутренней стороны, при помощи крепящих элементов 6 (к примеру, винтов и др.) элементы магнитной системы: на одной из пластин - магнитопровод 7, выполненный из термомагнитного сплава (к примеру, марки 10СЧ1; 20СЧ; 80СЧ; 80СЧ и др. с точкой Кюри а на другой - сильный постоянный магнит 8, выполненный из магнитотвердого материала (к примеру, "альнико" или "магнико" и др. с точкой Кюри θ_к = 870 - 900^oC), которые при включенном положении устройства, образуют между собой небольшой зазор γ.

При этом (во включенном положении) отключающие листовые пружины 4 напряжены (нагружены) и совместно с контактными пластинами 3 стремятся отключить устройство, но силы взаимодействия (притяжения) между магнитопроводом 7 и сильным постоянным магнитом 8 магнитной системы значительно превышают общие встречные усилия и прижимают (замыкают) контактные накладки 5 (контакты) друг к другу, обеспечивая необходимые нажатия во включенном положении устройства.

Следует дополнительно отметить, что если устройство должно срабатывать, к примеру, при другой, большей или меньшей температуре нагрева, то для этого надо только установить магнитопровод 7 из другого (по составу) термомагнитного сплава (т.е. из сплава с другими компонентами или с другим их процентным содержанием и соответственно с различной величиной температуры точки Кюри).

Это позволяет получить целую серию термомагнитных контакторов, реагирующих на различные температуры срабатывания при перегреве контролируемого объекта.

Термостойкое диэлектрическое основание 1 для стационарного крепления на контролируемом объекте содержит отверстия 9 и защитный перфорированный кожух (на чертеже не показан). Нормальное положение - включенное.

При работе, когда температура контролируемого объекта достигнет 110 - 120^oC и выше, магнитопровод 7 (при полностью теряет свои магнитные свойства и вследствие этого постоянный магнит 8 оторвется от магнитопровода 7 и тогда контактные пластины 3 совместно с воздействующими на них отключающими листовыми пружинами 4 размыкают контакт в месте контактных накладок 5 и перемещаются до упора в верхнюю часть основания 1, образуя раствор контактов δ.
Термомагнитный контактор отключен.

При понижении температуры до нормальной (т.е. ниже 110 - 120^oC) магнитопровод 7 приобретает вновь свои магнитные свойства и, взаимодействуя с сильным постоянным магнитом 8 магнитной системы, притягиваются друг к другу, при этом замыкают контакты 5 и надежно удерживают их во включенном положении.

Таким образом, термомагнитный контактор может работать в автоматическом режиме (включения - отключения) в диапазоне заданных температур без участия человека.

Наиболее рационально использовать предлагаемое устройство, к примеру, на железнодорожном подвижном составе в калориферах, для отключения электрического отопления при достижении определенной требуемой температуры перегрева и в других подобных устройствах, где необходимо контролировать нагрев или поддерживать заданную температуру.

Учитывая вышеперечисленные преимущества (см. пункты: "л", "м", "н", "п", "р", "с", "т", "у", "ф"), целесообразно существующие термоконтакторы с легкоплавким сплавом модернизировать в соответствии с предложенным техническим решением или наладить выпуск новых, поскольку эти затраты быстро окупятся при эксплуатации и применение термомагнитного контактора даст значительный экономический эффект.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в термомагнитных контакторах, позволяющих контролировать температуру нагрева и отключать питающую электрическую цепь при перегреве. Использование изобретения позволяет достичь значительного экономического эффекта. В контакторе имеется термостойкое диэлектрическое основание 1 с жестко установленными в нем симметрично относительного центра тонкими контактными пластинами 3 и отключающими листовыми пружинами 4, причем на свободных коммутирующих концах контактных пластин 3 расположены металлокерамические контактные накладки 5. Ниже контактных накладок 5 на контактных пластинах 3 жестко с помощью крепящих элементов установлена магнитная система: на одной из контактных пластин 3 - магнитопровод 7, выполненный из термомагнитного сплава (к примеру, марки 10СЧ1, 20СЧ, 80СЧ и др. с точкой Кюри θ_к = 110 - 120^oC,), а на другой - сильный постоянный магнит 8, выполненный из магнитотвердого материала (к примеру, "альнико"или "магнико" и др. с точкой Кюри θ_к = 870 - 900^oC,) с небольшим воздушным зазором между ними во включенном положении. При нагреве магнитной системы до 110 - 120^oC и выше магнитопровод 7 полностью теряет свои магнитные свойства и под действием отключающих листовых пружин 4 контактные пластины 3 размыкает контакты 5 и образует раствор δ. При понижении температуры до нормальной (т.е. ниже 110 - 120^oC) магнитопровод 7 приобретает вновь свои магнитные свойства и, взаимодействуя с сильным постоянным магнитом 8 магнитной системы, притягиваются друг к другу, при этом контакты 5 замыкаются и надежно удерживаются во включенном положении. 4 ил.

Термомагнитный контактор, содержащий термостойкое диэлектрическое основание с жестко установленными в нем симметрично относительно центра и навстречу друг другу, т.е. зеркально, при помощи крепящих элементов в виде зажимов тонкие контактные пластины, подпружиненные листовыми пружинами, отличающийся тем, что тонкие контактные пластины на своих свободных коммутирующих концах содержат контактные накладки, а ниже их жестко установлены напротив друг друга, с внутренней стороны, при помощи крепящих элементов на одной из контактных пластин магнитопровод, выполненный из термомагнитного сплава с точкой Кюри θ_к= 110-120^oC, а на другой - сильный постоянный магнит, выполненный из магнитотвердого материала с точкой Кюри θ_к= 870-900^oC, с небольшим воздушным зазором друг к другу во включенном положении, образующие магнитную систему.