CN1050463A - 磁保持式牵引电磁铁及其控制电路 - Google Patents

Abstract

磁保持式牵引电磁铁及其控制电路，属于低压电 气机械领域。是配套安装在电磁阀、电磁继电器、磁 力起动器、接触器、电磁制动器等电气装置上的电动 操作机构及专用控制电路，励磁线圈在电磁铁吸合后 自动断电，具有瞬间通电吸合、恒磁吸持自保、瞬间通 电释放的工作特征，是一种高效节电、超高速动作、高 可靠的牵引电磁铁，节省铜材，不需用硅钢片，制造工 艺简单，最佳节电率可达99.9％左右，与上述电气机 械配套，可以形成数百种改代产品。

Description

磁保持式牵引电磁铁及其控制电路，一种高效节电的改代产品，属于低压电气机械领域。是配套安装在电磁阀、电磁继电器、磁力起动器、接触器、电磁制动器等电气机械装置上（内）的电动操作机构及专用控制电路，其作用是控制牵引电磁铁带动的阀塞、阀杆或电磁继电器、磁力起动器、接触器的动触头支架或电磁制动器的抱闸作相对运动，从而达到启闭电磁阀门或分合电磁继电器、磁力起动器、接触器电气触头或分合电磁制动器闸瓦之目的。

在已有技术中，如中国专利申请号：88219029.6提供的“磁保持式电磁阀”和中国专利申请号：88218906.9提供的“磁保持式电磁继电器开关装置”等设计方案，虽然在很大程度上对已有的各种磁保持电磁阀和磁保持电磁继电器开关装置牵引电磁铁的形状、构造及其结合提出了新的改进及实用的技术方案，但是，经过进一步研究后发现，上述已有技术方案仍然存在着两个根本性的缺陷：第一，磁保持式牵引电磁铁的磁保持力还不够大，恒磁体的磁能积并没有得到充分的开发和利用，磁路结构（设计）也不尽合理。第二，牵引电磁铁在磁保持“自锁”后，当励磁电源突然失电时无法自动返回到释放状态。这样，电源电压和牵引电磁铁工作状态的失步，可能会造成巨大的“自起动”冲击电流，使设备损坏，工艺流程破坏，甚至引起电网解列等严重事故。

本发明与上述已有技术不同，其目的是提供一种新的、高效能的闭合工作磁路，对磁路中某些核心部件的形状和相对位置作出特殊的约束规定，以保证牵引电磁铁工作磁路中电磁磁力线和恒磁磁力线的主磁通能以最佳的方向角（互为平行）穿过磁路的工作主气隙，从而制造出一种电磁控制和恒磁控制（磁保持）灵敏度都很高的新型磁保持式牵引电磁铁。

本发明的另一个目的是提供一种专用的脉冲控制单元电路：只使用一个电磁线圈就能操纵磁保持牵引电磁铁的吸合和释放状态，并且在励磁电源消失时使磁保持在吸合状态的牵引电磁铁自动返回到释放状态。

本发明的第三个目的是提供一种快速动作的、适宜于频繁操作的、无声运行的高效节电牵引电磁铁，大幅度地提高被控对象的工作可靠性和电气灭弧性能。

本发明的第四个目的是提供一种设计电磁线圈的新技术方案：其电磁线截面积一律按过电流运行方式选用。例如，可以按额定安全载流量20倍以上的过电流标准设计出一个可靠工作的磁保持式牵引电磁铁电磁线圈，从而节省大量铜材，缩小磁保持牵引电磁铁的整机体积。

本发明的基本结构是一个完整的磁保持式牵引电磁铁和一个专用的脉冲控制单元电路。两者可以分别制造安装，也可以组装成一个有机的整体产品。

图1是磁保持式牵引电磁铁的结构示意图：

它由上磁轭〔1〕，辅助磁极〔2〕，恒磁体〔3〕，旁磁轭〔4〕，下磁轭〔5〕，电磁线圈〔6〕，线圈架〔7〕，动铁心〔8〕，复位弹簧〔9〕等元件组成。在元件〔1〕的中央部位，垂直安装一个元件〔2〕，以它们的中央轴线（纵向）为对称轴，元件〔3〕吸持就位在元件〔1〕的左右两侧平面上，元件〔4〕也同样对称吸持在元件〔3〕上。元件〔6〕是一个平绕的线圈，具有纵向中央轴孔的元件〔7〕的下端部插入固定在元件〔2〕和〔3〕的空隙内，其下翼板紧压在元件〔4〕的水平部位上，使元件〔3〕的上下两个接触平面能够得到一定的静压配合。元件〔5〕套装在元件〔4〕和〔7〕的上端部，其外侧结合面与元件〔4〕形成良好的定位配合，内侧垂直面则构成一个规则化的、元件〔8〕插入滑动的导轨轴承。元件〔9〕是一个压簧，套装在元件〔2〕的外侧台面上，与元件〔8〕的自重互相配合，使磁保持牵引电磁铁在释放状态下保持足够宽的工作气隙并对被控对象（如电磁继电器、接触器的动触头支架、阀塞等）提供必须的反作用力矩。总之，上述磁保持牵引电磁铁的所有元件，不论在几何形状、安装位置、结构性能、磁性能方面，一律以元件〔1〕、〔2〕的中央轴线为对称轴，构成若干组左右对称的工作磁路，即由元件〔1〕、〔3〕、〔4〕、〔5〕、〔8〕、〔2〕、〔9〕构成的封闭式恒磁极化磁路和元件〔2〕、〔4〕、〔5〕、〔8〕、〔9〕、〔6〕构成的电磁磁路，这两个磁性回路在工作的时候，基于本发明结构设计的上述特点，将迫使恒磁磁力线与电磁磁力线的主磁通以最佳的方向角互为平行地穿过元件〔2〕、〔8〕间形成的磁路主工作气隙。

除此以外，为了更有效地改善磁路的工作性能，本发明提供的一个新技术方案是对元件〔5〕和〔8〕间的滑动间隙及配合面积进行适度的双重控制，例如将间隙压缩到数十微米左右，同时使滑动配合面积处的磁阻下降，以满足元件〔8〕的运动速率和牵引电磁铁磁保持力的设计要求。为了同时兼顾到磁保持牵引电磁铁的电磁吸合力矩、磁保持力矩和释放力矩三者之间的平衡调控关系，本发明提供的另一个新技术方案是规定元件〔2〕的轴向高度H₁必须大于元件〔3〕的轴向高度H₂并伸进元件〔6〕内一个足够的轴向高度H₃。本发明提供的第三个新技术方案是与所述中央对称轴线90°相交的元件〔3〕的上下两个平面，其恒磁极性应彼此相反，例如当上平面为N极性时下平面为S极性，上平面为S极性时下平面为N极性。

在材质构造方面，元件〔3〕最好选用高矫顽磁力的硬磁铁氧体或其它恒磁材料，元件〔1〕、〔2〕、〔4〕、〔5〕、〔8〕可以选用剩磁小的电工纯铁或具有类似物理特性的其它磁性材料，元件〔17〕应该选用硬质非导磁材料。

图2是磁保持牵引电磁铁专用的脉冲控制单元电路结构示意图：交流电源〔17〕，整流电路〔16〕为元件〔6〕提供必需的励磁直流电源，电容器〔10〕串接在励磁主电路中，既可以设置在正极端，也可以改接到负极端。该电容器〔10〕与元件〔6〕的直流电阻、电感、分布电容组成的等效电路不允许出现振荡现象。开关〔12〕和限流元件〔11〕串联后并接在电容器〔10〕进线侧的励磁电源上：前者可以是一种手动开关例如普通按钮或单极切换开关等，也可以是一种电子开关（含电磁开关）例如晶闸管或晶体三极管等;后者可以是一种普通的降压元件例如电阻器或电感器等。也可以是一种电子调压元件如自控调压晶体三极管等。电源电压取样器〔14〕通常选用电光元件或电磁元件例如发光二极管、脉冲变压器、电磁继电器等，触发器〔13〕则选用相应的光敏元件或脉冲变压器等。二极管〔15〕应串接在元件〔11〕和〔12〕的进线侧正极主电路中，起止逆隔离作用（电源电压取样器〔14〕并接到交流电源侧后可予取消）。

结合图1和图2，对本发明的工作原理概述如下：初始位时，磁保持式牵引电磁铁元件〔8〕和元件〔2〕间形成的主工作气隙具有一定的宽度，此时，它在恒磁极化磁路中的磁阻呈高阻值，在元件〔9〕的反作用力下，该电磁铁处于释放状态。接通交流电源〔17〕时，电容器〔10〕瞬间充电，为电磁线圈〔6〕提供了一个巨大的脉冲工作电流，电流方向为K（+）→G（-），工作磁路中的恒磁磁力线与电磁磁力线正向叠加，元件〔8〕吸合，这时，所述主工作气隙的宽度趋向于零（视元件〔2〕、〔8〕接触配合面加工精度而定），其磁阻呈低阻值，电容器〔10〕因充满电荷而进入“隔直”储能状态，电磁线圈〔6〕自动失电，动铁心〔8〕在恒磁极化系统的作用下磁保持在吸合状态。随着某一原因造成的电磁线圈〔6〕的励磁电源失电（含正常分闸过程在内），电源电压取样器〔14〕发送出一个相应的电光或电磁脉冲信号，推动触发器〔13〕工作，输出一个光电或磁电的脉冲信号，将（电子）开关〔12〕接通，电容器〔10〕储积的能量经（电子）开关〔12〕、限流元件〔11〕、电磁线圈〔6〕构成一个反放电回路，电流方向为G（+）→K（-），牵引电磁铁工作磁路中极化系统的恒磁磁力线与电磁系统的电磁磁力线反向叠加，由于复位弹簧〔9〕的反作用力，动铁心〔8〕立即恢复到释放状态。

需要特别指出的是，元件〔3〕和元件〔9〕的选用及工作是一组截然相反的矛盾：当元件〔3〕改用高磁能积的恒磁材料时，磁保持式牵引电磁铁的吸合时间缩短，磁保持力矩增强，但释放时间相对增加，释放控制灵敏度有所下降;当元件〔9〕改用高弹力的压簧时，电磁铁的吸合时间增长，磁保持力矩减弱，释放控制灵敏度提高，且释放时间变快。因此只要对元件〔3〕和〔9〕的选用进行适当的优化配合，本发明可以提供一种快速动作的、适宜于频繁操作的高效节电型磁保持牵引电磁铁。

图1又是一个磁保持式交流接触器的实施例。元件〔1〕-元件〔9〕构成所述的磁保持式牵引电磁铁。元件〔18〕为接触器的动触头支架，〔19〕为动触头，〔20〕为动触头固定销子，〔21〕为动触头压簧，〔22〕为静触头，〔23〕为印刷电路板、其上装有所述元件〔10〕、〔11〕、〔12〕、〔13〕、〔14〕、〔15〕、〔16〕等，〔24〕为接触器的封闭壳体，〔25〕为交流励磁电源引线。元件〔8〕与元件〔18〕刚性连结，整个结构外形尺寸与Cj20-40型交流接触器相同，电气结线也完全兼容。

图3示出了一个磁保持式电磁阀的实施例。元件〔1〕-元件〔9〕构成所述的磁保持式牵引电磁铁。元件〔26〕为元件〔2〕的紧固螺母，〔27〕为密封阀心套，使用非导磁材料制成，从原理上讲可视为线圈架〔7〕的扩展（加厚）部份，〔28〕为刚性连杆，〔29〕为阀塞，〔30〕为阀塞缸，〔31〕为阀座，〔32〕为阀盖，〔33〕为密封圈。

图4示出了一个磁保持式牵引电磁铁脉冲控制单元电路实施例的原理结线图。元件〔11〕为电阻器R₃，〔12〕为高反压晶体三极管T₄，〔13〕为光敏三极管T₂，电阻器R₂既为T₂提供偏置电流又为T₄提供基极电流同时兼任电容器C₂的积分电阻，防止开关〔12〕在接通合闸电源的一瞬间抢先误导通。电阻器R₁及发光二极管T₁组成元件〔14〕，电容器C₁枚平整流电路〔16〕的输出电压，免使T₁在接近脉动直流电零点时误动作。元件〔34〕为光耦整体器件，〔35〕为主令控制触头，它闭合时使电容器〔10〕充电、电磁线圈〔6〕正向导通，牵引电磁铁磁保持吸合，充电完毕后“隔直”储能，在主令控制触头〔35〕分断（或交流电源失电）时，经二极管〔15〕的止逆作用，使电磁线圈〔6〕反向导通，磁保持式牵引电磁铁自动释放。由此可见，本原理结线是一种与普通交流牵引电磁铁全兼容的控制电路。

图5示出了本发明脉冲控制单元电路另一个实施例的原理结线图。与图4不同：元件〔12〕采用晶闸管T₄，新增了一个二极管T₅，起降压抗干扰作用。其余的元件编号及工作原理与图4所述相同。

图6示出了本发明脉冲控制单元电路第三个实施例的原理结线图。开关〔12〕是一个单极切换开关，操动开关接通正极电源时，电磁线圈〔6〕正向导通，牵引电磁铁吸合并磁保持;操动开关接通限流元件〔11〕时（如本图显示的所在位置），电磁线圈〔6〕反向导通，牵引电磁铁回复到释放状态。

图7示出了本发明脉冲控制单元电路第四个实施例的原理结线图。元件〔14〕是一个电压继电器的励磁线圈，开关〔12〕是该继电器的一对切换触头，除此外，本图的其余元件编号和工作原理与图4所述相同。

一九八九年六月中旬，本发明人已经按照本发明规定的条件，研制出了第一台磁保持式牵引电磁铁样机，并着手进行了制造生产的有关准备工作。为了解决与现有标准接触器壳体“改代”兼容的问题，本发明人又继续研制出第二代样机，配套安装到电磁阀和接触器上，取得了十分良好的经济技术效果。

事实证明，本发明具有的主要优点是：

1.超高速动作的工作特性，可以达到毫秒级标准。例如本发明人研制出的第一台样机，全行程为8毫米，实测的吸合动作时间不大于2毫秒（三十次平均值）。

2.高可靠的工作特性，主要取决于磁保持运行没有连续的机械振动源和传统的发热源（励磁线圈、短路环）以及使用了优质的恒磁材料及简单的控制电路，故适宜于频繁操作。

3.高效节电特性，是因为励磁线圈仅在改变装置工作状态的瞬间脉冲用电（脉宽最大值为百毫秒级，最小值为毫秒级）。控制电路的自耗电也在毫瓦至百毫瓦级间变化。节电率随用电设备的接通系数而变，与现有同类产品相比，最佳值可达99.9%左右。

4.励磁线圈一律采用直流电源，与现有的交流电磁阀、磁力起动器、接触器等电气机械装置相比，节省了大量的无功功率，改善了供电电网的功率因素。

5.励磁线圈电磁线按过电流运行方式选用，节省了铜材，缩小了牵引电磁铁体积，减轻了重量。

6.以大量的低碳钢取代了磁力起动器、接触器中传统使用的昂价的硅钢片。

7.简化了生产工艺，改善了电磁继电器开关装置的灭弧性能。

8.在控制线路上与已有的同类交直流电气装置全兼容。

Claims (7)

1、磁保持式牵引电磁铁及其控制电路，是配套安装在电磁阀、电磁继电器、磁力起动器、接触器、电磁制动器等电气机械装置上(内)的电动操作机构及专用控制电路，其特征在于：

(a)、每个牵引电磁铁均由上磁轭[1]，辅助磁极[2]，恒磁体[3]，旁磁轭[4]，下磁轭[5]，电磁线圈[6]，线圈架[7]，动铁心[8]，复位弹簧[9]等元件组成，以辅助磁极[2]和动铁心[8]的中心轴线为对称轴，形成在几何形状、安装位置、结构性能、磁性能方面左右对称的工作磁路，其中，恒磁磁路为封闭式对称磁路，(含局部滑动间隙配合)上述磁路中恒磁磁力线与电磁磁力线的主磁通穿过动铁心[8]的主工作气隙且互为平行；

(b)、一个串接在电磁线圈[6]主电路中的电容器[10]和并接在该电容器进线侧励磁电源上的开关[12]、限流元件[11]，构成了使用同一个电磁线圈[6]控制磁保持牵引电磁铁吸合和释放的脉冲控制单元电路。

2、按权利要求1规定的磁保持式牵引电磁铁及其控制电路，其特征是辅助磁极〔2〕的轴向高度H₁必须大于恒磁体〔3〕的轴向高度H₂并伸进电磁线圈〔6〕内一个足够的轴向高度H₃。

3、按权利要求1规定的磁保持式牵引电磁铁及其控制电路，其特征是下磁轭〔5〕和动铁心〔8〕之间的滑动间隙配合及配合面积。

4、按权利要求1规定的磁保持式牵引电磁铁及其控制电路，其特征是与中心轴线90°相交的恒磁体〔3〕的上下两个平面，其恒磁极性彼此相反。

5、按权利要求1规定的磁保持式牵引电磁铁及其控制电路，其特征是电磁线圈〔6〕的电磁线截面积一律按过电流运行方式选用。

6、按权利要求1规定的磁保持式牵引电磁铁及其控制电路，其特征是开关〔12〕为电子开关（晶体三极管、晶闸管）或电磁开关时，励磁电压取样器〔14〕、触发器〔13〕、限流元件〔11〕、电容器〔10〕构成一个使工作在吸合状态的磁保持式牵引电磁铁在励磁电源失电时自动返回到释放状态的“自同步保护电路”。

7、按权利要求1、4规定的磁保持式牵引电磁铁及其控制电路，其特征是恒磁体〔3〕及与之配合使用的复位弹簧〔9〕。

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