PL200110B1 - Napęd elektromagnetyczny cylindryczny z magnesami trwałymi - Google Patents

Abstract

Napęd elektromagnetyczny cylindryczny z magnesami trwałymi zawierający co najmniej jeden magnes trwały, zworę magnetyczną, zamocowaną ruchomo pomiędzy dwoma położeniami stabilnymi, element do przestawiania zwory z jednego położ enia stabilnego w drugie, znamienny tym, że posiada na powierzchniach czołowych magnesu trwałego (1) co najmniej jedną nakładkę (2) o profilowanej powierzchni bocznej, oraz co najmniej jedną podkładkę (3) o profilowanej powierzchni bocznej.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest napęd elektromagnetyczny cylindryczny z magnesami trwałymi przeznaczony do stosowania w wyłącznikach i stycznikach o napędzie elektromagnetycznym.

Dotychczasowe rozwiązania konstrukcyjne napędów elektromagnetycznych z magnesami trwałymi zawierają jarzmo wykonane z materiału magnetycznie miękkiego. Droga strumienia wytwarzanego przez magnesy i cewki prądowe zamyka się poprzez jarzmo, zworę, magnesy i szczeliny powietrzne.

W rozwiązaniu takiego napędu, przedstawionym w artykule Heinrich Brungsberg: „Ueber die Verwendung von polarisierten Magnetsystemen fuer groessere Schaltgeraete” (O zastosowaniu spolaryzowanych układów magnetycznych w dużych wyłącznikach), ETZ-A Bd. 86 (1965) H. 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 poprzez odpowiednio ukształtowane własności strumienia magnetycznego zamykającego się między innymi w jarzmie. W dotychczasowych rozwiązaniach konstrukcyjnych napędu osiąganie dużych szybkości przełączania styków związane jest z występowaniem niekorzystnych drgań przy uderzeniach zwory o jarzmo w procesie zamykania styków.

Napęd według wynalazku posiada co najmniej dwa pierścieniowe magnesy trwałe każdy o różnych własnościach magnetycznych. Na powierzchniach czołowych magnesów trwałych znajduje się co najmniej jedna nakładka o profilowanej powierzchni bocznej oraz co najmniej jedna podkładka o profilowanej powierzchni bocznej. W szczelinie pomiędzy górną lub dolną nakładką i zworą umieszczona jest elastyczna przekładka wykonana z materiału o własnościach magnetycznych i względnej przenikalności magnetycznej większej od 1,1. Magnesy trwałe, zwora, nakładki i podkładki mają symetrię osiową.

Napęd elektromagnetyczny według wynalazku nie zawiera jarzma, co wpływa na zmniejszenie wymiarów konstrukcji, jej uproszczenie w porównaniu do rozwiązań dotychczasowych pozwalające na zmniejszenie szczelin powietrznych osłabiających naciąg magnetyczny działający na zworę, oraz zwiększenie szybkości przełączania styków. Wyeliminowanie jarzma jest możliwe dzięki wyprofilowaniu powierzchni bocznych nakładek i podkładek z materiału magnetycznie miękkiego na biegunach magnesów trwałych. Wynika to z koncepcji takiego usytuowania magnesów trwałych, w którym strumień magnetyczny wytwarzany przez magnesy i cewki prądowe zamyka się poprzez magnesy, zworę, nakładki do których przyciągana jest zwora i podkładki bocznikujące oraz szczeliny powietrzne. Zastąpienie jarzma żelaznego tulejką wykonaną z lekkiego materiału niemagnetycznego zmniejsza również ciężar urządzenia. Wyprofilowanie powierzchni bocznych nakładek i podkładek zwiększa siłę naciągu magnetycznego między zworą i nakładką w stanie zamknięcia styków stycznika. Wymiary geometryczne napędu elektromagnetycznego według wynalazku są tak dobrane, żeby o zwiększeniu siły naciągu magnetycznego decydował jedynie rodzaj materiału magnetycznie twardego.

Powyższe czynniki powodują uproszczenie produkcyjnego procesu technologicznego i znacznie wpływają na zmniejszenie kosztów wykonania napędu.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony na rysunku, który przedstawia rozwiązanie przykładowe napędu o symetrii osiowej w położeniu zamkniętym styków wyłącznika.

W skład napędu elektromagnetycznego według wynalazku, wchodzą dwa pierścieniowe magnesy trwałe 1, dwie pierścieniowe nakładki 2 oraz dwie pierścieniowe podkładki 3 - wszystkie z materiału magnetycznie miękkiego, ruchoma cylindryczna zwora 6 wykonana z materiału magnetycznego umocowana na trzpieniu 7 który trwale osadzony jest na wałku 8. Wkładki teflonowe 5 umożliwiają swobodny ruch wałka 8, a tulejka 9 usztywnia konstrukcję składającą się z nieruchomych elementów ustawionych symetrycznie względem osi wałka 8. Elastyczna przekładka magnetyczna 4 przylega do wewnętrznej części jednej z nakładek 2.

W skład pierwszej części obwodu magnetycznego wchodzi górna nakładka 2, górna podkładka 3, magnes trwały 1, górna część zwory 6 oraz elastyczna przekładka magnetyczna 4. W skład drugiej części obwodu magnetycznego wchodzi dolna nakładka 2, dolna podkładka 3, magnes trwały 1, dolna część zwory 6 oraz dolna szczelina pomiędzy zworą i dolną nakładką 2.

Nieruchome cewki napędowe 10 i 11 są elementami do przestawiania zwory 6 z jednego położenia stabilnego w drugie. Pomiędzy wałkiem 8 ze zworą 6 i stykiem ruchomym 13 znajduje się układ dźwigni 12 do przekazywania ruchu zwory 6 na styk ruchomy 13. Styk ruchomy 13 znajduje się obok styku nieruchomego 14 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 elaPL 200 110 B1 styczna przekładka 4 wykonana z materiału magnetycznego o względnej przenikalności magnetycznej większej od 1,1, korzystnie 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 6, działanie magnesu trwałego wywołuje w obwodzie magnetycznym strumień magnetyczny, który ze względu na niewielkie szczeliny powietrzne jest znaczny, dzięki czemu zwora 6 silnie przylega do podkładki 4 i poprzez wałek 8 i układ cięgieł i dźwigni 12 przekazuje nacisk na styki ruchome 13 wyłącznika. Styki ruchome 13 silnie dociskają do styków nieruchomych 14 wyłącznika, dzięki czemu wyłącznik może przewodzić duże prądy.

Jest to położenie stabilne zwory 6 względem górnej nakładki 2. Magnes trwały 1, górna nakładka 2, górna podkładka 3, przekładka 4 i górna część zwory 6 tworzą obwód magnetyczny o małej reluktancji, w którym indukcja na górnej powierzchni zwory jest znaczna. Dolna część zwory 6 jest odsunięta od dolnej nakładki 2, dzięki czemu reluktancja obwodu magnetycznego w skład którego wchodzi magnes trwały 1, dolna część zwory 6 i dolna szczelina pomiędzy dolną nakładką 2 i zworą 6 jest duża, wskutek czego indukcja magnetyczna na dolnej powierzchni zwory 6 w dolnej szczelinie jest niewielka.

W drugim, dolnym położeniu stabilnym pomiędzy zworą 6 a przekładką 4 jest powiększona szczelina powietrzna, natomiast zmniejszona jest szczelina powietrzna pomiędzy dolną częścią zwory 6 i nakładką 2. W tym położeniu zwory 6 w obwodzie magnetycznym w skład którego wchodzi magnes trwały 1, górna nakładka 2, górna podkładka 3, przekładka 4, szczelina powietrzna i górna część zwory 6, reluktancja jest znaczna, natomiast mała reluktancja jest w drugim obwodzie magnetycznym, w skład którego wchodzą magnes trwały 1, dolna nakładka 2, dolna podkładka 3, dolna część zwory 6 i dolna szczelina powietrzna pomiędzy zworą 6 i dolną nakładką 2. Dzięki temu zwora jest przyciągana do dolnej części jarzma i utrzymuje ruchome styki 13 wyłącznika izolowane od styków nieruchomych 14. Przerwa między stykami 13 i 14 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 górnym obwodzie magnetycznym w skład którego wchodzi górna nakładka 2, górna podkładka 3, przekładka 4, górna szczelina powietrzna, górna część zwory 6 oraz magnes trwały 1. Powiększenie tego strumienia automatycznie zmniejsza strumień w dolnym obwodzie magnetycznym, w skład którego wchodzi magnes trwały 1, dolna nakładka 2, dolna podkładka 3, dolna część zwory 6 i dolna szczelina powietrzna. Ta zmiana przepływu strumieni magnetycznych w obwodach magnetycznych powoduje powstanie siły magnetycznej przyciągającej zworę do górnej nakładki 2, gdyż indukcja w szczelinie powietrznej pomiędzy zworą i górną nakładką jest znacznie większa od indukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej pomiędzy zworą i dolną nakładką. Zwora przesuwa się w górę aż do zetknięcia się górnej powierzchni zwory 6 z elastyczną przekładką 4. Dzięki temu, że przekładka 4 jest wykonana z materiału magnetycznego o znacznej przenikalności magnetycznej reluktancja obwodu magnetycznego jest mała, indukcja magnetyczna na górnej powierzchni zwory 6 jest duża i siła wywierana przez zworę na układ dźwigni i cięgieł 12 jest znaczna. Jednocześnie elastyczność podkładki 4 pozwala na bezpieczne wyhamowanie zwory poruszającej się ze znaczną prędkością. Po zaniknięciu prądu w cewce górnej 10 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 11 tak, aby powiększyć strumień magnetyczny w dolnym obwodzie magnetycznym w skład którego wchodzi magnes trwały 1, dolna nakładka 2, dolna podkładka 3, dolna część zwory 6 i dolna szczelina powietrzna. Powiększenie tego strumienia automatycznie zmniejsza strumień w górnym obwodzie magnetycznym w skład którego wchodzi górna nakładka 2, górna podkładka 3, przekładka 4, górna część zwory 6 oraz magnes trwały 1. Ta zmiana przepływu strumieni magnetycznych w obwodach magnetycznych powoduje powstanie siły magnetycznej przyciągającej zworę do dolnej nakładki, gdyż siła przyciągająca zworę w kierunku górnej nakładki jest teraz znacznie mniejsza od siły magnetycznej przyciągającej zworę w kierunku dolnej nakładki. Zwora 6 przesuwa się w dół, a pomiędzy górną powierzchnią zwory 6 a przekładką 4 pojawia się górna szczelina powietrzna, która dodatkowo powiększa reluktancję górnego obwodu magnetycznego i zmniejsza siłę magnetyczną działającą na górną powierzchnię zwory 6.

Ważną cechą konstrukcyjną napędu według wynalazku jest to, że powierzchnie boczne nakładek 2 i podkładek 3 mają kształt powierzchni bocznej stożka ściętego, co umożliwia skierowanie strumienia magnetycznego wytwarzanego przez magnes trwały 1 do powierzchni styku zwory 6 z przekładką 4.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Napęd elektromagnetyczny cylindryczny z magnesami trwałymi zawierający co najmniej jeden magnes trwały, zworę mgnnercznną ngmozowgnc ruchomo pomiędzy dwoma położeniami stabilnymi, element do ęynesrawiayia zwory a jednego ęołożenig srabilyego w drugie, znamienny tym, że ęosigdg ng ęowieynzhnigzh czołowych mggnesu rywgłego (1) zo ngjmniej jednc ngkłgdkd (2) o ęrofilowgnej ęowieanzhni boznnej, oagn zo ngjmniej jednc ęodkłgdkd (3) o ęyofilowgnej ęowieanzhni boznnej.
2. 2. Napędelektromapnytyczayczlinyryczayzmapnysamit ιryałymiwaełuu zaptrz.1,zznmieenn tym, że między nworc (6) i nakładkc (2) znajduje się ęanekładka (4) n materiału elasrcznnego o własnośziazh materiału mggyerczzyego i względnej ęrzenikalnośzi magnerczznej większej od 1,1.
3. 3. Napędelektromapnytyczzyczlinyryczzyz mapnysami trwałymiwaełuuzaptrz. 1 albb 2, zzamienny tym, że magnesy trwałe (1) majc różne własnośzi magnetczzne.
4. 4. Napęę elektromapnytyyzzy czlinyryyzzy z mapnysami trwwłymi waełuuzaptrz. 1albb2,albb3, znamienny tym, że magnes trwały (1), zwora (6), nakładka (2) i ęodkładka (3) majc symetrię osiową