Высокочувствительный магнитный расцепляющий механизм

 

Изобретение относится к электротехнике, к электроаппаратостроению. Высокочувствительный магнитный расцепляющий механизм, управляемый дифференциальным током автоматического выключателя, заключенный в изоляционный корпус, состоящий из крышки и днища, содержит магнитопроводный сердечник с двумя полюсными наконечниками, на одном из которых установлена электромагнитная катушка, установленный со стороны днища на оси из немагнитопроводного материала основной двухполюсный полый цилиндрический постоянный магнит с линейным вдоль диаметра направлением намагничивания, одной плоскостью основания контактирующий с магнитопроводным сердечником, а другой плоскостью основания - с опорной пластиной, одновременно выполняющей роль подвески для пружины, воздействующей на якорь клапанного типа с ножевыми опорами, лежащий на полюсных наконечниках сердечника. При этом он снабжен вторым дополнительным двухполюсным полым цилиндрическим постоянным магнитом с линейным вдоль диаметра направлением намагничивания и неявно выраженными полюсами, установленным на магнитопроводном сердечнике со стороны якоря с возможностью вращения на оси из немагнитопроводного материала. В высокочувствительном магнитном расцепляющем механизме ось из немагнитопроводного материала может быть выполнена в виде заклепки переменного сечения. Изобретение позволяет усовершенствовать конструкцию магнитного расцепляющего механизма, обеспечить плавное регулирование магнитного потока, уменьшить влияние погрешностей изготовления элементов магнитной цепи, снизить себестоимость. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области электротехники, к электроаппаратостроению, в частности к конструкции магнитных расцепляющих механизмов, управляемых дифференциальным током автоматических выключателей.

Известен магнитный расцепляющий механизм на базе постоянного магнита автоматического выключателя, заключенный в корпус с крышкой и днищем, срабатывающий от тока утечки, содержащий магнитное ярмо с плоской деталью, отходящего от нее вертикального полюсного наконечника, снабженного катушкой, другого полюсного наконечника с постоянным магнитом. При этом корпус служит не только средством защиты, но и для анкеровок магнитной системы, необходимость в которых может возникать в процессе функционирования расцепляющего механизма. (Патент ФРГ 2029507).

Известна также конструкция магнитного расцепляющего механизма на базе постоянного магнита. (Патент Австрии 266092).

Известна также конструкция высокочувствительного магнитного расцепляющего механизма, управляемого дифференциальным (разностным) током автоматического выключателя, выбранного в качестве прототипа, заключенного в изоляционный корпус, состоящий из крышки и днища, содержащий магнитопроводный сердечник с двумя полюсными наконечниками, на одном из которых установлена электромагнитная катушка, неподвижно закрепленный двухполюсный полый цилиндрический постоянный магнит, опорную пластину, одновременно являющуюся подвеской пружины, воздействующей на якорь с ножевыми опорами. (Патент ФРГ 2529221).

В основе указанных и многих других известных конструкций высокочувствительных магнитных расцепляющих механизмов, управляемых дифференциальным током, наряду с магнитопроводным сердечником (ярмом), якорем, электромагнитной катушкой, лежит жестко закрепленный двухполюсный цилиндрический постоянный, как правило, литой магнит, с достаточно высокими требованиями к точности его магнитных параметров, таким как условная коэрцитивная сила по намагниченности; магнитная индукция в зазоре имитирующей магнитной системы; магнитный поток в зазоре имитирующей магнитной системы и так далее, которые, как правило, оговариваются в рабочем чертеже на магнит конкретного типа, а также к параметрам магнитной цепи, что требует повышенной точности изготовления ее элементов, увеличения трудоемкости и, как следствие, себестоимости изделий. К тому же регулировка величины магнитного потока при завершении узловой сборки перед установкой в корпус и проведении электрической проверки расцепляющего механизма невозможна.

Задачами, на решение которых направлено изобретение, являются усовершенствование конструкции высокочувствительного магнитного расцепляющего механизма, позволяющее осуществлять плавное регулирование в широком диапазоне величины магнитного потока, возбуждаемого постоянным магнитом, в поляризованной магнитной цепи, уменьшение влияния погрешностей изготовления элементов магнитной цепи, снижение себестоимости.

Для решения этих задач используется высокочувствительный магнитный расцепляющий механизм, управляемый дифференциальным током автоматического выключателя, заключенный в изоляционный корпус, состоящий из крышки и днища, содержащий магнитопроводный сердечник с двумя полюсными наконечниками, на одном из которых установлена электромагнитная катушка, расположенный со стороны днища на оси из немагнитопроводного материала, неподвижно закрепленный основной двухполюсный полый цилиндрический постоянный магнит с линейным вдоль диаметра направлением намагничивания, одной плоскостью основания контактирующий с магнитопроводным сердечником, а другой плоскостью основания - с опорной пластиной, одновременно выполняющей роль подвески для напряженной пружины, воздействующей на якорь клапанного типа с ножевыми опорами, лежащий на полюсных наконечниках магнитопроводного сердечника. Новым является то, что механизм снабжен дополнительным двухполюсным полым цилиндрическим магнитом с линейным вдоль диаметра направлением намагничивания и неявно выраженными полюсами, установленным на магнитопроводном сердечнике со стороны якоря с возможностью вращения на оси из немагнитопроводного материала.

В высокочувствительном магнитном расцепляющем механизме ось из немагнитопровдного материала может быть выполнена в виде заклепки переменного сечения.

Предлагаемое конструктивное решение высокочувствительного магнитного расцепляющего механизма позволяет: осуществлять плавное регулирование величины магнитного потока магнитной цепи, при проведении электрической проверки приводящее к срабатыванию механизма; снизить технические требования к магнитным параметрам постоянных магнитов, при этом появляется возможность использовать более дешевые нелитьевые магниты; уменьшить влияние погрешностей изготовления элементов магнитной цепи и других конструктивных элементов, в частности противодействующей пружины; снизить себестоимость.

В силу принятого за прототип конструктивного решения при фиксации опорной пластины фиксируется и ранее ориентированный в рабочее положение основной магнит, лишаясь возможности осевого вращения.

Наличие дополнительного постоянного магнита с аналогичными или близкими магнитными параметрами, установленного с возможностью вращения вокруг немагнитопроводной оси, обеспечивает возможность плавной регулировки величины потока магнитной индукции поляризованной магнитной цепи. Так, при начальной симметричной ориентации основного и дополнительного магнитов в магнитной цепи, благодаря сложению магнитных потоков, возникает суммарный, максимально возможный, магнитный поток, определяемый параметрами постоянных магнитов и магнитной цепи. В результате регулировки при электрической проверке расцепляющего механизма путем нагружения электромагнитной катушки током заданной величины и возбуждаемого ее магнитным полем встречного противодействующего потока магнитной индукции, и по мере разворота дополнительного магнита снижается величина суммарного потока магнитной индукции магнитной цепи, то есть осуществляется регулирование величины магнитного потока вплоть до срабатывания магнитного расцепляющего механизма.

Интерпретируем процедуру регулировки в аналитической форме. Нагружая электромагнитную катушку током, например, при однополупериодном выпрямлении, среднее значение которого определяется как где I_е - среднее значение тока; Т - период синусоидального тока; Т/2 - полупериод синусоидального тока; i - мгновенное значение тока; dt - бесконечно малый интервал времени; I_m - амплитудное или максимальное значение тока, в катушке возбуждается магнитное поле, и в магнитной цепи возникает противодействующий поток магнитной индукции Φ_к, определяемый как
где среднее значение тока, протекающего через катушку при однополупериодном выпрямлении;
L - индуктивность электромагнитной катушки.

Так как суммарный магнитный поток Φ_Σ, возбуждаемый в магнитной цепи, при начальной симметричной ориентации полюсов основного и дополнительного магнитов до прохождения тока через катушку определяется как
Φ_Σ = ∫_sB₁cosαdS+∫_sB₂cosϕdS (3)
где ∫_sB₁cosαS - поток магнитной индукции, возбуждаемый основным магнитом;
∫_sB₂cosϕS - поток магнитной индукции, возбуждаемый дополнительным магнитом;
В₁, В₂ - модули векторов магнитной индукции основного и дополнительного магнитов;
B₁cosα - проекция вектора магнитной индукции основного магнита на нормаль к элементарной площадке dS;
B₂cosϕ - проекция вектора магнитной индукции дополнительного магнита на нормаль к элементарной площадке dS;
cosα, cosϕ - косинусы углов α и ϕ между векторами и и нормалью к площадке dS;
α, ϕ - углы между нормалью к плоскости сечения магнитной цепи и направлениями векторов магнитной индукции и соответственно;
dS - элементарная площадка поверхности сечения магнитной цепи;
S - полная поверхность сечения магнитной цепи.

Тогда выражение, отражающее изменение результирующего магнитного потока Φ в процессе регулировки, при электрической проверке срабатывания магнитного расцепляющего механизма примет вид

где ∫_sB₁cosαdS - стационарный магнитный поток в магнитной цепи, возбуждаемый основным магнитом;
∫_sB₂cosϕdS - магнитный поток в магнитной цепи, возбуждаемый дополнительным магнитом, изменяющийся в процессе регулировки;
противодействующий магнитный поток, возбуждаемый в магнитной цепи магнитным полем электромагнитной катушки при протекании по ней тока при однополупериодном выпрямлении.

Уменьшение влияния погрешностей изготовления элементов магнитной цепи: якоря и сердечника, достигается наличием избыточного магнитного потока, возбуждаемого в магнитной цепи основным и дополнительным магнитами, компенсирующим потери в воздушных зазорах до приемлемой величины и потери из-за отклонений параметров, появляющихся при вакуумной термообработке якоря и сердечника, изготавливаемых из ферромагнитных материалов.

Снижение себестоимости объясняется применением более дешевых металлокерамических постоянных магнитов вместо литых, а также снижением трудозатрат при изготовлении элементов магнитной цепи, достигаемых за счет снижения точности их изготовления.

Кроме того, данное конструктивное решение магнитного расцепляющего механизма позволяет снизить требования к точности ряда магнитных параметров двухполюсных полых цилиндрических постоянных магнитов и к уровню их деффектности.

Сущность изобретения поясняют чертежи: на фиг.1 изображен предлагаемый высокочувствительный магнитный расцепляющий механизм, разрез вида спереди; на фиг. 2 приведена функциональная схема, поясняющая работу магнитного расцепляющего механизма в составе автоматического выключателя.

Высокочувствительный магнитный расцепляющий механизм (фиг.1) содержит изоляционные крышку 1 и днище 2, магнитопроводный сердечник 3 с двумя полюсными наконечниками 4, 5, электромагнитную катушку 6, основной двухполюсный полый цилиндрический постоянный магнит 7, опорную пластину 8, предварительно напряженную пружину 9, воздействующую на якорь 10 с двумя ножевыми опорами 11, дополнительный двухполюсный полый цилиндрический постоянный магнит 12. Основной двухполюсный полый цилиндрический постоянный магнит 7 закреплен неподвижно со стороны днища 2 на оси 13 из немагнитопровдного материала. Дополнительный двухполюсный полый цилиндрический постоянный магнит 12 установлен на магнитопроводном сердечнике 3 со стороны якоря 10 с возможностью вращения на оси 13 из немагнитопроводного материала. Высокочувствительный магнитный расцепляющий механизм содержит также толкатель 14, установленный в отверстии 15 крышки 1.

На фиг.2, поясняющей работу магнитного расцепляющего механизма в составе автоматического выключателя, наряду с элементами конструкции магнитного расцепляющего механизма, показаны элементы и функциональные узлы автоматического выключателя, в частности: дифференциальный трансформатор тока 16, в котором в качестве первичной обмотки используются два токопровода 17 главной токоведущей цепи автоматического выключателя (условно не показан), а вторичная обмотка 18 электрически соединена с электромагнитной катушкой 6, и механизм свободного расцепления 19 автоматического выключателя.

Высокочувствительный магнитный расцепляющий механизм в составе автоматического выключателя работает следующим образом: при прикосновении человека к токоведущим элементам главной электрической цепи или возникновении токов утечки в одном из двух токопроводов 17, они же функционально - первичная обмотка дифференциального трансформатора 16, ток увеличивается, вследствие чего проявляется эффект так называемого дифференциального (разностного) тока, и во вторичной обмотке 18 трансформатора тока 16 возникает электродвижущая сила (ЭДС), в результате чего по катушке 6 протекает синусоидальный ток, возбуждающий дополнительный магнитный поток в магнитной цепи, изменяющийся также по синусоидальному закону, причем во время прохождения одной полуволны тока суммарный магнитный поток в магнитной цепи, возбуждаемый постоянными магнитами 7, 12, увеличивается, а во время действия другой полуволны - уменьшается. При уменьшении величины магнитного потока тяговое усилие, удерживающее якорь 10 на наконечнике 4, ослабевает, и превалирующая сила предварительно напряженной пружины 9 разворачивает якорь 10, опирающийся ножами 11 в плоскость опорной пластины 8, который перемещает толкатель 14, воздействующий на механизм свободного расцепления 19 автоматического выключателя, и его главные контакты размыкаются.

В исходное состояние магнитный расцепляющий механизм приводится кинематикой автоматического выключателя.

Формула изобретения

1. Высокочувствительный магнитный расцепляющий механизм, управляемый дифференциальным током автоматического выключателя, заключенный в изоляционный корпус, состоящий из крышки и днища, содержащий магнитопроводный сердечник с двумя полюсными наконечниками, на одном из которых установлена электромагнитная катушка, закрепленный неподвижно со стороны днища на оси из немагнитопроводного материала основной двухполюсный полый цилиндрический постоянный магнит с линейным вдоль диаметра направлением намагничивания, одной плоскостью основания контактирующий с магнитопроводным сердечником, а другой плоскостью основания - с опорной пластиной, одновременно выполняющей роль подвески для пружины, воздействующей на якорь клапанного типа с ножевыми опорами, лежащий на полюсных наконечниках сердечника, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным двухполюсным полым цилиндрическим постоянным магнитом с линейным вдоль диаметра направлением намагничивания и неявно выраженными полюсами, установленным на магнитопроводном сердечнике со стороны якоря с возможностью вращения на оси из немагнитопроводного материала.

2. Высокочувствительный магнитный расцепляющий механизм по п.1, отличающийся тем, что ось выполнена в виде заклепки переменного сечения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2