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

Изобретение относится к области электротехники и касается бистабильных электромагнитных приводов для высоковольтных выключателей, т.е. электромагнитных приводов с двумя стабильными конечными положениями подвижного сердечника.

Известны бистабильные электромагнитные приводы [1], содержащие неподвижный магнитопровод, постоянный магнит, подвижный сердечник, перемещающийся во внутреннем пространстве неподвижного магнитопровода между двумя стабильными конечными положениями, и катушки управления для перемещения подвижного сердечника. В подобной конструкции монолитный подвижный сердечник размещен в отверстиях катушек управления, а его ход при перемещении между стабильными конечными положениями ограничен торцевыми поверхностями неподвижного магнитопровода.

Известно также, что наиболее частыми поломками при работе электромагнитного привода в высоковольтном выключателе, особенно в режиме частых коммутаций, является "перегорание" катушек управления. Устранение подобной неисправности подразумевает замену вышедшей из строя катушки, для чего необходимо полностью вывести подвижный сердечник из отверстия заменяемой катушки. При известной конструкции привода подобная операция по замене катушки приводит к необходимости, как полной разборки самого электромагнита (полное извлечение монолитного сердечника из внутреннего пространства неподвижного магнитопровода для снятия катушки), так и демонтажа электромагнита в целом (отсоединение тяг, рычагов). Это подразумевает длительный вывод выключателя из эксплуатации, приводит к технологическим простоям, а при частой замене катушек требует высоких эксплуатационных затрат.

Таким образом, техническая проблема заключается в том, чтобы повысить оперативность замены катушек в электромагнитном приводе, существенно сократив при этом количество демонтируемых элементов.

Определенная возможность решения этой проблемы заложена в электромагнитном приводе [2], содержащем неподвижный основной магнитопровод, постоянный магнит, две катушки управления, а также подвижный сердечник, выполненный из двух частей, между которыми установлен неподвижный дополнительный магнитопровод, примыкающий к постоянному магниту. Части подвижного сердечника соединены дополнительно введенным стержнем, проходящим через отверстие, выполненное в неподвижном дополнительном магнитопроводе.

Возможность заключается, во-первых, в том, что в отверстии каждой из катушек перемещается только одна из частей подвижного сердечника, следовательно, расстояние, необходимое для вывода сердечника из отверстия катушки с целью ее замены, соответствует длине только одной части, а не всего сердечника в целом. Во-вторых, в данной конструкции привода ход подвижного сердечника не ограничивается неподвижным основным магнитопроводом. Наоборот, в торцевых поверхностях основного магнитопровода над зоной перемещения подвижного сердечника образованы окна, позволяющие каждой части подвижного сердечника в случае необходимости свободно проходить сквозь указанные торцевые поверхности и выходить из отверстия заменяемой катушки.

Однако в описанной конструкции привода ход подвижного сердечника ограничен дополнительным магнитопроводом. Кроме того, свободному перемещению какой-либо части подвижного сердечника в случае необходимости из отверстия соответствующей катушки за пределы внутреннего пространства основного магнитопровода, препятствует стержень, связывающий указанные части подвижного сердечника. Таким образом, основная проблема известных электромагнитных приводов, заключающаяся в необходимости полного демонтажа электромагнита при замене катушки управления, остается и в описанной конструкции привода.

Задачей настоящего изобретения является упрощение обслуживания и повышение оперативности замены катушек управления в бистабильном электромагнитном приводе высоковольтного выключателя.

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, между которыми установлен примыкающий к постоянному магниту неподвижный дополнительный магнитопровод с отверстием, а также две катушки управления между указанными частями подвижного сердечника дополнительно свободно установлен толкающий стержень, проходящий через указанное отверстие в неподвижном дополнительном магнитопроводе и обеспечивающий между указанными частями подвижного сердечника расстояние, по меньшей мере, равное суммарной протяженности рабочего зазора и дополнительного магнитопровода в осевом направлении.

В предложенной конструкции дополнительно установленный толкающий стержень не имеет постоянного конструктивного соединения с частями подвижного сердечника. Это позволяет при необходимости свободно переместить указанные части в противоположных осевых направлениях сквозь окна в торцевых поверхностях основного магнитопровода на расстояние, достаточное для свободного извлечения вышедшей из строя катушки с последующей заменой ее на новую. При этом толкающий стержень также может быть свободно, не оперативно (вручную, без подачи напряжения на катушки) перемещен в отверстии дополнительного магнитопровода вслед за одной из частей подвижного сердечника в какую-либо сторону на необходимое расстояние. Такая возможность неоперативного осевого перемещения элементов электромагнита, размещенных в отверстии катушки, позволяет легко извлечь катушку и тем самым избежать демонтажа, как указанных частей электромагнита, так и всего привода в целом, существенно упрощая сам процесс замены.

В рабочем состоянии привода при перемещении подвижного сердечника из одного стабильного конечного положения в противоположное, указанный толкающий стержень воспринимает движение части подвижного сердечника, перемещающейся под действием тягового усилия по направлению к дополнительному магнитопроводу, и передает это движение противоположной части сердечника, как бы отталкивая ее от дополнительного магнитопровода. При этом образуется гарантированный рабочий зазор, и магнитная цепь размыкается, предупреждая ответвление части магнитного потока в "нерабочую" часть подвижного сердечника, поскольку толкающий стержень выполнен из немагнитного материала и обеспечивает между указанными частями подвижного сердечника расстояние, по меньшей мере, равное суммарной протяженности рабочего зазора и дополнительного магнитопровода в осевом направлении.

В электромагнитных приводах высоковольтных выключателей, где усилие механического взаимодействия частей подвижного сердечника с толкающим стержнем достаточно велико, для предупреждения механической деформации частей подвижного сердечника, выполненных, как правило, из относительно мягкого магнитопроводящего материала (низкоуглеродистая сталь), в каждой части подвижного сердечника может быть выполнено сквозное осевое отверстие, в котором дополнительно размещена цилиндрическая втулка, взаимодействующая своей торцевой поверхностью, обращенной к неподвижному дополнительному магнитопроводу, с толкающим стержнем. Указанная втулка может быть выполнена из материала, более прочного, чем материал сердечника. Размещение втулки в части подвижного сердечника обеспечено тем, что указанная втулка снабжена, по крайней мере, одним кольцевым выступом, взаимодействующим с кольцевой проточкой, выполненной на сопрягающейся со втулкой поверхности части подвижного сердечника.

Благодаря размещению цилиндрической втулки, снабженной кольцевым выступом, каждая часть подвижного сердечника может быть разделена, по крайней мере, на две секции, симметричные относительно оси указанной втулки и установленные на втулке с возможностью радиального перемещения. Подобная установка секций подвижного сердечника, аналогичная описанной в заявке RU 2002128599/09, обеспечивает существенное уменьшение паразитного зазора в "рабочей" части подвижного сердечника, т.е. в одной из частей подвижного сердечника, через которую при одном из стабильных конечных положений сердечника замкнута магнитная цепь.

Для исключения перекосов, возникновения боковых (радиальных) усилий, увеличивающих силы трения при взаимодействии толкающего стержня с частями подвижного сердечника, указанный толкающий стержень может быть выполнен, по крайней мере, с одним закругленным концом, обеспечивающим точечный контакт толкающего стержня и части подвижного сердечника, исключающий перекосы. Дальнейшее повышение точности контакта достигается тем, что толкающий стержень своим закругленным концом может взаимодействовать с конусным отверстием, выполненным на сопрягающейся с указанным стержнем торцевой поверхности части подвижного сердечника. В описанном выше варианте конструктивного исполнения подвижного сердечника с цилиндрической втулкой, указанное конусное отверстие может быть выполнено и в торцевой поверхности указанной втулки.

Для исключения перемещения частей подвижного сердечника на расстояние от дополнительного магнитопровода, превышающее рабочий ход сердечника, неподвижный основной магнитопровод может быть дополнительно оснащен ограничителями хода подвижного сердечника, установленными, по крайней мере, на одной из внешних торцевых поверхностей неподвижного основного магнитопровода. Указанные ограничители хода подвижного сердечника могут быть выполнены в виде фланцев и легко демонтируются на период замены катушек.

На фиг.1 представлен электромагнитный привод в продольном осевом сечении в первом конструктивном исполнении толкающего стержня.

На фиг.2 представлен электромагнитный привод во втором конструктивном исполнении толкающего стержня (с закругленным концом).

На фиг.3 представлен электромагнитный привод по фиг.2 с толкающим стержнем, взаимодействующим своими закругленными концами с конусными отверстиями в частях подвижного сердечника.

На фиг.4 представлен электромагнитный привод по фиг.1 с размещенными в частях подвижного сердечника цилиндрическими втулками.

На фиг.5 представлен электромагнитный привод по фиг.4 с частями подвижного сердечника, разделенными на секции.

На фиг.6 представлен электромагнитный привод по фиг.5 с ограничителем хода подвижного сердечника.

На фиг.7 представлен вариант установки ограничителей хода подвижного сердечника, выполненных в виде фланцев, на электромагнитном приводе по фиг.6.

На фиг.8 представлен электромагнитный привод по фиг.7 в положении, необходимом для демонтажа катушки.

Бистабильный электромагнитный привод содержит неподвижный основной магнитопровод 1, постоянный магнит 2, примыкающий к нему неподвижный дополнительный магнитопровод 5 с протяженностью L, катушки управления 6 и 7, в отверстиях которых размещены две части 3 и 4 подвижного сердечника. Рабочий воздушный зазор А образован между частью 3 подвижного сердечника и дополнительным магнитопроводом 5. Между частями 3 и 4 подвижного сердечника дополнительно установлен толкающий стержень 8 из немагнитного материала, проходящий через сквозное отверстие, выполненное в дополнительном магнитопроводе 5. Длина стержня 8 такова, что расстояние между частями 3 и 4 подвижного сердечника, по меньшей мере, равно L+A. На фиг.2 толкающий стержень 8 выполнен с закругленным концом. На фиг.3 толкающий стержень 8 своими закругленными концами размещен в конусных отверстиях, выполненных в частях 3 и 4 подвижного сердечника.

На фиг.4 в частях 3 и 4 подвижного сердечника размещены втулки 10 и 9, соответственно, выполненные из немагнитного материала с повышенной износостойкостью, снабженные каждая одним выступом, размещенным в кольцевой проточке части 3 или 4 подвижного сердечника, и взаимодействующие своими торцевыми поверхностями, обращенными к дополнительному магнитопроводу 5 с торцами толкающего стержня 8.

На фиг.3 части 3 и 4 подвижного сердечника разделены каждая на две секции, установленные на втулках 10 (не показана) и 9, соответственно. Каждая из указанных втулок снабжена двумя выступами, размещенными в кольцевых проточках частей 3 и 4 подвижного сердечника и предупреждающими взаимное смещение секций в каждой части сердечника 3 или 4 в осевом направлении. Указанные секции установлены с возможностью радиального перемещения под воздействием тягового усилия на расстояние В от втулок 10 и 9 к основному магнитопроводу 1, обеспечивая тем самым существенное уменьшение паразитного зазора с величиной В.

На фиг.6 на внешней торцевой поверхности основного магнитопровода 1 установлен при помощи болтов (не показаны) ограничитель хода подвижного сердечника 11. В рабочем состоянии электромагнитного привода ограничитель хода 11 предупреждает передвижение части подвижного сердечника 3 на расстояние от дополнительного магнитопровода 5, большее величины рабочего зазора А. Однако при замене катушки 6 ограничитель хода 11 может быть легко демонтирован, а часть 3 подвижного сердечника выведена наружу в окно основного магнитопровода 1.

На фиг.7 установка ограничителей хода подвижного сердечника, выполненных в виде фланцев 11 и 12, выполнена при помощи двух шпилек 13, стягивающих указанные фланцы при помощи гаек 14. Фланцы 11 и 12 выполнены со стойками высотой С, предупреждающими передвижение части подвижного сердечника 3 на расстояние от дополнительного магнитопровода 5, большее величины рабочего зазора А.

Электромагнитный привод работает следующим образом. В изображенном на фиг.1 стабильном конечном положении часть подвижного сердечника 3 под воздействием удерживающего усилия постоянного магнита 2 находится в притянутом положении к дополнительному магнитопроводу 5. Катушки 6 и 7 обесточены. При подаче напряжения на катушку 6 часть 3 подвижного сердечника перемещается под воздействием тягового усилия по направлению к дополнительному магнитопроводу 5, а секции части 3 подвижного сердечника (если они есть) - к основному магнитопроводу 1, выбирая паразитный зазор В. Движение части 3 передается на толкающий стержень 8, и далее на часть 4 подвижного сердечника, которая, отталкиваясь от дополнительного магнитопровода 5, перемещается вниз с образованием рабочего зазора А в нижней части электромагнита. Дальнейший ход части 4 подвижного сердечника ограничивается фланцем 12. Возврат подвижного сердечника в первоначальное положение осуществляется путем подачи напряжения на катушку 7.

Замена катушки 6 в приводе осуществляется согласно фиг.8 следующим образом. Демонтируется фланец 11 (не показан). Часть 3 подвижного сердечника перемещают вверх сквозь окно в верхней торцевой поверхности основного магнитопровода 1 до тех пор, пока указанная часть не будет выровнена с внутренней торцевой поверхностью основного магнитопровода 1. Часть 4 подвижного сердечника перемещают вниз сквозь окно в нижней торцевой поверхности основного магнитопровода 1 до тех пор, пока толкающий стержень 8 не будет выровнен с верхней торцевой поверхностью дополнительного магнитопровода 5, а именно до фланца 12. При этом усилие постоянного магнита 2, удерживающее часть 4 подвижного сердечника у дополнительного магнитопровода 5, преодолевается с помощью известного устройства неоперативного ручного отключения привода (не показано). Толкающий стержень 8 перемещается под действием силы тяжести вслед за частью 4 подвижного сердечника в сквозном отверстии дополнительного магнитопровода 5. Катушка 6 свободно извлекается из внутреннего пространства основного магнитопровода 1 в направлении, перпендикулярном осевому перемещению частей 3 и 4 подвижного сердечника; на ее место устанавливается новая катушка 6. Часть 4 подвижного сердечника совместно с толкающим стержнем 8 перемещают кверху, до тех пор, пока указанная часть 4 не примкнет к дополнительному магнитопроводу 5, где будет удерживаться под воздействием усилия постоянного магнита 2. Часть 3 подвижного сердечника перемещается вниз под действием силы тяжести до тех пор, пока не примкнет к толкающему стержню 8, выступающему над верхней торцевой поверхностью дополнительного магнитопровода 5 на величину рабочего зазора А. Фланец 11 устанавливается на прежнее место. Подобным образом происходит замена катушки 7.

Таким образом, использование описанной конструкции электромагнитного привода позволяет свести количество демонтируемых при замене катушки элементов электромагнита практически до минимума, и, следовательно, существенно повысить оперативность замены катушек в электромагнитном приводе высоковольтного выключателя.

Источники информации

1. Патент DE 19709089 А1, кл. Н 01 Н 33/38, 1998.

2. Патент RU 2178215 C1, кл. Н 01 Н 33/38, Н 01 F 7/06, 2002.

Изобретение относится к области электротехники и касается бистабильных электромагнитных приводов для высоковольтных выключателей. Техническим результатом является упрощение обслуживания и повышения оперативности замены катушек управления в бистабильном электромагнитном приводе высоковольтного выключателя. 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, между которыми установлен примыкающий к постоянному магниту неподвижный дополнительный магнитопровод с отверстием, а также две катушки управления. Между указанными частями подвижного сердечника дополнительно свободно установлен толкающий стержень, проходящий через указанное отверстие в неподвижном дополнительном магнитопроводе и обеспечивающий между указанными частями подвижного сердечника расстояние, по меньшей мере, равное суммарной протяженности рабочего зазора и дополнительного магнитопровода в осевом направлении. 6 з.п. ф-лы, 8 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, между которыми установлен примыкающий к постоянному магниту неподвижный дополнительный магнитопровод с отверстием, а также две катушки управления, отличающийся тем, что между частями подвижного сердечника дополнительно свободно установлен толкающий стержень, проходящий через указанное отверстие в неподвижном дополнительном магнитопроводе и обеспечивающий между указанными частями подвижного сердечника расстояние, по меньшей мере, равное суммарной протяженности рабочего зазора и дополнительного магнитопровода в осевом направлении.2. Электромагнитный привод по п.1, отличающийся тем, что указанный толкающий стержень выполнен, по крайней мере, с одним закругленным концом.3. Электромагнитный привод по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что в каждой части подвижного сердечника выполнено сквозное осевое отверстие, в котором дополнительно размещена цилиндрическая втулка, снабженная, по крайней мере, одним кольцевым выступом, взаимодействующим с кольцевой проточкой, выполненной на сопрягающейся с указанной втулкой поверхности части подвижного сердечника, причем указанная втулка взаимодействует своей торцевой поверхностью, обращенной к неподвижному дополнительному магнитопроводу, с толкающим стержнем.4. Электромагнитный привод по п.3, отличающийся тем, что каждая из частей подвижного сердечника разделена, по крайней мере, на две секции, симметричные относительно оси указанной втулки и установленные на указанной втулке с возможностью радиального перемещения.5. Электромагнитный привод по любому из пп.2-4, отличающийся тем, что указанный толкающий стержень своим закругленным концом взаимодействует с конусным отверстием, выполненным на сопрягающейся с указанным стержнем торцевой поверхности части подвижного сердечника или цилиндрической втулки.6. Электромагнитный привод по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что неподвижный основной магнитопровод дополнительно оснащен ограничителями хода подвижного сердечника, установленными, по крайней мере, на одной из внешних торцевых поверхностей неподвижного основного магнитопровода.7. Электромагнитный привод по п.6, отличающийся тем, что указанные ограничители хода подвижного сердечника выполнены в виде фланцев.