СИЛОВОЕ КОНТАКТНОЕ УСТРОЙСТВО С ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ ПРИ НАЛИЧИИ ВЫСОКИХ ТОКОВ Российский патент 2016 года по МПК H01H1/54 

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к силовому контактному устройству электрического управляющего устройства, содержащему:

- по меньшей мере первый неподвижный контактный элемент и второй подвижный контактный элемент, выполненный с возможностью занимать замкнутое положение, в котором элементы находятся в электрическом контакте для установления и пропускания тока, и разомкнутое положение, в котором эти два контактных элемента отделены друг от друга, прерывая протекание тока,

- электромагнитное компенсационное средство для удержания контактных элементов в замкнутом положении при возникновении токов короткого замыкания, при этом компенсация осуществляется за счет эффекта электромагнитного притяжения, вызванного протеканием тока в одном и том же направлении в двух контактных элементах.

Электрическое управляющее устройство не имеет функции прерывания, но его контакты должны обязательно оставаться замкнутыми при коротком замыкании, которое устраняется защитным прерывателем цепи, подключенным на стороне линии.

Предшествующий уровень техники

Известно, что для гарантирования защищенности контактов при возникновении короткого замыкания, для компенсации электродинамической силы отталкивания между контактами используют направленную в противоположную сторону противоположную электродинамическую силу.

Сила, приложенная к подвижному контакту, прямо пропорциональна квадрату тока, но обратно пропорциональна расстоянию между контактами. Это расстояние не должно быть слишком велико, чтобы оказывать существенный эффект на небольших или средних перегрузках по току. В случае больших токов короткого замыкания, с другой стороны, электродинамические силы велики и могут деформировать медные детали контакта.

Документ FR2905795 относится к контактному устройству, содержащему два размыкаемых контактных элемента, в замкнутом положении проходящих параллельно друг другу и каждый из которых оснащен парой контактных площадок. В замкнутом положении эти два контактных элемента обращены друг к другу и электрически включены параллельно, поэтому ток протекает по двум контактным элементам в одном направлении. Это приводит к возникновению электродинамических сил притягивания, которые удерживают контактные площадки замкнутыми. На эти силы не влияет возможное магнитное насыщение контура, поскольку все происходит в воздухе. При больших токах короткого замыкания силы притяжения очень велики и могут привести к деформации контактных элементов с удлиненными плечами. Такое контактное устройство дополнительно требует две контактные площадки на контактный элемент, что повышает производственные издержки.

Другое известное решение состоит в использовании U-образной магнитной цепи для удержания контактов замкнутыми. Это приводит к ограничению сил притяжения из-за насыщения, но объем камер прерывания тока увеличивается.

Краткое изложение существа изобретения

Задачей настоящего изобретения является обеспечение силового контактного устройства небольшого размера с улучшенной электродинамической компенсацией, не зависящей от интенсивности тока.

Контактное устройство согласно настоящему изобретению отличается тем, что два контактных элемента, неподвижный и подвижный, имеют форму двух соседних свернутых в спираль витков, обращенных друг к другу в разомкнутом положении, при этом каждый виток выполнен из материала, являющегося и магнитным, и электропроводным, для образования единой детали, работающей как силовой контакт, как катушка, генерирующая поле магнитной индукции, и как магнитная цепь, осуществляющая усиление и проведение этого магнитного поля.

В замкнутом положении, когда ток течет от подвижного контактного элемента к неподвижному контактному элементу, получается катушка с двумя витками, включенными последовательно, что приводит к возникновению магнитного поля, проводимому самими витками, поскольку они также действуют как магнитная цепь. Это приводит к возникновению электродинамических притягивающих сил между подвижным витком и неподвижным витком, которые удерживают контакты замкнутыми при коротком замыкании или перегрузке по току. Такое контактное устройство требует небольшого количества деталей, чтобы получить требуемую компенсирующую силу. Эти два витка дополнительно позволяют ограничить электродинамические силы после насыщения магнитного материала, что препятствует деформации контактных элементов при сильных токах.

Электрическое управляющее устройство может быть силовым переключателем, контактором или переключателем полярности.

Согласно одному признаку настоящего изобретения первый контактный элемент и второй контактный элемент выполнены либо из стального металлического материала, любо путем спекания порошка магнитного металла с термопластичным связующим.

Согласно другому признаку настоящего изобретения два свернутых в спираль витка первого неподвижного контактного элемента и второго подвижного контактного элемента проходят в двух параллельных плоскостях в разомкнутом положении, при этом второй подвижный контактный элемент установлен с возможностью поворота по вертикальной оси.

Согласно предпочтительному варианту, второй подвижный контактный элемент вставлен между первым неподвижным контактным элементом и третьим неподвижным контактным элементом для образования контактного устройства изменения направления тока с двумя замкнутыми положениями, расположенными по обе стороны от среднего разомкнутого положения. Третий неподвижный контактный элемент имеет форму свернутого в спираль витка и выполнен из того же материала, что и свернутый в спираль виток первого неподвижного контактного элемента, и проходит параллельно ему.

Такое контактное устройство применяется в трехфазном переключателе полярности, позволяющем реверсировать направление вращения трехфазного электродвигателя путем реверсирования соединения между двумя фазами. Контакты такого переключателя полярности остаются замкнутыми в случае возникновения короткого замыкания.

Полюса переключателя полярности размещены в трех соседних отсеках корпуса, выполненного из изолирующего материала, в котором:

- первые неподвижные контакты двух концевых полюсов электрически соединены первым соединительным проводником, соединенным с первой соединительной клеммой,

- третьи неподвижные контакты двух концевых полюсов соединены вторым соединительным проводником, соединенным с третьей соединительной клеммой. Эти два соединительных проводника проходят параллельно и изолированы друг от друга, а с промежуточным полюсом преимущественно интегрирован проходной проводник без зазора, прерывающего ток.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

фиг.1 изображает общий вид с разнесением элементов контактного устройства по настоящему изобретению, содержащего единственный неподвижный контактный элемент.

Фиг.2 изображает идентичный вид альтернативного варианта изобретения с двойным контактным устройством, оснащенным парой неподвижных контактов переключателя полярности.

Фиг.3 изображает контактное устройство с двумя концевыми полюсами трехфазного переключателя полярности, в котором в каждом полюсе используется контактное устройство по фиг.2.

Фиг.4 изображает контактное устройство с тремя полюсами трехфазного переключателя полярности, в котором используется устройство по фиг.3 с добавлением проходного проводника, интегрированного в промежуточный полюс.

Фиг.5 изображает общий вид с разнесением элементов трехфазного переключателя полярности, полюса которого находятся в трех соседних отсеках корпуса, выполненного из изолирующего материала.

Описание предпочтительных вариантов изобретения

На фиг.1 силовое контактное устройство 10 для электрического управляющего устройства содержит первый неподвижный контактный элемент 11 и второй подвижный контактный подвижный элемент 12. Последний установлен с возможностью поворота вокруг вертикальной оси ХХ', показанной двумя противоположными концами 13, 14, проходящими в вертикальном направлении. Первый неподвижный контактный элемент 11 содержит контактную площадку 15, обращенную к другой контактной площадке 16, неподвижно закрепленной на втором подвижном контактном элементе 12. Эти две контактные площадки 15, 16 выполнены с возможностью занимать либо замкнутое положение, в котором они находятся в электрическом контакте для установления и пропускания тока, или разомкнутое положение, в котором контактная площадка 16 отделена от другой контактной площадки 15 после поворота второго подвижного контактного элемента 12. Такое отделение контактов прерывает протекание тока.

Размыкание и замыкание контактного устройства 10 выполняется посредством приводного механизма (не показан), заключенного в корпусе электрического устройства. Такое устройство, выполняющее функции управления, например, выключатель, контактор или переключатель полярности, не имеет функции разъединения цепи, и контактные элементы 11, 12 должны оставаться полностью в замкнутом положении при наличии высокоинтенсивного тока, способного генерировать электродинамические силы отталкивания между контактными площадками 15, 16.

Для компенсации таких сил отталкивания в случае перегрузки по току, неподвижный контактный элемент 11 и подвижный контактный элемент 12 выполнены в форме свернутого в спираль витка, выполненного из материала, который является и магнитным, и электропроводным. Например, этот материал может быть выполнен из стали при увеличении поперечного сечения относительно известного медного проводника, чтобы не допустить перегрева.

Он также может изготавливаться способом MIM, при котором смешивают мелкодисперсный магнитный металлический порошок с термопластичным связующим для получения гранул материала, который можно трансформировать путем термопластичного формования. Полученную таким способом деталь помещают в печь для удаления термопластичного связующего, которое выходит в форме газа. Повышение температуры в печи позволяет спекать требуемую деталь, придавая последней сцепление и структуру металлической детали.

Два свернутых в спираль витка первого неподвижного контактного элемента 11 и второго подвижного контактного элемента 12 в разомкнутом положении проходят в параллельных плоскостях, будучи отведенными друг от друга при уменьшенном изолирующем расстоянии, позволяющем получить хорошую диэлектрическую прочность. Каждый свернутый в спираль виток имеет нижнюю ветвь 17 и верхнюю ветвь 18, которые отделены одна от другой удлиненной прорезью 19, которая проходит ортогонально к вертикальному направлению оси XX' поворота второго подвижного контактного элемента 12.

Каждый свернутый в спираль виток, выполненный из магнитного электропроводного материала, образует единую деталь, играющую роль и силового контакта, и обмотки, генерирующей поле магнитной индукции, и магнитной цепи, усиливающей и проводящей это магнитное поле.

На фиг.1, где показан общий вид с разнесением элементов контактного устройства 10, можно представить, что два электрических контактных элемента 11, 12 находятся в электрическом контакте через свои контактные площадки 15, 16. Штриховая линия TR символизирует протекание тока в замкнутом положении, когда контактная площадка 16 находится в контакте с неподвижной контактной площадкой 15. Можно видеть, что направление протекания тока в нижних ветвях 17 двух контуров совпадает. То же самое относится и к верхним ветвям 18 этих двух контуров. Такое направление протекания тока создает эффект электродинамического притяжения двух контуров друг к другу при возникновении тока короткого замыкания. Силы F1, F2 притяжения пропорциональны квадрату тока и позволяют скомпенсировать силы отталкивания, создаваемые на уровне контактных площадок 15, 16 тем же компенсируемым током. Таким образом, удержание контактных элементов 11, 12 в замкнутом положении при наличии тока короткого замыкания гарантируется. Ток короткого замыкания прерывается после срабатывания защитного прерывателя цепи, установленного на стороне линии относительно источника питания.

Силы F1, F2 притяжения дополнительно усиливаются магнитной цепью, которая формируется двумя соседними контурами магнитного материала. Эта магнитная цепь проводит и концентрирует силовые линии магнитного поля, генерируемого обмоткой из двух витков, соединенных последовательно так, чтобы получить оптимальный эффект притяжения.

Такая структура контактного устройства 10 с электродинамической компенсацией может использоваться в любом электрическом устройстве, которое не должно реагировать на ток короткого замыкания, в частности, выключатель, контактор или переключатель полярности.

На фиг.2 используются те же ссылочные позиции для обозначения деталей, подобных контактному устройству по фиг.1. Второй подвижный контактный элемент 12 вставлен между первым неподвижным контактным элементом 11 и третьим неподвижным контактным элементом 20 для формирования контактного устройства 100 изменения направления тока, имеющего два замкнутых положения, расположенных на каждой стороне от среднего разомкнутого положения. Третий неподвижный контактный элемент 20 выполнен в форме свернутого в спираль витка и выполнен из того же материала, что и свернутый в спираль виток первого неподвижного контактного элемента 11, и проходит параллельно ему. Контактная площадка 16 второго подвижного контактного элемента 12 может контактировать либо с контактной площадкой 15 первого неподвижного контактного элемента 11, либо с контактной площадкой 21 третьего неподвижного контактного элемента 20 (показана штриховой линией).

На фиг.2 можно представить, что два контактных элемента 11, 12 находятся в электрическом контакте через их контактные площадки 15, 16. Штриховая линия TR символизирует протекание тока в замкнутом положении и направление протекания тока идентично показанному на фиг.1, с теми же силами F1, F2 притяжения для электродинамической компенсации. В другом состоянии контактного устройства 100 изменения направления тока второй подвижный контакт 12 поворачивается в обратном направлении так, что контактная площадка 16 приходит в контакт с контактной площадкой 21 третьего неподвижного контактного элемента 20. В этом случае также образуется обмотка с двумя витками, включенными последовательно, создающая такие же электродинамические силы притяжения для сохранения замкнутого состояния.

На фиг.3 показано контактное устройство 200 с двумя концевыми полюсами R, T трехфазного переключателя полярности, в котором для каждого полюса используется контактное устройство 100 по фиг.2.

Первые неподвижные контактные элементы 11 двух концевых полюсов R, T соединены первым соединительным проводником 22, соединенным с первой соединительной клеммой В1.

Третьи неподвижные соединительные элементы 20 двух концевых полюсов R, T соединены вторым соединительным проводником 23, соединенным с третьей соединительной клеммой В3.

Два соединительных проводника 22, 23 проходят параллельно и изолированы друг от друга.

На фиг.4 представлено контактное устройство 300 с тремя полюсами R, S, T трехфазного переключателя полярности, в котором используется контактное устройство 200 по фиг.3 с добавлением проходного проводника 24 без прерывающего ток зазора, при этом проводник 24 интегрирован в промежуточный полюс S. Этот проводник 24 сформирован непрерывной контактной деталью, соединенной со второй соединительной клеммой В2, которая расположена между первой и третьей клеммами В1, В3 переключателя полярности.

На фиг.5 приведен общий вид с разнесением деталей трехфазного переключателя полярности, полюса R, S, T которого помещены в три соседних отсека корпуса 25, выполненного из изолирующего материала. Отсеки изолированы друг от друга вертикальными перегородками 26, и контактное устройство 200 вставлено в концевые полюса R, T через открытый верх корпуса 25. Гайки 27 фиксируют контактные полосы контактного устройства 200 на полюсах.

Затем выполняется окончательная сборка переключателя полярности путем установки проходного проводника 24 в промежуточный полюс S, после чего устанавливают приводной механизм и крышку (не показаны).

Силовое контактное устройство предназначено для использования в переключателях полярности, контакторах и силовых выключателях. Устройство содержит неподвижный контактный элемент (11) и подвижный контактный элемент (12), стойкие к току короткого замыкания, выполненные в форме расположенных рядом друг с другом свернутых в спираль витков, которые в разомкнутом положении обращены друг к другу. Каждый виток выполнен из материала, являющегося и магнитным, и электропроводным, для образования единой детали, действующей и как силовой контакт, и как обмотка, генерирующая магнитное поле, и как магнитная цепь, усиливающая и проводящая это магнитное поле. Технический результат - создание компактного силового контактного устройства с высокой электродинамической компенсацией, не зависящей от интенсивности тока. 4 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Силовое контактное устройство (10, 100, 200, 300) электрического управляющего устройства, содержащее:
- по меньшей мере первый неподвижный контактный элемент (11) и второй подвижный контактный элемент (12), выполненные с возможностью принимать замкнутое положение, в котором они находятся в электрическом контакте для установления и протекания тока, и разомкнутое положение, в котором эти два контактных элемента отделены друг от друга, прерывая протекание тока,
- и средство электродинамической компенсации для удержания контактных элементов в замкнутом положении при возникновении тока короткого замыкания, при этом компенсация осуществляется посредством эффекта электродинамического притяжения, возникающего при протекании тока в одном направлении в двух контактных элементах,
отличающееся тем, что неподвижный контактный элемент (11) и подвижный контактный элемент (12) имеют форму двух расположенных рядом свернутых в спираль витков, обращенных друг к другу в разомкнутом положении, при этом каждый виток выполнен из материала, являющегося и магнитным, и электропроводным, для получения единой детали, действующей как силовой контакт, как виток, генерирующий поле магнитной индукции, и как магнитная цепь, осуществляющая усиление и проведение этого магнитного поля.

2. Устройство (10, 100, 200, 300) по п.1, отличающееся тем, что первый неподвижный контактный элемент (11) и второй подвижный контактный элемент (12) выполнены из стального металлического материала.

3. Устройство (10, 100, 200, 300) по п.2, отличающееся тем, что первый неподвижный элемент (11) и второй подвижный элемент (12) выполнены путем спекания порошка магнитного металла с термопластичным связующим.

4. Устройство (10, 100, 200, 300) по п.1, отличающееся тем, что два свернутых в спираль витка первого неподвижного контактного элемента (11) и второго подвижного контактного элемента (12) в разомкнутом положении проходят в двух параллельных плоскостях, при этом второй подвижный контактный элемент установлен с возможностью поворота по вертикальной оси (XX').

5. Устройство (100, 200, 300) по п.1, отличающееся тем, что второй подвижный контактный элемент (12) вставлен между первым неподвижным контактным элементом (11) и третьим неподвижным контактным элементом (20) для образования контактного устройства изменения направления тока с двумя замкнутыми положениями с каждой стороны от среднего разомкнутого положения.

6. Устройство (100, 200, 300) по п.5, отличающееся тем, что третий неподвижный контактный элемент (20) имеет форму свернутого в спираль витка, выполненного из того же материала, что и свернутый в спираль виток первого неподвижного элемента (11), и проходит параллельно последнему.

7. Устройство (100, 200, 300) по п.6, примененное к трехфазному переключателю полярности, полюса (R, S, T) которого помещены в три расположенные рядом друг с другом отсека корпуса (25), выполненного из изолирующего материала, отличающееся тем, что:
- первые неподвижные контактные элементы (11) двух концевых полюсов (R, T) электрически соединены друг с другом первым соединительным проводником (22), соединенным с первой соединительной клеммой (В1),
- третьи неподвижные элементы (20) двух концевых полюсов (R, T) соединены друг с другом вторым соединительным проводником (23), соединенным с третьей соединительной клеммой (В3),
- два соединительных проводника (22, 23) проходят параллельно и изолированы друг от друга.

8. Устройство (300) по п.7, отличающееся тем, что промежуточный полюс (S) содержит проходной проводник (24), соединенный со второй соединительной клеммой (В2), расположенной между первой и третьей соединительными клеммами (В1, В3) переключателя полярности.

9. Электрический выключатель, в котором использовано контактное устройство по любому из пп.1-4.

10. Электрический контактор, в котором использовано контактное устройство по любому из пп.1-4.

11. Электрический переключатель полярности, в котором использовано контактное устройство по любому из пп.1-8.