Двопозиційний електромагнітний привід

1. Двопозиційний електромагнітний привід, що містить нерухому частину магнітопроводу, що складається з корпусу кільцеподібної форми і з'єднаних з ним верхньої і нижньої кришок дископодібної форми, виконаних з центральними отворами, рухому частину магнітопроводу, яка розташована коаксіально в корпусі і складається з штока, розміщеного в центральних отворах верхньої і нижньої кришок з можливістю зворотно-поступального переміщення в осьовому напрямі, і якоря циліндричної форми, закріпленого на штоку між зазначеними кришками, і котушку, розташовану між корпусом і якорем, при цьому висота корпусу перевищує висоту якоря не менше, ніж на величину робочого ходу штока, висота штока перевищує висоту нерухомої частини магнітопроводу, зазначені кришки і якір виконані з магнітом'якого матеріалу, а шток виконаний з немагнітного матеріалу, який відрізняється тим, що котушка розташована із створенням під її торцевою поверхнею кільцеподібного зазору між якорем і корпусом, в зазначеному зазорі встановлена кільцеподібна втулка і постійний магніт, розташовані, відповідно, по зовнішній поверхні якоря і по внутрішній поверхні корпусу, а корпус і кільцеподібна втулка з'єднані між собою елементами кріплення, при цьому висота корпусу перевищує висоту кільцеподібної втулки, висота U 2 UA 1 3 осердя з центральним отвором і кільцевим виступом на зовнішній поверхні в його середній частині. При цьому висота корпусу перевищує висоту циліндричного осердя. Рухома частина магнітопроводу складається з штока, розташованого в центральному отворі циліндричного осердя, і закріплених на протилежних кінцевих частинах штока двох якорів дископодібної форми. Якорі виконані з різними площами поперечного перерізу. Відстань між якорями перевищує висоту корпусу на задану величину робочого ходу штока. Котушки закріплені між корпусом і циліндричним осердям з обох боків від кільцевого виступу з утворенням зазору між останнім і внутрішньою поверхнею корпусу. Постійний магніт розташований у згаданому зазорі по поверхні кільцевого виступу циліндричного осердя. Корпус і циліндричне осердя з'єднані між собою за допомогою елементів кріплення. Корпус, осердя і якори виконані з магнітом'якого матеріалу, шток і елементи кріплення виконані з немагнітного матеріалу, а постійний магніт виконаний з висококоерцитивного магнітотвердого матеріалу, намагніченого в радіальному напрямі. Вказаний двохпозиційний електромагнітний привід містить два повітряні зазори в магнітних колах включення і відключення, один з яких утворюється між відповідним якорем і нерухомою частиною магнітопроводу, а другий утворюється між торцями корпусу і циліндричним осердям з одного боку приводу. Відомий двопозиційний електромагнітний привід має просту конструкцію і невеликі масогабаритні характеристики. Виконання двох повітряних зазорів забезпечує достатньо високі значення зусиль утримання рухомої частини магнітопроводу в його кінцевих положеннях при знеструмлених котушках. Недоліком відомої конструкції двопозиційного електромагнітного приводу є його виконання з відкритими торцевими частинами, що приводить до зміни силових характеристик в результаті забруднення прилеглих поверхонь рухомої і нерухомої частин магнітопровода в повітряних зазорах, що знижує надійність роботи в експлуатації. Відомий двопозиційний електромагнітний привід, який використовується у вакуумних вимикачах високої напруги серії BB/TEL виробництва Компанії "Тавріда Електрик" [2], що містить нерухому частину магнітопроводу, рухому частину магнітопроводу і котушку. Нерухома частина магнітопроводу складається з корпусу кільцеподібної форми і з'єднаних з ним верхньої і нижньої кришок дископодібної форми, виконаних з центральними отворами і кільцеподібними фланцями навкруги них. Рухома частина магнітопроводу розташована коаксіально в корпусі і складається з штока, розташованого в центральних отворах верхньої і нижньої кришок з можливістю зворотно-поступального переміщення в осьовому напрямі, і якоря циліндричної форми, закріпленого на штоку між згаданими кришками. Якір виконаний з кільцевим обмежувальним пояском у верхній частині і центральним отвором з різними діаметрами для розміщення штока, пружини відключення і торцевої втулки. Зовнішній діаметр якоря відповідає діаметру центрального отвору в нижній кришці. Висота што 51731 4 ка перевищує висоту нерухомої частини магнітопроводу, а висота корпусу перевищує висоту якоря на задану величину робочогоходу штока. Котушка розташована між корпусом і якорем. Діаметр котушки більше зовнішнього діаметра якоря. Верхня і нижня кришки і якір виконані з магнитом'якого матеріалу, шток виконаний з немагнітного матеріалу, а корпус виконаний з низькокоерцитивного магнітотвердого матеріалу. У включеному стані приводу якір утримується при знеструмленій котушці за рахунок дії залишкової індукції, яка створюється корпусом у верхній кришці і якорі. Відключення приводу здійснюється за допомогою розмагнічування корпусу. У відключеному стані приводу якір утримується при знеструмленій котушці за рахунок дії пружини відключення. Відомий двопозиційний електромагнітний привід містить один повітряний зазор в магнітних ланцюгах включення і відключення, утворений між прилеглими поверхнями якоря і верхньої кришки. Виконання відомого двопозиційного електромагнітного приводу з верхньою кришкою, що закриває повітряний зазор між її нижньою поверхнею і якорем, виключає забруднення їх прилеглих поверхонь, що забезпечує стабільність його силових характеристик і підвищення надійності роботи в експлуатації. Недоліком відомої конструкції двопозиційного електромагнітного приводу є невеликі зусилля утримання рухомої частини магнітопроводу в його кінцевих положеннях, обумовлені виконанням магнітної системи з магнітом, що "перемагнічується" при його включенні і відключенні, який є корпусом приводу і виконаний з низькокоерцитивного магнітотвердого матеріалу, і одним повітряним зазором в магнітних колах включення і відключення, що істотно знижує надійність його роботи в експлуатації і обмежує застосування приводу в умовах підвищеної вібрації і ударів, при яких можливо його мимовільне відключення. В основу корисної моделі поставлена задача створення такого двопозиційного електромагнітного приводу, в якому за рахунок іншого конструктивного виконання елементів магнітної системи, іншого їх взаємозв'язку між собою і виконання магніта з висококоерцитивного магнітотвердого матеріалу забезпечується збільшення зусиль утримання рухомої частини магнітопроводу в його кінцевих положеннях при знеструмлених станах катушки і, відповідно, підвищення надійності його роботи в експлуатації. Поставлена задача вирішується тим, що в двопозиційному електромагнітному приводі, що містить нерухому частину магнітопроводу, що складається з корпусу кільцеподібної форми і з'єднаних з ним верхньої і нижньої кришок дископодібної форми, виконаних з центральними отворами, рухому частину магнітопроводу, яка розташована коаксіально в корпусі і складається з штока, розміщеного в центральних отворах верхньої і нижньої кришок з можливістю зворотно-поступального переміщення в осьовому напрямі, і якоря циліндричної форми, закріпленого на штоку між зазначеними кришками, і котушку, розташовану між корпусом і якорем, при цьому висота корпусу перевищує 5 висоту якоря не менше, ніж на величину робочого ходу штока, висота штока перевищує висоту нерухомої частини магнітопроводу, зазначені кришки і якір виконані з магнітом'якого матеріалу, а шток виконаний з немагнітного матеріалу, згідно корисної моделі, котушка розташована із створенням під її торцевою поверхнею кільцеподібного зазору між якорем і корпусом, в зазначеному зазорі встановлена кільцеподібна втулка і постійний магніт, розташовані, відповідно, по зовнішній поверхні якоря і по внутрішній поверхні корпусу, а корпус і кільцеподібна втулка з'єднані між собою елементами кріплення, при цьому висота корпусу перевищує висоту кільцеподібної втулки, висота кільцеподібної втулки перевищує висоту постійного магніту, корпус і кільцеподібна втулка виконані з магнітом'якого матеріалу, постійний магніт виконаний з висококоерцитивного магнітотвердого матеріалу, а елементи кріплення виконані з немагнітного матеріалу. Для спрощення конструкції системи керування магнітними колами включення/відключення і, відповідно, підвищення надійності роботи всього приводу в експлуатації котушка містить обмотки включення і відключення, розташовані на одному каркасі. Для створення різних за значенням зусиль утримання рухомої частини магнітопровода у включеному і відключеному станах при знеструмленій котушці верхня і нижня кришки виконані з різними площами поперечного перерізу. Для запобігання зносу центральних отворів у верхній і нижній кришках і зміщення штока від співвісного з ними положення, і, відповідно, підвищення надійності роботи приводу в експлуатації верхня і нижня кришки містять втулки, виконані з немагнітного матеріалу і розташовані в центральних отворах кришок. Постійний магніт виконаний у вигляді одного магніту або у вигляді окремих магнітів, наприклад, у формі призм або паралелепіпедів. Для виключення зміщення деталей нерухомої частини магнітопроводу і, відповідно, підвищення надійності роботи приводу в експлуатації корпус і кільцеподібна втулка виконані принаймні з трьома парами співвісних отворів для встановлення елементів кріплення, при цьому вісь щонайменше однієї пари отворів не співпадає з осями інших пар. Для підвищення технологічності виготовлення приводу елементи кріплення виконані, наприклад, у вигляді штифтів. Сукупність загальних і відрізнювальних істотних ознак конструкції, що заявляється, дозволяє реалізувати в двопозиційному електромагнітному приводі достатньо великі значення зусиль утримання рухомої частини магнітопроводу в кінцевих положеннях при знеструмлених станах котушки і, відповідно, підвищення надійності роботи приводу в експлуатації. Використовування в конструкції приводу постійного магніту з висококоерцитивного магнітотвердого матеріалу і виконання корпусу і кільцеподібної втулки з магнітом'якого матеріалу дозволяє значно збільшити зусилля утримання якоря в його кінцевих положеннях і тягові характе 51731 6 ристики приводу в порівнянні з приводомнайближчим аналогом. З урахуванням тривалого механічного ресурсу роботи приводу у високовольтних вакуумних вимикачах, що передбачає не менше 50000 циклів включення і відключення, виконання корпусу і кільцеподібної втулки щонайменше з трьома парами співісних отворів для розміщення елементів кріплення, з яких вісь однієї пари отворів не співпадає з осями інших пар, а також використання як елементів кріплення штифтів з немагнітного матеріалу дозволяє забезпечити стабільність силових характеристик приводу і за рахунок цього підвищити його надійність при експлуатації і технологічність складання при виготовленні. Розташування втулок в центральних отворах верхньої і нижньої кришок покращує центрування рухомої частини магнітопроводу щодо нерухомої частини і запобігає появі сил одностороннього тяжіння між якорем і кільцеподібною втулкою, які можуть виникнути при складанні приводу, що додатково забезпечує стабільність силових характеристик приводу і підвищує його надійність. Таку ж технічну задачу забезпечує виконання котушки з обмотками включення і відключення, розташованими на одному каркасі. Виконання верхньої і нижньої кришок з різними площами поперечного перерізу забезпечує створення різних по величині зусиль утримання рухомої частини магнітопроводу у включеному і відключеному станах при знеструмленій котушці. Сутність корисної моделі, що заявляється, пояснюється представленими фігурами креслень, де на Фіг.1 показано вид спереду (осьовий переріз) двопозиційного електромагнітного приводу з чотирма елементами кріплення; на Фіг.2 - переріз А-А на Фіг.1; на Фіг.3 - переріз Б-Б на Фіг.4 (двопозиційний електромагнітний привід з трьома елементами кріплення); на Фіг.4 - переріз В-В на Фіг.3. Двопозиційний електромагнітний привід містить (Фіг.1, 2) нерухому частину магнітопроводу, рухому частину магнітопроводу, котушку і постійний магніт. Нерухома частина магнітопроводу складається з корпусу 1 кільцеподібної форми, кільцеподібної втулки 2 і з'єднаних з корпусом 1 верхньої 3 і нижньої 4 кришок дископодібної форми, виконаних з центральними отворами (не позначені), в яких розміщені втулки 5. Корпус 1 і кільцеподібна втулка 2 розташовані коаксіально один щодо одної, при цьому висота корпусу 1 перевищує висоту кільцеподібної втулки 2. Верхня 3 і нижня 4 кришки виконано з різними площами поперечного перерізу. Рухома частина магнітопроводу розташована коаксіально в корпусі 1 і складається з штока 6, розміщеного у втулках 5 центральних отворів верхньої 3 і нижньої 4 кришок з можливістю зворотнопоступального переміщення в осьовому напрямі, і якоря 7 циліндрової форми, закріпленого на штоку 6 між згаданими кришками 3 і 4. Якір 7 виконаний з центральним отвором (не позначено) з ступінчастим діаметром для кріплення на штоку 6. Висота штока 6 перевищує висоту нерухомої частини магнітопроводу. Відстань між нижньою поверхнею верхньої кришки 3 і втулкою 5 нижньої кришки 4 7 перевищує висоту якоря 7 на задану величину робочого ходу зі створенням в його кінцевих положеннях повітряного зазора "а" з відповідною поверхнею верхньої 3 або нижньої 4 кришок. Зовнішній діаметр якоря 7 менший за внутрішній діаметр кільцеподібної втулки 2, а її зовнішній діаметр менший за внутрішній діаметр корпусу 1. Котушка 8 розташована між корпусом 1 і якорем 7 зі зміщенням до верхньої кришки З і створенням під протилежною торцевою поверхнею кільцеподібного зазору (не позначений) між якорем 7 і внутрішньою поверхнею корпусу 1. Котушка 8 містить обмотки включення і відключення, розташовані на одному каркасі (не показані). У згаданому зазорі під котушкою 8 коаксіально якорю 7 по його зовнішній поверхні розташована кільцеподібна втулка 2, а по внутрішній поверхні корпусу 1 - постійний магніт 9. Висота кільцеподібної втулки 2 перевищує висоту постійного магніта 9. В наведеному прикладі постійний магніт 9 виконаний у вигляді окремих магнітів, наприклад, у формі призм або паралелепіпедів. Постійний магніт 9 може бути також виконаний кільцевої форми (не показано). Корпус 1 і кільцеподібна втулка 2 виконані, наприклад, з чотирма (Фіг.1, 2) або з трьома (Фіг.3, 4) парами співвісних отворів 10 для встановлення елементів кріплення 11. Вісь щонайменше однієї пари отворів 10 не співпадає з осями інших пар отворів 10. Як елементи кріплення 11 використовуються, наприклад, штифти. Корпус 1, кільцеподібна втулка 2, верхня 3 і нижня 4 кришки і якір 7 виконано з магнітом'якого матеріалу, шток 6 і елементи кріплення 11 виконані з немагнітного матеріалу, а постійний магніт виконаний з висококоерцитивного магнітотвердого матеріалу. Робота двопозиційного електромагнітного приводу, що заявляється, пояснюється на прикладі його використовування у високовольтному вакуумному вимикачі і здійснюється в такий спосіб. На представлених фігурах 1 і 3 показано положення штока 6 і якоря 7 у відключеному стані приводу. У вимкненому стані приводу котушка 8 знеструмлена. Якір 7 притиснутий до втулки 5 на нижній кришці 4 і утримується в цьому положенні під дією постійного магніта 9, намагніченого в радіальному напрямі. Між верхньою поверхнею якоря 7 і верхньою кришкою 3 утворюється повітряний зазор "а". Постійний магніт 9 створює поляризуючі магнітні потоки, один з яких проходить через нижню частину корпусу 1, кільцеподібну втулку 2, нижню кришку 4 і якір 7, а другий - через верхню частину корпусу 1, кільцеподібну втулку 2, верхню кришку 3 і якір 7. Величина першого поляризуючого магнітного потоку і, відповідно, електромагнітна сила в багато разів перевищує величину другого поляризуючого магнітного потоку і створеної ним електромагнітної сили. За рахунок різниці величин електромагнітних сил привід надійно утримується у відключеному стані, при якому головні контакти в камері вакуумного вимикача розімкнеш (не показані). Так, зусилля утримання якоря 7 у вимкненому стані вимикача, створене постійним магнітом 9 51731 8 при товщині втулки 5 на нижній кришці 4, що дорівноє 3мм, складає близько 500Н. Включення приводу здійснюється за допомогою подачі струму на обмотку включення котушки 8 від зовнішнього джерела живлення (не показане). Напрям магнітного потоку, який створюється котушкою 8, співпадає з напрямом поляризуючого магнітного потоку, що проходить через верхню кришку 3 і протилежний напряму поляризуючого магнітного потоку, що проходить через нижню кришку 4. При такому напрямі поляризуючих магнітних потоків електромагнітна сила тяжіння якоря 7 до нижньої частини корпусу 1 і до нижньої кришки 4 зменшується, а сила його тяжіння до верхньої частини корпусу 1 і, відповідно, до верхньої кришки 3 збільшується. В мить, коли електромагнітна сила тяжіння якоря 7 до верхньої частини корпусу 1 і верхньої кришки 3 стає більшою за електромагнітну силу, що утримує його в крайньому нижньому положенні, починається переміщення штока 6 із закріпленим на ньому якорем 7. При переміщенні штока 6 величина повітряного зазора "а" між прилеглими поверхнями верхньої кришки 3 і якорі 7 зменшується, а між відповідними поверхнями нижньої кришки 4 і якорі 7 збільшується. Після досягнення якорем 7 кінцевого положення обмотка включення на котушці 8 відключається системою управління приводу (не показана). В крайньому верхньому положенні якір 7 утримується під дією постійного магніта 9. За рахунок повітряного зазора "а" між якорем 7 і нижньою кришкою 4, а також за рахунок більшої площі поперечного перерізу верхньої кришки 3 в порівнянні з площею поперечного перерізу нижньої кришки 4 електромагнітна сила, що утримує якір 7 у включеному стані, у декілька разів більше, ніж у вимкненому стані. При цьому головні контакти в камері вакуумного вимикача замкнуті (не показані). Зусилля утримання якоря 7 у включеному стані вимикача, що створюється постійним магнітом 9, складає близько 3400 Н. Для перемикання приводу з включеного у відключений стан від зовнішнього джерела живлення (не показане) на обмотку відключення котушки 8 короткочасно подається струм протилежного напряму, внаслідок чого шток 6 з якорем 7 переміщується в початкове положення. Технічне рішення, що заявляється, пройшло випробування, результати якого підтвердили працездатність двопозиційного електромагнітного приводу і отримання очікуваних технічних результатів. В конструкції приводу в порівнянні з приводом-прототипом зусилля утримання якоря у включеному стані вимикача збільшено майже в 3 рази при приблизно однакових масогабаритних характеристиках. При цьому зусилля утримання якоря у відключеному стані складає близько 500Н. Це дозволяє істотно підвищити надійність роботи і комутаційний ресурс двопозиційного електромагнітного приводу в експлуатації і знімає будь-які обмеження на його застосування в умовах підвищеної вібрації і ударів. Джерела інформації. 1. Патент UA №70574А, H01F7/08, Н01F7/16, заявл. 09.12.2003, опубл. 15.10.2004, Бюл. №10. 9 51731 2. BB/TEL. Вакуумный выключатель. Руководство по эксплуатации BB/TEL-10-20 (25)/1000 (1600). ТШАГ 674152.003 РЭ/Российская Группа Компаний ТАВРИДА ЭЛЕКТРИК. - 49с. - с.7-9. Комп’ютерна верстка О. Рябко 10 http://www.tavrida.ru/Product/CommutationDevice/Va cuumSwitch1000A/Documentation.aspx (найближчий аналог). Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601