Двопозиційний електромагніт

Винахід відноситься до області електротехніки і може бути використаний для приводів електричних вимикачів, зокрема, вакуумних вимикачів високої напруги. Відомий двопозиційний електромагніт [1], що складається з котушки, нерухомої частини магнітопроводу, виконаної з магніто-м'якого феромагнітного матеріалу у вигляді двох фланців (кришок) - упорного (верхнього) та прохідного (нижнього), кільцевого магніту, виконаного з магніто-твердого феромагнітного матеріалу, рухомої частини магнітопроводу (якоря), виконаної з магніто-м'якого феромагнітного матеріалу у вигляді циліндра та повертаючої пружини, розташованої між якорем та упорним фланцем. У вихідному положенні, завдяки дії тиску повертаючої пружини якір відходить від упорного фланцю і між ними утворюється немагнітний (повітряний) зазор. Якщо через котушку пропустити електричний струм певної величини, у магнітопроводі виникне магнітний потік, який намагнітить якір та фланці і якір, рухаючись у отворі прохідного фланцю, притягнеться до упорного фланцю, стискуючи повертаючу пр ужину. Одночасно з цим в осьовому напрямі намагнічується і кільцевий магніт, виконаний з магніто-твердого феромагнітного матеріалу. Якщо вимкнути струм у котушці, якір лишається у притягнутому положенні, завдяки дії залишкового магнітного потоку, який створюється намагніченим кільцевим магнітом. Для повернення якоря у вихідне положення через котушку треба пропустити струм протилежного напряму, завдяки чому кільцевий магніт розмагнічується, магнітний потік зменшується і під дією пружини якір відходить від упорного фланця. Використання принципу перемагнічування кільцевого магніту унеможливлює використання для їх виготовлення сучасних висококоерцитивних магніто-твердих матеріалів, для перемагнічування яких через котушку треба пропускати дуже великі струми, що потребує потужних джерел енергії у колах керування та створює проблеми комутації таких струмів. Використання ж магніто-твердих матеріалів з відносно малою коерцитивною силою зменшує магнітний потік у робочому зазорі і, як наслідок, зменшує силу, яка утримує якір у притягнутому положенні, що є суттєвим недоліком даного пристрою. Відомий також двопозиційний електромагніт фірми ALSTOM [2], складається з котушки, нерухомої частини магнітопроводу броньового типу, кільцевого магніту, виконаного з магніто-твердого феромагнітного матеріалу, рухомої частини магнітопроводу (якоря) у вигляді циліндра та допоміжних елементів нерухомої частини магнітопроводу, які перешкоджають розмагнічуванню постійного магніту при зміні напряму струму у котушці завдяки перетіканню магнітного потоку, що розмагнічує, з гілки кола, у якій розташований постійний магніт до шунтуючого магнітного кола. Недоліком такої конструкції електромагніту є відносно невелика сила утримання рухомої частини магнітопроводу при знеструмленій котушці у положенні "включено", тому що сила утримання в цьому положенні створюється лише в одному зазорі і обмежується величиною магнітної індукції насичення матеріалу магнітопроводу, яка у сучасних магніто-м'яких матеріалах дорівнює приблизно 2Тл, а відповідне до такої індукції значення сили утримання складає 16кГ/см 2. Найбільш близьким до технічного рішення, що пропонується, є двопозиційний електромагніт (актуатор), який використовується у вакуумних вимикачах високої напруги VM1 концерну ABB [3]. Двопозиційний електромагніт вимикача VM1 складається з нерухомої частини магнітопроводу, рухомої частини, двох котушок та постійних магнітів. Рухома частина магнітопроводу - якір представляє собою паралелепіпед, виготовлений з магніто-м'якого матеріалу. Котушки мають прямокутні отвори з розмірами, які приблизно дорівнюють ширині та глибині поперечного перетину якоря, розташовані у просторі паралельно одна одній на відстані, яка приблизно дорівнює ширині поперечного перетину якоря. Якір знаходиться усередині отвору котушки, причому довжина якоря менше відстані між протилежними поверхнями котушок, які є перпендикулярними осі якоря, на величину робочого ходу якоря. Нерухома частина магнітопроводу представляє собою пакет феромагнітних пластин прямокутної форми товщиною, яка приблизно дорівнює глибині поперечного перетину якоря. Пластини мають отвори прямокутної форми та два прямокутних виступи, які розташовані один навпроти другого посередині отвору. Виступи спрямовані усередину отвору і мають висоту, яка приблизно дорівнює відстані між ближніми поверхнями котушок, які є перпендикулярними осі якоря. Усередині отвору пакету пластин розташовані котушки та якір, який вільно переміщується у о творі котушок. На поверхнях виступів розташовані висококоерцитивні постійні магніти, які мають форму паралелепіпедів, ширина та глибина якого приблизно дорівнюють висоті виступу в отворі нерухомої частини магнітопроводу та товщині пакету пластин нерухомої частини магнітопроводу. Товщина магніту вибрана таким чином, що він майже повністю заповнює проміжок між торцем виступу нерухомої частини магнітопроводу та боковою поверхнею якоря. До складу рухомої частини електромагніту входить також немагнітний шток циліндричної форми, який є жорстко скріпленим з якорем, причому вертикальна вісь якоря (у напряму його довжини) та вісь штоку співпадають. На осі нерухомої частини магнітопроводу, що співпадає з віссю якоря, розташовані дві втулки, в отворах яких переміщується шток, який передає рух якоря рухомим контактам вакуумних камер вимикача. Якщо якір є притиснутим до нерухомої частини магнітопроводу, він надійно утримується у цьому положенні при знеструмлених котушках завдяки магнітному потокові, який створюється постійними магнітами. Цей магнітний потік значно перевищує потік через протилежну торцеву поверхню якоря, бо між нею та нерухомою частиною магнітопроводу є відносно великий немагнітний зазор, який приблизно дорівнює робочому ходу якоря. Якщо пропустити стр ум відповідної величини та напряму через котушку, яка розташована з боку цього зазору, якір почне переміщува тися таким чином, що немагнітний зазор з боку котушки, через яку тече струм, почне зменшуватися, а зазор з боку знеструмленої котушки почне збільшуватися. Коли якір упреться у нерухому частину магнітопроводу, він залишиться у цьому положенні і після відключення відповідної котушки завдяки магнітному потокові, який перетікає в бік меншого зазору. Даний електромагніт є двопозиційним, бо має два усталених положення при знеструмлених котушках. Недоліком такої конструкції електромагніту є відносно невелика сила утримання рухомої частини магнітопроводу при знеструмлених котушках, тому що сила утримання в кожному усталеному положенні створюється лише в одному зазорі і обмежується величиною магнітної індукції насичення матеріалу магнітопроводу, яка у сучасних магніто-м'яких матеріалах дорівнює приблизно 2Тл, а відповідне до такої індукції значення сили утримання складає 16кГ/см 2. Задачею винаходу є збільшення сили утримання рухомої частини магнітопроводу при знеструмлених котушках. Розв'язання цієї задачі досягається тим, що у двопозиційному електромагніті, який складається з нерухомої частини магнітопроводу, рухомої частини, дво х котушок та постійних магнітів, нерухома частина магнітопроводу складається з коаксіально розташованих деталей - циліндричного осердя з циліндричним отвором та кільцеподібним виступом у середній частині та кільцеподібного корпусу, площини торців якого паралельні одна одній та перпендикулярні осі нерухомої частини, внутрішній діаметр кільцеподібного корпусу перебільшує зовнішній діаметр кільцеподібного виступу на осерді, деталі нерухомої частини з'єднані між собою за допомогою немагнітних деталей, розташованих у зазорі між кільцеподібним виступом осердя та корпусом, причому ці деталі по азимуту лише частково заповнюють зазор, котушки розташовані між осердям та корпусом з обох боків кільцеподібного виступ у на осерді, постійні магніти розташовані у не зайнятій немагнітними деталями частині зазору між кільцеподібним виступом осердя та корпусом, а рухома частина складається з немагнітного штоку, розташованого у отворі осердя, причому осьовий розмір частини штоку з діаметром, який дорівнює діаметру отвору в осерді, перевищує осьовий розмір нерухомої частини магнітопроводу на величину ходу рухомої частини, та дво х коаксіальних зі штоком дископодібних якорів, закріплених на торцях частини штоку з діаметром, який дорівнює діаметру отвору в осерді. Вказане технічне рішення задачі пояснюється ескізами, наведеними на фігурах 1 та 2. Фіг.1 - профільна проекція (осьовий переріз) запропонованого двопозиційного електромагніту: 1 - осердя; 2 - кільцеподібний виступ на осерді; 3 - корпус; 4, 5 - котушки; 6, 7 - дископодібні якорі; 8 немагнітний шток. Фіг.2 - горизонтальна проекція (центральний переріз) запропонованого двопозиційного електромагніту: 1 - осердя; 2 - кільцеподібний виступ на осерді; 3 - корпус; 4, 5 - котушки; 9 - постійний магніт; 10 - немагнітна деталь, що з'єднує осердя з корпусом. Пристрій працює у такий спосіб. Коли один з якорів, наприклад, 6 є притиснутим до нерухомої частини магнітопроводу, яка складається з осердя 1 з кільцеподібним виступом 2 та кільцеподібного корпусу 3, причому корпус з осердям з'єднані за допомогою немагнітних деталей 10, які лише частково заповнюють зазор між виступом осердя та корпусом, відповідний якір надійно утримується у цьому положенні при знеструмлених котушках 4 та 5, завдяки магнітному потокові, який створюється постійними магнітами 9, що розташовані у не зайнятій немагнітними деталями частині зазору між кільцеподібним виступом осердя та корпусом. Цей магнітний потік значно перевищує потік через протилежний якір 7, бо між цим якорем та нерухомою частиною магнітопроводу є відносно великий немагнітний зазор, який приблизно вдвічі більший за робочий хід якоря. Якщо пропустити стр ум відповідної величини та напряму через розташовану з боку цього зазору котушку 5, магнітний потік, створений струмом котушки 5, через якір 6, притиснутий до нерухомої частини магнітопроводу, буде відніматися від потоку, створеного постійними магнітами 9, тому підсумковий магнітний потік через цей якір зменшиться. Магнітний потік, створений струмом котушки, через протилежний якір 7 буде додаватися до потоку, створеного постійним магнітом, тому підсумковий магнітний потік через цей якір, навпаки, збільшиться і якорі 6 та 7, завдяки штоку 8, який їх з'єднує, почнуть пересуватися таким чином, що немагнітний зазор з боку котушки, через яку тече струм, почне зменшува тися, а зазор з боку знеструмленої котушки, почне збільшуватися. Коли якір 7 упреться у нерухому частину магнітопроводу, він залишиться у цьому положенні і після відключення відповідної котушки завдяки магнітному потокові, створеному постійними магнітами, який перетікає в бік меншого зазору. Переключення електромагніту у вихідне положення забезпечується пропусканням струму відповідної величини та напряму через котушк у 4. Даний електромагніт є двопозиційним, бо має два усталених положення при знеструмлених котушках. Завдяки тому, що сила, яка притискає якір до нерухомої частини магнітопроводу, в запропонованій конструкції електромагніту створюється у дво х зазорах - між якорем і осердям та між якорем і корпусом, підсумкова сила утримання рухомої частини магнітопроводу при знеструмлених котушках збільшується приблизно вдвічі у порівнянні з силою утримання в електромагніті, де сила утримання створюється лише в одному зазорі, при тій самій величині магнітного потоку, тобто при тій самій масі постійних магнітів, та при тому ж самому поперечному перетині магнітопроводу. Ефективність пристрою, що пропонується, підтверджується порівняльними випробуваннями електромагніту вимикача VM1 та запропонованого електромагніту, який при менших габаритних розмірах, меншій загальній масі та меншій масі постійних магнітів забезпечував силу утримання приблизно 10кН, у той час, як електромагніт вимикача VM1 забезпечував силу утримання приблизно 4кН. Джерела інформації: 1. Выключатели вакуумные серии ВВ/TEL. Руководство по эксплуатации ИТЕА674152.003РЭ. 2002г. 2. AMD Magnetantrieb. AMD - Hochentwuckelte magnetische Antriebe fur Vakuum-Leistungsschalter / Каталог фірми ALSTOM. 3. VM1. Vakuum-Leistungsschalter mit Magnetantrieb / Каталог ABB Calor Emag Mittelspannung GmbH - ABB Sace T.M.S. S.p.A.