Электромагнитный привод для коммутационных аппаратов

Электромагнитный привод для коммутационных аппаратов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к электромагнитному приводу для выключателя, в частности, в области техники среднего напряжения, с приводным блоком, который содержит магнитнитопровод, подвижно расположенный в нем по крайней мере частично якорь, по крайней мере один создающий постоянное приводное магнитное поле приводной магнит, и по крайней мере один проводник, проходящий по крайней мере частично в приводном магнитном поле, причем для блокировки якоря по крайней мере в одном конечном положении предусмотрен блокировочный блок.

Такой электромагнитный привод является известным, например, из DE 19815538 A1 Раскрытый там привод содержит линейный электродвигатель трехфазного тока, который составлен из нескольких модулей двигателя. Модуль двигателя содержит определенное количество неподвижных катушек двигателя, а также относящиеся к ним направляемые в продольном направлении подвижные части с постоянными магнитами. За счет возбуждения катушек двигателя возникает магнитное поле, в котором расположены постоянные магниты подвижной части. Вследствие созданной силы Лоренца возникает приводное движение подвижной части, которая связана через оперативную штангу с подвижным контактом выключателя. Для включения вакуумного выключателя подвижный контакт прижимается с помощью линейного электродвигателя трехфазного тока относительно неподвижного контакта выключателя, причем подвижная часть достигает конечного положения.

Из WO 95/07542 известен электромагнитный привод, который содержит проходящее в виде рамы замкнутое ярмо из магнитомягкого материала, которое для избежания вихревых токов составлено из пакета пластин. Ярмо образует полое пространство, в котором между двумя конечными положениями подвижно направляется якорь, состоящий из магнитомягкого материала. В каждом конечном положении якорь одной из своих торцевых сторон контактирует ярмо из магнитомягкого материала, причем между другой, противоположной месту контакта торцевой стороной якоря и замкнуто проходящим ярмом определен воздушный зазор. В полом пространстве ярма далее закреплены две катушки, которые окружают соответственно одну из торцевых сторон якоря. Между катушками предусмотрены постоянные магниты для создания магнитного потока. Вследствие воздушного зазора якорь остается фиксированным в соответствующем конечном положении. Путем возбуждения катушки, которая охватывает торцевую сторону на стороне воздушного зазора, в воздушном зазоре создается настолько сильный магнитный поток, что для уменьшения магнитного сопротивления якорь отрывается от ярма и при закрытии воздушного зазора переводится в свое второе стабильное конечное положение, в котором он прилегает к ярму своей другой торцевой стороной, которая до этого ограничивала воздушный зазор. Ток возбуждения катушки может теперь прерываться, так как якорь в этом конечном положении также зафиксирован.

Оба описанные до этого ранее известные магнитные приводы основываются на различных физических эффектах. Электромагнитный привод согласно DE 19815538 A1 использует для создания приводного действия так называемую силу Лоренца, которая возникает при движении заряженных частиц в магнитном поле. Действие электромагнитного привода согласно WO 95/07542 объясняется физическим эффектом, что магнитное поле распространяется предпочтительно в материале с высокой магнитной проницаемостью или, другими словами, в материале с малым магнитным сопротивлением. Посредством смещения якоря вся система из энергетически невыгодного состояния с высоким магнитным потенциалом переводится в энергетически более выгодное состояние, в котором воздушный зазор замкнут или шунтирован, и магнитный поток пронизывает почти исключительно материал с малым магнитным сопротивлением. Сила для перевода системы в энергетически выгодное состояние получается за счет образования градиента. Приводы, которые основываются на таком эффекте, называются также реактивными приводами.

Электромагнитные приводы, которые базируются на силе Лоренца, имеют высокую динамику и, кроме того, могут управляться простым образом, а именно посредством направляемого через магнитное поле тока. Недостатком при этом, однако, является то, что эти приводы не занимают стабильные конечные положения или промежуточные положения, а должны фиксироваться в соответственно предусмотренных конечных положениях, при необходимости, за счет дополнительных средств. Для этого используют обычно пружины, защелки или тому подобное, силовое воздействие которых может устраняться только с трудом. Реактивные приводы отличаются, как правило, стабильной фиксацией конечных положений. Им присущ, однако, недостаток сильно нелинейной тяговой характеристики, на которую можно воздействовать или только с трудом или за счет удерживающей силы в конечных положениях или за счет конструктивного пространства.

Задачей изобретения поэтому является предоставление в распоряжение электромагнитного привода названного выше вида, который может фиксироваться простым образом в своих конечных положениях, причем, однако, остается сохраненным простое управление приводным движением.

Изобретение решает эту задачу за счет того, что блокировочный блок содержит по крайней мере одну жестко соединенную с якорем магнитомягкую подвижную часть, которая в каждом конечном положении якоря шунтирует воздушный зазор для постоянного блокировочного магнитного поля, причем блокировочное магнитное поле создано независимо от приводного магнитного поля с помощью по крайней мере одного блокировочного магнита, которому придана в соответствие обтекаемая током независимо от проводника отрывная катушка для выведения якоря из конечного положения.

Соответствующий изобретению электромагнитный привод содержит приводной блок и блокировочный блок, проводники которых или, соответственно, катушки могут обтекаться током независимо друг от друга. Таким образом, соответствующий изобретению привод является управляемым как угодно и может быть приспособлен почти к любому требованию. Одновременно в распоряжение предоставлена электромагнитная блокировка по крайней мере одного конечного положения якоря приводного блока так, что можно отказаться от механического блокировочного блока, связанного с высокими затратами и требующего технического обслуживания. За счет шунтирования воздушного зазора, предусмотренного в блокировочном блоке, магнитное сопротивление для созданного блокировочным магнитом блокировочного магнитного поля снижается или сводится к минимуму так, что смещение якоря из этого конечного положения является возможным только против реактивной силы блокировочного блока. В конечном положении якоря подвижная часть лежит, например, на ограничивающих воздушный зазор областях блокировочного блока так, что эти области образуют упор, который препятствует дальнейшему движению якоря.

Кроме того, является возможным жестко соединять якорь - и тем самым также подвижную часть - с подвижным контактом вакуумной дугогасительной камеры. В одном контактном положении вакуумной дугогасительной камеры подвижный контакт прилегает к неподвижной контакт-детали вакуумной дугогасительной камеры. Вследствие жесткого соединения с якорем за счет встречи контактов является определенным также конечное положение якоря. Если якорь находится в таком конечном положении, то ни в коей мере не является необходимым, чтобы подвижная часть также прилегала к ограничивающим воздушный зазор магнитомягким областям блокировочного блока. Более того, подвижная часть может иметь зазор относительно областей блокировочного блока, ограничивающих воздушный зазор.

За счет независимого обтекания током проводника приводного блока, с одной стороны, а также отрывных катушек блокировочного блока, с другой стороны, является, например, возможным почти полностью устранить действие реактивной силы, то есть действие блокировочных магнитов при приводном движении, в то время как отрывное магнитное поле, нейтрализирующее блокировочное магнитное поле, создается посредством отрывных катушек именно тогда, когда якорь находится в области конечного положения, исходя из которого он должен сдвигаться.

Для изобретения является существенным далее, что подвижная часть состоит из материала, который имеет меньшее по сравнению с воздушным зазором магнитное сопротивление. При этом могут приниматься во внимание любые ферромагнитные материалы, как железо, муметалл, никель-железные сплавы. В качестве магнитомягких обозначаются материалы, которые теряют свои магнитные свойства после отключения магнитного поля, которое создает эти магнитные свойства. Магнитомягкие материалы поэтому имеют узкую петлю гистерезиса и тем самым малую напряженность коэрцитивного поля.

Предпочтительным образом блокировочное тело выполнено из двух частей и расположено по обе стороны подвижной части. Согласно этому предпочтительному дальнейшему развитию изобретения определены два конечных положения якоря, так как пространство движения жестко связанной с якорем подвижной части является ограниченным с двух сторон. Если якорь согласно этому дальнейшему развитию изобретения тем самым используется для привода вакуумной дугогасительной камеры, то заблокированным является как контактное положение вакуумной дугогасительной камеры, в котором возможно прохождение тока через вакуумную дугогасительную камеру, так и ремонтное положение, в котором контакты расположены на расстоянии друг от друга.

Предпочтительным образом между блокировочным блоком и приводным блоком предусмотрены средства для изолирования магнитного потока. С помощью этих изолирующих средств блокировочный блок и приводной блок являются магнитно разделенными друг от друга, так как изолирующие средства препятствуют переходу приводного магнитного поля и тем самым невыгодно взаимодействие с блокировочным магнитным полем или даже с отрывным магнитным полем. В качестве средств для изолирования магнитного потока являются пригодными неферромагнитные материалы с магнитной проницаемостью в области 1 или меньше, чем 1, как, например, воздух или алюминий.

Согласно предпочтительной форме дальнейшего развития каждый блокировочный магнит и каждая отрывная катушка расположены на блокировочном теле. Таким образом блокировочный магнит и отрывная катушка удерживаются неподвижным при приводе блокировочным телом так, что движение этих чувствительных деталей, например, при включении вакуумной дугогасительной камеры избегается. Согласно этой предпочтительной форме дальнейшего развития поэтому снижается необходимость технического обслуживания электромагнитного привода.

Целесообразно якорь имеет каркас катушки из изолирующего материала, причем проводник в виде обмотки расположен на каркасе катушки. Согласно этой форме дальнейшего развития электромагнитный привод является подъемным приводом. Каркас катушки выполнен, например, в виде патрубка или другими словами трубчатым.

Согласно другой предпочтительной форме дальнейшего развития магнитнитопровод состоит из приводного магнита, а также из магнитомягкого ярма, причем приводное магнитное поле пронизывает выемку, предусмотренную в магнитнитопроводе, в которой по крайней мере частично расположен проводник подвижной части. Согласно этой форме дальнейшего развития изобретения происходит движение катушки, тогда как более чувствительный и более тяжелый постоянный магнит расположен в магнитопроводе неподвижно. За счет избежания движения постоянного магнита, - как уже упомянуто, - повышается срок службы или, соответственно, снижается необходимость технического обслуживания. Вследствие движения катушки лежащий в основе этого привода принцип называют также принципом погружной катушки.

Предпочтительным образом соответствующий изобретению электромагнитный привод содержит управляющий блок для создания заданных зависящих от времени управляющих сигналов, токоусилительный исполнительный выходной каскад для питания проводника в зависимости от управляющих сигналов и по крайней мере один токоусилительный выходной каскад катушки для питания приданной в соответствие отрывной катушки в зависимости от управляющих сигналов. Использованные в этой соответствующей изобретению форме дальнейшего развития выходные каскады предусмотрены для усиления выходных сигналов управляющего блока, интенсивность сигнала которых не является достаточной для питания катушек или проводников. В управляющем блоке отложены соответствующие требованиям практики управляющие данные, по образцу которых формируют зависящие от времени управляющие сигналы. С помощью этого управления является возможной особенно простая настройка любых тяговых характеристик подъемного электромагнита электромагнитного привода.

Изобретение относится далее к способу для управления соответствующего изобретению электромагнитного привода, при котором блокировочные катушки обтекаются током в зависимости от тока проводника. Таким образом можно почти полностью исключить взаимное влияние.

Дальнейшие целесообразные формы выполнения и преимущества изобретения являются предметом последующего описания примеров выполнения изобретения со ссылкой на чертежи, причем соответствующие детали снабжены одинаковыми ссылочными позициями.

Фиг.1 показывает пример выполнения соответствующего изобретению электромагнитного привода в виде поперечного сечения и

Фиг.2 - управление электромагнитного привода согласно фиг.1.

Фиг.1 показывает пример выполнения соответствующего изобретению электромагнитного привода 1 в представлении в сечении. Электромагнитный привод 1 содержит приводной блок 2, а также блокировочный блок 3, которые соединены друг с другом через изолирующие средства, которые выполнены здесь в виде кольцеобразного алюминиевого блока 4. Изолирующие средства предусмотрены для изолирования магнитных полей в приводном блоке 2 относительно магнитных полей в блокировочном блоке 3 и наоборот.

Приводной блок 2 содержит магнитопровод, который состоит из создающего постоянное приводное магнитное поле приводного магнита 5, а также магнитомягкого ярма 6, жестко связанного с приводным магнитом 5. В магнитопроводе 5, 6 предусмотрена кольцевая выемка 7, в которую вдается часть якоря 8. При этом якорь 8 содержит имеющий форму стаканчика каркас катушки 9 из изолирующего материала, трубчатый участок которого несет обмотки проводника. Посредством этих обмоток проводника выполнены отрывные катушки 10.

Якорь 8 жестко соединен через поперечные подкосы 11 каркаса катушки 9 со штангой передачи движения 12, которая удерживается подвижно в своем продольном направлении в электромагнитном приводе 1 посредством обычных подшипников.

Блокировочный блок 3 содержит выполненное из двух частей магнитомягкое блокировочное тело 14, которое расположено по обе стороны состоящей из магнитомягкого материала подвижной части 15, причем подвижная часть 15 жестко соединена со штангой передачи движения 12 и тем самым жестко соединена с якорем 8. В этом примере выполнения в качестве магнитомягкого материала как для блокировочного тела 14, так и для подвижной части 15 была использована ферромагнитная сталь. В каждом участке или части блокировочного тела 14 и тем самым по обе стороны подвижной части 15 можно видеть блокировочные магниты 16, которые создают проходящее в направлении движении якоря 8 осевое блокировочное магнитное поле. При этом блокировочные магниты 16 соответственно концентрично окружены отрывной катушкой 17. Подвижной частью 15 и блокировочным телом 14 ограничены воздушные зазоры 18, которые в основном пронизываются блокировочным магнитным полем по оси в направлении движения подвижной части 15.

С помощью приводного блока 2 вследствие силы Лоренца создается приводное движение. Для этого созданное также в продольном направлении якоря 8 постоянное и осевое приводное магнитное поле, силовые линии которого показаны в приводном магните 5, направляется через магнитомягкое ярмо 6, причем оно пронизывает в поперечном направлении расположенные в выемке 7 магнитопровода катушки 10 якоря 8. При обтекании катушек током поэтому производится подъемное движение якоря 8, которое направляется через штангу передачи движения 12 в подвижную часть 15. Подвижная часть 15 поэтому в зависимости от направления подъемного движения движется к одному из обеих участков блокировочного тела 14, за счет чего образованный между подвижной частью 15 и блокировочным телом 14 воздушный зазор 18 уменьшается. Уменьшение этого воздушного зазора 18 вызывает снижение магнитного сопротивления для созданного одним из блокировочных магнитов 16 блокировочного магнитного поля. Этот эффект основывается на том, что блокировочное тело 14 состоит из ферромагнитного материала, то есть материала с магнитной проницаемостью значительно большей, чем 1, в противоположность этому воздушный зазор 18 заполнен воздухом, то есть веществом, которое имеет относительную проницаемость, равную 1. Если подвижная часть сталкивается с одной из частей блокировочного тела 14, то якорь 8 достигает одного из своих конечных положений, которое заблокировано реактивной силой, созданной через уменьшение воздушного зазора. Для отрыва якоря 8 из этого конечного положения возбуждают отрывную катушку 17, которая соответственно концентрично окружает тот блокировочный магнит 16, к которому прилегает подвижная часть 15. Действие этого блокировочного магнита 16 ослабляется или устраняется отрывным магнитным полем, созданным отрывной катушкой 17 так, что посредством приводного блока 2 становится возможным выведение якоря 8 из конечного положения. Теперь якорь 8 может так долго двигаться в противоположном направлении, пока он не столкнется с противоположным участком блокировочного тела 14 и не достигнет своего второго конечного положения. Магнитное сопротивление для блокировочного магнитного поля минимизировано также в этом конечном положении, так как теперь шунтирован другой, противоположный в направлении движения воздушный зазор 18.

Фиг.2 показывает в схематическом представлении управляющий блок 19 электромагнитного привода 1 согласно фиг.1. Управляющий блок 19 содержит интерфейс 20, который преобразует входящий сигнал на включение или на выключение 21 в акцептируемый управлением 22 управляющий входной сигнал. В управлении 22 заданные образцы сигнала отложены в области памяти в виде интенсивностей сигналов в зависимости от времени. В зависимости от выбранного заранее заданного образца сигнала управление 19 управляет выходными каскадами удерживающего магнита 23 зависимыми от времени значениями тока 24. После этого отрывные катушки 17 блокировочного блока 3 питаются значениями тока 24 управления 19, усиленными посредством выходных каскадов удерживающего магнита 23.

Управление 22 соединено далее с регулятором тока 25, который сравнивает принятое от управления 22 заданное значение тока 26 с истинным значением тока 27, которое снимают на выходе исполнительного выходного каскада 28. При совпадении заданного значения тока 26 с истинным значением тока 27 генерируют сигнал деблокировки 29. Действительное положение пути регистрируют не представленной на фигуре измерительной системой. За счет этого регулирования управления поэтому является возможной особенно точная настройка тяговой характеристики электромагнитного привода.

Само собой разумеется, в рамках изобретения также можно отказаться от дополнительного регулирования и управлять исполнительным выходным каскадом 28 также непосредственно через управление 22.

Управление 22, исполнительный выходной каскад 28 и выходной каскад удерживающего магнита 23 соединены с показанным только схематически на фиг.2 электропитанием 31, которое предоставляет в распоряжение рабочую энергию 30, необходимую для управления.

1. Электромагнитный привод (1) для выключателя, в частности, в области техники среднего напряжения, с приводным блоком (2), который содержит магнитнитопровод (6), по крайней мере, частично подвижно расположенный в нем якорь (8), по крайней мере, один создающий постоянное приводное магнитное поле приводной магнит (5) и, по крайней мере, один проходящий, по крайней мере, частично в приводном магнитном поле проводник (10), причем предусмотрен блокировочный блок (3) для блокировки якоря (8), по крайней мере, в одном конечном положении, отличающийся тем, что блокировочный блок (3) содержит, по крайней мере, одну жестко соединенную с якорем (8) магнитомягкую подвижную часть (15), которая в каждом конечном положении якоря (8) шунтирует воздушный зазор (18) для постоянного блокировочного магнитного поля, причем блокировочное магнитное поле создано независимо от приводного магнитного поля с помощью, по крайней мере, одного блокировочного магнита (16), которому придана в соответствие обтекаемая током независимо от проводника отрывная катушка (17) для выведения якоря (8) из конечного положения.

2. Электромагнитный привод (1) по п.1, отличающийся тем, что блокировочный блок (3) содержит связанное с магнитопроводом блокировочное тело (14), причем каждый воздушный зазор (18) выполнен между блокировочным телом (14) и подвижной частью (15).

3. Электромагнитный привод (1) по п.2, отличающийся тем, что блокировочное тело (14) выполнено из двух частей и расположено по обе стороны подвижной части (15).

4. Электромагнитный привод (1) по п.2 или 3, отличающийся тем, что каждый блокировочный магнит (16) и каждая отрывная катушка (17) расположены на блокировочном теле (14).

5. Электромагнитный привод (1) по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что между блокировочным блоком (3) и приводным блоком (2) предусмотрены средства для изолирования магнитного потока.

6. Электромагнитный привод (1) по п.4, отличающийся тем, что между блокировочным блоком (3) и приводным блоком (2) предусмотрены средства для изолирования магнитного потока.

7. Электромагнитный привод (1) по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что якорь (8) имеет каркас катушки (9) из изолирующего материала, причем проводник выполнен в виде обмотки (10), расположенной на каркасе катушки (9).

8. Электромагнитный привод (1) по п.4, отличающийся тем, что якорь (8) имеет каркас катушки (9) из изолирующего материала, причем проводник выполнен в виде обмотки (10), расположенной на каркасе катушки (9).

9. Электромагнитный привод (1) по п.6, отличающийся тем, что якорь (8) имеет каркас катушки (9) из изолирующего материала, причем проводник выполнен в виде обмотки (10), расположенной на каркасе катушки (9).

10. Электромагнитный привод (1) по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что магнитнитопровод состоит из приводного магнита (5), а также из магнитомягкого ярма (б), причем приводное магнитное поле пронизывает предусмотренную в магнитнитопроводе выемку (7), в которой по крайней мере частично расположен проводник (10).

11. Электромагнитный привод (1) по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что предусмотрены управляющий блок (22) для формирования заданных зависящих от времени управляющих сигналов, токоусилительный исполнительный выходной каскад (28) для питания проводника (10) в зависимости от управляющих сигналов и по крайней мере один токоусилительный выходной каскад катушки (23) для питания соответствующей отрывной катушки (17) в зависимости от управляющих сигналов.

12. Электромагнитный привод (1) по п.9, отличающийся тем, что предусмотрены управляющий блок (22) для формирования заданных зависящих от времени управляющих сигналов, токоусилительный исполнительный выходной каскад (28) для питания проводника (10) в зависимости от управляющих сигналов и по крайней мере один токоусилительный выходной каскад катушки (23) для питания соответствующей отрывной катушки (17) в зависимости от управляющих сигналов.

13. Способ для управления электромагнитным приводом (1) по любому из пп.1-12, при котором отрывные катушки (17) возбуждают в зависимости от тока проводника (10) так, что электромагнитный привод (1) имеет заранее определенную тяговую характеристику.