Быстродействующий электромагнит
Полезная модель относится к электротехнике, в частности к защитной коммутационной аппаратуре, и может применяться в конструкции быстродействующих выключателей или реле для защиты от перегрузок и коротких замыканий электроустановок и линий постоянного тока. Техническая задача, решаемая полезной моделью, это создание быстродействующего электромагнита повышенного быстродействия, имеющего возможность регулирования токовых уставок срабатывания, а также в снижении величины динамического тока уставки по отношению к статическому току уставки. Технический результат достигается за счет того, что в известное устройство - быстродействующий электромагнит, содержащий магнитопровод с встроенным постоянным магнитом, создающим магнитное поле в указанном магнитопроводе, якорь с упругим элементом, причем в одном из стержней магнитопровода имеется отверстие для отключающей катушки, внесены изменения и дополнения, а именно:
- между отверстием для отключающей катушки и внутренним окном магнитопровода встроен подвижный ферромагнитный элемент, перемещение которого приводит к изменению магнитной проводимости указанного участка магнитопровода.
Кроме того, в устройство внесено еще ряд изменений и дополнений.
Преимущества предлагаемого технического решения перед известными заключаются в увеличении быстродействия и расширении возможностей его применения, т.к. в каждом конкретном случае можно использовать различные возможности настройки уставок тока и регулировать время срабатывания выключателей или реле, предназначенных для защиты от токовых перегрузок или коротком замыкании электротехнического оборудования.
4 п.ф. пм, из них 1 нз; фиг.1.
Полезная модель относится к электротехнике, в частности к защитной коммутационной аппаратуре, и может применяться в конструкции быстродействующих выключателей или реле для защиты от перегрузок и коротких замыканий электроустановок и линий постоянного тока.
Известна магнитная система катодных выключателей серии ВАБ-28, предназначенных для осуществления быстродействующей защиты, в частности, для селективного отключения неисправного агрегата от сборных шин [Голубев А.И., Быстродействующие автоматические выключатели, М. - Л., Энергия, 1964, с.161-162, Рис.67]. Быстродействующий электромагнит этой системы состоит из удерживающей катушки, расположенной на магнитопроводе, в котором выполнено отверстие для шины главного тока, и якоря, притягиваемого потоком, создаваемом в магнитопроводе.
Этот электромагнит способен выполнить работу отключения в короткий отрезок времени, однако в такой конструкции нет возможности регулировать ток уставки, при котором будет происходить отключение. Кроме того, в данной конструкции якорь удерживается в притянутом положении за счет магнитного поля, которое создается за счет тока в удерживающей катушке, что также ограничивает сферу применения такого электромагнита.
Известен быстродействующий электромагнит, содержащий П-образный магнитопровод, в окно которого пропущена токоведущая шина, якорь и магнитный шунт, охваченный короткозамкнутым витком. Магнитный шунт соединен со стержнями магнитопровода и образует магнитную цепь, параллельную магнитной цепи якоря [а.с. СССР 
262269, H01F 7/13, опубл. 26.01.1970, бюл. 6]. Магнитный шунт служит для уменьшения тока динамической уставки по сравнению со значением статической уставки при большой крутизне нарастания тока в защищаемой цепи, что увеличивает быстродействие электромагнита.
В этой конструкции величина тока притягивания якоря не зависит от направления тока в токоведущей шине, что сужает область применения таких электромагнитов. В то же время на постах секционирования железных дорог или при защите выпрямителей от обратных токов имеется необходимость, чтобы значения токов, при которых якорь притянется к магнитопроводу, для прямого и обратного направлений токов в токоведущей шине были различны.
Известен быстродействующий выключатель, содержащий электромагнит с окном, которое образовано двумя стержнями магнитопровода, ярмом и первым якорем, установленном на оси и снабженным пружиной и упором, системой рычагов и зацепов, второй якорь, соединенный с рычагом, установленном в окне магнитопровода на валике, к которому пружиной прижат дополнительный рычаг, причем на одном из стержней магнитопровода установлена отключающая катушка, а ярмо выполнено с зазором и на него может быть одето не менее одного электропроводящего короткозамкнутого кольца.
Устройство снабжено подвижными и неподвижными контактами и приводом для его включения (авт.свид. 1725286, опубликованное 07.04.1992 г.).
Основным недостатком этого устройство является его сложность и наличие большого количество механических деталей, которые не способны обеспечить надежную работу выключателя.
Кроме того, наличие зазора в ярме требует значительного изменение соотношения магнитных потоков для обеспечения соотношение токов срабатывания якорей, т.е. I1 и I2, что невозможно обеспечить приведенной конструкцией электромагнита.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является устройство для бездугового отключения силовых цепей переменного тока, содержащая якорь, снабженный пружиной растяжения препятствующей притягиванию его к двум стержневым полюсам магнитопровода, с другой стороны которых установлен постоянный магнит, образующий в магнитопроводе дополнительный магнитный поток притяжения якоря., причем в верхнем полюсном стержне имеется отверстие, через которое проходят витки отключающей катушки. [А.С. СССР 379938, Н01Н 33/44, опубл. 20.04.1973].
В данной конструкции якорь удерживается прижатым к магнитопроводу за счет магнитного поля постоянного магнита, и отрывается от магнитопровода, когда через витки катушки протекает ток достаточной величины, чтобы уменьшить удерживающий поток в якоре и он под действием пружины отрывается от магнитопровода.
Для перехода якоря во включенное положение достаточно подать напряжение на включающую катушку, расположенную на другом стержневом полюсе магнитопровода. В том случае, когда необходимо перевести устройство в положение «отключено» не имея нагрузки, на эту катушку подают напряжение противоположное полярности включения.
В этой конструкции так же, как и в вышеприведенном аналоге, нет возможности регулирования тока уставки, при котором якорь будет отрываться от магнитопровода. Кроме того, конструкция обладает недостаточным быстродействием, так как отрыв якоря будет происходить только после момента, когда ток в контролируемой электрической цепи достигнет тока уставки.
Техническая задача, решаемая полезной моделью, это создание быстродействующего электромагнита повышенного быстродействия, имеющего возможность регулирования токовых уставок срабатывания, а также в снижении величины динамического тока уставки по отношению к статическому току уставки.
Технический результат достигается за счет того, что в известное устройство - быстродействующий электромагнит, содержащий двухстержневой магнитопровод с постоянным магнитом, создающим магнитное поле в указанном магнитопроводе и якорь, снабженный упругим элементом, например пружиной растяжения, причем в одном из стержней магнитопровода имеется отверстие для отключающей катушки, внесены изменения и дополнения, а именно:
- между отверстием для отключающей катушки и внутренним окном магнитопровода встроен подвижный ферромагнитный элемент, перемещение которого приводит к изменению магнитной проводимости указанного участка;
Кроме того, магнитопровод и якорь целесообразно выполнить шихтованными из тонколистовой ферромагнитной стали, за исключением участка магнитопровода между отверстием для отключающей катушки и внутренним окном магнитопровода, который выполнен из нешихтованной ферромагнитной стали, а высота постоянного магнита в направлении намагниченности выбрана из условия, что она меньше зазора между магннитопроводом и якорем в разомкнутом состоянии.
Для ограничения зоны регулирования отношения динамической и статической уставок можно использовать и известную из аналого возможность, т.е. на часть магнитопровода между отверстием для отключающей катушки и внутренним окном магнитопровода дополнительно можно одеть, по крайней мере, не менее, чем одно короткозамкнутое кольцо из электропроводящего материала.
Перемещение ферромагнитного элемента изменяет магнитную проводимость этого участка магнитопровода, а следовательно это приводит к изменению величины тока в отключающей катушке, при которой будет происходить отрыв якоря от магнитопровода.
Вследствие этого перемещением ферромагнитного элемента можно изменять, как статический, так и динамический ток уставки электромагнита.
Ведение дополнительных электропроводящих короткозамкнутых колец позволяет снизить величину динамической уставки тока по отношению к статической уставке тока быстродействующего электромагнита. Вследствие этого может быть повышено быстродействие электромагнита, так как отрыв якоря от магнитопровода произойдет раньше, чем ток достигнет величины статического тока уставки.
В конкретном исполнении полезной модели, магнитопровод и якорь целесообразно выполнить шихтованными из тонколистовой ферромагнитной стали, а участок магнитопровода между отверстием для токоведущей шины и внутренней стороной магнитопровода - из нешихтованной ферромагнитной стали. Это также дает возможность снизить величину динамического тока уставки по отношению к величине статического тока уставки и, соответственно, повысить быстродействие электромагнита.
Опытным путем установлено, что быстродействие электромагнита повышается, если линейный размер постоянного магнита (высота) в направлении намагничивания меньше зазора между якорем и магнитопроводом в разомкнутом положении, в частности, меньше 10 мм. Например, для магнитопровода сечением 30×90 мм опытным путем выбран оптимальный размер постоянного магнита от 4 до 8 мм.
Полезная модель поясняется чертежом, где на фиг.1 схематично изображен патентуемый быстродействующий электромагнит. Быстродействующий электромагнит (фиг.1) содержит магнитопровод 1 с постоянным магнитом 2, якорь 3, пружина 4, отверстие 5, через которое проходят витки отключающей катушки 6. По отключающей катушке протекает ток защищаемой цепи. Участок 7 магнитопровода, расположенный между отверстием для отключающей катушки и внутренним окном магнитопровода, в который встроен подвижный ферромагнитный элемент 8 (см. разрез по АА). На участке 7 магнитопровода, расположенно короткозамкнутое кольцо 10 (или несколько колец) из электропроводящего материала, а на другом стержне магнитопровода катушка 11, которая служит для притягивания якоря к магнитопроводу из разомкнутого положения.
На чертеже также приводится нумерация магнитных потоков Ф1-Ф4.
Быстродействующий электромагнит работает следующим образом. Магнитный поток Ф1 (фиг.1) постоянного магнита 2 создает усилие, за счет которого якорь 3 удерживается в притянутом положении, преодолевая усилие пружины 4. Когда по отключающей катушке 6 протекает ток определенного направления, он создает магнитный поток Ф2, который делится на магнитные потоки Ф3 и Ф4. Магнитный поток Ф4 течет через участок 7 магнитопровода, расположенный между отверстием для отключающей катушки и внутренним окном магнитопровода. Магнитный поток Ф3 течет через стержни магнитопровода 1 и через якорь 3 и направлен встречно магнитному потоку Ф1, за счет чего суммарный магнитный поток в рабочих зазорах якоря уменьшается. При определенной величине тока, протекающего по отключающей катушке 6, усилие, удерживающее якорь 3 в притянутом положении, становится меньше усилия пружины 4, и якорь отрывается от магнитопровода. Эта величина тока и является током уставки электромагнита.
Если изменить положение ферромагнитного элемента 7, например, сместив его так, чтобы проводимость участка 6 между отверстием для токоведущей шины и внутренней стороной магнитопровода уменьшилась, то магнитный поток Ф2 перераспределится следующим образом: магнитный поток Ф4 уменьшится, а магнитный поток Ф3 увеличится. Это приведет к тому, что якорь 3 будет отрываться от магнитопровода 1 при меньшей величине тока, протекающего по отключающей катушке 6. Таким образом, перемещая ферромагнитный элемент 8, можно регулировать ток уставки быстродействующего электромагнита, независимоот того является ли она динамической или статической.
При большой крутизне нарастания тока, например, при коротком замыкании в защищаемой цепи, короткозамкнутые кольца 10 не позволяют быстро нарастать магнитному потоку Ф4. По этой причине значительно быстрей нарастает поток Ф3, благодаря чему якорь 3 оторвется от магнитопровода 1 раньше, чем ток, протекающий по отключающей катушке 6, достигнет величины тока уставки. За счет этого повышается быстродействие электромагнита.
Преимущества предлагаемого технического решения перед известными заключаются в увеличении быстродействия и расширении возможностей его применения, т.к. в каждом конкретном случае можно использовать различные возможности настройки уставок тока и регулировать время срабатывания выключателей или реле, предназначенных для защиты от токовых перегрузок или коротком замыкании электротехнического оборудования.
В настоящее время изготовлен опытно-промышленный образец полезной модели, который проходит испытания на Октябрьской железной дороге.
Внедрение разработки намечено на 2012 г, после анализа испытаний устройства.
1. Быстродействующий электромагнит, содержащий магнитопровод с встроенным постоянным магнитом, создающим магнитное поле в указанном магнитопроводе, якорь, снабженный упругим элементом, причем в магнитопроводе имеется отверстие для отключающей катушки, по которой протекает ток нагрузки, отличающийся тем, что в участок магнитопровода между отверстием для отключающей катушки и внутренним окном магнитопровода дополнительно введен ферромагнитный элемент с возможностью его перемещения для изменения магнитной проводимости указанного участка магнитопровода.
2. Быстродействующий электромагнит по п.1, отличающийся тем, что якорь и магнитопровод, за исключением участка магнитопровода между отверстием для отключающей катушки и внутренним окном магнитопровода, выполнены шихтованными из тонколистовой ферромагнитной стали, а указанный участок - из нешихтованной ферромагнитной стали.
3. Быстродействующий электромагнит по п.1, отличающийся тем, что размер постоянного магнита, в направлении его намагниченности, меньше зазора между магнитопроводом и якорем в разомкнутом состоянии.
4. Быстродействующий электромагнит по п.1, отличающийся тем, что на участок магнитопровода между отверстием для отключающей катушки и внутренним окном магнитопровода дополнительно надето, по крайней мере, не менее, чем одно короткозамкнутое кольцо из электропроводящего материала.
