Быстродействующий электромагнит

(19 1)5 Н 01 ТВЕННЫЙ КОМИТЕТЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯСССР ГОС ПО И ЕТЕНИЯ8 У ЛЕКТРОМАГНИТся к электроользовано влях. Цель ТРОДЕЙСТВ УЮЩИЙ ретение относи может быть ис еских выключат е Функциональноэмож расширени фст из ОПИСАНИЕ ИЗОБР А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Всесоюзный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технолагический институт электровозастрения(5) Изобттехнике и иавтоматич е тей. Электромагнит содержит стержни 1, заканчивающиеся полюсами 2, се, печник 3 с каТушкой 4 управления, якорь 5, шунт 6 с расположенной на нем токовой катушкой 7, пружину 8, зацеп- ленную за якорь и короткозамкнутые кольца 9. Между стержнями 1 и сердечником 3 имеются два зазора 10, между шунтом 6 и стержнями 1 - два зазора 11, между полюсами 2 и якорем 5 два зазора 12. Якорь 5 начинает движение под действием пружины 8 при снижении в якоре результирующего магнитного потока вследствие возрастания встречно направленного потока. Магнитная проводимость участка шунта6 магнитной цепи электромагнита определяется по формуле, приведенной в описании. 3 з,п, ф-лы, 6 ил.Изобретение относится к электрическим аппаратам и может быть использовано в аппаратах защиты, например в автоматических выключателях как тягового, так и общепромышленного исполнения.Цель изобретения - расширение функциональных возможностей.На фиг. 1 представлен быстродейст О вующий электромагнит во включенном положении; на фиг. 2, 3 - варианты выполнения якоря; на фиг. 4 - варианты размещения короткозамкнутых колец; на фиг. 5, 6 - схемы замещения маг нитной цепи.Электромагнит состоит из стержней 1, которые заканчиваются полюсами 2, сердечника 3 с катушкой 4 управления, якоря 5 и шунта 6, на котором распо ложена токовая катушка 7, пружины 8, зацепленной за якорь 5, и короткозамкнутых колец 9. Два стержчя 1 и сердечник 3 образуют П-образный магнито- провод. Между стержнями 1 и сердеч ником 3 имеются два зазора ( Р ) 10, между шунтом С и ч.тержнями 1 - два зазора (о ) 11 и между полюсами 2 и якорем 5 - два зазора 6) 12.По конструктивным и технологическим 0 соображениям зазоры могут быть выполнены непосредственно в якоре 5 на пути магнитных потоков, проходящих через якорь 5 (фиг: 2). Тогда якорь 5 выполняется по крайней мере нз двух частей (фиг, 3).Быстродействующий электромагнит работает следующим образом.Для включения электромагнита катушка 4 управления подключается к цепям управления защищаемого электрооборудо- вания. Катушка 4 создает поток 6 к, который разветвляется на поток Фы к и Р. Потока Рдля включения недостаточнс, поэтому перемещение якоря осуществляется приводом (не показан).При медленном и плавном изменении тока поток Рт, создаваемый токовой катушкой 7, разветвляется на потоки Дт и Р,т в соответствии с магнитными проводимостями участков магнитной цепи. Поток Рт направлен встречно потоку ФК и по достижении им определенной величины результирующего потока оказывается недостаточно для удержа 55 ния якоря 5 и он под действием пружи-, ны 8 приходит в движение. Ток в катушке 7 в этот момент соответствует току устанкн электромагнита. При изменении тока в токовой катушке 7 с большой скоростью (короткое замыкание в защищаемой цепи) поток Дст вследствие демпфирующего влияния короткозамкнутых колец 9 (а также изза демпфирующего влияния катушки управления) растет медленно, а потокувеличивается быстрее, чем поток (Рт, что приводит к ускоренному изменению результирующего потока в якоре 5 и он приходит в движение ранее, чем ток в катушке 7 достигнет тока уставки.Зазоры 10-12 необходимы для предотвращения насыщения стали магнитопровода. Снижение времени трогания электромагнита происходит из-за демпфирующего действия короткоэамкнутых колец 9, а это действие усиливается при использовании линейного участка кривой намагничивания ферромагнитного материала. Именно поэтому целесообразно значения индукции в стали ограничить 707 от индукции насыщения. Это достигается выбором соответствующих величин зазоров 10, 11 и 12, от которых главным образом зависят магнитные проводимости участков магнитной цепи электромагнита.Ток в токовой катушке 7 в динамическом режиме работы электромагнита может изменяться от нуля до наибольшего тока короткого замыкания, который возможен в защищаемой цепи (с учетом ограничения этого тока быстродействующим выключателем), Однако до- биваться линейности магнитной цепи в таких пределах изменения аварийного .тока нецелесообразно, так как это связано с размерами электромагнита, Поэтому верхним пределом для тока в токовой катушке 7 выбран ток статической уставки, а для тока в катушке 4 управления - ток в ненагретой катушке.При оперативном или аварийном прекращении питания катушки 4 управления поток Ук падает до нуля и якорь 5 приходит в движение. Таким образом, осуществляется защита электрооборудования при потере питания в цепях управления. Перемещение якоря 5 при автоматическом или оперативном отключении электромагнита может быть использовано для расцепления защелки или перемещения контактов аппарата защиты.Стержень 1, якорь 5 и шунт 6 выполнены шихтованными. СердеЧник 3(4) т с,т К Р.т 55 может быть выполнен как шихтованным, так и массивным из стали. Зазоры 10 могут быть расположены в других местах магнитопровода на пути потоков ф, и Уст а зазоры 11 - в другом. 5 месте шунта 6 на пути потоков 6 ыи Фыт . Короткоэамкнутые кольца 9 также могут быть установлены в другом месте магнитопровода, стержня 1 или сердечника Э на пути потока фстДпя получения выигрыша по быстродействию электромагнита за счет уменьшения времени трогания необходимо, чтобы м.д.с. (ампервитки) токовой катушки при токе уставки в динамическом режиме работы были ниже м.д.с. токовой катушки в статическом режиме работы электромагнита. Это можно обеспечить только при определенных вели чинах магнитной проводимости участков магнитной цепи электромагнита.Определение величин магнитной проводимости участков магнитной цепи электромагнита производится по схемам 25 замещения его магнитной цепи (фиг.4,5).Срабатывание электромагнита произойдет при каком-то значении потока "я т, создаваемого токовой катушкой и направленного встречно потоку Рясоздаваемого катушкой управления. При этом на участке якоря будет падение м.д.с., равное (1)Р .В динамическом режиме работы росту потока "с,т будет препятствовать демпфирующее действие короткозамкнутых35 колец. В идельном случае поток Рст = О,т.е. у электромагнита для потока от токовой катушки сердечник как бы отсутствует (фиг. 2). В реальном40 случае такого явления не может быть и Уст не будет равен нулю, однако, если м,д,с, уставки электромагнита при тст = О и м.д.с. уставки электромагнита при Уст г Э не будут отличаться друг от друга, то никакого выигрыша по времени не будет.Срабатывание электромагнита при отсутствии потока ст в сердечнике произошло бы при том же падении 50 м.д.с, (1 м)Я на участке якоря. М.д.с, электромагнита была бы равной ю)Я. Тогда из схемы замещения фиг. 4 имеем: ф)ф- Я - )ц = Оът)- ) --О,Рьд.С,а из схемы замещения фиг. 5(1 ы) - ът) -- = О,чР,тР Так как должно выполняться условие) из (2) - )р и вычтем иэпервого полученного выражения второе,т,е.)р - Я тч) - )ПРинЯв, - Жя т = Р, полУчим фоР,ытт стмулу для магнитной проводимости С 14т.е.), ) дИсходя из допустимой индукции (О 78 В ) задаются размерами якоря, полюсов и соответствующими зазорами, По известным формулам рассчитывается магнитная проводимость участка якоря С . При этом в зависимости от желаемой точности учитываются потоки выпучивания и магнитное сопротивление (магнитная проводимость) стали. Поток ЮР находят по потоку 94 к который :адается иэ условия обеспечения заданной сипы электромагнита, Поэтому и поток Р, от величины которого зависит величина удерживаемого потока в, момент отрыва якоря от полюсов, можно считать заданным.Падение м.д.с, токовой катушки на участке якоря равнофР,т(1 д)Р С а поток в сердечнике определяется с.т (Я с 4 т С9 ВведЯ коэффициент К = СсГя по- лучим Подставив выражение для фст из выражения (4) в выражение (3) получаем окончательный вид формулы для расчета магнитной проводимости участка шунта фР т ы .ю ы) . Величина зазора шунта, например при прямоугольном сечении торцов шун1 Ь 28099 25 Формула та с учетом магнитной проводимостистали нахолится из выраженияС 3 С ст Ро Уст 8 ШС =или СШ С+Сст11 оа+ ст Юш где С- магнитная проводимость зазора шунта;С - магнитная проводимость стали на участке шунта;10ф - магнитная проницаемостьвоздуха;(О, - магнитная проницаемостьстали;8, - сечение шунта;151 щ - общая длина стали на участке шунта;зазор шунта.Тогда величина зазора будет равна20Р, щ шРо (111 ст Б щ + С ц 1 ш)("ст шАналогично определяются величиныи других зазоров электромагнита.Расчет м.д.с. катушки управленияпосле расчета С ведется известнымиметодаж, причем выбор величины потока осуществляется по допустимой индукции в стали,Технико-экономическая эффективность 0предложенного магнита по сравнению спрототипом заключается в достижениибольшего быстродействия (за счетуменьшения времени трогания) и в расширении функциональных воэможностей, 35которые обеспечиваются наличием короткозамкнутых колец и выбором величинымагнитных проводимостей участков магнитной цепи электромагнита в соответствии с математической зависимостью. 40Использование изобретения позволяетотказаться от использования индуктивных шунтов с той же целью в известных технических решениях. Электромагнит обеспечивает осуществление 45трех видов защиты: максимальной токовой, селективной и защиты электрооборудования при потере питания в цепяхуправления,50изобретения 1. Быстродействующий электромагнит, содержащий П-образный магнитопровод, образованный днумя стержнями, 55 заканчивающимися полюсами, и сердечни-ком с катушкой унранлсннл, установлен ным с зазором между ним и указанными стержнями, якорь, установленный с возможностью прилегания к полюсам, шунт установленный между стержнями с зазорами между ним и стержнями, токовую катушку, расположенную на шунте и пружину, зацепленную за якорь, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, он снабжен токопроводящими короткоэамкнутыми кольцами, установленными на участке указанного П-образного магнитопровода, образующем с магнитным путем замкнутый контур со стороны, противоположной полюсам магнитопровода, а магнитная проводимость участка шунта магнитной цепи между стержнями Сш определена по формуле1 я.тС КИ) -(Т)Ссгде К-- отношение магнитных проСводимостей участков магнитной цепи сердечникаи якоря;Д т - магнитный поток в якорес учетом потоков рассеяния, создаваемый токовойкатушкой;(1 ы) - м,д.с. (ампервитки) токовой катушки при заданномтоке уставки электромагнита и(Рс,тО, (здесь Фтмагнитнлй поток в сердечнике с участком потоковрассеяния, создаваемыйтоковой катушкоф(1 ы)- м.д,с. (ампервитки) токовой катушки при токе уставки электромагнита, определенном при Фт 1 Ои Рст О2. Электромагнит по п. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что якорь выполнен по крайней мере из двух частей, отдельных одна от другой зазором.3. Электромагнит по п. 1, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что указанные токопроводящие короткозамкнутые кольца установлены на сердечник.4. Электромагнит по п, 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что укаэанные токопроводящие короткозамкнутые кольца установлены по крайней мере на одном стержне магнитопровода.1628099 Составитель Ю. РоманоРедактор М, Келемеш Техред А,Кравчук орректор М. Пож Закаэ 343 ПодписноеВНИИПИ Гос иэобретениям и открытиям при ГКНТ ССС5, Раушская наб., д. 4/5 Тирам 352 ударственцого комитета по 113035, Москва, Ж-З