CN103715009B - 一种双稳态永磁机构 - Google Patents

Abstract

一种双稳态永磁机构，包括一外磁轭和一设在外磁轭中心的心轴，心轴由不导磁材料制成，心轴的圆周上对称设有两个互不相接的动铁芯，外磁轭的内壁上对应于每个动铁芯的两侧均设有一个合闸极和一个分闸极，合闸极和分闸极上均设有能与动铁芯吸合的工作面，合闸极和分闸极上分别绕设有用于驱动动铁芯在合闸极和分闸极之间往复运动的合闸线圈和分闸线圈，外磁轭的内壁上设有在动铁芯运动过程中始终与其外侧面对应的永磁铁，永磁铁将动铁芯与外磁轭的内壁隔开。本发明中，永磁铁所产生的永磁磁通不会被外磁轭短接，保证动铁芯有足够的磁通通过合闸极或分闸极的工作面，使动铁芯保持在合闸极或分闸极的锁止位置，保证合闸或分闸工作的可靠性。

Description

一种双稳态永磁机构

技术领域

本发明涉及电器技术领域，特别适合作为气体绝缘箱式固定柜中真空断路器的操动机构，具体的说是一种双稳态永磁机构。

背景技术

永磁机构运动零部件少，结构简单，可靠性高，特别适用于需要频繁操作或长机械寿命的真空断路器。目前真空断路器特别是户内真空断路器，大多数都需要转动输出的操动机构，而现有技术的永磁机构输出直线运动，如图1所示，外磁轭301两侧分别布置左磁轭101和右磁轭601，分闸线圈201、永磁铁401和合闸线圈501依次布置在外磁轭301的内侧，然后在整体的中心布置动铁芯701，两侧分别在左磁轭101和右磁轭601上设置导向特征，保证动铁芯701能够在永磁机构的中心沿轴向直线运动。当动铁芯701与左磁轭101或右磁轭601接触时，永磁铁401在动铁芯701与左磁轭101或右磁轭601间建立永磁保持力，实现稳定的锁止状态。在使用时，需要将直线运动转变成断路器所需要的旋转运动。由此增加的运动转换环节，降低了机构的工作效率与可靠性，并增加了设计难度。

发明内容

本发明针对上述现有永磁机构的不足，提供一种能够输出旋转运动的双稳态永磁机构，是一种结构简单，可靠性高的电磁操作、永磁保持的双稳态永磁机构。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种双稳态永磁机构，包括一个具有圆形内腔的外磁轭和一个设置在外磁轭中心的心轴，所述心轴由不导磁材料制成，在心轴的圆周上对称设有两个互不相接的动铁芯，所述外磁轭的内壁上，对应于每个动铁芯的两侧均设有一个合闸极和一个分闸极，所述合闸极和分闸极上均设有能够与动铁芯吸合的工作面，合闸极和分闸极上分别绕设有用于驱动动铁芯在合闸极和分闸极之间往复运动的合闸线圈和分闸线圈，外磁轭的内壁上设有在动铁芯运动过程中始终与其外侧面对应的永磁铁，永磁铁将动铁芯与外磁轭的内壁隔开，使动铁芯与外磁轭不直接接触。

所述心轴的中心设置有花键或平键，方便了本发明中所述永磁机构进行运动的输出。

本发明中，所述外磁轭的内圆上设有极靴，永磁铁设在极靴上，与动铁芯、外磁轭上的合闸极或分闸极构成永磁回路，并为永磁回路提供磁通势，当动铁芯与合闸极接触，永磁磁通从二者的接触面通过，产生永磁保持力，从而使动铁芯锁止并保持在合闸状态，同理，当动铁芯与分闸极接触，使动铁芯锁止并保持在分闸状态。

本发明中的外磁轭和动铁芯均为高磁导率软磁材料，心轴为不锈钢或塑料材质，永磁铁为钕铁硼强磁材质的瓦片形结构，且两个永磁铁的材质相同，永磁铁沿心轴的径向磁化，如永磁铁的内侧为N极，外侧为S极。

本发明的有益效果为：

（1）永磁铁在动铁芯运动过程中始终与动铁芯外侧面相对应，且永磁铁将动铁芯与外磁轭的内壁隔开，使动铁芯与外磁轭不直接接触，本发明的永磁机构在合闸或分闸操动时，永磁铁所产生的永磁磁通不会被外磁轭短接，保证动铁芯有足够的磁通通过动铁芯与合闸极或分闸极的工作面，使动铁芯保持贴合在合闸极或分闸极的锁止位置，保证合闸或分闸工作的可靠性；

（2）两个动铁芯互不接触，且心轴由不导磁材料制成，合闸线圈或分闸线圈工作时，在两个动铁芯中产生的磁路不会相互干扰，从而提高了合闸线圈或分闸线圈工作时对动铁芯的吸合力；

（3）本发明中，合闸线圈或分闸线圈工作时，由于心轴由不导磁材料制成，能够避免磁路沿外磁轭圆形内腔的中心轴方向传递，避免减弱径向的磁场，保证合闸线圈或分闸线圈工作时对动铁芯的有足够的吸合力；

（4）本发明作为一种真空断路器的操动机构，能够保证真空断路器分闸保持或合闸保持两个工作状态，分别在合闸线圈或分闸线圈中通入直流电流，能驱动动铁芯顺时针或逆时针旋转，实现断路器的合闸或分闸操作，该机构能在设计角度范围内，动铁芯输出往返旋转运动，并在合闸极或分闸极锁止位置提供一定的保持扭矩；

（5）本发明机构结构简单，零部件数量少，可靠性高，可直接安装于真空断路器的传动主轴，驱动真空断路器的分合闸，进一步简化真空断路器的驱动环节，提供工作效率。

附图说明

图1为背景技术中的附图；

图2为本发明的结构示意图；

图3至图4为本发明中所述永磁机构处于合闸稳态位置的示意图；

图5至图6为本发明中所述永磁机构处于分闸稳态位置的示意图。

附图标记：1、外磁轭，2、永磁铁，3、动铁芯，4、合闸线圈，5、分闸线圈，6、心轴，7、合闸极，8、分闸极，9、回路Ⅰ，10、回路Ⅱ，11、回路Ⅲ，12、回路Ⅳ。

具体实施方式

如图2所示，一种双稳态永磁机构，包括一个具有圆形内腔的外磁轭1和一个设置在外磁轭1中心的心轴6，所述心轴6由不导磁材料制成，在心轴6的圆周上对称设有两个互不相接的动铁芯3，所述外磁轭1的内壁上，对应于每个动铁芯3的两侧均设有一个合闸极7和一个分闸极8，所述合闸极7和分闸极8上均设有能够与动铁芯3吸合的工作面，合闸极7和分闸极8上分别绕设有用于驱动动铁芯3在合闸极7和分闸极8之间往复运动的合闸线圈4和分闸线圈5，外磁轭1的内壁上设有在动铁芯3运动过程中始终与其外侧面相对应的永磁铁2，永磁铁2将动铁芯3与外磁轭1的内壁隔开，使动铁芯3与外磁轭1不直接接触。

本发明中，永磁铁2设置于外磁轭1内极靴的内部，与动铁芯3、外磁轭1上分闸极8或合闸极7构成永磁回路，并为永磁回路的提供磁势，当动铁芯3与分闸极8或合闸极7接触，永磁磁通从接触面通过，产生永磁保持力，从而使动铁芯3锁止并保持在分闸或合闸状态。动铁芯3与心轴6刚性连结，可绕心轴6中心往复转动，输出扭矩。分闸线圈5和合闸线圈4在励磁情况下，将驱动动铁芯3分别向分闸极8方向或合闸极7方向转动。

所述的外磁轭1为高磁导率软磁材料，其上设置分闸极8、合闸极7，它们成对出现，并绕心轴6中心轴对称分布，如图2所示，外磁轭1上设置两对分闸极8和合闸极7，永磁铁2为瓦片形结构的钕铁硼材料，紧贴在外磁轭1的内极靴上，永磁铁2沿心轴6的径向方向磁化，如图2所示，永磁铁2内侧为N极，外侧为S极。动铁芯3为高磁导率软磁材料，心轴6为不锈钢或塑料等不导磁材料。动铁芯3固定在心轴6上，并绕心轴6轴线称布置，动铁芯3布置在外磁轭1分闸极8和合闸极7之间，可随心轴6往复转动一定转角。心轴6中心设置花键或平键等特征，方便永磁机构进行运动输出。

本发明合闸工作原理为：

如图3所示，所述永磁机构处于合闸稳态位置，永磁铁2建立永磁回路，磁力线分布如图3中9所示的回线I，在图3所示方向中，回线I为逆时针方向，用单箭头标示。动铁芯3与合闸极7接触，永磁铁磁通均从回路I通过，将动铁芯3吸在合闸极7上。

如图4所示，当分闸线圈5通过直流电流励磁，建立电磁回路，磁力线如磁力线分布如图4中10所示的回线II，在图4所示方向中，回线II为顺时针方向，用双箭头标示。此分闸线圈5的磁通与永磁铁2的磁通在合闸极7处叠加，使动铁芯3在合闸极7处所受的吸力减小。当分闸线圈5的电流增大到一定值时，动铁芯3在合闸极7处所受的吸引力小于动铁芯3上的机械负载如触头压力，动铁芯3就逆时针转动，一旦动铁芯3从合闸极7处被拉开，动铁芯3与合闸极7间就出现空气隙，磁阻增大，而另一侧与分闸极8间的磁阻减小。合闸极7对动铁芯3的吸引力减小，分闸极7对动铁芯3的吸引力增大。动铁芯3上向分闸极8方向上的合力增大，使动铁芯3加速向分闸极8方向转动，即逆时针转动，直到与分闸极8接触，完成分闸动作，如图5所示。

本发明分闸工作原理为：

如图5所示，所述永磁机构处于分闸稳态位置，永磁铁2建立永磁回路，磁力线分布如图5中11所示的回线III，在图5的图示方向为顺时针方向，用单箭头标示。动铁芯3与分闸极8接触，永磁铁2磁通均从回路1通过，将动铁芯3吸在分闸极8上。

如图6所示，当合闸线圈4通过直流电流励磁，建立电磁回路，磁力线分布如图6中12所示的回线IV，在图6的图示方向为逆时针方向，用双箭头标示。此合闸线圈4的磁通与永磁磁通在分闸极8处叠加，使动铁芯3在分闸极8处所受的吸力减小，当合闸线圈4电流增大到一定值时，动铁芯3在分闸极8处所受的吸引力小于动铁芯3上的机械负载，动铁芯3就顺时针转动。一旦动铁芯3从分闸极8处被拉开，动铁芯3与分闸极8间就出线空气隙，磁阻增大，而另一侧与合闸极7间的磁阻减小。分闸极8对动铁芯3的吸引力减小，合闸极7对动铁芯3的吸引力增大。动铁芯3上在合闸极7方向上的合力增大，使动铁芯3加速向合闸极7方向转动，即逆时针方向，直到与合闸极7接触，完成合闸动作，如图3所示。

Claims (3)

1.一种双稳态永磁机构，包括一个具有圆形内腔的外磁轭（1）和一个设置在外磁轭（1）中心的心轴（6），其特征在于：所述心轴（6）由不导磁材料制成，在心轴（6）的圆周上对称设有两个互不相接的动铁芯（3），所述外磁轭（1）的内壁上，对应于每个动铁芯（3）的两侧均设有一个合闸极（7）和一个分闸极（8），所述合闸极（7）和分闸极（8）上均设有能够与动铁芯（3）吸合的工作面，合闸极（7）和分闸极（8）上分别绕设有用于驱动动铁芯（3）在合闸极（7）和分闸极（8）之间往复运动的合闸线圈（4）和分闸线圈（5），外磁轭（1）的内壁上设有在动铁芯（3）运动过程中始终与其外侧面对应的永磁铁（2），永磁铁（2）将动铁芯（3）与外磁轭（1）的内壁隔开，使动铁芯（3）与外磁轭（1）不直接接触，外磁轭（1）的内圆上设有极靴，永磁铁（2）设在极靴上，与动铁芯（3）、外磁轭（1）上分闸极（8）或合闸极（7）构成永磁回路，并为永磁回路的提供磁势，当动铁芯（3）与分闸极（8）或合闸极（7）接触，永磁磁通从接触面通过，产生永磁保持力，从而使动铁芯（3）锁止并保持在分闸或合闸状态。

2.根据权利要求1所述的一种双稳态永磁机构，其特征在于：所述心轴（6）的中心设置有花键或平键。

3.根据权利要求1所述的一种双稳态永磁机构，其特征在于：所述的心轴（6）为不锈钢或塑料材质，两个永磁铁（2）的材质相同。