Электромагнит для быстродействующего выключателя Советский патент 1993 года по МПК H01F7/08 

Изобретение относится к электрическим аппаратам и может быть использовано fe быстродействующем автоматическом выключателе как тягового, так и общепромышленного исполнения.

Цель изобретения - расширение эксплуатационных возможностей электромагнита за счет обеспечения возможности изменения диапазона регулировки уста во к и уменьшение мощности удерживающей катушки за счет уменьшения ее ампервитков.

На фиг. 1 представлен электромагнит во включенном положении и указаны направления магнитных потоков для принятых направлений токов в витках катушек; на фиг. 2 - упрощенная схема замещения магнитной цепи электромагнита.

Электромагнит состоит из магнитопро- вода 1 с двумя окнами 2 и 3. Первое окно 2 образовано якорем 4, двумя стержнями 5 и магнитным шунтом 6. Второе окно 3 образовано магнитным шунтом б, стержнями 5 и сердечником 7, В стержнях 5 и магнитном шунте 6 имеются регулировочные винты 8. Между магнитным шунтом б и стержнями 5, а также между стержнями 5 и сердечником 7 имеются зазоры 9 и 10. На сердечнике 7 находится удерживающая катушка 11с выводами .12 и 13. Начала и концы витков катушки 11 расположены во втором окне 3, начальный виток 14 имеет вывод 12, предназначенный для соединения с выводом плюс источника питания (источник не показан). На магнитном шунте 6 установлена отключающая катушка 15. выводы 18,19 начального и конечного витков 16 и 17 которой пропущены во второе окно 3. Вывод 18 начального витка .16 предназначен для соединения с выводом плюс защищаемой цепи (цепь не показана), а вывод 19 конечного витка 17 соответственно с выводом минус. За якорь 4 зацеплена пружина 20, для огра- ничения хода якоря имеются упоры 21.

Электромагнит работает следующим образом.

Для включения электромагнита удерживающая катушка 11 подключается к источнику питания. Она создает поток Фс. к., Который разветвляется на потоки Фя . к. и Фя.к. Потока Фя.к. недостаточно для включения, поэтому перемещение якоря 4 или магнитопровода 1 при неподвижном и прилегающем к упорам 2.1 я ко ре 4 осуществляется приводом (не показан).

Физически отключающая катушка 15 соответствует двум контурам токов, один из ко/горых замыкается вокруг магнитного шунта 6 и создает магнитный поток Фщ .в, другой - вокруг стержня 5 и создает магнитный поток Фс . г. . Поток Фш.в. разветвляется На ПОТОКИ Фс.в. И Фя.в. ПОТОК Фс.г.

разветвляется на потоки Фш.г. и Фя.г. Разность потоков от. отключающей катушки

Фя.в. и Фя.г. в якоре направлена встречно Потоку от удерживающей катушки Фя.к. и по мере роста тока в отключающей катушке 15 сила, удерживающая якорь 4, уменьшается. При достижении током величины уставки,

задаваемой силой пружины 20, якорь приходит в движение. Ход якоря 4 ограничивается упорами 21.

При оперативном или аварийном прекращений питания удерживающей, катушки

15 поток Фс.к. падает до нуля и якорь 4 приходит в движение.

Перемещение якоря 4 при автоматическом или оперативном отключении может быть использовано для расцепления защелки или для приведения в движение контактов автоматического выключателя.

Для достижения поставленной цели определение Параметров электромагнита производится по схеме замещения его

магнитной цепи (фиг. 2). Система уравнений:

Фя -Фш -Фс 0(1 )

A + --f -f 0

Ф я i л. Я ш Н Я с

4 ш-1---I--

Л сАщ АС

FK-F(t);-FTl(t)-0, (3)

Решая Систему уравнений (1), (2), (3) относи- 40 тельно потока в якоре, получаем:

ф Я FK/C +FT2(t)Ac -FT1 (t)Auj

.: .. /W+AUJ+AC

где Фя,ФшиФс потоки в якоре, магнитном шунте и сердечнике;

Я я , Я ш и А с - магнитные проводимости участков якоря, магнитного шунта и сердеч- ника магнитной цепи электромагнита;

FK - ампервитки удерживающей катушки;

FTi(t) и FT2(t)- изменяющиеся во времени м.д.с. отключающей катушки первого и второго электрических контуров вокруг магнитного шунта и стержня соответственно.

По виткам отключающей катушки протекает один и тот же ток, поэтому можно принять FTi(t) FT2(t) FT(t) и при FK FK.H. записать уравнение (4) в виде:

Ф,

i У FK.H+FT(t) (1 -Ящ/Яс)

- ЛяЛс ----:---I L I ... .------

Ля ЬЯш Ьлс

где FK.H. ампервитки удерживающей катушки при заданном номинальном токе.

Из (5) видно, что при Ас 2:Яш срабатывание электромагнита невозможно. Для обеспечения срабатывания электромагнита в момент достижения током в отключающей катушке величины уставкй необходимо выполнение условия: .

А ш Л

(6)

Тогда по мере роста FT(t) и достижении током в отключающей катушке тока уставкй (м,д.с. FT.y) магнитный поток Фя будет уменьшаться и станет равным потоку Фя. у. . при котором электромагнитная сила станет равной силе пружины и якорь придет в движение.

Быстродействие электромагнита зависит от интенсивности уменьшения электромагнитной силы при росте аварийного тока от ее максимальной величины до величины равной силе пружины.

Величины электромагнитных сил зависят от магнитных потоков Фя. м и Фя. у.

Максимальный поток и поток, при котором происходит отключение электромагнита, находятся из выражений:

к . н

Яя Я

А я -f Я ш Ь Я с

(7)

ф Рк яГ;1ш) ()

Ток, при котором происходит срабатывание электромагнита, связан с инерционными силами, зависящими от массы якоря (и связанных с ним подвижных частей) и возникающими в результате воздействия на электромагнит возмущающих механических факторов (вибрации, удары и т.п.). Ус- тойчивость электромагнита к воздействию этих факторов зависит от соотношения упомянутых электромагнитных сил. По найденным потокйм Фя . м и Фя . у могут быть вычислены электромагнитные силы, а их отношение представляет собой отношение квадратов потоков, Требования, предъявляемые к электромагниту, характеризуются коэффициентом К:

If -

Ф2я.м Ф2я.у

()

где К - коэффициент, учитывающий требования, предъявляемые к электромагниту по быстродействию и устойчивости к воздействию возмущающих механических факторов. Коэффициент К больше единицы. С уче- том введения положительного допуска (10- 15%) необходимо для компенсации технологических отклонений величин магнитных потоков, минимальное значение коэффициента. обеспечивающее работоспособность электромагнита при невысоких требованиях относительно быстродействия и воздействия возмущающих механических факторов,

может быть принято равным 1,1 - 1,15. Максимальное значение коэффициента ограни- чивается величиной FK.H., допустимыми значениями индукции в магнитопроводе, возможностями привода и т.п. конструктивными и технологическими соображениями.

Магнитная проводимоетьз Яш ависит в

основном QT величин зазоров 9, магнитная

проводимость Я с зависит от положения

(глубины погружения) регулировочных винтов 8, Для изменения Я с могут быть также введены зазоры 10, а для изменения Яш и регулировочные винты 8. При расчете про- водимостей Я я,Яш иАс в зависимости от желаемой точности расчета схема замещения (фиг. 2} может быть усложнена и при этом (не меняя общий порядок расчета) могут быть учтены потоки рассеяния, потоки выпучивания и магнитное сопротивление

стали.

Отключение электромагнита произойдет при величине потока Фя . у также и при

снижении ампервитков удерживающей ка- тушки с FK FK.H. до FK Рк.отп (ампервитки отпадания). так как Рк.отп зависит от величины магнитной проводимости Яш , то возникает необходимость ограничить Рк.отп. допустимым значением Рк.отп. Оно, в свою

очередь, зависит от колебания напряжения источника питания, от влияния воздействий механических и климатических факторов, а также от технологии производства.

Выбором величин магнитных проводи-.

мостей (Я ш ,ЯС) и их соотношений, а конструктивно - выбором количества и мест установки регулировочных винтов и выбором отношения диаметра регулировочного . винта к ширине, например, стержня (с учетом при этом нелинейности характеристик магнитопроводящего материала магнито- провода) можно снизить значение FK.OTTI., а также получить у электромагнита свойство ассиметрии тока уставкй для разных направлений тока в отключающей катушке (т.е., например, при полярности, обратной обозначенной на фиг, 1, получить уставку

3. Электромагнит по пп. 1,2, о т л и ч а- ю щ и и с-я тем, что в стержнях указанного П-образного магнитопровода выполнены резьбовые отверстия, в которые установлены магнитопроводящие регулировочные винты.

4. Электромагнит по пп. 1 и 2. о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что в магнитном шунте выполнены резьбовые отверстия, в которые установлены магнцтопроводящие регулировочные винты.

5. Электромагнит по пп, 1-4, о т л И ч%-|:; ю щ и и с я тем, что сердечник установ/ШЙ с зазором между ним и стержнями.

Использование: в электрических аппаратах, в быстродействующих автоматических выключателях. Сущность изобретения: электромагнит содержит магнитопровод 1 с двумя окнами 2, 3, сердечник 7 с удерживающей катушкой 11, стержни 5, якорь 4 и магнитный шунт 6 с отключающей токовой катушкой 15. Начальный и конечный витки 16, 17 пропущены в окно 3, а параметры электромагнита выбраны из условий: 20 Аш Ас,Фям/Фяу КиРКотп Рк.отп, где Ркртп - допустимое значение ампервит- ков удерживающей катушки, при которой может происходить отпадание якоря. Магнитные проводимости ЯщиЯс зависят от зазоров 9 и 10 и положения регулировочных магнитопроводящих винтов 8, отношение квадратов потоков 01миФяу от К, учитывающего требования по быстродействию и устойчивости к воздействию возмущающих механических факторов. Результирующий поток в якоре 4 от отключающей катушки 15 направлен встречно Фя. Аварийный ток в витках катушки 15 (FT, FT2) увеличивает результирующий поток(Фяв - ФА.т происходит отключение, якорь 4 движется под действием пружины 20. Расширяются экс- . плуатационные возможности за счет обеспечения изменения диапазона регулировки, уставок и снижается мощность удерживающей катушки за счет уменьшения ее ампер- витков. 2 ил,, 4 з.п.ф. (Л 00 д vj д N со

Фиг2