ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ АКТУАТОР И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИЙ БЛОК, ВКЛЮЧАЮЩИЙ В СЕБЯ ЭТОТ АКТУАТОР Российский патент 2023 года по МПК H01H50/20 H01H50/44 H01H50/64 H01H51/02 

Настоящее изобретение относится к электромагнитному актуатору (исполнительному механизму) и электрическому переключающему устройству, включающему в себя этот актуатор.

Электрические переключающие устройства, такие как прерыватели цепи, используемые в установках для распределения электричества, как правило, включают в себя электромагнитный актуатор, функцией которого является переключение электрического устройства из электрически замкнутого состояния в электрически разомкнутое состояние в ответ на управляющий сигнал. Например, подвижная деталь актуатора соединяется с переключающим механизмом электрического устройства. Актуатор предоставляет возможность, в частности, распределения электричества, которое должно быть прервано в случае обнаружения электрической неисправности.

FR-2893445-B1 описывает известный электромагнитный актуатор, включающий в себя неподвижный корпус, подвижную деталь и магнитную цепь электрического возбуждения, выполненную с возможностью приводить подвижную деталь в движение. Магнитная цепь включает в себя постоянный магнит и катушку возбуждения, питаемую посредством управляющего сигнала.

Такие актуаторы должны удовлетворять многочисленным требованиям. Они должны быть компактными и иметь небольшие размеры, с тем, чтобы иметь возможность легко интегрироваться внутрь переключающих устройств. Они должны реагировать быстро в ответ на управляющий сигнал, в частности, в случае электрической неисправности. Они должны быть надежными и не приводиться в действие непреднамеренно, поскольку это повлияет на функционирование переключающего устройства. В частности, они не должны приводиться в действие, когда подвергаются действию паразитных магнитных полей, формируемых во время коротких замыканий ниже по потоку от переключающего устройства. Они должны также быть способны функционировать в переключающих устройствах, в которых управляющий сигнал подается от встроенного резервного источника энергии.

Это является недостатками, которые изобретение намерено более конкретно исправить, предлагая электромагнитный актуатор, функционирование которого улучшается.

Для этого, изобретение относится к электромагнитному актуатору, включающему в себя:

- неподвижный корпус;

- подвижную деталь, формирующую магнитный сердечник актуатора и являющуюся подвижной в смещении относительно неподвижного корпуса между убранной позицией и развернутой позицией;

- магнитную часть, формирующую постоянный магнит, выполненный с возможностью формировать первую магнитную силу, удерживающую подвижную деталь в убранной позиции;

- катушку, выполненную с возможностью вызывать вторую магнитную силу, противоположную первой магнитной силе, когда катушка снабжается электрическим током возбуждения.

Подвижная деталь включает в себя одну или более выемок, сформированных в корпусе подвижной детали.

Благодаря изобретению, выемки, размещенные в подвижной детали, делают возможным ограничение вихревых токов, которые возникают в подвижной детали во время возбуждения катушки. Кроме того, выемки делают возможным изменение индуктивности магнитной цепи и, следовательно, уменьшение количества энергии, необходимой для управления приведением в действие актуатора.

Согласно преимущественным, но не обязательным, аспектам изобретения, такой актуатор может объединять одну или более следующих характеристик, взятых отдельно или согласно какому-либо технически допустимому сочетанию:

- Подвижная деталь выполняется из железно-кремниевого сплава.

- Концентрация массы кремния в сплаве больше или равна 2% и меньше или равна 6,5%, предпочтительно больше или равна 2,5% и меньше или равна 3,5%.

- Подвижная деталь изготавливается согласно способу литья металла под давлением.

- Каждая выемка располагается радиально относительно центра подвижной детали.

- Число выемок находится между 1 и 10, предпочтительно равно 4.

- Угол между противоположными кромками выемки больше или равен 5° и меньше или равен 50°.

- Радиус подвижной детали больше или равен 3 мм и меньше или равен 10 мм, а длина радиальных выемок больше или равна 30% радиуса и меньше или равна 90% радиуса.

- Выемки располагаются на одной из двух сторон центральной геометрической плоскости магнитной части и выравниваются перпендикулярно этой плоскости.

Согласно другому аспекту, изобретение относится к электрическому переключающему устройству, включающему в себя переключающий механизм и электромагнитный актуатор, соединенный с переключающим механизмом, причем электромагнитный актуатор является таким, как описано ранее.

Изобретение будет лучше понято, и другие его преимущества проявятся более четко в свете описания, которое последует для варианта осуществления электромагнитного актуатора, причем это описание предоставляется исключительно в качестве примера и выполняется со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:

- Фиг. 1 - это схематичная иллюстрация вида в разрезе электромагнитного актуатора согласно вариантам осуществления изобретения;

- Фиг. 2 - это схематичная иллюстрация, в виде в перспективе, первого варианта осуществления подвижной детали магнитной цепи возбуждения актуатора на фиг. 1;

- Фиг. 3 - это вид в разрезе подвижной детали на фиг. 2 в плоскости III сечения согласно первому варианту осуществления;

- Фиг. 4 - это вид в разрезе альтернативного варианта осуществления актуатора на фиг. 2 и 3;

- Фиг. 5 - это схематичная иллюстрация электрического устройства, включающего в себя электромагнитный актуатор согласно вариантам осуществления изобретения.

Фиг. 1 показывает электромагнитный актуатор 2, включающий в себя неподвижный корпус 4 и подвижную деталь 6, которая формирует магнитный сердечник актуатора 2.

Подвижная деталь 6 является подвижной в смещении относительно неподвижного корпуса 4 вдоль продольной оси Z2 актуатора 2 между развернутой позицией и убранной позицией. В развернутой позиции, также называемой "позицией срабатывания", подвижная деталь 6, по меньшей мере, частично разворачивается наружу неподвижного корпуса 4. В убранной позиции, также называемой "взведенной позицией", подвижная деталь 6 убирается внутрь неподвижного корпуса 4.

Корпус 4 здесь формирует оболочку в форме полого цилиндра, центрированного на продольной оси Z2. Оболочка обеспечивает направление при смещении подвижной детали 6, когда она перемещается между убранной и развернутой позициями.

Актуатор 2 также включает в себя цепь 8 магнитного возбуждения, содержащую, помимо подвижной детали 6, магнитную часть 10, формирующую сердечник магнитной цепи, и которая создает первую магнитную силу для удержания подвижной детали 6 в убранной позиции, когда актуатор 2 не возбуждается.

Часть 10 имеет форму плоского диска, центрированного на продольной оси Z2. Когда часть 10 устанавливается внутри актуатора 2, основные стороны части 10 являются перпендикулярными оси Z2.

Согласно примерам, часть 10 выполняется в материале, имеющем постоянное намагничивание, предпочтительно в ферромагнитном материале.

Магнитная цепь 8 также включает в себя катушку 12, приспособленную возбуждать вторую магнитную силу, противоположную первой магнитной силе, когда катушка снабжается энергией посредством электрического тока возбуждения. Вторая магнитная сила является противоположной первой магнитной силе и предоставляет возможность освобождения подвижной детали 6, как описано ниже.

В иллюстрированном примере первая сила и вторая сила направлены по оси Z2. Катушка 12 включает в себя, например, витки электрически проводящего провода, концентрически намотанного вокруг оси Z2.

Согласно примерам реализации, магнитная цепь 8 также включает в себя часть 14 для концентрации магнитного потока. В этом примере, часть 14 находится в соприкосновении с верхней стороной магнитной части 10 через ее нижнюю сторону. В убранной позиции подвижная деталь 6 находится в соприкосновении с верхней частью детали 14.

Актуатор также включает в себя упругий возвратный компонент 16, механически соединенный с подвижной деталью 6, и который оказывает возвратное усилие, стремящееся перемещать подвижную деталь 6 в ее развернутую позицию. Например, возвратный компонент 16 является пружиной, в частности винтовой пружиной сжатия, соосно установленной вокруг оси Z2.

Когда актуатор 2 находится в состоянии покоя, первое усилие, оказываемое посредством магнитной части 10, больше возвратного усилия, оказываемого посредством компонента 16, так что подвижная деталь 6 остается в своей убранной позиции. Когда катушка 12 возбуждается посредством подачи электрической мощности, например, в ответ на управляющий сигнал, отправленный актуатору 2, она формирует магнитное поле, противоположное магнитному полю, созданному посредством части 10, таким образом, уменьшая результирующую магнитную силу. Возвратное усилие, оказываемое компонентом 16, тогда перемещает подвижную деталь 6 в ее развернутую позицию.

Согласно примерам, подвижная деталь 6 включает в себя основной корпус практически цилиндрической формы и фрагмент в форме прямолинейного узкого стержня, который протягивается продольно от верхнего конца основного корпуса.

Согласно иллюстрированному варианту осуществления, подвижная деталь 6 включает в себя подвижную головку 18, установленную, чтобы скользить вдоль фрагмента в форме стержня и соединенную с вспомогательным возвратным компонентом 20, установленным в свою очередь на подвижной детали 6. Например, компонент 20 является винтовой пружиной, концентрической с осью Z2. Возвратный компонент 16 опирается, с одной стороны на корпус 4, а с другой стороны, на противоположном конце, на головку 18.

Согласно примеру реализации, неподвижный корпус 4 формируется посредством сборки, по меньшей мере, двух частей 22 и 24, концентрически расположенных и, например, соединенных вместе посредством уплотнения. Ссылка 26 обозначает пластину основания, которая закрывает корпус 4 на ее нижнем торце. Например, магнитная часть 10 устанавливается на верхней стороне пластины 26 основания. Головка 18 протягивается на противоположном конце корпуса 4.

Например, актуатор 2 является аналогичным актуатору, описанному в патенте FR 2 893 445 B1, и функционирует аналогичным образом.

Как иллюстрировано на фиг. 2, подвижная деталь 6 включает в себя одну или более выемок 30, таких как пазы или углубления, размещенных в основном корпусе подвижной детали 6. Выемки 30 предпочтительно протягиваются от наружной кромки 32 основного корпуса подвижной детали 6. Согласно вариантам осуществления, выемки 30 являются радиальными выемками, т.е., выемками, расположенными радиально относительно центра подвижной детали 6, т.е. здесь относительно продольной оси подвижной детали 6. Продольная ось подвижной детали 6 совмещается с осью Z2, когда подвижная деталь 6 устанавливается в актуатор 2. Выемки 30, таким образом, протягиваются практически перпендикулярно наружной кромке 32 подвижной детали 6.

Например, каждая выемка 30 протягивается от наружной кромки 32 подвижной детали 6 к центру подвижной детали 6, в то же время определяя фрагмент радиального сечения подвижной детали 6. "Фрагмент радиального сечения" здесь означает, что выемка 30 не формирует законченное радиальное сечение подвижной детали 6, поскольку выемка 30 не протягивается полностью до центра подвижной детали 6. Напротив, каждая выемка 30 заканчивается в направлении центра внутренней торцевой кромкой 34, которая находится на ненулевом расстоянии от центра.

На фиг. 3 ссылка R6 обозначает радиус подвижной детали 6, измеренный в основном корпусе подвижной детали 6, где формируются выемки 30. Ссылка w30 обозначает угол между противоположными кромками выемки 30. Например, угол w30 измеряется на кромке 32. Ссылка l30 обозначает ширину выемки 30.

Согласно вариантам осуществления, выемки 30 подвижной детали 6 являются идентичными.

Выемки 30 предпочтительно расположены с равными интервалами относительно друг друга, т.е., они равномерно распределены по всему периметру подвижной детали 6. В этом случае, подвижная деталь 6 имеет симметрию вращения вокруг оси Z2, когда подвижная деталь 6 устанавливается внутрь актуатора 2.

Согласно вариантам осуществления, число радиальных выемок 30 больше или равно одному, а предпочтительно между 1 и 10, и снова предпочтительно, между 3 и 10. В иллюстрированном примере число выемок 30 равно 4.

Согласно вариантам осуществления, угол w30 выемки больше или равен 5° и меньше или равен 50°, или угол w30 больше или равен 20° и меньше или равен 40°. Например, ширина l30 больше или равна 5° и меньше или равна 20°. Другие значения углов являются возможными.

Выемки 30 предпочтительно протягиваются по высоте вдоль основного корпуса подвижной детали 6 параллельно продольной оси подвижной детали 6. Например, выемки 30 имеют высоту больше или равную 20% длины основного корпуса подвижной детали 6.

Согласно отдельным вариантам осуществления, радиус R6 подвижной детали 6 предпочтительно больше или равен 3 мм и меньше или равен 10 мм.

Например, длина L30 радиальных выемок больше или равна 30% радиуса R6 и меньше или равна 90% радиуса R6 и предпочтительно больше или равна 40% радиуса R6 и меньше или равна 70% радиуса R6.

На практике, точные значения числа и размеров пазов 30 оптимизируются согласно применениям, и, в частности, характеристике, ожидаемой от актуатора 2. Согласно примерам, предпочтительно увеличивать периметр подвижной детали 6, в то же время сохраняя достаточно большое сечение w30, так что первая магнитная сила является достаточной, чтобы обеспечивать удовлетворительное функционирование актуатора 2.

Например, согласно вариантам осуществления, отношение длины периметра подвижной детали 6 к периметру диска того же радиуса без выемок 30 больше или равно 1,5, а предпочтительно больше или равно 2, и снова предпочтительно, больше или равно 5.

Согласно вариантам, не иллюстрированы, каждая выемка 30 имеет продолговатую форму, боковые кромки которой являются параллельными друг другу. Каждая выемка 30, таким образом, имеет четырехстороннюю форму, например, прямоугольную форму. В этом случае, ширина l30 является одинаковой, измеряется ли она на кромке 34 подвижной детали 6 или на кромке 32 детали.

Когда катушка 12 возбуждается, чтобы управлять актуатором 2, она создает магнитный поток, по оси Z2. Этот магнитный поток вызывает вихревые токи внутри подвижной детали 6, что вызывает потерю энергии. Эти вихревые токи, как правило, циркулируют в плоскости подвижной детали 6, перпендикулярной направлению магнитного потока, вдоль наружной кромки 32. Расположение выемок 30 по касательной к магнитному потоку, создаваемому посредством катушки 12, делает возможным увеличение длины эквивалентного пути, проходимого вихревыми токами, что препятствует их циркуляции и уменьшает энергетические потери.

Уменьшение энергетических потерь вследствие вихревых токов делает возможным уменьшение количества энергии, необходимой для питания катушки 12. Это является полезным, когда возбуждение актуатора 2 внутри электрического устройства выполняется с помощью аккумулятора или резервного источника энергии, емкость хранения которого является ограниченной.

Кроме того, выбор числа и размеров выемок 30 делает возможным изменение противодействия магнитной детали 6, что делает возможным оптимизацию значения индуктивности подвижной детали 6 и, следовательно, уменьшение количества энергии, необходимой для приведения в действие актуатора 2.

Наконец, выемки 30 уменьшают вес подвижной детали 6. Подвижной детали 6, таким образом, легче двигаться. Время реакции актуатора 2, следовательно, уменьшается.

Согласно полезным вариантам осуществления, подвижная деталь 6 выполняется из железно-кремниевого сплава.

Концентрация массы кремния в железно-кремниевом сплаве предпочтительно больше или равна 2% и меньше или равна 6,5%, предпочтительно больше или равна 2,5% и меньше или равна 3,5%.

Согласно отдельным полезным вариантам осуществления, подвижная деталь 6 производится способом литья металла под давлением.

Использование железно-кремниевого сплава делает возможным получение значений магнитной характеристики, близких к значениям чистого железа, в частности, с точки зрения индукции насыщения и магнитной проницаемости, в то же время имеющих электрическое удельное сопротивление, по меньшей мере, в два или три раза большее по сравнению с удельным сопротивлением чистого железа, что делает возможным ограничение энергетических потерь вследствие вихревых токов, когда второе магнитное усилие прикладывается на части 10.

Производство подвижной детали 6 согласно способу литья металла под давлением делает возможным производство подвижной детали 6 в железно-кремниевом сплаве более легким по сравнению с известными технологиями формования, например, посредством механической обработки или токарной обработки, которые не дают удовлетворительных результатов с железно-кремниевым сплавом, в частности, для производства небольших деталей, каким является случай с подвижной деталью 6.

Фиг. 4 показывает подвижную деталь 6', соответствующую другому варианту осуществления подвижной детали 6. Элементы подвижной детали 6', которые являются аналогичными подвижной детали 6, имеют те же ссылки с дополнением символа ' и не описываются подробно, поскольку вышеприведенное описание может быть перенесено на них. Подвижная деталь 6' способна, в частности, интегрироваться внутрь актуатора 2 вместо подвижной детали 6.

Подвижная деталь 6' отличается, в частности, от подвижной детали 6 в том, что выемки 30' подвижной детали 6' не ориентированы радиально. Напротив, выемки 30' здесь располагаются на одной из двух сторон центральной геометрической плоскости подвижной детали 6' и выравниваются перпендикулярно этой плоскости в параллельных направлениях. Центральная плоскость является перпендикулярной плоскости сечения, иллюстрирующей подвижную часть 6' на фиг. 4 и, следовательно, параллельной оси Z2.

Первая группа выемок 30', таким образом, располагается на одной стороне центральной плоскости, а вторая группа выемок 30' располагается на другой стороне центральной плоскости.

Число выемок 30' предпочтительно является одинаковым в каждой из первой и второй групп. Например, центральная плоскость является плоскостью симметрии подвижной детали 6'.

Согласно вариантам осуществления, число выемок 30' в каждой из первой и второй групп больше или равно 2 и меньше или равно 6. На практике, число и размеры выемок 30' зависят от способа производства подвижной детали 6' и, в частности, от ограничений литейной технологической смазки. В иллюстрированном примере каждая из первой и второй групп включает в себя четыре выемки 30'.

Например, подвижная деталь 6' производится в том же материале, что и подвижная деталь 6, и следуя способу производства, аналогичному способу производства подвижной детали 6.

Соответствующие внутренние торцевые кромки 34 выемок 30', находящиеся на одинаковой стороне центральной плоскости, предпочтительно выравниваются и располагаются на одинаковом расстоянии от центральной плоскости. В результате круглой формы наружной кромки 32, выемки 30', чьи внутренние торцевые кромки 34 выровнены вдоль одной и той же оси, могут в этом случае иметь отличающиеся длины L30'.

На фиг. 4 ссылка "LA" обозначает расстояние между внутренними торцевыми кромками 34 выемок 30' первой группы и второй группы. Расстояние LA здесь больше или равно 5% диаметра подвижной детали 6' и меньше или равно 30% диаметра подвижной детали 6'.

На практике, размеры выемок 30', такие как максимальное значение длины L30' выемок 30', интервал W30' между двумя последовательными выемками 30' и ширина l30' выемок 30' выбираются способом, аналогичным подвижной детали 6, в частности, с целью увеличения длины эквивалентного пути, проходимого вихревыми токами, и оптимизации значения индуктивности подвижной детали 6'. Фиг. 5 показывает электрическое переключающее устройство 40, такое как прерыватель цепи, или контактор, или реле или любое другое эквивалентное устройство.

Устройство 40 включает в себя соединительные клеммы 41 для ввода/вывода тока, отделяемые электрические контакты 42, переключающий механизм 44 и актуатор 2.

Отделяемые контакты 42 подключаются между клеммами 41 и являются переключаемыми между разомкнутым состоянием и замкнутым состоянием, с тем, чтобы соответственно предотвращать или разрешать циркуляцию электрического тока, под действием переключающего механизма 44.

Актуатор 2 соединяется с переключающим механизмом 44 с тем, чтобы выполнять размыкание отделяемых контактов 42, например, в ответ на управляющий сигнал, подаваемый отключающим устройством или блоком управления снаружи устройства 40.

Варианты осуществления и разновидности, рассмотренные выше, могут быть объединены вместе с тем, чтобы формировать новые варианты осуществления.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат заключается в повышении надежности функционирования и уменьшении массогабаритных показателей актуатора в переключающем устройстве. Электромагнитный актуатор содержит подвижную деталь, выполненную с возможностью формировать магнитный сердечник актуатора и перемещаться относительно неподвижного корпуса между убранной позицией и развернутой позицией. Подвижная деталь имеет круглое поперечное сечение и одну или более выемок. Одна или более выемок расположены на любой из двух сторон относительно плоскости симметрии подвижной детали, выровнены перпендикулярно этой плоскости и имеют постоянную ширину. Электромагнитный актуатор также содержит магнитную часть, формирующую постоянный магнит, выполненный с возможностью формировать первую магнитную силу, удерживающую подвижную деталь в убранной позиции. А также содержит катушку, выполненную с возможностью вызывать вторую магнитную силу, противоположную первой магнитной силе, когда катушка снабжается электрическим током возбуждения. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Электромагнитный актуатор (2), включающий в себя:

- неподвижный корпус (4);

- подвижную деталь (6'), выполненную с возможностью формировать магнитный сердечник актуатора и перемещаться относительно неподвижного корпуса (4) между убранной позицией и развернутой позицией, причем подвижная деталь (6') имеет круглое поперечное сечение и одну или более выемок (30'), причем одна или более выемок (30') расположены на любой из двух сторон относительно плоскости симметрии подвижной детали, выровнены перпендикулярно этой плоскости и имеют постоянную ширину;

- магнитную часть (10), выполненную с возможностью формировать постоянный магнит, который формирует первую магнитную силу для удержания подвижной детали в убранной позиции; и

- катушку (12), выполненную с возможностью формировать вторую магнитную силу, противоположную первой магнитной силе, когда катушка снабжается электрическим током возбуждения.

2. Актуатор по п. 1, характеризующийся тем, что подвижная деталь (6') выполнена из железно-кремниевого сплава.

3. Актуатор по п. 2, характеризующийся тем, что концентрация массы кремния в железно-кремниевом сплаве больше или равна 2% и меньше или равна 6,5%.

4. Актуатор по п. 2, характеризующийся тем, что подвижная деталь (6') произведена согласно способу литья металла под давлением.

5. Актуатор по п. 1, характеризующийся тем, что число выемок (30') находится между 1 и 10.

6. Актуатор по п. 1, характеризующийся тем, что радиус (R6) подвижной детали (6') больше или равен 3 мм и меньше или равен 10 мм, и тем, что длина (L30') одной или более выемок (30') больше или равна 30% радиуса и меньше или равна 90% радиуса.

7. Электрическое переключающее устройство (40), включающее в себя переключающий механизм (44) и электромагнитный актуатор, соединенный с переключающим механизмом, характеризующееся тем, что электромагнитный актуатор (2) выполнен по любому из предшествующих пунктов.