CN106531397A - 电容储能的推拉交流电磁铁 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容储能的推拉交流电磁铁，包括由动铁芯、静铁芯、复位弹簧、励磁线圈所组成的常规推拉交流电磁铁及电子单元两部份,电子单元由第一二极管、第二二极管、第一电容、第二电容、第一单向晶体闸流管、第二单向晶体闸流管、电位器、控制开关所组成。

Description

电容储能的推拉交流电磁铁

技术领域

本发明涉及低压电器领域，尤其涉及一种采用电容储能且直流运行的“电容储能的推拉交流电磁铁”。

背景技术

交流电磁铁(AC electromagnet)是一种应用非常广泛的低压电器,推拉交流电磁铁是交流电磁铁中的一种。交流电磁冲床、交流电磁钉枪、交流电磁捣碎机、交流电磁切断机、交流电磁充气机、交流电磁提花机等器械中均设有推拉交流电磁铁。

图1为推拉交流电磁铁的工作原理图。这种常规的推拉交流电磁铁主要由动铁芯M、静铁芯G、复位弹簧F、励磁线圈L组成。当励磁线圈L的A1端、A2端接通AC220V、AC110V或AC380V电压(以下通称AC220V、AC110V或AC380V为AC电压或励磁电源)时,动铁芯M受励磁线圈L产生的磁力的作用而与静铁芯G闭合——相当于“推”；当励磁线圈L上的AC电压断开时,动铁芯M失磁并受复位弹簧F的作用而与静铁芯G分离并复位——相当于“拉”。

这种常规的推拉交流电磁铁的工作过程可分为“启动”、“复位”二个阶段：

1、启动：励磁线圈L与AC电压接通，动铁芯M启动。在此阶段，为克服动铁芯M的惯性和复位弹簧F的弹力，励磁电源必须提供较大的功率(以下称此功率为“启动功率”),动、静铁芯才能互相吸合，并且，所述的“启动功率”越大，动、静铁芯之间的吸合力(或称推力)就越大；

2、复位：励磁线圈L断开AC电压,动、静铁芯受复位弹簧F的作用而分离“复位”。

推拉交流电磁铁的用途千差万别，结构也千差万别，但它们的工作原理、工作过程均与图1相同。例如：图2所示的电磁钉枪之中，由静铁芯G、励磁线圈L、动铁芯M、复位弹簧F组成的常规“推拉交流电磁铁”的工作过程为：开关Kt“开”后，即AC电压接通后，在励磁线圈L所产生之磁力的作用下，动铁芯M与静铁芯G吸合，与“连接杆”相连接的物件便随之做“推”动作；开关Kt“关”后，即AC电压断开后，在复位弹簧的作用下，动铁芯M与静铁芯G分离，与“连接杆”相连接的物件便随之做“拉”的动作；

实际使用表明，常规的推拉交流电磁铁，存在以下的缺点：

1、在AC电压为定值(AC220V、AC110V或AC380V)、励磁线圈L制定以后,“启动功率”也随之而定，不能按使用场合不同而作调整，即推力为固定值,不能按需设定；

2、存在烦人的交流噪声；

3、无“续流电路”，AC电压切断瞬间,易产生电磁干扰；

4、为交流运行，存在涡流损耗(eddy current loss)。

针对常规推拉交流电磁铁的现状,本发明要迖到的目标是：“应用电子技术，改造传统产业”，设计一种采用电容储能且直流运行的“电容储能的推拉交流电磁铁”

发明内容

本发明实现上述目标的方法为：一种电容储能的推拉交流电磁铁，包括由动铁芯M、静铁芯G、复位弹簧F、励磁线圈L所组成的常规推拉交流电磁铁及电子单元100两部份,其特征在于：所述的电子单元100由第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1、第二电容C2、第一单向晶体闸流管SCR1、第二单向晶体闸流管SCR2、电位器W1、控制开关K所组成；其中，第一单向晶体闸流管SCR1的阳极、第二单向晶体闸流管SCR2的阴极均与AC电压的P1端相连接；所述的第一电容C1的正极、第一二极管D1的负极、第二二极管D2的正极、第二电容C2的负极均与AC电压的P2端相连接；所述的第一单向晶体闸流管SCR1的阴极、第二二极管D2的负极、第二电容C2的正极均与励磁线圈L的A1端相连接；所述的第二单向晶体闸流管SCR2的阳极、第一二极管D1正极、第一电容C1的负极均与励磁线圈L的A2端相连接；第一单向晶体闸流管SCR1的门极与电位器W1的一端相连接；第二单向晶体闸流管SCR2的门极与所述的控制开关K的一端相连接；控制开关K的另一端与电位器W1的另一端、电位器W1的滑动臂均相连接。

所述的电子单元100与常规推拉交流电磁铁按以上所述的方式相组合，即可组成本发明所指的“电容储能的推拉交流电磁铁”。

所述的控制开关K可以选择机械开关、电子开关、敏感开关，例如拨码开关、按键开关、磁敏开关、压敏开关、霍尔开关、气敏开关、触摸开关、程控开关。

所述的第一单向晶体闸流管SCR1、第二单向晶体闸流管SCR2可以用其他开关器件例如双向晶体闸流管(Triode AC Switch，TRIAC)替代。

所述的电位器W1可以用其他器件例如：电容器、双向触发二极管(bidirectionaltrigger diode)、双向瞬态电压抑止二极管(Two-way to suppress the transientvoltage diode)、气体放电管(gas discharge tube)、半导体放电管(Semiconductordischarge tube)、静电抑制器(Static electricity suppressor)、压敏电阻器(voltagedependent resistor)替代。

所述的第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1、第二电容C2、第一单向晶体闸流管SCR1、第二单向晶体闸流管SCR2共同组成变异电桥BP；所述的变异电桥BP之四只桥臂分别为：第一桥臂由第二单向晶体闸流管SCR2组成，第二桥臂由第一单向晶体闸流管SCR1组成，第三桥臂由第一二极管D1、第一电容C1相并联后组成，第四桥臂由第二二极管D2、第二电容C2相并联后组成；该四只桥臂均为受控桥臂，它们均受电位器W1、控制开关K的控制。

所述的变异电桥BP的特征在于：其兼具整流、调功、续流三种功能。

在AC电压的正半周，所述的第一电容C1具有增强启动电压的功能；在AC电压的负半周，所述的第二电容C2具有增强启动电压的功能。

所述的第一二极管D1兼有保护第一电容C1不受损坏的功能；所述的第二二极管D2兼有保护第二电容C2不受损坏的功能。

所述的第一单向晶体闸流管SCR1导通后，第二电容C2充电储能；反之，所述的第一单向晶体闸流管SCR1关断后，第二电容C2放电释能。

所述的第二单向晶体闸流管SCR2导通后，第一电容C1充电储能；反之，所述的第二单向晶体闸流管SCR2关断后，第一电容C1放电释能。

应用本发明,可以取得以下有益效果：

1、线路简单精干，所用的元器件少，因此，制造成本低、运行可靠性高；

2、第一二极管D1、第二二极管D2分别对第一电容C1、第二电容C2具有保护作用，可避免所述的第一电容C1、第二电容C2因反向电压过高而损坏。该两电容因此而可选用体积小、价格廉的电解电容；

3、第一电容C1在AC电压的正半周、第二电容C2在AC电压的负半周具有增强“启动电压U”的功能，可使本发明的吸合力即推力远大于常规推拉交流电磁铁之推力；

4、可通过调整电位器W1而调整本发明的“启动功率”，即可按需设定启动功率、按需设定“推力”；

5、控制开关K关后,电子单元100即进入不耗电的“休眠”状态，无待机状态，无待机耗电；

6、为交流输入直流运行,因此,运行时寂静无噪声：

7、因直流运行无涡流损耗,因此,运行时整机发热量小；

8、设有续流器件——第一二极管D1、第二二极管D2，因此无关断电磁干扰。

附图说明

图1为常规推拉交流电磁铁的工作原理图；

图2为电磁钉枪之常规推拉交流电磁铁的工作原理图；

图3为本发明的一个实施例的电路原理图；

图4为AC电压波形图——初相角φ＝0时的AC电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图,说明本发明的实施方式。

图3为本发明的一个实施例的电路原理图。图3中：L为常规推拉交流电磁铁的励磁线圈，A1、A2为其之两个连接端口；虚线方框100表示本发明的电子单元100。

结合图3：一种电容储能的推拉交流电磁铁，包括由动铁芯M、静铁芯G、复位弹簧F、励磁线圈L所组成的常规推拉交流电磁铁及电子单元100两部份,其特征在于：所述的电子单元100由第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1、第二电容C2、第一单向晶体闸流管SCR1、第二单向晶体闸流管SCR2、电位器W1、控制开关K所组成；其中，第一单向晶体闸流管SCR1的阳极、第二单向晶体闸流管SCR2的阴极均与AC电压的P1端相连接；所述的第一电容C1的正极、第一二极管D1的负极、第二二极管D2的正极、第二电容C2的负极均与AC电压的P2端相连接；所述的第一单向晶体闸流管SCR1的阴极、第二二极管D2的负极、第二电容C2的正极均与励磁线圈L的A1端相连接；所述的第二单向晶体闸流管SCR2的阳极、第一二极管D1正极、第一电容C1的负极均与励磁线圈L的A2端相连接；第一单向晶体闸流管SCR1的门极与电位器W1的一端相连接；第二单向晶体闸流管SCR2的门极与所述的控制开关K的一端相连接；控制开关K的另一端与电位器W1的另一端、电位器W1的滑动臂均相连接。

所述的电子单元100与常规推拉交流电磁铁按以上所述的方式相组合，即可组成本发明所指的“电容储能的推拉交流电磁铁”。

图3中，所述的第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1、第二电容C2、第一单向晶体闸流管SCR1、第二单向晶体闸流管SCR2共同组成变异电桥BP；所述的变异电桥BP之四只桥臂分别为：第一桥臂由第二单向晶体闸流管SCR2组成，第二桥臂由第一单向晶体闸流管SCR1组成，第三桥臂由第一二极管D1、第一电容C1相并联后组成，第四桥臂由第二二极管D2、第二电容C2相并联后组成；该四只桥臂均为受控桥臂，它们均受电位器W1、控制开关K的控制。

下面，结合附图，阐述本实施例的工作过程：

一、启动：

结合图3、图4：

t＝t0时，AC电压接通。

在t0～t1时域，控制开关K为“关”状态，Uct1＝0、Uct2＝0，第一单向晶体闸流管SCR1、第二单向晶体闸流管SCR2均为截止状态，Uc1＝0、Uc2＝0

t＝t1时，控制开关K开。

在t1～t3时域，AC电压处于P1为低电平、P2为高电平的负半周，第一单向晶体闸流管SCR1为截止状态，AC电压通过P2——第二二极管D2——第一单向晶体闸流管SCR1的阴极——第一单向晶体闸流管SCR1的门极——电位器W1——控制开关K——第二单向晶体闸流管SCR2的门极——第二单向晶体闸流管SCR2的阴极——P1之路径，在第二单向晶体闸流管SCR2上建立了“门极触发电压”Uct2，第二单向晶体闸流管SCR2触发导通。

第二单向晶体闸流管SCR2触发导通之后，励磁线圈L中的启动电流I沿着P2——第二二极管D2——励磁线圈L——第二单向晶体闸流管SCR2——P1路径流通。

同时，AC电压通过P2——第一电容C1——第二单向晶体闸流管SCR2——P1的路径，对第一电容C1充电储能。

综上所述：第二单向晶体闸流管SCR2导通后，第一电容C1充电储能。

随着充电的进程，第一电容C1上的电压Uc1不断上升，至t＝t2时：

Uc1≈u，且Uc1≈Um，前式中：u为AC电压负半周时的瞬时值：u＝Umsin(ωt+φ)——Um为AC电压的的振幅值、ω为AC电压的角频率、φ为AC电压的初相角。

由于t＝t2时，Uc1≈Um，因此，第二单向晶体闸流管SCR2关断,第一二极管D1受Uc1的反向偏置而截止。启动电流I改为第一电容C1——第二二极管D2——励磁线圈L——第一电容C1的路径流通，第一电容C1放电释能。

只要第一电容C1的电容值足够大(很容易实现)，就可保证在t2～t3时域，其上的电压Uc1的值基本不变，且启动电流I足够强。

综上所述：第二单向晶体闸流管SCR2关断后，第一电容C1放电释能。

在t3～t5时域，AC电压处于P1为高电平、P2为低电平的正半周，第二单向晶体闸流管SCR2为截止状态，AC电压与第一电容C1上的电压Uc1通过P1——第二单向晶体闸流管SCR2的阴极——第二单向晶体闸流管SCR2的门极——控制开关K——电位器W1——第一单向晶体闸流管SCR1的门极——第一单向晶体闸流管SCR1的阴极——励磁线圈L——第一电容C1——P2之路径，在第一单向晶体闸流管SCR1上建立了“门极触发电压”Uct1，第一单向晶体闸流管SCR1触发导通。

所述的第一单向晶体闸流管SCR1触发导通之后，AC电压通过P1——第一单向晶体闸流管SCR1——第二电容C2——P2的路径对第二电容C2充电储能。

综上所述：第一单向晶体闸流管SCR1导通后，第二电容C2充电储能。

当第二电容C2上的电压Uc2≥0.7V时，第二二极管D2因受电压Uc2的反向偏置而截止(第二二极管D2选用硅二极管)。

第二二极管D2截止后，第一电容C1在t2～t3时域的放电路径：第一电容C1——第二二极管D2——励磁线圈L——第一电容C1被截断，其改变放电路径，通过第一单向晶体闸流管SCR1继续放电释能，该放电释能的过程可分为二个阶段：

1、第一二极管D1截止阶段：

结合图3,前已述，第一电容C1上的电压Uc1反向偏置第一二极管D1，因此,该第一二极管D1为截止状态。

若忽略第一单向晶体闸流管SCR1之上的电压，则励磁线圈L两端的启动电压

U＝Uc1+u……………………………………………(a)

(a)式中：u为AC电压正半周时的瞬时值：u＝Umsin(ωt+φ)——Um为AC电压的的振幅值、ω为AC电压的角频率、φ为AC电压的初相角。

由(a)式可知，励磁线圈L两端的启动电压U为第一电容C1上的电压Uc1、AC电压正半周时的瞬时值u之和。换言之：在AC电压正半周，所述的“电容储能的推拉交流电磁铁”启动过程中，等效为相串联的双电源启动——一个电源为AC电压、另一个电源为第一电容C1上的电压Uc1。

换言之：所述的变异电桥BP的特征在于：在AC电压的正半周，其中的第一电容C1具有增强启动电压的功能。

在相串联的双电源驱动下，励磁线圈L中的启动励磁电流I沿着P1——第一单向晶体闸流管SCR1——励磁线圈L——第一电容C1——P2的路径流通。

随着励磁电流I的流通，第一电容C1继续放电释能。

2、第一二极管D1导通阶段：

随着放电释能的进程，第一电容C1的电压Uc1不断降低，Uc1＝0以后，AC电压对其反向充电。当Uc1＝－0.7V时,第一二极管D1导通(第一二极管D1选用硅二极管)。

第一二极管D1导通后，第一电容C1的电压Uc1被第一二极管D1钳制为Uc1＝－0.7V，其就获得了第一二极管D1的保护而不会因反向电压过高而损坏。

换言之：所述的变异电桥BP的特征在于：其中的第一二极管D1兼有保护第一电容C1不受损坏的功能。

第一二极管D1导通后，启动励磁电流I改由下述：P1——第一单向晶体闸流管SCR1——励磁线圈L——第一二极管D1——P2的路径流通，AC电压继续为所述的“储能启动的推拉交流电磁铁”提供“启动功率”。

与此同时，随着AC电压对第二电容C2充电的进程，该第二电容C2上的电压Uc2不断上升，至t＝t4时：

Uc2≈Um，前式中：Um为AC电压的的振幅值。

由于t＝t4时，Uc2≈Um，因此，第一单向晶体闸流管SCR1关断,第二二极管D2受Uc2的反向偏置而截止。启动电流I改为第二电容C2——励磁线圈L——第一二极管D1——第二电容C2的路径流通，第二电容C2放电释能。

综上所述：第一单向晶体闸流管SCR1关断后，第二电容C2放电释能。

只要第二电容C2的电容值足够大(很容易实现)，就可保证在t4～t5时域，其上的电压Uc2的值基本不变，且启动电流I足够强。

在AC电压处于负半周的t5～t6时域，本实施例的工作过程与同为AC电压负半周的t1～t3时域的工作过程相似但不相同，不同之处为：在t1～t3时域，第二电容C2尚未充电储能,故该第二电容C2上的电压Uc2＝0；而在本t5～t6时域，所述的第二电容C2在t3～t4时域已经充电储能,故该第二电容C2上的电压Uc2＞0,且第二二极管D2因电压Uc2反向偏置而处于截止状态。因此，相应的工作过程变为：

所述的第二单向晶体闸流管SCR2触发导通之后，已充电储能的第二电容C2通过第二单向晶体闸流管SCR2放电释能，其放电释能的过程可分为二个阶段：

1、第二二极管D2截止阶段：

结合图3,第二电容C2上的电压Uc2反向偏置第二二极管D2，因此,在第二电容C2放电释能之前，第二二极管D2为截止状态。

若忽略第二单向晶体闸流管SCR2之上的电压，则励磁线圈L两端的启动电压

U＝Uc2+u……………………………………………(b)

(b)式中：u为AC电压负半周时的瞬时值。由(b)式可知，励磁线圈L两端的启动电压U为第二电容C2上的电压Uc2、AC电压负半周时的瞬时值u之和。换言之：在AC电压负半周，所述的“电容储能的推拉交流电磁铁”启动过程中，等效为相串联的双电源启动——一个电源为AC电压、另一个电源为已充电储能的第二电容C2。

换言之：所述的变异电桥BP的特征在于：在AC电压的负半周，其中的第二电容C2具有增强启动电压的功能。

在相串联的双电源驱动下，励磁线圈L中的启动励磁电流I沿着P2——第二电容C2——励磁线圈L——第二单向晶体闸流管SCR2——P1的路径流通。

随着励磁电流I的流通，第二电容C2放电释能。

2、第二二极管D2导通阶段：

随着放电释能的进程，第二电容C2上的电压Uc2不断降低，Uc2＝0以后，AC电压对其反向充电。当Uc2＝－0.7V时,第二二极管D2导通(第二二极管D2选用硅二极管)。

第二二极管D2导通后，第二电容C2上的电压Uc2被第二二极管D2钳制为Uc2＝－0.7V，其就获得了第二二极管D2的保护而不会因反向电压过高而损坏。

换言之：所述的变异电桥BP的特征在于：其中的第二二极管D2兼有保护第二电容C2不受损坏的功能。

第二二极管D2导通后，启动励磁电流I改由下述路径流动：P2——第二二极管D2——励磁线圈L——第二单向晶体闸流管SCR2——P1的路径流通。AC电压继续为所述的“储能启动的推拉交流电磁铁”提供“启动功率”。

该t5～t6时域中，本实施例其他的工作过程与同为AC电压负半周的t1～t3时域的工作过程相同。

在AC电压处于正半周的t6～t9时域，本实施例的工作过程与同为AC电压正半周的t3～t5时域的工作过程相同。

前已述，AC电压通过启动电流I为本发明提供“启动功率”。

通过调整电位器W1，可以调整第一单向晶体闸流管SCR1、第二单向晶体闸流管SCR2的导通角，即可调整所述的“启动功率”。

换言之，可以通过设定电位器W1，便可设定启动功率，从而设定本发明的推力。

简言之：本发明的特征之一：可以按需设定推力。

本发明的此特征,对于需按需调整推力的电磁钉枪、电磁捣碎机、电磁充气机、电磁提花机及类似器械具有重要的实用价值，可以起到节约用电的效果。

结合图3，输入的AC电压经变异电桥BP整流后，励磁线圈L中的启动电流I为直流电流。换言之；本发明为交流输入直流运行的推拉交流电磁铁。

实行直流运行，为本发明带来了以下的有益效果：

1、运行时寂静无噪声：

5、因直流运行无涡流损耗,因此,运行时整机发热量小。

t＝t8时，动铁芯M与静铁芯G吸合,所述的“电容储能的推拉交流电磁铁”完成启动过程。

二、复位

t＝t9时，控制开关K关。此时，第二电容C2上仍有电压Uc2。该第二电容C2将通过第二电容C2——励磁线圈L——第一二极管D1——第二电容C2的路径对励磁线圈L放电释能，将储存的电能转化为励磁线圈L中的磁能。尔后，励磁线圈L中的电流又通过励磁线圈L——第一二极管D1——第二二极管D2——励磁线圈L的路径“续流”并在t＝t10时减小至零，所述的“电容储能的推拉交流电磁铁”复位。因此，所述的“电容储能的推拉交流电磁铁”不会因励磁线圈L中电流突变而对外界产生干扰。

所述的变异电桥BR中的第一二极管D1、第二二极管D2在本发明中兼具“续流”的作用。

综上所述可知：所述的变异电桥BR在本发明中兼具三种功能，第一，整流功能：将流入励磁线圈L中的电流整流成为直流；第二，调功功能：调整所述的“启动功率”；第三，续流功能。简言之：所述的变异电桥BR的特征在于：其兼具整流、调功、续流三种功能。

前已述,t＝t8时，动铁芯M与静铁芯G已经吸合，本发明已完成“启动过程”；但在t8～t10时域,励磁线圈L中的启动电流I仍流通。此t8～t10时域中,启动电流I起到了巩固启动“成果”的作用，本发明称此t8～t10时域为启动巩固时域。

再结合图3、图4，t＝t10时，电子单元100中的第一单向晶体闸流管SCR1、第二单向晶体闸流管SCR2均截止，第一二极管D1、第二二极管D2亦截止，所述的电子单元100进入“休眠”状态，或说：本发明进入不耗电的“休眠”状态。

t＝t11时，控制开关k重新“开”,所述的“电容储能的推拉交流电磁铁”被“唤醒”，终止“休眠”状态，再次进入“启动”、“复位”的工作周期中。

以上阐述了本发明的技术方案,一切不脱离本发明的技术方案之实质的替代，都应在本发明的权利要求的范围内。

Claims (2)

1.一种电容储能的推拉交流电磁铁，包括由动铁芯M、静铁芯G、复位弹簧F、励磁线圈L所组成的常规推拉交流电磁铁及电子单元100两部份,其特征在于：所述的电子单元100由第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1、第二电容C2、第一单向晶体闸流管SCR1、第二单向晶体闸流管SCR2、电位器W1、控制开关K所组成；其中，第一单向晶体闸流管SCR1的阳极、第二单向晶体闸流管SCR2的阴极均与AC电压的P1端相连接；所述的第一电容C1的正极、第一二极管D1的负极、第二二极管D2的正极、第二电容C2的负极均与AC电压的P2端相连接；所述的第一单向晶体闸流管SCR1的阴极、第二二极管D2的负极、第二电容C2的正极均与励磁线圈L的A1端相连接；所述的第二单向晶体闸流管SCR2的阳极、第一二极管D1正极、第一电容C1的负极均与励磁线圈L的A2端相连接；第一单向晶体闸流管SCR1的门极与电位器W1的一端相连接；第二单向晶体闸流管SCR2的门极与所述的控制开关K的一端相连接；控制开关K的另一端与电位器W1的另一端、电位器W1的滑动臂均相连接。

2.如权利要求1所述的电容储能的推拉交流电磁铁，其特征在于：所述的控制开关K为机械开关、电子开关或敏感开关，例如拨码开关、按键开关、磁敏开关、压敏开关、霍尔开关、气敏开关、触摸开关、程控开关。