CN1003822B

CN1003822B - 电磁执行机构

Info

Publication number: CN1003822B
Application number: CN85102911.6A
Authority: CN
Inventors: 上津原常男
Original assignee: Mitsubishi Mining and Cement Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Mining and Cement Co Ltd
Priority date: 1984-10-09
Filing date: 1985-04-18
Publication date: 1989-04-05
Also published as: AU575444B2; DE3574307D1; WO1986002484A1; KR880700439A; CN85102911A; EP0198085B1; EP0198085A4; AU4957385A; US4746886A; EP0198085A1

Abstract

一电磁执行机构包含一外壳，其包括一固定铁芯或一固定铁芯和磁轭的组合并至少有一开孔；一个或一对穿过开孔可往复移动作为执行构件的活动铁芯；一电绕组元件当电流流过时对活动铁芯施加第一磁动势；一永久磁铁其对活动铁芯施加一个与第一磁动势相并联的第二磁动势；一产生偏置力的元件其对活动铁芯施加一机械力。当电流流经绕组元件时，因磁力大于偏置力，活动铁芯可往复地从一状态移至另一状态。该电磁执行机构能用小功率的电源来操作。

Description

电磁执行机构

本发明普遍关系到许多电磁器件中能用来控制机械力的一种电磁执行机构，这些电磁器件例如有电磁继电器、电磁开关、电磁阀、电磁锁定装置、电磁闸、电磁离合器、电磁振动器或其它类似的器件。

在工业技术、公众应用等许多不同领域里，通常所用的电磁执行机构一般都利用电磁吸力和弹簧偏置力的一种组合。对于一种特定的用途，我们都知道：一个有自身保持能力（锁定性质）的电磁执行机构是由一个电磁铁、一个弹簧和一块作为自锁手段用的永久磁铁所组成。

参看图8（a）、（b），它表明了现有技术的最常用的插棒式电磁执行机构的构造。亦即在该图中，这种插棒式电磁执行机构是由一个固定的由固定铁芯1及绕于铁芯1上的绕组件元件4所构成的构件、一个能在铁芯1内往复移动的插棒形状的活动铁芯2以及一个能产生图中向右偏置力的弹簧3所组成，当绕组元件4中没有电流时（关状态），这个偏置力能使固定铁芯1和活动铁芯2之间保持一个间隙1a。

图8（a）表明了这种插棒式电磁执行机构的关状态;亦就是活动铁芯2由于目前受到弹簧3在图示箭头3a方向对活动铁芯2施加的偏置力而处在机械稳定状态。

当一个电流流入绕组元件4，如图8（b），此时就产生磁通量27，同时产生一个与偏置力3a方向相反的磁吸引力，并且磁吸引力大于偏置力。于是，活动铁芯2被迫移向固定铁芯1，且与它成如图8（b）那样的接触。这样，若在活动铁芯2上装一个执行构件，例如电接触零件、阀门杆或其它类似的构件（图中未画），就能使这执行构件在机械上动作起来。

这种机械执行状态在绕组元件4的开状态下一直保持下去。另一方面，如果绕组元件4从开状态转变到关状态，那么由于弹簧3的偏置力的影响，活动铁芯2将回到图8（a）所示的机械稳定状态。

参看图9（a）、（b），图中表示了另一种常用的电磁执行机构，其中附加了一个锁定用的永久磁铁5。这种锁定型的电磁执行机构是如此构成的，即永久磁铁5的磁动势是串联地加在由固定铁芯1和活动铁芯2组成的磁路磁动势之中，如图8（a）、（b）所示。

当绕组元件4处在关状态时，即其中没有电流流过，由永久磁铁5的磁动势引起的磁通量26，就对因弹簧3而在箭头3a方向永远受到偏置力的活动铁芯2施加了一个吸引力。由于这个永久磁铁5的吸引力的存在且与弹簧3的偏置力相平衡，活动铁芯2就与固定铁芯1离开一个空隙1a，这种状态称为“第一种机械稳定状态”。

其次，当一系列脉冲电流按图9（a）所示方向流入绕组元件4时，在永久磁铁5所产生的磁通量26上就重叠产生了磁通量27，于是产生了一个大于弹簧3的偏置力（箭头3a）的磁吸引力。因此，活动铁芯2被吸引，且被强迫移向固定铁芯1。结果，活动铁芯2与固定铁芯1相接触。这种状态如图9（b）所示并叫做“第二种机械稳定状态”。采用这种方法，若在活动铁芯2上装一个执行构件，例如电接触零件、阀门杆或其它类似的构件（图中未画），就可以使这执行构件在机械上动作起来。

在第二种机械稳定状态下，如果有一系列依图9（b）所示方向的脉冲电流流过，这就产生了一个与永久磁铁5引起的磁通量26方向相反的磁通量27。于是活动铁芯2不受磁吸引力的影响，且由于偏置力（箭头3a）的影响活动铁芯2将回到图9（a）的第一种机械稳定状态，并将留在这一状态。

然而，以上所述的图8（a）、（b）通常的插棒式电磁执行机构有下列一些问题：

（a）对于执行机构要求的吸引力和要求的冲程，所需的磁动势（安培匝）较大。

（b）因为当执行机构在它的执行位置时执行机构需要保持在开状态，所以这种执行机构要花费较多的电能。

（c）消耗电能时，绕组元件要产生热量，所以这种电磁执行机构的尺寸将增大。

虽然后一种所述的图9（a）、（b）所示通常的电磁执行机构有一个优点是，这两种机械稳定状态都很容易地在加入一系列脉冲电流的瞬间被转换到另一机械稳定状态，因而这个执行机构能被少量的电能所控制，但这种执行机构需要大容量的功率源来激励这个电磁元件以及（或者）要增加绕组元件的尺寸。这即是说，由于磁阻很大的永久磁铁5是被安排得串联在绕组元件4所激励的磁路内，所以这种执行机构为了激励而需的磁动势要比前一种图8（a）、（b）的执行机构大好几倍。此外，这种执行机构还引起一个问题，即转换时开与关所需的磁动势的值是彼此大不相同的。

而在实践中已公开了许多与上述现有技术相似的实际例子，例如美国专利4442418号及日本专利申请昭-59-154006。

脑中有了这些问题，本发明的主要目的就是提供一种改良的电磁执行机构，它是一种高灵敏的和节能型的，可用较小的功率源来控制的执行机构。

此外，本发明的另一个目的是提供一种尺寸紧密和结构牢固的电磁执行机构。

为了达到以上目的，根据下列知识便可做出按照本发明的电磁执行机构。

参看图4和图5，这两图以图解方式分别说明本发明的执行机构和通常的执行机构的动作原理。在这两图中，对于与图8和图9内同样或相当的元件，都标以相同的数目字，这就避免了重复的解释。

首先，在图4中，由永久磁铁5产生的磁通量在极靴16处分成左边和右边磁通量φb和φa，磁通量φi则是由绕组元件4当其有电流流过时产生的。

在图5所示通常的插棒式＊磁执行机构中，磁通量φio也是由绕组元件4当其中有电流流过时产生的。

如果Fs代表弹簧3在箭头3a所示方向的偏置力，假定比例常数K的值对这两种执行机构是相等的，且忽略不计漏磁通量，那么按本发明的和按以前技术的执行机构的吸引力Fa和Fb分别可用下列方程表示出：

Fa＝K（φa+φi）²-Fs ……（1）

Fb＝K（φio）²-Fs ……（2）

此外，为了简化这两方程，Fs可被略去，再假定有以下方程

φa＝αφi ……（3）

φi＝φio ……（4）

把这两条件代入方程（1）和（2）为了得出Fa与Fb之比把它们重新排列，结果可得下列方程

……（5）

根据这个方程，从图6所示的曲线清楚看出，按照本发明的执行机构，在相同的条件下，即相同的激励磁动势（安培匝）之下，依α值的不同，可以比先前的执行机构产生大好几倍的吸引力。本发明的改进点在于有一磁分路（17），便可增加对活动铁芯（2）的吸引力。

其次，根据方程（1）、（2）和（3），假定Fa的值等于Fb的值：

Fa＝Fb ……（6）

则可得出下列方程

φi/φio＝1/（α+1） ……（7）

根据方程（7），亦能从图7所示的曲线清楚看出，本发明的执行机构与先前的执行机构相比较，只需较小的磁动势便能产生同样大小的吸引力。所需的磁动势的值是随α值的改变而变化。

虽然以上的结果是在不考虑阻止磁通量φi的磁分路（17）的磁阻影响得到的，但这种影响很小，以致在实际情况下可被忽略。

根据以上假定的知识就可作出这里的发明。即按照本申请第一发明的电磁执行机构包括：

一种电磁执行机构，它由下列组成

一个永久电磁铁（5）;一个极靴（10），它的第一极面固定在永久磁铁（5）的第一极面上;一个活动铁芯（2），它是这样安排的，活动铁芯（2）的一个端面（2a）能够对极靴（16）的第二极面作接近或离开的往复移动;一个固定铁芯（1），它有一个第一极面（11），经过一个细隙（1n），面对活动铁芯（2）的一个侧面（2b），侧面（2b）与端面（2a）相接成直角，还有第二极面（11）与永久磁铁（5）的第二极面接触固定;一个激励磁路用的绕组元件（4），这磁路由固定铁芯（1），活动铁芯（2）和极靴（16）组成;以及一个插在活动铁芯（2）和极靴（16）或固定铁芯（1）之间的弹簧（3），用来对活动铁芯（2）施加一个机械偏置力，其特征在于这种电磁执行机构有一磁分路（17），该磁分路（17）插在极靴（16）的第三极面（16b）和固定磁铁（1）的第三极面（1K）之间，以便增加对活动铁芯（2）的吸引力。

根据本申请第二发明，一种电磁执行机构，它由下列组成：

一个永久磁铁（5）;一个极靴（16），它的第一极面固定在永久磁铁（5）的第一极面上;一对活动铁芯（2），它是这样安排的，这两铁芯（2）的两个内端面（2a）能够对极靴（16）的两个第二极面（16a）作接近或离开的移动，并且这两个活动铁芯（2）通过一根非磁性的连接棒（8）连接起来;一个固定铁芯（1），它有一对第一极面（1f），经过一细隙（1n），分别面对每一活动铁芯（2）的一个侧面（2b），侧面（2b）与内端面（2a）相接成直角，还有一个第二极面（11），固定到永久磁铁（5）的第二极面上;以及一个激励磁路用的绕组元件（4），这磁路是由固定铁芯（1）、两个活动铁芯（2）和两个极靴（16）所组成，其特征在于这种电磁执行机构有一对磁分路（17），每个磁分路（17）分别固定在每个活动铁芯（2）的外端面（2h）上，以便增加对活动铁芯（2）的吸引力。

根据本申请第三发明，一种电磁执行机构，它由下列组成;

一个永久磁铁（5）;一个极靴（16），它的第一极面固定在永久磁铁（5）的第一极面上，并有一个位在凹进或穿透处（16d）内表面的第二极面;一个活动铁芯（2），它是这样安排的，活动铁芯（2）的一端（2i）能够在凹进或穿透空间（16d）作进或出的移动;一个固定铁芯（1），它有一个通过细隙（1n）面对活动铁芯（2）的侧面（2b）的第一极面（1f）以及一个固定在永久磁铁（5）第二极面上的第二极面（11）;一个激励磁路用的绕组元件（4），这磁路是由固定铁芯（1）、活动铁芯（2）和极靴（16）所组成;以及一个安插在活动铁芯（2）和极靴（16）或固定铁芯（1）之间的弹簧（3），用来对活动铁芯（2）施加一个机械偏置力，其特征在于这种电磁执行机构有一个磁分路（17），该磁分路（17）插在极靴（16）的第三极面（16b）与固定铁芯（1）的第三极面（1K）之间，以便增加对活动铁芯（2）的吸引力。

从附图连同下列的说明，将使我们更清楚懂得按照本发明做成的电磁执行机构的特征和优点。

图1（a）是用图解表明了按本申请第一发明的电磁执行机构的具体装置，它现在是处于它的第一种机械稳定状态;

图1（b）是用图解表明了图1（a）的执行机构的第二种机械稳定状态;

图2是用图解表明了按本申请第二发明的电磁执行机构的具体装置;

图3（a）是用图解表明了按本申请第三发明的电磁执行机构的具体装置，它现在是处于第一种机械稳定状态;

图3（b）是用图解表明了图3（a）的执行机构的第二种机械稳定状态;

图4是用图解表明了按本发明的电磁执行机构的原理;

图5是用图解表明了通常的电磁执行机构的原理;

图6和图7都是按本发明的如图4所示的电磁执行机构的特性曲线。

图8（a）是用图解表明了通常的电磁执行机构，它现在是处于它的第一种机械稳定状态;

图8（b）是用图解表明了图8（a）中通常的执行机构的第二种机械稳定状态;

图9（a）是用图解表明了另一种通常的电磁执行机构，它现在处于它的第一种机械稳定状态;

图9（b）是用图解表明了图9（a）中的执行机构的第二种机械稳定状态。

参看图1（a）、1（b），这是本申请第一发明的电磁执行机构的具体装置。图中，永久磁铁5的N极的第一极面是固定到极靴16的第一极面上。活动铁芯2是这样安排的，铁芯2的一个端面2a能够对极靴16的一个第二极面16a作接近或离开的往复移动。固定铁芯1有一个通过细隙1n面对活动铁芯2一个侧面2b的第一极面1f，侧面2b与端面2a相接成直角，还有一个第二极面11，它固定到永久磁铁5的S极的第二极面上。固定铁芯1内的绕组元件4是这样安排的，使它去激励一个磁路，这个磁路包括固定铁芯1、活动铁芯2、极靴16以及分磁路17。弹簧3也插置在活动铁芯2和极靴16之间，使活动铁芯2受到一个偏置力。或用另一种办法，弹簧3插置在活动铁芯2和固定铁芯1之间。参考数目字17表示一个具有所需磁阻的磁分路，它放在极靴16的第三极面16b和固定铁芯1的第三极面1K之间。

这种具体装置的动作将讨论如下。

图1（a）表示当绕组元件4内没有电流流过时的第一种机械稳定状态。亦即是，弹簧3引起的偏置力与永久磁铁5磁动势引起的磁通量φa的吸引力相平衡，使活动铁芯2保持在这样的位置上，该处活动铁芯2的端面2a和极靴16的极面16a之间留有一段所需的空间。

在这种条件下，当一系列脉冲电流依图1（a）所示的方向流入绕组元件4时，产生出图中以实线箭头方向表示的磁通量φi，且重叠在和前者同一方向的磁通量φa上，于是活动铁芯2受到了大于弹簧3的偏置力3a的磁吸引力，活动铁芯2就与极靴16接触并保持在图1（b）所示的这种状态。这种状态是第二种机械稳定状态。

在这种第二种机械稳定状态下，当一系列脉冲电流按图1（b）所示的方向流入绕组元件4时，便产生了图1（b）所示方向的，即图1（a）中磁通量φi相反方向的磁通量φi，这个磁通量φi的作用与磁通量φa相反，使磁吸引力减小，由于弹簧3的偏置力的关系，活动铁芯2便与极靴16分开，最后回到图1（a）所示的第一种机械稳定状态的位置。

虽然以上讨论了两种稳定状态的动作，但对图1（a）和图1（b）所示的第二种具体装置，可以用同样的结构和同样的电流流动动作，稍作修改就能做出一种单一稳定状态的动作。那就是，要如此地变化或调整磁通量φa、φb和φi的组合和弹簧3的偏置力的值，使绕组元件4处在关状态时，保持为第一种或第二种机械稳定状态，而当绕组元件处在开状态时使活动铁芯2移动到图1（b）或图1（a）所示的位置，并由此在机械上去带动一个图中没有画出的电接触零件、阀门杆或其它类似的东西。

参看图2，这是本申请第二发明的电磁执行机构的具体装置。这种具体装置，除了以下各点外，实质上与本申请第一发明的具体装置相同。一对活动铁芯2是通过一根非磁性的连接棒8连在一起，并且是这样布置的，每个活动铁芯2的一个内端面2a能够对极靴16的一个第二极面16a作接近或离开的移动。此外，一个固定铁芯1具有一对第一极面1f，经过一细隙1n，面对这活动铁芯2的侧面2b，侧面2b与内端面2a相接成直角，还有一个第二极面11，固定到永久磁铁5的第二极面上，一对具有所需磁阻的分磁路17分别固定在每个活动铁芯2的两个外端面2h上。这对磁分路17的结构及功能与本申请第一发明的具体装置相同。

根据这种结构的执行机构，当绕组元件4内有电流流动时，任一活动铁芯2和分磁路17可以交替工作，结果就不需要例如用弹簧3去产生机械的偏置力。

参看图3（a）、3（b），这是本申请第三发明的电磁执行机构的具体装置。这种具体装置，除了以下各点外，实质上与本申请第一发明的具体装置相同。

极靴16如图所示有一凹处16d，活动铁芯2是这样安排的，活动铁芯2的一端2i能够在凹处16d作进或出的移动，极靴16的凹处16d也可以完全打穿成一个洞孔。

此具体装置中磁分路17的结构及功能与本申请第一发明的具体装置相同。

此具体装置的动作和本申请第一发明的具体装置的动作方式是相同的。

根据以上所作的解释，按本发明的电磁执行机构，与通常的装置相比，可以提供下列一些卓越的效果。

（1）本发明产生的磁吸力，比之用同样的绕组元件产生等效磁动势的通常装置的电磁吸引力，要大得多。

（2）本发明可以产生与通常装置同样的磁吸引力，但所用产生磁动势的绕组元件却比通常装置的要小得多。

（3）本发明在相同的结构中，可以在单一稳定状态动作和两种稳定状态动作两种功能中任选一种使用。

（4）以上这些效果又提供出进一步琐细的特点：

（a）供这种装置动作的功率源的容量相对地说是小的。

（b）可获得高灵敏和节能型的装置。

（c）可获得尺寸紧凑和重量轻的装置。

（d）很容易做成有防水、耐压和防尘的简单结构。

根据这些优越的效果，本发明能够用于各种不同的常用的装置中，例如电磁继电器、电磁阀、电锁定装置、电磁筛等等，它们都是紧凑的高灵敏度的、轻的和低能耗的装置，能够用太阳能电池、干电池或类似的小功率电源使之工作。

特别是，本申请第二发明的具体装置能使结构更加简化，因为对活动铁芯产生偏置力的弹簧在这个装置中是不需要的。

由于本申请第三发明的具体装置是这样设计的，在吸引运动的起始阶段供出最大的吸引力。这样就有可能提供一种紧凑、轻的和撞击噪声小的装置，这种噪声是在活动铁芯2和极靴16相接触时产生的。

对于技术熟练的人来说，显然对以上所述的结构，将来还可以做出许多修改和变化，这些修改和变化将不越出由本申请权利要求所定义的本发明的范围。

Claims

1、一种电磁执行机构，它由下列组成：

一个永久磁铁（5）;一个极靴（16），它的第一极面固定在永久磁铁（5）的第一极面上;一个活动铁芯（2），它是这样安排的，活动铁芯（2）的一个端面（2a）能够对极靴（16）的第二极面作接近或离开的往复移动;一个固定铁芯（1），它有一个第一极面（1f），经过一个细隙（1n），面对活动铁芯（2）的一个侧面（2b），侧面（2b）与端面（2a）相接成直角，还有第二极面（11）与永久磁铁（5）的第二极面接触固定;一个激励磁路用的绕组元件（4），这磁路由固定铁芯（1）、活动铁芯（2）和极靴（16）组成;以及一个插在活动铁芯（2）和极靴（16）或固定铁芯（1）之间的弹簧（3），用来对活动铁芯（2）施加一个机械偏置力，其特征在于这种电磁执行机构有一磁分路（17），该磁分路（17）插在极靴（16）的第三极面（16b）和固定磁铁（1）的第三极面（1K）之间，以便增加对活动铁芯（2）的吸引力。

2、一种电磁执行机构，它由下列组成：

3、一种电磁执行机构，它由下列组成;