CN101393822A - 电磁促动器和装备有这种电磁促动器的开关设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电磁促动器和装备有这种电磁促动器的开关设备。该促动器(11；41；61；81；101)包括固定部分(12)、移动部分和励磁线圈(21；66；131)，其中固定部分包括铁磁轭铁(13；102)和磁化组件，该磁化组件安装在轭铁的表面(33；122)上且大致在与移动部分(22；62；82；106)的移动轴线(26；111)平行的所述表面的整个维度上延伸，移动部分包括铁磁元件，该铁磁元件包括形成厚度可变的磁路气隙(34；108)的第一气隙表面(35；44；84；107)和平行于移动轴线的第二气隙表面(38，39；109)，且该第二气隙表面与磁化组件的相应气隙表面形成厚度恒定的残余磁路气隙(36，37；110)。
Description
技术领域
本发明涉及一种电磁促动器，该电磁促动器被设计用于电开关设备，并且特别用于继电器、接触器或自动跳闸接触器类型的设备。
特别地，本发明涉及一种用于开关设备的电磁促动器，该电磁促动器包括固定部分、移动部分和励磁线圈，
- 固定部分包括铁磁轭铁和磁化组件，该磁化组件包括至少一个固定地安装在轭铁上的磁铁，该磁化组件沿与移动部分的移动轴线大致平行的方向延伸，
- 移动部分包括铁磁元件，该铁磁元件包括第一气隙表面和第二气隙表面，该第一气隙表面与铁磁轭铁形成厚度可变的磁路气隙，且该第二气隙表面与固定部分形成厚度基本恒定的残余磁路气隙，所述第二气隙表面与移动部分的移动轴线大致平行，
- 励磁线圈通过电气控制电流使移动部分的位置和速度受到控制。
本发明还涉及一种包括至少一个固定触点的电开关设备，该触点与至少一个可移动触点协作以切换电负载的电力供应。
背景技术
欧洲专利申请EP1655755描述了用于电开关设备的这种电磁促动器。
在这种类型的促动器中，施加到移动部分上的力主要是拉普拉斯力(Laplace force)，该力由磁化组件和励磁线圈之间的互感的变化产生。该拉普拉斯力与励磁线圈中的电流强度以及由磁化组件产生的感应强度大致成比例。此外施加到移动部分上的力还是一种磁力，由于厚度可变的气隙在断开和闭合位置之间厚度变化，该磁力引起磁阻变化。
这种类型的促动器的一个缺点是施加到移动部分上的力未被优化，从而导致操作效率降低。
发明内容
本发明的目的是通过提出一种用于开关设备的电磁促动器(electromagnetic actuator)来弥补现有技术中的装置的技术问题，该电磁促动器包括固定部分、移动部分和励磁线圈，
- 固定部分包括铁磁轭铁(ferromagnetic yoke)和磁化组件，该磁化组件包括至少一个固定地安装在轭铁上的磁铁，该磁化组件沿与移动部分的移动轴线大致平行的方向延伸，
- 移动部分包括铁磁元件，该铁磁元件包括第一气隙表面和第二气隙表面，该第一气隙表面与铁磁轭铁形成厚度可变的磁路气隙(magnetic air-gap)，且该第二气隙表面与固定部分形成厚度基本恒定的残余磁路气隙，所述第二气隙表面与移动部分的移动轴线大致平行，
- 励磁线圈通过电气控制电流使移动部分的位置和速度受到控制。
根据本发明的促动器的特征在于，磁化组件安装为面对第二气隙表面，以使得无论移动部分的位置，残余磁路气隙总是在移动部分的铁磁元件的第二气隙表面和磁化组件的相应气隙表面之间形成，并且磁化组件的至少一个磁铁安装在铁磁轭铁的表面上且大致在与所述表面的移动轴线平行的整个维度上延伸。
铁磁轭铁优选地包括基部、至少一个横向侧翼和固定中心芯部，磁化组件的至少一个磁铁安装在所述侧翼的一个表面上并且大致在与所述侧翼的移动轴线平行的整个维度上延伸。
根据一个实施例，励磁线圈固定地安装在固定部分上。替代地，励磁线圈固定地安装在移动部分上。
励磁线圈优选地安装为围绕厚度可变的气隙。
移动部分的铁磁元件优选地包括中心移动芯部，且第一气隙表面在所述芯部上形成。
有利地，移动部分的铁磁元件包括至少一个横向部分，且第二气隙表面在所述横向部分上形成。
优选地，形成厚度可变的磁路气隙的铁磁轭铁的相应气隙表面和第一气隙表面呈现为两个切断平面。
有利地，促动器包括厚度可变的单个磁路气隙。
本发明还涉及一种电开关设备，该电开关设备包括至少一个固定触点，以与至少一个可移动触点协作从而切换电负载的电力供应，所述设备包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的电磁促动器，以促使至少一个可移动触点动作。
附图说明
通过本发明的特定实施例的以下描述，其它优点和特征将变得更加清晰可见，这些特定实施例仅出于非限制性示例的目的而被给出，并且在附图中示出。
图1示出了根据本发明的第一实施例的促动器处于断开位置的简化纵向截面图。
图2示出了图1中的促动器处于闭合位置。
图3示意性地示出了相对于图1和2的实施例的替代例。
图4示出了根据本发明的第二实施例的促动器处于断开位置的简化纵向截面图。
图5示意性地示出了相对于图4的实施例的替代例。
图6示出了根据本发明的特定实施例的简化纵向截面图。
具体实施方式
参考图1和2示出的第一实施例，电开关设备的促动器11包括固定部分12，该固定部分12包括呈现U形的铁磁轭铁13，该铁磁轭铁13具有两个侧部横向侧翼14、15，基部16和固定中心芯部17。
在图1和2的实施例中，励磁线圈21固定地安装到固定部分12上以便围绕固定中心芯部17。该线圈与一机构(未示出)相关联，该机构用于调整电气控制电流以控制移动部分的位置和速度。移动部分22主要由铁磁元件23形成，该铁磁元件包括移动中心芯部24和两个横向部分25。该移动部分能沿着纵向移动轴线26在闭合位置(如图2所示)和断开位置(如图1所示)之间移动。
促动器11还包括磁化组件，该磁化组件包括两个磁铁31、32，在电气控制电流(current control electric)流过励磁线圈21时，磁铁31、32能使移动部分22移动。所述两个磁铁固定到横向侧翼14、15的内壁的表面33，并且沿与移动轴线26平行的方向延伸。磁铁关于移动轴线26对称地安装。磁铁31、32的磁化轴线相对于移动轴线26对称并垂直，并且这些磁化轴线被指向该移动轴线或与该移动轴线相反。
促动器11的磁路包括厚度可变的磁路气隙34，该磁路气隙34在移动部分22的铁磁元件23的第一气隙表面35和固定部分12的铁磁轭铁13的相关联的气隙表面之间形成，其中，这两个表面面对彼此。如图1和2所示，促动器的磁路由关于移动轴线26对称的两个平分部(halve)构成。每一半磁路包括厚度基本恒定的残余磁路气隙36、37。该残余磁路气隙在第二气隙表面38、39和固定部分的对应气隙表面之间形成，该第二气隙表面大致平行于移动轴线26。特别地，该残余磁路气隙能使磁路在移动部分处于闭合位置时不饱和。
如图1和2所示，根据本发明的一个特征，磁化组件的磁铁31、32安装为面对第二气隙表面38、39。以这种方式，无论移动部分的位置，残余磁路气隙36、37总是在铁磁元件的第二气隙表面38、39和磁化组件上的相应气隙表面之间形成。
当电流在线圈21中流动时，磁路的两个对称平分部产生磁通(magneticflux)B1。如图1和2所示，磁通B1的路径如下：固定中心芯部17，基部16，侧翼14、15，磁铁31、32的顶部，所述磁铁和移动部分的第二气隙表面38、39之间的残余磁路气隙36、37，移动部分22的横向部分25，移动中心芯部24，和厚度可变的气隙34。该磁通B1产生施加到移动部分22的磁力，以减少厚度可变的气隙34的厚度。
类似地，每个磁铁31、32产生磁通B2、B3，如图1和2所示。磁通B2的路径在形成环路回到磁铁31、32之前如下：移动中心芯部24，厚度可变的气隙34，固定中心芯部17，基部16，侧翼14、15。就磁通B3而言，其路径在形成环路回到磁铁31、32之前如下：移动部分22的横向部分25和侧翼14、15。由于磁铁31、32的磁化轴线，磁通B2、B3以与移动轴线26大致垂直的方式通过线圈。由此，当控制电流流过线圈21时，产生也倾向于使移动部分沿移动轴线26移动的拉普拉斯力。该力与线圈中的电流强度成比例并且与由磁化组件产生的磁感应强度成比例。
如图1所示，当促动器11处于断开位置时，厚度可变的气隙34的厚度为最大值，并且由于磁通B1产生的作用于移动部分的吸引力通常与磁路的气隙的厚度成反比，因此该吸引力为最小值。当电流在线圈21中流动时，由线圈产生的磁力和拉普拉斯力二者都对使移动部分22移动到闭合位置起作用。这两个磁力的组合总是更大的，因为一方面由磁铁且另一方面由励磁线圈产生的磁通B1、B2二者在整个移动部分22中和厚度可变的气隙中都指向同一方向。这导致促动器的操作效率增加。
当促动器11处于闭合位置时，厚度可变的气隙34的厚度为最小值，并且由磁通B1产生的作用于移动部分的吸引力为最大值。为了执行断开移动，促动器11可包括诸如复位弹簧的复位机构(未示出)。此外该移动还可以由线圈21中的控制电流控制。例如，特别地为了加速断开，即将移动部分移动至断开位置，线圈21可被施加反向电流以便抵消拉普拉斯力。
如图1和2所示，磁化组件的磁铁31和32安装在横向侧翼14、15的内壁的表面33上。每个磁铁大致在与所述表面的移动轴线平行的整个维度上延伸，即在横向侧翼的内壁的整个高度上延伸。这使得可以确保一方面由磁铁产生且另一方面由励磁线圈产生的磁通B1、B2二者在移动部分22的较大部分上或甚至在整个移动部分22上、以及在厚度可变的气隙中沿同一方向指引。以此方式，由这两个磁通产生的磁力强度和促动器的操作效率得到增加。
此外，由于线圈21安装在固定部分12上，与励磁线圈安装在移动部分上的“音圈(voice coil)”类型的促动器相比，移动部分的重量相对较轻。这导致促动器的综合效率得到改善。
在图3所示的替代例中，促动器41包括如图1和2示出的大部分元件。在该替代例中，磁路的移动部分42包括由铁磁材料制成的移动中心芯部43，该移动中心芯部包括与移动轴线不垂直的第一气隙表面44。在促动器41中，第一气隙表面44为两个切断平面。以相同的方式，铁磁轭铁46的固定中心芯部45呈现与第一气隙表面互补的相应气隙表面47。特别地，形成促动器41的厚度可变的气隙的气隙表面44、47的形状可以使所述气隙表面的尺寸增加。因此由线圈21中的控制电流的流动产生的吸引磁力更大。
在图3所示的替代例中，第一气隙表面44呈现槽形形状。对铁磁轭铁46的部分而言，该铁磁轭铁的固定中心芯部45的相应气隙表面47以凸起或斜面的形式呈现。通过这种构造，移动中心芯部由于其槽形气隙而恢复大部分磁损耗。由此这些磁损耗被最小化，从而导致闭合力的增加。在一方面需要磁力在促动过程中较早出现且一方面需要在闭合位置中有更好的磁保持(magnetic holding)的实施例中，该替代例是特别有利的。
在图4所示的实施例中，励磁线圈固定地安装在移动部分上。促动器61包括固定部分12和移动部分62，该固定部分包括呈现U形的铁磁轭铁13，该移动部分62包括具有移动中心芯部64和两个横向部分65的铁磁元件63。励磁线圈66通过在线圈和移动部分62的移动中心芯部64之间的连接机构67而固定地安装在移动部分62上。线圈还被安装为围绕移动部分62的移动中心芯部64。
当电流在线圈66中流动时，磁路的两个对称平分部产生磁通B4，磁通B4的路径与图1和图2中的实施例基本相同。该磁通产生施加到移动部分62上的磁力以便减小厚度可变的气隙34的厚度。类似地，每个磁铁31、32产生磁通B5、B6，其路径与图1和2中的实施例基本相同。当控制电流流过线圈66时，产生也倾向于使移动部分移动的拉普拉斯力。由线圈产生的磁力和拉普拉斯力二者由此都对使移动部分62移动到闭合位置起作用。这两个磁力的组合总是更大的，因为一方面由磁铁且另一方面由励磁线圈产生的磁通B4、B5二者在移动部分62的大部分或甚至在整个所述移动部分62中，以及在厚度可变的气隙中都沿同一方向被指引。这导致促动器的操作效率增加。
在如图5所示的替代例中，促动器81包括图4中示出的大部分元件。如在图4的实施例中，涉及一种“音圈”类型的促动器，即励磁线圈固定地安装在移动部分上的促动器。在该替代例中，磁路的移动部分82包括由铁磁材料制成的移动中心芯部83，该移动中心芯部包括第一气隙表面84。如在图3所示的替代例中，第一气隙表面与移动轴线84不垂直。该第一气隙表面84为两个切断平面。以相同的方式，铁磁轭铁86的固定中心芯部85呈现与第一气隙表面互补的相应气隙表面87。特别地，气隙表面84、87的形状可以使所述气隙表面的尺寸增加。因此由控制电流在线圈66中的流动产生的吸引磁力更大。
在如图5所示的替代例中且与图3中的不同，第一气隙表面84呈现凸起或斜面的形式。对铁磁轭铁86的部分而言，该铁磁轭铁的固定中心芯部85的相应气隙表面87为槽形形状。与图3所示的构造相比，通过这种构造，通过移动中心芯部的磁损耗更少。因此吸引磁力较小，取决于所选择的技术规格，这使得能够限定装置的单稳态操作。
在图6所示的实施例中，相对于图4所示的电磁促动器，电磁促动器101仅包括磁路的一半。该磁路包括具有J形铁磁轭铁102的固定部分，该铁磁轭铁包括基部103、主侧翼104和辅助侧翼105。磁路还包括具有铁磁元件的移动部分106，该铁磁元件包括第一气隙表面107，以与铁磁轭铁102形成厚度可变的磁路气隙108。磁路进一步包括第二气隙表面109，以与固定部分形成厚度基本恒定的残余磁路气隙110。第二气隙表面109与移动部分的移动轴线111大致平行。包括磁铁121的磁化组件固定地安装在主侧翼104的内壁的表面122上。磁铁沿与移动部分的移动轴线111大致平行的方向在与主侧翼104的内壁的表面122的移动轴线平行的整个维度上延伸。
在图6所示的实施例中，磁铁121安装为面对第二气隙表面109，以使得无论移动部件106的位置如何，残余磁路气隙110总是在移动部分106的铁磁元件的第二气隙表面109和磁铁121的相应气隙表面之间形成。
在图6所示的实施例中，励磁线圈131通过连接机构132被固定地安装在移动部分106上，该励磁线圈保证移动部分的位置和速度被电气控制电流控制。在其它未示出的实施例中，该励磁线圈还可以固定地安装在固定部分上。
当电流在线圈131中流动时，磁路产生磁通B7且磁铁产生磁通B8、B9。这些磁通的路径与图4所示的在相对于移动轴线111的全部半个磁路上类似。这些磁通产生施加到移动部分106上的磁力以便减小厚度可变的气隙108的厚度。这些磁力都对使移动部分106移动到闭合位置起作用。这两个磁力的组合总是更大的，因为一方面由磁铁且另一方面由励磁线圈产生的磁通B7、B8二者在移动部分106的大部分中或甚至整个移动部分106中，以及厚度可变的气隙中沿相同的方向被指引。这导致促动器的操作效率增加。
根据本发明的促动器能够用在用于保护或控制的任何开关设备中，例如接触器、断路器、继电器或开关。根据本发明的促动器还可以是双稳态或单稳态类型的电磁促动器。
Claims (10)
1、一种用于开关设备的电磁促动器(11；41；61；81；101)，该促动器包括固定部分(12)、移动部分(22；62；82；106)和励磁线圈(21；66；131)，
- 所述固定部分包括铁磁轭铁(13；102)和磁化组件，该磁化组件包括至少一个固定地安装在所述轭铁上的磁铁(31，32；121)，所述磁化组件沿与所述移动部分的移动轴线(26；111)大致平行的方向延伸，
- 所述移动部分包括铁磁元件，该铁磁元件包括第一气隙表面(35；44；84；107)和第二气隙表面(38，39；109)，所述第一气隙表面与所述铁磁轭铁形成厚度可变的磁路气隙(34；108)，且所述第二气隙表面与所述固定部分形成厚度基本恒定的残余磁路气隙(36，37；110)，所述第二气隙表面与所述移动部分的移动轴线大致平行，
- 所述励磁线圈借助于电气控制电流使所述移动部分的位置和速度受到控制，
其特征在于，所述磁化组件安装为面对所述第二气隙表面，以使得无论所述移动部分的位置如何，所述残余磁路气隙总是在所述移动部分的铁磁元件的第二气隙表面和所述磁化组件的相应气隙表面之间形成；并且所述磁化组件的所述至少一个磁铁(31，32；121)安装在所述铁磁轭铁的表面(33；122)上且大致在与所述表面的移动轴线(26；111)平行的整个维度上延伸。
2、如权利要求1所述的促动器，其特征在于，所述铁磁轭铁包括基部(16；103)、至少一个横向侧翼(14，15；104)以及固定中心芯部(17；47)，所述磁化组件的所述至少一个磁铁安装在所述侧翼的表面上且大致在与所述侧翼的移动轴线平行的整个维度上延伸。
3、如权利要求1或2所述的促动器，其特征在于，所述励磁线圈(21)固定地安装在所述固定部分(12)上。
4、如权利要求1或2所述的促动器，其特征在于，所述励磁线圈(21)固定地安装在所述移动部分(62；82；106)上。
5、如权利要求1至4中任一项所述的促动器，其特征在于，所述励磁线圈(21)安装为围绕所述厚度可变的气隙(34)。
6、如权利要求1至5中任一项所述的促动器，其特征在于，所述移动部分(22；42；62；82)的铁磁元件包括移动中心芯部(24；43；64；83)，且所述第一气隙表面在所述芯部上形成。
7、如权利要求1至6中任一项所述的促动器，其特征在于，所述移动部分(22；42；62；82；106)的铁磁元件包括至少一个横向部分(25；65)，且所述第二气隙表面在所述横向部分上形成。
8、如权利要求1至7中任一项所述的促动器，其特征在于，形成所述厚度可变的磁路气隙的所述第一气隙表面(44；84)和所述铁磁轭铁的相应气隙表面呈现为两个切断平面。
9、如权利要求1至8中任一项所述的促动器，其特征在于，所述促动器包括厚度可变的单个磁路气隙。
10、一种电开关设备，该电开关设备包括至少一个固定触点，以与至少一个可移动触点协作从而切换电负载的电力供应，其特征在于，所述电开关设备包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的电磁促动器，以促使所述至少一个可移动触点动作。
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