ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИВОД Российский патент 2004 года по МПК H01H33/38 H01F7/16 

Изобретение относится к области электротехники и касается конструкции бистабильных электромагнитных приводов для высоковольтных выключателей. Здесь и далее под термином “бистабильный” мы понимаем электромагнитный привод с двумя конечными фиксированными положениями подвижного сердечника.

Известны бистабильные электромагнитные приводы [1, 2], содержащие неподвижный магнитопровод; подвижный сердечник с возможностью перемещения между двумя конечными фиксированными положениями, в каждом из которых он замыкает магнитную цепь; постоянный магнит для генерирования постоянного магнитного потока в указанной магнитной цепи с целью удержания сердечника в том или другом конечном фиксированном положении; и средства, например катушки, для генерирования рабочего магнитного потока с целью перемещения сердечника из одного в противоположное конечное фиксированное положение.

Магнитные системы подобных электромагнитных приводов имеют, как минимум, два воздушных зазора: рабочий и паразитный, через которые проходят магнитные потоки, генерируемые как постоянным магнитом, так и катушками.

В рабочем зазоре магнитный поток, генерируемый катушкой, создает тяговое усилие в направлении перемещения подвижного сердечника, обеспечивая выборку данного зазора, замыкание магнитной цепи и срабатывание привода.

В паразитном зазоре, наоборот, магнитный поток, генерируемый катушкой, рассеивается, что приводит к уменьшению тяговой силы электромагнита. С другой стороны, наличие и величина паразитного зазора в известных магнитных системах обусловлены чисто технологическими причинами - допусками и чистотой обработки подвижного сердечника и сопрягающихся с ним частей магнитопровода, а также направляющих сердечника. В случае, если паразитный зазор слишком мал, не исключено затирание сердечника относительно магнитопровода, что снижает надежность работы бистабильного привода. Вследствие этого во всех известных бистабильных приводах величина паразитного зазора значительна и может достигать нескольких миллиметров. Наличие паразитного зазора такой большой величины приводит к существенной потере тяговой силы электромагнита. Кроме того, магнитная сила катушки, воздействующая на сердечник в паразитном зазоре перпендикулярно направлению его перемещения, может привести к перекосу сердечника относительно оси перемещения, затиранию и увеличению сил трения в электромагнитном приводе.

Также в паразитном зазоре происходят потери и рассеивание постоянного магнитного потока, генерируемого постоянным магнитом, удерживающая сила которого воздействует на сердечник после обесточивания катушки. Это может привести к ухудшению магнитных характеристик самого постоянного магнита. В некоторых неблагоприятных случаях уменьшение удерживающей силы постоянного магнита в приводе может достигать 10%.

Таким образом, сущность технической проблемы заключается в том, чтобы, с одной стороны, значительно уменьшить потери и рассеивание постоянного и рабочего магнитных потоков в паразитном зазоре в замкнутой магнитной цепи в одном из конечных фиксированных положений сердечника, а с другой стороны, обеспечить свободное перемещение подвижного сердечника из одного конечного фиксированного положения в другое.

В определенной степени предпосылки для решения указанной проблемы созданы в известном электромагнитном приводе [3] для высоковольтных выключателей, содержащем магнитную систему с рабочим воздушным зазором, включающую в себя неподвижный основной магнитопровод, по крайней мере один постоянный магнит, подвижный сердечник, а также средства для перемещения сердечника между первым и вторым конечным фиксированным положением в виде двух катушек управления, где подвижный сердечник выполнен из двух частей, между которыми установлен дополнительно введенный неподвижный магнитопровод, примыкающий к постоянному магниту, а части подвижного сердечника соединены дополнительно введенным стержнем, проходящим через отверстие, выполненное в указанном дополнительном магнитопроводе. При этом рабочий воздушный зазор образован между одной из частей подвижного сердечника и дополнительным магнитопроводом.

Предпосылкой является то, что в данной магнитной системе существуют один рабочий и два паразитных зазора. Магнитная цепь в каждом конечном фиксированном положении подвижного сердечника замыкается только через один из паразитных зазоров, и, следовательно, потери и рассеивание магнитных потоков происходят только в этом зазоре. Другой важнейшей предпосылкой является наличие разделенных в пространстве частей подвижного сердечника.

Однако все недостатки известных бистабильных приводов, в частности возможность образования перекосов, затирания подвижного сердечника в паразитном зазоре, в описанной конструкции привода не исключены.

Задачей настоящего изобретения является значительное уменьшение потерь и рассеивания магнитных потоков в паразитном зазоре в замкнутой магнитной цепи в одном из конечных фиксированных положений сердечника за счет существенного уменьшения величины паразитного зазора.

Поставленная задача решается тем, что в электромагнитном приводе, содержащем магнитную систему с рабочим воздушным зазором, включающую в себя неподвижный основной магнитопровод, по крайней мере один постоянный магнит, подвижный сердечник, выполненный из двух частей, соединенных стержнем, между которыми установлен примыкающий к постоянному магниту неподвижный дополнительный магнитопровод, а также средства для перемещения сердечника между первым и вторым конечным фиксированным положением, каждая из частей подвижного сердечника разделена по крайней мере на две секции, симметричные относительно оси указанного стержня и установленные на стержне с возможностью радиального перемещения.

В предложенной конструкции при замыкании магнитной цепи в какой-либо части подвижного сердечника секции этой части, установленные с возможностью радиального перемещения, под действием магнитной силы катушки перемещаются от стержня в стороны к неподвижному основному магнитопроводу. В результате происходит практически полная выборка паразитного зазора между неподвижным основным магнитопроводом и секциями подвижного сердечника, находящегося в одном из конечных фиксированных положений. При обесточивании катушки паразитный зазор также остается выбранным благодаря действующей на секции удерживающей силе постоянного магнита. Таким образом, обеспечивается значительное сокращение потерь и рассеивания рабочего и постоянного магнитных потоков в замкнутой магнитной цепи электромагнитного привода.

При размыкании магнитной цепи в какой-либо части подвижного сердечника секции этой части, установленные с возможностью радиального перемещения, больше не удерживаются у неподвижного основного магнитопровода и свободно перемещаются обратно по направлению к стержню. В результате образуется гарантированный воздушный зазор между неподвижным основным магнитопроводом и частью подвижного сердечника для свободного перемещения подвижного сердечника из одного конечного фиксированного положения в другое.

Кроме того, в предложенной конструкции обеспечено надежное удержание секций подвижного сердечника у основного и дополнительного магнитопроводов в одном из конечных фиксированных положений. Это достигнуто, во-первых, за счет оптимизации распределения постоянного магнитного потока путем выполнения в дополнительном магнитопроводе или в симметричных секциях подвижного сердечника специальных суженных участков, обеспечивающих концентрацию магнитного потока, а также путем выполнения в указанных секциях прорезей для уменьшения вихревых токов; во-вторых, за счет повышения сил трения путем выполнения указанных секций и неподвижного основного магнитопровода в зоне сопряжения друг с другом с рифлеными поверхностями или наклонными поверхностями, причем высота наклона поверхностей не превышает длины пути радиального перемещения указанных секций; и, в-третьих, за счет механического фиксирования указанных секций у магнитопровода с помощью накладок, размещенных на внешних торцевых поверхностях основного магнитопровода и выступающих над зоной перемещения сердечника на величину, не превышающую длины пути радиального перемещения указанных секций.

Более подробно конструктивные особенности настоящего изобретения, варианты исполнения и принцип работы пояснены на следующих чертежах.

Фиг.1 изображает электромагнитный привод в продольном сечении в первом варианте установки секций подвижного сердечника на стержне.

Фиг.2 изображает электромагнитный привод в продольном сечении во втором варианте установки секций подвижного сердечника на стержне.

Фиг.3 изображает электромагнитный привод согласно фиг.2 в первом варианте исполнения сопрягающихся поверхностей неподвижного основного магнитопровода и секций подвижного сердечника.

Фиг.4 изображает электромагнитный привод согласно фиг.2 во втором варианте исполнения сопрягающихся поверхностей неподвижного основного магнитопровода и секций подвижного сердечника.

Фиг.5 изображает электромагнитный привод согласно фиг.2 с суженными участками для концентрации магнитного потока.

Фиг.6 изображает электромагнитный привод согласно фиг.5 с накладками.

Фиг.7 изображает подвижный сердечник электромагнитного привода согласно фиг.5 в перспективе (без одной секции) с прорезями для уменьшения вихревых токов.

Электромагнитный привод на фиг.1-6 содержит неподвижный основной магнитопровод 1, постоянный магнит 2, части подвижного сердечника, разделенные на секции 3а и 3b, 4а и 4b и соединенные стержнем 5, между которыми установлен неподвижный дополнительный магнитопровод 6, а также две катушки 7 и 8. Рабочий воздушный зазор А образован между неподвижным дополнительным магнитопроводом 6 и секциями 3а, 3b подвижного сердечника. Паразитный зазор В образован между неподвижным основным магнитопроводом 1 и секциями 3а, 3b подвижного сердечника.

В первом варианте установки секций подвижного сердечника на стержне (фиг.1) стержень 5 снабжен по концам кольцевыми выступами, взаимодействующими с кольцевыми проточками, выполненными на сопрягающихся со стержнем поверхностях секций 3а и 3b, 4а и 4b подвижного сердечника. Причем разница диаметров выступа и самого стержня и глубина проточек в секциях значительно превышают длину пути радиального перемещения секций, равную В. Это полностью исключает перемещение секций 3а и 3b, 4а и 4b относительно стержня 5 в осевом направлении.

Во втором варианте установки секций подвижного сердечника на стержне (фиг.2) на концах стержня 5 установлены дополнительно введенные цилиндрические втулки 10 и 11, каждая из которых снабжена двумя кольцевыми выступами, один из которых взаимодействует с кольцевой проточкой, выполненной на сопрягающихся со втулкой 10, 11 поверхностях секций 3а и 3b, 4а и 4b подвижного сердечника, причем разница диаметров выступа и самого стержня и глубина проточек в секциях значительно превышают длину пути радиального перемещения секций, равную В. Втулки 10, 11 размещены в сквозных отверстиях, выполненных соосно стержню в каждой части подвижного сердечника. Стержень 5 установлен во втулках 10, 11, например, с помощью резьбы, что позволяет при необходимости регулировать расстояние между верхней и нижней частью подвижного сердечника, и, следовательно, регулировать величину рабочего зазора А.

Электромагнитный привод на фиг.1-6 изображен в первом конечном фиксированном положении, когда обе катушки 7, 8 обесточены, а постоянный магнитный поток проходит через нижнюю часть подвижного сердечника. Секции 4а, 4b нижней части сердечника радиально перемещены на расстояние В от стержня 5 к основному магнитопроводу 1 и за счет удерживающей силы постоянного магнита 2 находятся в притянутом положении к дополнительному магнитопроводу 6 и основному магнитопроводу 1.

Секции 4а, 4b подвижного сердечника удерживаются у основного магнитопровода 1 и дополнительного магнитопровода 6 также за счет увеличения сил трения при взаимодействии рифленых сопрягающихся поверхностей основного магнитопровода 1 и секций 4а, 4b (фиг.4) или при взаимодействии наклонных сопрягающихся поверхностей основного магнитопровода 1 и секций 4а, 4b (фиг.3). Наклонные поверхности, изображенные на фиг.3, расположены таким образом, что часть подвижного сердечника сужена на конце, обращенном от неподвижного дополнительного магнитопровода 1, причем высота наклона поверхностей не превышает длины пути радиального перемещения указанных секций, равной В. Подобным образом рифленые и наклонные поверхности выполнены и в зоне сопряжения основного магнитопровода 1 и секций 3а и 3b. Таким образом, за счет увеличения сил трения обеспечена повышенная надежность удержания секций 3а и 3b, 4а и 4b подвижного сердечника у основного магнитопровода 1 и дополнительного магнитопровода 6 в каждом конечном фиксированном положении.

С этой же целью основной магнитопровод 1 оснащен накладками 11, 12, обеспечивающими механическое фиксирование секций 4а, 4b подвижного сердечника у основного магнитопровода 1 и дополнительного магнитопровода 6 (фиг.6). Накладки 11, 12 размещены на внешних торцевых поверхностях основного магнитопровода 1 и выступают над зоной перемещения сердечника на величину, не превышающую длины пути радиального перемещения секций За и 3b, 4а и 4b, равной В. При необходимости накладки 11, 12 могут быть выполнены из материала с повышенной износостойкостью.

Для увеличения силы постоянного магнита, удерживающей подвижный сердечник у неподвижного дополнительного магнитопровода 6, в каждой части подвижного сердечника со стороны, обращенной к неподвижному дополнительному магнитопроводу 6, выполнена центральная выемка глубиной С (фиг.5), образующая в секциях 3а, 3b и 4а, 4b подвижного сердечника зеркально симметричные суженные участки шириной D. Например, на фиг.5 постоянный магнитный поток, протекая в каждой секции 4а, 4b подвижного сердечника, встречает на пути образованный выемкой воздушный зазор С и концентрируется в суженных участках шириной D. Указанные суженные участки шириной D могут быть образованы, наоборот, в неподвижном дополнительном магнитопроводе 6 на сторонах, обращенных к частям подвижного сердечника.

Величины С и D различны для каждого конкретного исполнения электромагнитного привода и определяются путем расчетов.

На фиг.7 показаны выполненные в каждой секции 3а, 4а, 4b, а также в непоказанной секции 3b подвижного сердечника прорези 13 для уменьшения вихревых токов. Прорези 13 выполнены параллельно оси перемещения подвижного сердечника и ориентированы в направлении радиального перемещения секций 3а, 3b, 4а, 4b. Зазор 2*В, образующийся при радиальном перемещения секций, создает дополнительное препятствие для перетекания вихревых токов из одной секции 3а, 4а сердечника в другую 3b, 4b, тем самым обеспечивается более равномерное распределение постоянного магнитного потока в указанных секциях.

Работает электромагнитный привод следующим образом. При подаче напряжения на верхнюю катушку 7 рабочий магнитный поток, генерируемый катушкой 7, создает в воздушных зазорах А и В тяговое усилие в направлении перемещения подвижного сердечника во второе конечное фиксированное положение. В результате секции 3а и 3b подвижного сердечника перемещаются к дополнительному магнитопроводу 6, обеспечивая выборку рабочего зазора А, и к основному магнитопроводу 1, обеспечивая выборку паразитного зазора В. Одновременно в противоположной части подвижного сердечника секции 4а, 4b больше не удерживаются у основного магнитопровода 1 и свободно перемещаются по направлению к стержню 5, образуя гарантированный воздушный зазор В, необходимый для свободного перемещения подвижного сердечника во второе конечное фиксированное положение, по достижению которого рабочий зазор А образуется, между неподвижным дополнительным магнитопроводом 6 и секциями 4а, 4b подвижного сердечника.

При обесточивании катушки 7 переместившиеся секции 3а и 3b удерживаются у дополнительного магнитопровода 6 и основного магнитопровода 1, во-первых, за счет удерживающей силы постоянного магнита, во-вторых, за счет сил трения, возникающих при взаимодействии рифленых поверхностей (фиг.4), или наклонных поверхностей (фиг.3), и, в-третьих, за счет механической фиксации с помощью накладок (фиг.6). Магнитная цепь замыкается в каждой из секций 3а, 3b, причем образованный между переместившимися в радиальном направлении секциями воздушный зазор, равный 2*В, а также суженные участки шириной D в дополнительном магнитопроводе 6 (не показаны) или в секциях 3а, 3b подвижного сердечника (фиг.3) обеспечивают равномерное распределение постоянного магнитного потока в каждой из секций верхней части сердечника. Возврат подвижного сердечника в первоначальное положение осуществляется путем подачи напряжения на нижнюю катушку 8.

Таким образом, в предложенной конструкции электромагнитного привода достигнуто значительное уменьшение потерь и рассеивания постоянного и рабочего магнитных потоков в паразитном зазоре в замкнутой магнитной цепи в одном из конечных фиксированных положений сердечника.

Источники информации

1. Патент DE 19709089 А1, заявл. 06.03.97, кл. Н 01 Н 33/38.

2. Патент ЕР 0871192 А2, заявл. 14.10.98, кл. Н 01 Н 51/22.

3. Патент RU 2178215, заявл. 22.02.01, кл. Н 01 Н 33/38, Н 01 F 7/06.

Изобретение относится к области электротехники и касается конструкции бистабильных электромагнитных приводов для высоковольтных выключателей. Техническим результатом является увеличение тяговой силы электромагнитного привода за счет сокращения потерь и рассеивания магнитных потоков в паразитном зазоре в замкнутой магнитной цепи в одном из конечных фиксированных положений сердечника. Электромагнитный привод содержит магнитную систему с рабочим воздушным зазором, включающую в себя неподвижный основной магнитопровод, по крайней мере один постоянный магнит, подвижный сердечник, выполненный из двух частей, соединенных стержнем, между которыми установлен примыкающий к постоянному магниту неподвижный дополнительный магнитопровод, а также средства для перемещения сердечника между первым и вторым конечным фиксированным положением. Каждая из частей подвижного сердечника разделена по крайней мере на две секции, симметричные относительно оси указанного стержня и установленные на стержне с возможностью радиального перемещения. 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Электромагнитный привод, содержащий магнитную систему с рабочим воздушным зазором, включающую в себя неподвижный основной магнитопровод, по крайней мере, один постоянный магнит, подвижный сердечник, выполненный из двух частей, соединенных стержнем, между которыми установлен примыкающий к постоянному магниту неподвижный дополнительный магнитопровод, а также средства для передвижения сердечника между первым и вторым конечным фиксированным положением, отличающийся тем, что как минимум одна из частей подвижного сердечника разделена, по крайней мере, на две секции, симметричные относительно оси указанного стержня и установленные на указанном стержне с возможностью радиального перемещения.2. Электромагнитный привод по п.1, отличающийся тем, что каждая из частей подвижного сердечника разделена на указанные секции.3. Электромагнитный привод по п.2, отличающийся тем, что указанный стержень снабжен по концам кольцевыми выступами, взаимодействующими с кольцевыми проточками, выполненными на сопрягающихся со стержнем поверхностях секций подвижного сердечника.4. Электромагнитный привод по п.2, отличающийся тем, что на концах указанного стержня установлены дополнительно введенные цилиндрические втулки, каждая из которых снабжена, по крайней мере, одним кольцевым выступом, взаимодействующим с кольцевой проточкой, выполненной на сопрягающихся с указанной втулкой поверхностях секций подвижного сердечника, и размещена в сквозном отверстии, выполненном соосно стержню в каждой части подвижного сердечника.5. Электромагнитный привод по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что указанные секции и неподвижный основной магнитопровод выполнены в зоне сопряжения друг с другом с рифлеными поверхностями.6. Электромагнитный привод по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что указанные секции и неподвижный основной магнитопровод выполнены в зоне сопряжения друг с другом с взаимодействующими наклонными поверхностями, расположенными таким образом, что разделенная на секции часть подвижного сердечника сужена на конце, обращенном от неподвижного дополнительного магнитопровода, причем высота наклона поверхностей не превышает длины пути радиального перемещения указанных секций.7. Электромагнитный привод по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что неподвижный основной магнитопровод дополнительно оснащен накладками, размещенными на внешних торцевых поверхностях неподвижного основного магнитопровода и выступающими над зоной перемещения сердечника на величину, не превышающую длины пути радиального перемещения указанных секций.8. Электромагнитный привод по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что в разделенной на секции части подвижного сердечника со стороны, обращенной к неподвижному дополнительному магнитопроводу, выполнена центральная выемка, образующая в секциях указанной части подвижного сердечника зеркально симметричные суженные участки, обеспечивающие концентрацию магнитного потока.9. Электромагнитный привод по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что в неподвижном дополнительном магнитопроводе на сторонах, обращенных к частям подвижного сердечника, выполнены центральные выемки, образующие в неподвижном дополнительном магнитопроводе зеркально симметричные суженые участки, обеспечивающие концентрацию магнитного потока.10. Электромагнитный привод по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что в каждой секции параллельно оси перемещения подвижного сердечника выполнены прорези для уменьшения вихревых токов, ориентированные в направлении радиального перемещения указанных секций.