PL200109B1 - Napęd elektromagnetyczny bistabilny z magnesem trwałym - Google Patents

Abstract

1. Napęd elektromagnetyczny bistabilny z magnesem trwał ym zawierający: jarzmo magnetyczne, co najmniej jeden magnes trwały, zworę magnetyczną zamocowaną ruchomo pomiędzy dwoma położeniami stabilnymi, element do przestawiania zwory z jednego położenia stabilnego w drugie, przy czym w pierwszym położeniu stabilnym elementy napędu tworzą pierwszą część obwodu magnetycznego o dużej reluktancji i drugą część obwodu o małej reluktancji, a w drugim położeniu stabilnym elementy napędu tworzą pierwszą część obwodu o małej reluktancji i drugą część obwodu magnetycznego o dużej reluktancji, znamienny tym, że pomiędzy ruchomą zworą (3) i jarzmem (1) znajduje się podkładka (4) z materiału elastycznego o własnościach materiału magnetycznego i względnej przenikalności magnetycznej większej od 1,1.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest napęd elektromagnetyczny bistabilny z magnesem trwałym przeznaczony do stosowania w wyłącznikach i stycznikach o napędzie elektromagnetycznym.

Znane napędy elektromagnetyczne wyłączników i styczników elektrycznych zawierają jarzmo magnetyczne, jeden lub więcej magnesów trwałych, zworę magnetyczną zamocowaną ruchomo pomiędzy dwoma położeniami stabilnymi, oraz element do przestawiania zwory z jednego położenia stabilnego w drugie. Magnesy trwałe służą do utrzymywania docisku styków. Części oddziaływujące na elementy ruchome służą do zmiany położenia napędu od stanu zamkniętego wyłącznika do stanu otwartego i przeciwnie. W stanie zamkniętym docisk styków jest realizowany przez siły magnetyczne wytwarzane przez magnesy trwałe. W znanym rozwiązaniu takiego napędu, na przykład przedstawionym w artykule Heinrich Brungsberg: „Ueber die Verwendung von polarisierten Magnetsystemen fuer groessere Schaltgeraete” (O zastosowaniu spolaryzowanych układów magnetycznych w dużych wyłącznikach), ETZA Bd. 86 (1965) 11 czy też w rozwiązaniu według opisu patentowego WO 95/07542 „Bistable magnetic actuator” („Bistabilny napęd elektromagnetyczny”) istotną cechą przedstawionych rozwiązań jest zapewnienie dużej szybkości przełączania styków. Konsekwencją tego jest konieczność pozostawienia odstępów pomiędzy jarzmem i zworą w położeniu stabilnym dla bezpiecznego wyhamowania zwory, albo dopuszczenie do bardzo niekorzystnych uderzeń zwory o jarzmo w procesie zamykania styków. Pozostawienie odstępów zmniejsza siłę wytwarzaną w układzie przez magnes trwały, co powoduje, że dla utrzymania koniecznego docisku styków w stanie zamkniętym cały obwód magnetyczny napędu, a więc jarzmo, zwora i magnesy trwałe mają zwiększone wymiary.

W skład napędu według wynalazku wchodzi jarzmo wykonane z materiału magnetycznego, co najmniej jeden magnes trwały oraz ruchoma zwora wykonana z materiału magnetycznego tworząca wraz z jarzmem i magnesem, lub magnesami trwałymi rozbudowany obwód magnetyczny. Obwód ten złożony jest z co najmniej dwóch części. W skład pierwszej części obwodu magnetycznego wchodzi magnes trwały, pierwsza część jarzma, pierwsza część zwory, pierwsza szczelina między pierwszą częścią zwory, a pierwszą częścią jarzma. W szczelinie pomiędzy jarzmem i zworą, która wchodzi w skład pierwszej części obwodu magnetycznego i która ze względów mechanicznych nie może być zbyt mała, umieszczona jest, według wynalazku, elastyczna podkładka wykonana z materiału o własnościach magnetycznych i względnej przenikalności magnetycznej większej od 1,1. Typowa względna przenikalność magnetyczna materiału przekładki wynosi 2 do 5.

W skład drugiej części obwodu magnetycznego wchodzi magnes trwały, druga część jarzma, druga część zwory, oraz druga szczelina między drugą częścią jarzma i drugą częścią zwory. Reluktancja pierwszej części obwodu magnetycznego jest większa w położeniu zamkniętym styków niż w położeniu otwartym styków, zaś reluktancja drugiej części jest mniejsza w położeniu zamkniętym styków niż w położeniu otwartym styków.

Obecność przekładki magnetycznej powoduje z jednej strony bezpieczne i elastyczne wyhamowanie zwory w jej ruchu w kierunku jarzma magnesu, z drugiej strony, z punktu widzenia własności magnetycznych obwodu, efektywna szczelina pomiędzy zworą i jarzmem w stanie, w którym zwora poprzez przekładkę przylega do jarzma jest kilkakrotnie mniejsza, niż gdyby ta przekładka wykonana była z materiału niemagnetycznego. Dzięki temu siła magnetycznego przyciągania zwory do jarzma jest znacznie większa niż w napędzie bez podkładki magnetycznej.

Zaletą napędu elektromagnetycznego wyposażonego w elastyczną podkładkę magnetyczną są jego zmniejszone wymiary, co powoduje znaczne obniżenie kosztu w stosunku do rozwiązań dotychczasowych.

W jednym rozwiązaniu napędu według wynalazku zwora i magnes, względnie magnesy trwałe mają w zasadzie kształt prostopadłościenny. W takim przypadku dla przestawiania zwory z jednego położenia stabilnego w drugie zwora napędu według wynalazku może być zamocowana do co najmniej dwóch prowadnic suwliwie połączonych z jarzmem. Połączenie to zapewnia stały odstęp pomiędzy bocznymi powierzchniami zwory i magnesem, względnie magnesami trwałymi w każdym pośrednim położeniu zwory.

Dla zmniejszenia niekorzystnych sił magnetycznych działających na zworę w innych kierunkach, niż kierunek zapewniający zamykanie i otwieranie styków korzystne jest, aby magnes trwały składał się z kilku, co najmniej dwóch części o różnych własnościach magnetycznych, które można tak dobrać, aby zminimalizować te niekorzystne siły magnetyczne.

W innym rozwiązaniu napędu według wynalazku jarzmo, zwora i magnes, względnie magnesy trwałe mają symetrię obrotową.

PL 200 109 B1

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony na rysunku, w którym fig. 1 przedstawia przykładowe rozwiązanie napędu elektromagnetycznego o prostopadłościennej zworze w położeniu zamkniętym styków wyłącznika, natomiast fig. 2 - inne rozwiązanie przykładowe napędu o symetrii obrotowej w położeniu otwartym styków wyłącznika. W skład napędu elektromagnetycznego który przedstawia fig. 1, wchodzi jarzmo 1 składające się z dwóch symetrycznych części, każda w kształcie litery E wykonane z materiału magnetycznego, magnesy trwałe 2 na stałe przymocowane do jarzma 1 oraz ruchoma, prostopadłościenna zwora 3 wykonana z materiału magnetycznego, umieszczona pomiędzy połówkami jarzma 1, tworząca wraz z jarzmem 1 i magnesami trwałymi 2 rozbudowany obwód magnetyczny.

W skład pierwszej części obwodu magnetycznego wchodzi górna część jarzma 1, magnesy trwałe 2, górna część zwory 3 oraz elastyczna podkładka z materiału magnetycznego 4 umieszczona w górnej szczelinie 9 pomiędzy jarzmem i zworą. W skład drugiej części obwodu magnetycznego wchodzi dolna część jarzma 1, magnesy trwałe 2, dolna część zwory 3 oraz dolna szczelina pomiędzy zworą i jarzmem 10.

Nieruchome cewki napędowe 5 są elementami do przestawiania zwory 3 z jednego położenia stabilnego w drugie. Pomiędzy zworą 3 i stykiem ruchomym 8 znajduje się układ dźwigni 7 do przekazywania ruchu zwory 3 na styk ruchomy 8. Styk ruchomy 8 znajduje się obok styku nieruchomego 11 i jest z nim w kontakcie w stanie zamkniętym wyłącznika lub jest od niego odsunięty w położeniu otwartym.

W górnej części jarzma pomiędzy jarzmem i zworą znajduje się elastyczna podkładka 4 wykonana z materiału magnetycznego o względnej przenikalności magnetycznej większej od 1,1, typowo około 5.

Działanie urządzenia jest następujące.

W stanie ustalonym przez cewki nie przepływa prąd elektryczny, a strumień magnetyczny wytwarzany jest jedynie przez magnes trwały.

W położeniu górnym zwory 3, działanie magnesu trwałego wywołuje w obwodzie magnetycznym strumień magnetyczny, który ze względu na niewielkie szczeliny powietrzne jest znaczny, dzięki czemu zwora 3 silnie przylega do podkładki 4 i poprzez odpowiednie prowadnice 6 i układ cięgieł i dźwigni 7 przekazuje nacisk na styki ruchome 8 wyłącznika. Styki ruchome 8 silnie dociskają do styków nieruchomych 11 wyłącznika, dzięki czemu wyłącznik może przewodzić wielkie prądy.

Jest to położenie stabilne zwory 3 względem jarzma 1. Magnesy trwałe 2, górna część jarzma 1, podkładka 4 i górna część zwory 3 tworzą obwód magnetyczny o małej reluktancji, w którym indukcja na górnej powierzchni zwory jest znaczna. Dolna część zwory 3 jest odsunięta od jarzma 1, dzięki czemu reluktancja obwodu magnetycznego w skład którego wchodzi magnes trwały 2, dolna część jarzma, dolna część zwory 3 i dolna szczelina 10 pomiędzy jarzmem i zworą 3 jest duża, wskutek czego indukcja magnetyczna na dolnej powierzchni zwory 3 w dolnej szczelinie 10 jest niewielka.

W drugim, dolnym położeniu stabilnym pomiędzy zworą 3 a przekładką 4 i jarzmem 1 jest powiększona szczelina 9, natomiast zmniejszona jest szczelina pomiędzy dolną częścią zwory 3 i jarzmem 1. W tym położeniu zwory 3 w obwodzie magnetycznym w skład którego wchodzą magnesy trwałe 2, górna część jarzma 1, podkładka 4, szczelina 9 i górna część zwory 3 reluktancja jest znaczna, natomiast mała reluktancja jest w drugim obwodzie magnetycznym, w skład którego wchodzą magnesy trwałe 2, dolna część jarzma 1, dolna część zwory 2 i dolna szczelina 10 pomiędzy zworą 3 i jarzmem 1. Dzięki temu zwora jest przyciągana do dolnej części jarzma i utrzymuje ruchome styki 8 wyłącznika izolowane od styków nieruchomych 11. Przerwa między stykami 8 i 11 oddziela elementy obwodu elektrycznego, wyłącznik jest w stanie otwartym.

W celu zamknięcia styków wyłącznika włącza się prąd w obwód cewki górnej tak, aby powiększyć strumień magnetyczny zamykający się w górnej części jarzma w obwodzie magnetycznym w skład którego wchodzi: górna część jarzma 1, podkładka 4, górna szczelina 9, górna część zwory 3 oraz magnesy trwałe 2. Powiększenie tego strumienia automatycznie zmniejsza strumień w dolnym obwodzie magnetycznym, w skład którego wchodzi magnes trwały 2, dolna część jarzma, dolna część zwory 3 i dolna szczelina 10. Ta zmiana przepływu strumieni magnetycznych w obwodach magnetycznych powoduje powstanie siły magnetycznej przyciągającej zworę do górnego jarzma, gdyż indukcja w szczelinie 9 pomiędzy zworą i górną powierzchnią jarzma jest znacznie większa od indukcji magnetycznej w szczelinie 10 pomiędzy zworą i dolną częścią jarzma. Zwora przesuwa się w górę aż do zetknięcia się górnej powierzchni zwory 3 z elastyczną podkładką 4. Dzięki temu, że podkładka 4 jest wykonana z materiału magnetycznego o znacznej przenikalności magnetycznej reluktancja obwodu magnetycznego jest mała, indukcja magnetyczna na górnej powierzchni zwory 3 jest duża i siła wywierana przez zworę na układ dźwigni i cięgieł 7 jest znaczna. Jednocześnie elastyczność podkładki 4 pozwala na

PL 200 109 B1 bezpieczne wyhamowanie zwory poruszającej się ze znaczną prędkością. Po zaniknięciu prądu w cewce górnej układ utrzymywany jest w górnym położeniu stabilnym jedynie przez siły magnetyczne wytwarzane przez magnes trwały.

Z kolei w celu otwarcia wyłącznika włącza się prąd w obwód cewki dolnej tak, aby powiększyć strumień magnetyczny w dolnym obwodzie magnetycznym w skład którego wchodzi magnes trwały 2, dolna część jarzma, dolna część zwory 3 i dolna szczelina 10. Powiększenie tego strumienia automatycznie zmniejsza strumień w górnym obwodzie magnetycznym w skład którego wchodzi: górna część jarzma 1, podkładka 4, górna część zwory 3 oraz magnesy trwałe 2. Ta zmiana przepływu strumieni magnetycznych w obwodach magnetycznych powoduje powstanie siły magnetycznej przyciągającej zworę do dolnego jarzma, gdyż siła przyciągająca zworę w kierunku górnego jarzma jest teraz znacznie mniejsza od siły magnetycznej przyciągającej zworę w kierunku dolnego jarzma. Zwora 3 przesuwa się w dół, a pomiędzy górną powierzchnią zwory 3 a podkładką 4 pojawia się górna szczelina 9, która dodatkowo powiększa reluktancję górnego obwodu magnetycznego i zmniejsza siłę magnetyczną działającą na górną powierzchnię zwory 3.

Ważna cechą konstrukcyjną napędu według wynalazku jest to, że odstępy pomiędzy elementami magnetycznymi: zworą 3 i magnesami 2 są jak najmniejsze, pozwalając jednak na ruch zwory związany ze zmianami wysokości odstępów zwory 3 od górnej i dolnej części jarzma 1.

W tym celu do zwory 3 zamocowane są na stałe prowadnice 6 suwliwie ułożyskowane względem jarzma 1, które umożliwiają utrzymanie stałego, minimalnego odstępu pomiędzy zworą 3 i magnesami trwałymi 2.

W napędzie według wynalazku w celu utrzymania równowagi sił działających na boczne powierzchnie zwory 3 magnesy trwałe 2 umieszczone po obu stronach zwory mają jednakowe własności magnetyczne. W innym rozwiązaniu dla osiągnięcia równowagi sił tworzy się układ magnesów tak dobranych, aby wypadkowe własności magnetyczne zespołu magnesów umieszczonych po jednej i po drugiej stronie zwory były jak najbliższe.

W innym rozwiązaniu napędu elektromagnetycznego według wynalazku, który przedstawia fig. 2 w położeniu otwartym styków wyłącznika, jarzmo 1 składa się z wydrążonego walca 1a wykonanego z materiału magnetycznego oraz dwóch walcowych wkładek 1b, 1c ciasno dopasowanych do powierzchni walca 1a, przy czym w walcowych wkładkach 1b, 1c znajdują się otwory dla prowadnic 6 zwory 3. Pomiędzy zworą 3 i wkładką 1 b umieszczona jest elastyczna podkładka 4 wykonana z materiału magnetycznego o względnej przenikalności magnetycznej większej od 1,1, typowo około 5.

Zaletą wykonania napędu w symetrii obrotowej jest prosty montaż urządzenia.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Napęd elektromagnetyczny bistabiinyz magnesem trwałym zawierający: j £^rr^rTODrm^c^rn^t\^(^z^r^^. co najmniej jeden magnes trwały, zworę magnetyczną zamocowaną ruchomo pomiędzy dwoma położeniami stabilnymi, element do przestawiania zwory z jednego położenia stabilnego w drugie, przy czym w pierwszym położeniu stabilnym elementy napędu tworzą pierwszą część obwodu magnetycznego o dużej reluktancji i drugą część obwodu o małej reluktancji, a w drugim położeniu stabiinym elementy napędu tworzą pierwszą część obwodu o małej reluktancji i drugą część obwodu magnetycznego o dużej reluktancji, znamienny tym, że pomiędzy ruchomą zworą (3) i jarzmem (1) znajduje się podkładka (4) z materiału elastycznego o własnościach materiału magnetycznego i względnej przenikalności magnetycznej większej od 1,1.
2. 2. Napęd elektromagnetyczny według zas^z. t, znamienny tym, że magnes jtwały j2) i zwora j3) mają kształt prostopadłościanu.
3. 3. Napęd elektromagnetyczny według zastrz. 1 albo 2, tym, że do zwory O elekkromagnesu zamocowane są co najmniej dwie prowadnice (6) suwliwie połączone z jarzmem (1) tak, że umożliwiają utrzymanie stałego odstępu zwory od niektórych powierzchni elektromagnesu podczas ruchu zwory.
4. 4. Napęd elektromagnetyczny według 1 albo 2, ζι^^ι^ϊ^ι^ι^^ tym, że pi^^^i^^jr^ni^j jeden z magnesów trwałych (2) składa się z co najmniej dwóch części o różnych własnościach magnetycznych.
5. 5. Napęę elektromagnetyczny według zas^z. t, znamienny tym, że magnee Ζιί^θΙυ j2) i zwora j3) mają symetrię obrotową.