ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЕ ПРОМЕЖУТОЧНОЕ РЕЛЕ Российский патент 1999 года по МПК H01H61/06 H01H37/54 

Изобретение относится к области электротехники, а более конкретно, к электрическим аппаратам на небольшие токи, так называемым реле управления, а именно, к электротермическому промежуточному реле, для цепей управления железнодорожного подвижного состава.

Функции, выполняемые реле, чрезвычайно разнообразны и в соответствии с этим различают реле: токовые, напряжения, мощности, направления энергии, тепловые, акустические и пр.

Основные технические характеристики и особенности конструкций реле определяются приводными элементами, вызывающими срабатывание реле, замыкание и размыкание его контактов.

Указанные реле, как правило, рассчитаны на малые токи и невысокие напряжения электрической цепи, поэтому конструкция контактов реле проста, а дугогасительные устройства в них обычно не применяются.

Предлагаемое электротермическое реле относиться к промежуточным, т. е. к таким реле, которые срабатывают от одного сигнала и своими многочисленными контактными парами осуществляют коммутацию ряда автономных электрических цепей и предназначается для усиления и размножения сигнала.

Известны промежуточные реле, к примеру, электромагнитные реле переменного тока (см. книгу: "Электрические аппараты управления", автор И.С. Таев, изд. "Высшая школа", Москва, 1969г., стр.380, рис.9.6), где приводным элементом служит электромагнит с катушкой напряжения, который связан механически с подвижной системой, в виде изоляционной рейки (траверсы) с подвижными контактами мостикового типа и контактными пружинами.

При снятии напряжения с катушки электромагнита, подвижная система, под действием собственного веса, перемещается вниз и производится переключение контактов. Обычно такие реле содержат 6...10 пар контактов.

К недостаткам такого реле относятся следующие:
- отсутствие ударостойкости во включенном положении, поскольку массивный якорь электромагнита удерживается только магнитными силами, что не защищает реле от ложных срабатываний при ударах;
- вибрация якоря электромагнита во включенном состоянии реле передается контактам, что уменьшает их пропускную токовую способность и способствует форсированному электрическому и механическому износу;
- короткозамкнутые витки электромагнита, при переходе тока через нуль, не компенсируют полностью потребных усилий электромагнита;
- поскольку контакты реле переключаются при снятии напряжения под действием веса якоря и подвижной системы, то работа реле нарушается при, даже небольших, наклонах и колебаниях положения его от вертикального;
- приводной элемент (электромагнит) имеет значительный вес и габариты;
- на катушку напряжения расходуется много дефицитного и дорогого провода;
- электромагнит при работе производит шум (гудение).

Наиболее близким по своей технической сути к предлагаемому устройству является тепловое реле (см. книгу: "Электрические аппараты", автор Л.А. Родштейн, "Энергоиздат", Ленинград, 1981г., стр.258, рис.20-10 "а"), которое работает на принципе преобразования тепловых воздействий на механическое перемещение (замыкание) контактов.

Простейшее тепловое реле такого типа состоит из приводного термочувствительного элемента в виде биметаллической пластины, укрепленной жестко на изоляционном основании (корпусе), которая может нагреваться прямым или косвенным способом при прохождении тока при включении, и из изолированного подвижного элемента с контактами, которые могут взаимодействовать (замыкаться-размыкаться) с неподвижными контактами в основании (корпусе) при изменении формы (поперечном изгибе) биметаллической пластины под током. Размыкание такого реле происходит при снижении нагрева до первичной температуры.

К недостаткам такого устройства относятся следующие:
а) незначительное перемещение и усилия, развиваемые биметаллической пластинкой при нагреве;
б) малая суммарная мощность коммутируемого тока (т. е. ограниченное количество коммутирующих контактов);
в) незначительная скорость движения контактов;
г) непостоянство контактного нажатия при замкнутых контактах;
д) быстрый износ контактов;
е) медленное замыкание и размыкание контактов;
ж) отсутствие ударо- и вибростойкости;
з) отсутствие пыле- и влагозащищенности.

Задачей предполагаемого изобретения является увеличение тяговых усилий приводного элемента и надежности работы реле, т. е. увеличение скорости движения контактов при замыкании и размыкании, увеличение усилий контактных нажатий и мощности суммарного коммутирующего тока, уменьшение износа контактов, создание вибро- и ударостойкой системы реле.

Задача решается тем, что электротермическое промежуточное реле содержит приводной термочувствительный элемент, изолированный подвижный элемент с подвижными контактами и неподвижные контакты на изоляционном корпусе или основании, причем приводной термочувствительный элемент выполнен в виде симметричного, относительно центра устройства, расположенных вертикально прямоугольных пластин, изготовленных из материала с обратимой термической памятью формы, изменяющих дискретно под воздействием температуры свои геометрические размеры и форму, которые образуют в поперечном сечении правильный многоугольник со сквозными зазорами между ними по углам граней, причем нижние концы пластин жестко прикреплены к неподвижному фланцу основания, а верхние - к изоляционному подвижному элементу с подвижными контактами, а в центре устройства, по его вертикальной продольной оси, между прямоугольных пластин расположен трубчатый нагревательный элемент и подвижный направляющий шток в подшипниках скольжения, жестко связанный с изоляционным подвижным элементом с подвижными контактами.

Новизна предлагаемого технического решения состоит в том, что приводной термочувствительный элемент устройства выполнен из материала с обратимой термической памятью формы, в виде симметрично расположенных отдельных пластин, образующих как бы "трубу", в виде правильного многоугольника в сечении с продольными вертикальными зазорами между пластинами, а трубчатый нагревательный элемент находится в центре ее, на продольной оси устройства.

Существенность отличий заключается в том, что благодаря новой конструкции термочувствительного приводного элемента повышаются тяговые усилия его, поскольку в предлагаемом устройстве его пластины работают как стержни при продольном изгибе (т. е. тяговые усилия направлены вдоль вертикальной продольной оси пластины), тогда как в известном решении (прототипе) пластина приводного элемента закреплена консольно и работает на поперечный изгиб (т. е. тяговые усилия малы и направлены перпендикулярно продольной оси пластины).

Указанные свойства позволяют увеличить тяговые усилия приводного термочувствительного элемента и надежность всего устройства, т. е. увеличить скорость движения контактов при замыкании и размыкании, увеличить усилия контактных нажатий и мощность суммарного коммутируемого тока, уменьшить износ контактов, делают устройство вибро- и ударостойким.

К технико-экономическим преимуществам предлагаемого технического решения, относятся следующие:
и) значительное перемещение и суммарные тяговые усилия устройства позволяют использовать большее число контактов и на больший ток;
к) контакты замыкаются и размыкаются с большой скоростью, дискретно;
л) увеличение усилий контактных нажатий и мощности суммарного коммутирующего тока;
м) увеличение износостойкости контактов;
н) вибро-ударостойкость устройства;
п) увеличение надежности работы устройства.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 показано электротермическое промежуточное реле в сечении вдоль вертикальной оси;
на фиг.2 показано предлагаемое устройство в поперечном сечении по А-А;
на фиг.З показано предлагаемое устройство в поперечном сечении по Б-Б;
На чертежах буквами обозначены:
B - направление движения при включении;
d_min - диаметр окружности вписанного многоугольника (в "холодном" состоянии приводного элемента);
D_max - диаметр окружности вписанного многоугольника (в "нагретом" состоянии приводного элемента);
α - угол между продольными осями контактов;
δ - зазор между контактами.

Пунктиром показаны контуры пластин приводного термочувствительного элемента при работе в "нагретом" состоянии.

Предлагаемое электротермическое промежуточное реле (см. фиг. 1, 2 и 3) содержит изоляционный корпус 1, который состоит из изоляционного основания 2 и крышки 3. На основании 2 изнутри установлен неподвижный фланец 4, на котором жестко закреплены с помощью крепящих элементов 5 (к примеру, винтов) нижние концы прямоугольных пластин 6, а верхние концы указанных пластин жестко соединены с изоляционным элементом 7 (траверсой) теми же элементами 5 и образуют в совокупности с трубчатым нагревательным элементом 9 приводной термочувствительный элемент. Прямоугольные пластины 6 выполнены из материала с термической памятью формы (к примеру, из никелево-титанового сплава или из сплава меди с цинком, алюминием, марганцем и железом по а. с. СССР N 1534083).

Количество пластин 6 может быть различным, к примеру, 6 штук, но расположены они обязательно симметрично относительно их общего центра устройства и образуют в поперечном сечении (см. фиг.З) правильный многоугольник с узкими сквозными зазорами 8 между пластин 6 по углам граней. Трубчатый нагревательный элемент 9 установлен в неподвижном фланце 4 и расположен в центре устройства, внутри которого свободно проходит подвижный направляющий шток 10, который установлен в подшипниках скольжения 11. На направляющем штоке 10, над нижним крепящим элементом 12 (к примеру, гайкой) последовательно установлены: изоляционный подвижный элемент 7 (траверса), затем подвижный контакт 13 мостикового типа, затем изоляционная шайба 14, затем вновь подвижный контакт 13 со сдвигом, к примеру, на угол α = 45^° относительно центра продольной оси предыдущего подвижного контакта 13, после чего вновь идет изоляционная шайба 14 и т. д., пока не будет установлено необходимое число контактов 13, к примеру, 8 штук (см. фиг.2). Количество контактов 13 может быть различным (4. . . 8 и больше), а контактные пары могут быть типа н/з (замыкающие) и н/р (размыкающие).

Подвижные контакты 13 изготовляются из тонкого листа хорошо упруго деформирующегося и токопроводящего материала (к примеру, из фтористой бронзы) и имеют на своих концах контактные накладки 15 (контакты). Подвижные контакты 13 обладают большой упругостью и не нуждаются дополнительно в контактных пружинах. Подвижный направляющий шток 10 в месте прохождения через подвижные контакты 13 изолирован трубкой 16. Неподвижные контакты 17 жестко и стационарно радиально установлены в крышке 3 изоляционного корпуса 1 также под углом α = 45^° продольной оси друг друга. На подвижном направляющем штоке 10 зажимается (фиксируется) весь набор подвижных контактов 13 и изоляционных шайб 14 крепящим элементом 12 и сам шток 10 фиксируется крепящим элементом 18 (к примеру, штифтом или шплинтом) совместно с изоляционным элементом 7 (траверсой).

Основание 2 и крышка 3 имеют в стенках сквозные вентиляционные отверстия 19 для прохождения охлаждающего воздуха, а на внутренней стороне крышки 3, диаметрально, установлены 2 штифта 20, которые свободно проходят через отверстия направляющей планки 21, которая жестко закреплена на подвижном направляющем штоке 10, с помощью крепящего элемента 12, и предотвращает его поворачивание вокруг своей оси. Включение и отключение устройства производится внешним выключателем 22.

При работе (см. фиг. 1, 2 и 3) в начальный момент внешний выключатель 22 замыкает цепь электропитания нагревательного элемента 9 и при достижении определенной величины повышения температуры, каждая из пластин 6 выгибается в сторону, противоположную нагревательному элементу 9 (см. фиг. 1), в результате чего расстояние между нижними и верхними торцами пластин 6 уменьшиться, а диаметр d_min окружности вписанного многоугольника, образованного пластинами 6 в поперечном сечении (см. фиг.2) увеличиться до D_max. При этом изоляционный подвижный элемент 7 (траверса) совместно с направляющим штоком 10 в подшипниках 11 переместится вниз и замкнет своими подвижными контактами 13 (или разомкнет) неподвижные контакты 17, т. е. осуществится коммутация ряда автономных электрических цепей.

При размыкании внешнего выключателя 22 нагревающий элемент 9 обесточивается и остывает за счет конвекции окружающего воздуха, поступающего через сквозные отверстия 19 основания 2 и крышки 3. При необходимости возможно применение принудительного охлаждения.

Достигнув исходной пониженной температуры, пластины 6 вернутся в первичное исходное положение, переместив при этом в обратном порядке изоляционный подвижный элемент 7 (траверсу), направляющий шток 10 и подвижные контакты 13, разомкнув (или замкнув) автономные электрические цепи.

Наиболее рационально использовать термоэлектрическое промежуточное реле в области аппаратостроения, в комплектных устройствах и электрических цепях автоматики, особенно учитывая ударо- и вибростойкость на железнодорожных транспортных средствах.

Предлагаемое устройство компактно, надежно, устойчиво к механическим воздействиям, бесшумно, просто конструктивно (см. пункты: "и", "к", "л", "м", "н", "п"), имеет небольшую стоимость и, очевидно, что оно быстро окупиться при эксплуатации и даст значительный экономический эффект.

Изобретение относится к области электротехники и позволяет увеличить тяговые усилия приводного термочувствительного элемента и надежность работы реле. При замыкании внешним выключателем 22 цепи электропитания нагревательного элемента 9 пластины 6 нагреваются и выгибаются в сторону, противоположную элементу 9. При этом траверса 7 совместно с направляющим штоком 10 переместится вниз и замкнут своими подвижными контактами 13 (или разомкнет) неподвижные контакты 17, т.е. осуществится коммутация электрических цепей. При размыкании выключателя 22 нагревающий элемент 9 обесточивается и остывает. Пластины 6 возвращаются в исходное положение, переместив в обратном порядке траверсу 7, разомкнув (или замкнув) автономные электрические цепи. Технический результат заключается в увеличении тяговых усилий приводного элемента, надежности работы, увеличении скорости движения контактов при замыкании и размыкании, увеличении усилия контактных нажатий и мощности суммарного коммутирующего тока, уменьшении износа контактов, создании вибро- и ударостойкой системы. 3 ил.

Электротермическое промежуточное реле, содержащее приводной термочувствительный элемент, изолированный подвижный элемент с подвижными контактами и неподвижные контакты на изоляционном корпусе или основании, отличающееся тем, что приводной термочувствительный элемент выполнен в виде симметричных, относительно центра устройства, расположенных вертикально прямоугольных пластин, изготовленных из материала с обратимой термической памятью формы, изменяющих дискретно под воздействием температуры свои геометрические размеры и форму, которые образуют в поперечном сечении правильный многоугольник со сквозными зазорами между ними по углам граней, причем нижние концы пластин жестко прикреплены к неподвижному фланцу основания, а верхние - к изоляционному подвижному элементу с подвижными контактами, а в центре устройства, по его вертикальной продольной оси, между прямоугольных пластин расположен трубчатый нагревательный элемент и подвижный направляющий шток в подшипниках скольжения, жестко связанный с изоляционным подвижным элементом с подвижными контактами.