CN101771328A - 使用叠层钢心的单稳态永磁致动器 - Google Patents

使用叠层钢心的单稳态永磁致动器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种使用叠层钢心的单稳态永磁致动器，包括：叠层心，其由彼此层叠的多个金属薄板形成；线圈，其布置为邻近所述叠层心，且配置成通过外部电力对所述叠层心施加磁力；移动体，其安装在所述叠层心中，以便能够沿上下方向移动；永磁体，其安装在所述叠层心处，且配置成对所述移动体施加向上及向下的磁力；及弹性器件，其配置成沿与永磁体方向相反的方向对所述移动体施加弹力。

Description

使用叠层钢心的单稳态永磁致动器
技术领域
本发明涉及一种使用叠层钢心的单稳态永磁致动器，本发明尤其涉及一种操作电力设备的断路器、开关等的致动器。
背景技术
弹簧机构及液压或气压致动器通常用作电力设备的致动器。但是，致动器具有大量的部件，且不得不控制机械能以便获得调节力。因此，致动器结构复杂，且需要维修。
为了解决这些问题，在电力设备中，通过使用永磁体及电能的致动器来代替常规机构。永磁致动器配置成使得其移动体利用永磁体的磁能而被保持在一冲程(stroke)处，并且对线圈施加电能以将移动体移动至另一冲程。
根据使移动体保持在预定位置的机构，可以将永磁致动器分类为双稳态型和单稳态型。双稳态型永磁致动器配置成由于永磁体而使得移动体可保持在冲程的两端，而单稳态型永磁致动器配置成使得移动体仅保持在冲程的两端中的一端。在使电力设备开路或闭路时，双稳态型永磁致动器的移动体通过永磁体的磁能而被保持在预定位置。因此，由于双稳态型永磁致动器无需例如弹簧的机械部件即可执行闭路/开路操作，因此其优于需要单独的保持机构的单稳态型永磁致动器。
相反地，单稳态型永磁致动器具有下述优点。第一，可以通过使用一个线圈使电力设备闭路或开路。
第二，单稳态型永磁致动器安装有开路弹簧(open spring)，从而在紧急情况下无需开路装置中的辅助储能装置(例如弹簧)即可使电力设备开路。
第三，与双稳态型永磁致动器不同，闭路或开路操作是通过一个线圈来实现的。这可以允许在驱动线圈上具有大量的绕组。由于驱动能量与冲程是成比例的，因此单稳态永磁致动器的移动体可以被制造为具有长的冲程。
图1及图2为根据现有技术的致动器的截面图。图1的致动器10包括具有腔的中间筒体12，及结合至中间筒体12的下侧的下部筒体14。用于通过接收外部电力而对移动体16施加向下磁力的闭合线圈18安装在中间筒体12的下方。上部筒体20结合至中间筒体12的上侧。而且，用于对移动体16施加向下磁力的永磁体22安装在上部筒体20的上表面上。
用于通过外部电力来形成衰减磁力(即，与来自永磁体22的磁力相反的磁力)的开路线圈(open coil)24位于上部筒体20的底表面上。而且，用于对移动体16施加向上弹力的开路弹簧26安装在下部筒体14的底表面上。
参照图1，永磁体22处于对移动体16施加引力的状态，且开路弹簧26处于施加向上弹力的压缩状态。但是，开路弹簧26的弹力小于永磁体22的磁力，移动体16如图1所示保持向下移动的状态。在此状态下，在将电力供应至开路线圈20时，在与永磁体22的磁力相反的方向上产生磁力。因此，永磁体22的磁力被衰减，从而开路线圈26的弹力变得相对较大。结果，移动体16如图2所示向上移动。
然后，切断对开路线圈20的电力，且对闭式线圈18供电。这使得永磁体22及闭式线圈18的磁力相比于开路弹簧26的弹力变得相对较大。因此，移动体16如图1所示保持向下移动的状态。
但是，常规的单稳态永磁致动器具有下述问题。
第一，当对闭式线圈或者开路线圈供电以便向上或向下移动移动体16时，磁通的强烈变化产生了涡流。该涡流产生沿与移动体16的移动方向相反的方向的力。而且，该涡流使得致动器需要长的操作时间及大的操作能量，从而对致动器产生不利的影响。
第二，中间筒体及下部筒体经受机械处理以具有筒形形状。这时，执行机械处理的成本较高。
第三，由于向下移动移动体的磁力仅施加在移动体的上板上，因此难以获得足够的引力。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于提供一种单稳态永磁致动器，其能够减少对其工作特性产生不利影响的涡流。
本发明的另一目的在于提供一种使用叠层钢心的单稳永磁致动器，其能够便于机械处理并降低制造成本。
为了实现这些及其他优点并且根据本发明的目的，如本文所体现并进行扩大性描述的，提供了一种使用叠层钢心的单稳态永磁致动器，包括：叠层心，其由彼此层叠的多个金属薄板形成；线圈，其布置为邻近所述叠层心，且配置成通过外部电力对所述叠层心施加磁力；移动体，其安装在所述叠层心中，以便能够沿上下方向移动；永磁体，其安装在所述叠层心处，且配置成对所述移动体施加向上及向下的磁力；及弹性器件，其配置成沿与所述永磁体相反的方向对所述移动体施加弹力。
磁路的心可以实施为彼此层叠的多个金属薄板。这可以防止磁通的剧烈变化，从而防止涡流的产生。
所述单稳态永磁致动器可以进一步包括活动心，所述活动心通过层叠多个金属薄板而形成在所述移动体的上端上。
所述单稳态永磁致动器可以进一步包括引导器件，所述引导器件布置在所述叠层心，以便引导所述移动体向上及向下的移动。
根据本发明的另一方案，提供了一种使用叠层钢心的单稳态永磁致动器，包括：一对叠层心，其由彼此层叠的多个金属薄板形成，且布置为面对彼此；一对固定板，其通过使所述一对叠层心的端部彼此连接而形成具有矩形截面的空间；线圈，其布置为在所述空间中邻近所述叠层心，且配置成通过外部电力来产生对所述叠层心的磁力；移动体，其安装在所述空间中，以便沿上下方向移动；永磁体，其安装在所述空间中，且配置成对所述移动体施加向上及向下的磁力；及弹性器件，其配置成沿与所述永磁体相反的方向对所述移动体施加弹力。
在所述单稳态永磁致动器中，可以利用叠层心来防止涡流。而且，所述致动器可以形成为具有矩形的外形，而不是机械处理所需的圆柱形，所述矩形外形通过使所述叠层心与固定板彼此装配来实现。因此，可以简化制造过程。
所述移动体可以包括：杆，其可滑动地插入所述空间的底表面内的固定心中；头部，其布置在所述杆的上方；及活动心，其布置在所述头部的上方，且由彼此层叠的多个薄板形成。
所述单稳态永磁致动器可以进一步包括引导器件，所述引导器件配置成引导所述移动体向上及向下的移动。所述引导器件可以包括：导向槽，其沿上下方向形成在所述头部中；及导杆，其由所述固定板支撑。由于所述移动体可以在所述导杆已经插入所述导向槽中的状态下移动，因此所述移动体可以稳定地移动。
在所述杆的端部还可以安装有与所述固定心的内表面接触的止动器。而且，为了防止所述止动器与所述固定心碰撞时可能产生的噪声及振动，用于衰减由于所述止动器与所述固定心之间的接触而引起的冲击的减震构件可以安装至所述固定心的内表面。
单稳态永磁致动器可以通过防止涡流的产生来提高操作特性。而且，可以通过以最小化的机械处理所需的形状实现整体结构来降低制造成本。
通过结合附图对本发明的下列详细描述，本发明的上述及其他目的、特征、方案及优点将变得更加明显。
附图说明
所包括的附图提供了对本发明的进一步理解，附图并入且构成本说明书的一部分，其图示了本发明的实施例并与说明书一起用于解释本发明的原理。
在附图中：
图1及图2为根据现有技术的致动器的截面图；
图3为根据本发明的一个实施例的致动器的立体图；
图4为图3的致动器的分解立体图；
图5为图3的致动器的截面图；
图6为图3的致动器的截面图，其示出了移动体已经向下移动；及
图7及图8为示出了操作图3的致动器时磁通分布的图。
具体实施方式
现在将参照附图对本发明进行详细地描述。
以下，将参照附图对根据本发明的致动器进行更详细地解释。
参照图3，根据本发明的一个实施例的致动器100包括布置为面对彼此的一对固定板102。由于固定板102的下端104是弯曲的，因此固定板102配置成向外部装置提供结合面。开口106形成在固定板102的上侧，绕线架及线圈(稍后将进行解释)部分地穿过开口106露出。而且，切口部(cut-outportion)108形成在固定板102的上端的中心部处，移动体120的头部可以穿过切口部108沿上下方向移动。叠层心110固定在所述一对固定板102之间。当固定板102与叠层心110彼此结合时，实现了具有矩形截面的组件。该组件用作致动器的外体。在该组件中，安装有移动体120，使其能够沿上下方向移动。移动体120包括活动心122和头部124：活动心122由彼此层叠的薄板形成；头部124固定至活动心122的下侧。移动体120进一步包括杆，稍后将对杆进行解释。
头部124插入绕线架130中，且线圈132缠绕在绕线架130的外表面上。参照图4，插入口134形成在绕线架130的中心部处，且头部124插入插入口134中。朝一方向延伸的轴式杆126固定至头部124的底表面。而且，杆126插入形成在位于叠层心110之间的固定心140处的杆固定孔142中。
一对永磁体150固定在固定心140与叠层心110之间。永磁体150通过与固定心140及叠层心110接触而向固定心140及叠层心110传送磁力。
弹簧导承160位于固定心140的下方，且开路弹簧164插入形成在弹簧导承160中心部处的导孔162中。具有钩状的止动器128与开路弹簧164的上端接触，且固定至杆126的端部。从而，开路弹簧164的弹力通过止动器128传送至杆126。
弹簧导孔144(参照图5)形成在固定心140的底表面上，且开路弹簧164的上端插入弹簧导孔144中。减震构件146插入止动器128与固定心140之间，从而防止止动器128与弹簧导孔144的内表面碰撞时可能产生的噪声及振动。
在头部124处沿平行于头部124的上下方向延伸地形成一对导向槽125。每个导向槽125中插入一个导杆170。在此，导杆170的外径等于或略小于导向槽125的宽度。固定块172结合至导杆170的两端。固定块172固定在所述一对固定板102之间。因此，导杆170由固定板102固定，从而引导头部124沿上下方向的移动。
以下，将对根据本发明的单稳态永磁致动器的操作进行解释。
图5为图3的致动器的截面图，其示出了定位于上方位置的移动体120。而图6为图3的致动器的截面图，其示出了定位于下方位置的移动体120。
参照图6，永磁体150的磁通由包括活动心122、头部124及固定心140的磁路来实现。因此，移动体120通过来自永磁体150的磁力而定位于下方位置。在这种状态下，在沿与永磁体150的磁通方向相反的方向对线圈132施加电流(闭路电流)时，朝向头部124及活动心122的引力被减小。因此，永磁体150的磁力变得比开路弹簧164的弹力小。结果，移动体120如图5所示移动至上方位置。
在这种状态下，即使切断施加在线圈上的电流，开路弹簧164的弹力仍比永磁体150的磁力大。因此，移动体120仍然可以布置于上方位置。
然后，在沿与永磁体150的磁通方向相同的方向对线圈132施加电流(开路电流)时，由于活动心122与叠层心110之间大的气隙，其间的磁力小，而最初头部124与固定心140之间的磁力较大。因此，在头部124与固定心140之间形成主磁路。然后，如果气隙随着移动体120沿向下方向逐渐移动而变小，则在活动心122与叠层心110之间形成主磁路，而在头部124与固定心140之间形成辅磁路。当对移动体120持续施加磁力时，移动体120移动至处于图6所示的状态。而且，即使供电被切断，移动体120仍可以通过永磁体150的磁力保持其图6所示的状态。
图7及图8为示出了操作图3的致动器时磁通分布的图。
图7的左图示出了闭路电流已经施加在线圈上以使移动体从上方位置移动至下方位置时的磁通分布。相反地，图7的右图示出了在移动体120已经移动至下方位置的状态下已经切断闭路电流时的磁通分布。
参照图7的左图，当施加闭路电流时，移动体布置于上方位置。在移动体通过施加在线圈上的电流而移动之前，辅磁路(红环)上的磁阻小于主磁路(蓝环)上的磁阻。因此，辅磁路具有比主磁路大的磁通。这通过在第一时间降低磁阻使小电流流向线圈来实现，以便提高效率。在移动体通过分布在主磁通及辅磁通上的磁通而移动至下方位置时，主磁通上的磁通持续增加。但是，在移动体到达下方位置时，通过控制器使得施加在线圈上的电流不施加在移动体上。这时，仅由来自永磁体的磁能来保持移动体。在这种情况下，磁通仅分布在主磁路上，而不分布在辅磁路上，从而保持移动体120。保持力产生在三个部分处，即移动体的活动心的两端附近的接触部(上端的右侧及左侧的粉色)处，及下端的中间部分的接触部处。因此，可以增加保持力。
图8的右图示出了在开路电流已经施加在布置于下方位置的移动体上的状态下的磁通分布。相反地，图8的左图示出了在移动体移动至上方位置之后施加在移动体上的开路电流已经被切断的状态下的磁通分布。
参照图8的右图，在施加开路电流之前，移动体布置于下方位置。在对线圈施加开路电流时，在与永磁体的磁通方向相反的方向上产生磁通。因此，用于在活动心的两端及中心接触部处保持移动体的永磁体的磁通被降低，从而减小了移动体的保持力。当保持力被持续地减小至小于由开路弹簧及外部(断路器的触压弹簧)施加在移动体上的力时，移动体通过从开路弹簧及外部传送的力移动至上方位置。在移动体到达上方位置时，通过控制器使施加在线圈上的电流不施加在移动体上，而是仅保留永磁体的磁通。分布在辅磁路(蓝环)上的永磁体的磁通比分布在主磁路(棕环)上的永磁体的磁通多。因此，移动体的保持力变得更小，且移动体通过开路弹簧的弹力而被保持在上方位置。
上述实施例和优点仅仅是示范性的，而不应解释为对本公开的限制。本教导能够容易地应用于其他类型的装置。本说明书的意图是示意性的，而不是限制权利要求的范围。许多替代方案、改进和变化对本领域的技术人员来说将是显而易见的。此处描述的示范性实施例的特征、结构、方法和其他特性可以以各种方式结合以获得另外的和/或替代的示范性实施例。
由于本发明的特征可以在不背离其特性的情况下以若干形式来体现，因此，还应当理解的是，除非另有规定，上述实施例不受上述说明书的任何细节的限制，而应当在所附权利要求所限定的范围内做扩大性解释，因此，落入权利要求的界限和范围或者所述界限和范围的等同布局内的所有变化和改进也因此旨在由所附权利要求所包含。

Claims (9)

1.一种使用叠层钢心的单稳态永磁致动器，包括：
叠层心，其由彼此层叠的多个金属薄板形成；
线圈，其布置为邻近所述叠层心，且配置成通过外部电力对所述叠层心施加磁力；
移动体，其安装在所述叠层心中，以便能够沿上下方向移动；
永磁体，其安装在所述叠层心处，且配置成对所述移动体施加向上及向下的磁力；及
弹性器件，其配置成沿与所述永磁体相反的方向对所述移动体施加弹力。
2.根据权利要求1所述的致动器，进一步包括活动心，所述活动心通过层叠多个金属薄板而形成在所述移动体的上端上。
3.根据权利要求1所述的致动器，进一步包括引导器件，所述引导器件布置在所述叠层心中，以便引导所述移动体向上及向下的移动。
4.一种使用叠层钢心的单稳态永磁致动器，包括：
一对叠层心，其由彼此层叠的多个金属薄板形成，且布置为面对彼此；
一对固定板，其通过使所述一对叠层心的端部彼此连接而形成具有矩形截面的空间；
线圈，其布置为在所述空间中邻近所述叠层心，且配置成通过外部电力来产生对所述叠层心的磁力；
移动体，其安装在所述空间中，以便沿上下方向移动；
永磁体，其安装在所述空间中，且配置成对所述移动体施加向上及向下的磁力；及
弹性器件，其配置成沿与所述永磁体相反的方向对所述移动体施加弹力。
5.根据权利要求4所述的致动器，其中所述移动体包括：
杆，其可滑动地插入所述空间的底表面内的固定心中；
头部，其布置在所述杆的上方；及
活动心，其布置在所述头部的上方，且由彼此层叠的多个薄板形成。
6.根据权利要求5所述的致动器，进一步包括引导器件，其配置成引导所述移动体向上及向下的移动。
7.根据权利要求6所述的致动器，其中所述引导器件包括：
导向槽，其沿上下方向形成在所述头部中；及
导杆，其由所述固定板支撑，
其中所述移动体在所述导杆已经插入所述导向槽中的状态下移动。
8.根据权利要求5所述的致动器，其中在所述杆的端部还安装有与所述固定心的内表面接触的止动器。
9.根据权利要求8所述的致动器，其中用于衰减由于所述止动器与所述固定心之间的接触而引起的冲击的减震构件安装至所述固定心的内表面。
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