CN1070511A - 磁保持电磁铁 - Google Patents

Abstract

一种带有恒磁体的极化电磁铁，恒磁体的一个极 面经旁磁轭、下磁轭和非磁性材料间隙或空气隙导引 至动铁心，另一个极面经上磁轭、非磁性材料间隙或 空气隙导引至定铁心，电磁铁在吸持状态时至少形成 一组或一组以上的闭合极化磁路，该磁路至少有一处 将电磁线圈围裹在内。旋动、推动、拉动操作手把甚 至直接操作磁路中的某些元件，使闭合极化磁路中出 现人为气隙从而使吸持着的动铁心自动释放。据此 原理可以制作出一系列磁路因需而异、工艺结构简 单、工作高可靠的高效节能电磁铁。

Description

本发明涉及一种带有恒磁体的磁保持电磁铁，特别涉及一种带有手动操作机构的磁保持电磁铁，属于电学的电磁铁领域。主要由恒磁体、导磁性材料制作的磁路、电磁线圈、操作手把等构成。其中，恒磁体安装在电磁线圈一个端部的外侧，线圈有一个贯通的中央轴孔，孔内设置线圈架或套装非导磁材料制作的薄壁管，一个动铁心插入安装在线圈架或薄壁管内作往复的直线运动，定铁心-辅助磁极安装在紧靠恒磁体的线圈的同一侧端部。

在已有技术中，中国专利CN88219029.6提供了一种电磁阀用的磁保持电磁铁，它的不足之处是磁路中设置的可调气隙[9]在通常情况下没有工程上的实用意义，“可调”的定义和实施方式也缺乏明确无误的具体规定。中国专利CN89213167.5的不足之处是该磁保持电磁铁虽然可以提供极大的电磁起动的吸力和恒磁保持力，但对某些没有此种吸力（工艺）要求的被驱动机构而言，将意味着磁保持电磁铁结构工艺的过份复杂化和生产成本的无谓增加，此外，该专利没有配套手动操作装置，使用过程中可能会出现不便。

本发明的目的在于避免上述已有技术中的不足之处而提供一系列磁路设计因需而异，电磁铁吸力和恒磁保持力较小，结构、工艺简单，恒磁体抗震性能较高的磁保持电磁铁及与之配套的简单手动操作机构。

本发明的另一个目的还在于对磁保持电磁铁的结构组成部份和结构技术特征作出相应的约束规定。

本发明的第一个目的可以通过以下措施来实现：

在电磁线圈一个端部的外侧安装恒磁体，线圈有一个贯通的中央轴孔，孔内设置线圈架或套装非导磁材料制作的薄壁管，一个动铁心插入安装在线圈架或薄壁管内作往复的直线运动，定铁心-辅助磁极安装在紧靠恒磁体的线圈的同一端部-

a）恒磁体的一个极面经旁磁轭[4]、下磁轭[5]、非磁性材料间隙Q4或空气间隙Q4′导引至动铁心[8]，另一个极面经上磁轭[1]或非磁性材料间隙Q1或空气间隙Q1′导引至定铁心-辅助磁极[2]，这时，为了控制恒磁体与动铁心间的漏磁通强度和电磁铁在反向励磁时的释放灵敏度，辅助磁极[2]必需伸进电磁线圈[6]相应的轴向高度H3并与旁磁轭[4]或其分支磁路[4a]保持一个必要的非磁性材料间隙Q2或空气间隙Q2′;

b）所述电磁铁在吸持状态时至少形成一组或一组以上的闭合极化磁路，该磁路至少有一处将电磁线圈围裹在内;

c）与所述电磁铁配套组装成若干种利用旋动、拉动、推动操作手把[49]、[50]，甚至直接操作磁路的一个元件或二个元件，例如[1]、[2a]、[3]，使处于磁保持吸合装态的闭合极化磁路中出现人为气隙Q3从而使动铁心返回到释放状态的手动操作机构[80]。

本发明的另一个目的可以通过以下措施来实现：

所述电磁铁的电磁线圈[6]可以由一个独立的绕组构成，也可以由二个彼此独立的绕组构成。

所述电磁铁的非磁性材料间隙Q2或空气间隙Q2′，因电磁铁起动吸力、恒磁体几何形状及磁能积、电磁铁释放操作灵敏度等不同因素而异，其最小值为零点几毫米，最大值可达数十毫米。

所述电磁铁的柔性垫层[41]是一种防震的固体物质或具有类似物理性能的外复涂层，它可以衬垫在恒磁体[3]的两侧，也可以衬垫在抗震性能较好的一侧。

所述电磁铁的手动操作机构[80]，主要有以下形式构成：

a.定铁心-辅助磁极[2]是一个与线圈架[7]刚性连结的整体构件，它的外侧端部是一根与上磁轭[1]螺纹连结的螺杆，在[1]的外侧平面上有时还可以增设一个刚性连结的操作手把[50];

b.元件[2]是一个与[7]螺纹连结定位的整体构件，它的内侧端部是一根螺杆，外侧端部的平台面上有操作[1]做旋转运动必需的凹槽、凸缘、沉孔[52];

c.元件[2]是一个与[7]刚性连结的整体构件，变形的[4]具有内螺纹与旁磁轭分支磁路[4a]上端部的外螺纹相配合;

d.元件[2]由固定部份[2b]与可动部份[2a]组合而成，前者与[7]刚性连结，后者与[1]滑动配合或螺纹配合，压簧[51]支承在[2a]下端部的径向凸缘与[1]的内侧平面空间并迫使[2b]与[2a]间保持良好的静压配合。

所述电磁铁的恒磁体[3]可以由一块具有闭合回路的硬磁材料构成，也可以由一块或一块以上具有片状、块状、U状、弧状等开放结构形式的硬磁材料构成。

所述电磁铁的动铁心[8]在电磁铁释放状态时伸出下磁轭[5]的最佳轴向高度H4大于或等于电磁铁的工作行程δ值。

所述电磁铁的复位弹簧[9]既可以被[8]取代，也可以被能够提供阻尼力矩的被驱动装置取代。

下面，仅对本发明附图的图面说明如下：

图1为实施例1。

图2为实施例2。

图3为实施例3。

图4为实施例4。

图5为实施例5。

图6为实施例6。

图7为实施例7。

图8为实施例8。

图9为实施例9。

图10为自动洗衣机电磁进水阀磁保持电磁铁实施例的纵剖面图。

现在，本发明将结合以上实施例作进一步的详述。

由图1可见，采用非导磁材料制成的线圈架[7]具有一个贯通的中央轴孔，电磁线圈[6]平绕在[7]上。采用导磁材料制成的旁磁轭[4]和下磁轭[5]将[6]围裹在内，恒磁体[3]吸持定位在[7]的一个端部外侧的[4]的外侧平面上。在紧靠[3]的线圈架的中央轴孔内，插入安装一个定铁心-辅助磁极[2]且[7]的中央轴孔内壁作刚性连结，它的下端面与动铁心[8]的上端面形成电磁铁的主工作气隙δ，依靠复位弹簧[9]或[8]的自重或复位弹簧[9′]及被驱动机构的限位作用，使电磁铁在初始状态时的气隙δ保持定值。[2]的上端部是一根螺杆，上磁轭[1]的中央部位处设有一个与之相配合的内螺孔，旋动[1]向下运动即可使其紧压在[3]的外侧平面上。[2]的外缘与[4]的内缘必需保持一个必要的非磁性材料间隙Q2，它因电磁铁启动电磁吸力、恒磁体几何形状及磁能积、电磁铁释放操作灵敏度等不同因素而异：此值太小时[2]与[3]间的漏磁通过大，电磁铁的磁保持力会大幅度下降。太大时由[2]、[4]、[5]、[8]构成的电磁铁的电磁磁路磁阻增加，其起动电磁吸力有所下降：因此，一般情况下Q2值最小为零点几毫米，最大时可达数十毫米。H3标示[2]必需伸进[6]应有的轴向高度，此值太小时电磁铁在反向励磁时的释放操作灵敏度降低甚至无法释放：太大时工作行程与电磁吸力均受影响，有时会无法达到予定的设计要求。H4标示了[8]在电磁铁释放状态时伸出[5]的轴向高度，其最佳值H4≥δ，否则的话，磁路的磁阻势必增加，电磁铁起动吸力和磁保持力都会发生明显的下降。Q4标示了[7]的中央轴孔的壁厚，[8]正是插入在该轴孔内作往复的直线运动，所以从某种意义上讲这个轴孔也自然成为[8]的一个滑动导轨，故Q4的厚度将依据[7]的材质、[6]的几何尺寸等因素而定。[3]是为极化磁路[1]-[2]-[3]-[8]-[5]-[4]提供磁保持力的恒磁体，它可以由一块有闭合回路的硬磁材料构成，也可以由一块或一块以上具有片状、块状、U状、弧状等开放结构形式的硬磁材料构成。以[6]、[7]为衡量基准，恒磁体[3]紧靠[6]的内侧面极性必需相同，例如呈S极性;外侧面与之相反，例如呈N极性，如图1所示。[53]是粘结剂，它可以使[3]与[4]的结合更加稳定可靠。[6]可以由一个绕组构成，也可以由二个彼此独立的绕组构成：其中一组为吸合线圈，另一组为释放线圈，分别为电磁铁提供正向励磁电流和反向励磁电流。如上所述，电磁铁在初始状态时[2]与[8]之间因工作气隙δ的存在，其磁阻极大，故[3]的恒磁作用忽略不计，在[9]或[9′]、[8]或被驱动机构的反作用力矩影响下，电磁铁处于稳定的释放状态。当电磁线圈[6]内通入某一适当极性的直流脉冲电或某一交变脉冲电时，[2]-Q2-[4]-[5]-Q4-[8]-δ-[2]构成的电磁磁路被正向励磁，其产生的电磁起启动吸力F_H足以克服上述反作用阻尼力矩，[8]带动被驱动机构向上运动，直至δ→O值。这时，即使正向励磁脉冲电流消失，由于[3]-[1]-[2]-[8]-Q4-[5]-[4]-[3]构成的极化磁路已经闭合，[3]提供的磁保持力足以克服Q4等极化磁路中的磁阻和电磁铁反作用阻尼力矩的总和，电磁铁转入另一个新的稳定状态即吸持状态。当电磁线圈[6]内通入一个与正向励磁脉冲电极性相反的直流脉冲电时，只要幅值和宽度适当，由此产生的反向励磁电流在电磁磁路中感生的反向励磁磁通将与该磁路中流过的正向极化磁通反向叠加，在电磁铁原有的反作用阻尼力矩作用下，动铁心[8]迅速向下运动，工作气隙由0→δ值，这时，即使反向励磁脉冲电流消失，电磁铁将继续回复到初始稳定状态即释放状态。值得注意的是：这样的吸合释放操作过程，既可以利用一个绕组的正向通电予以完成：也可用利用各司“合”、“分”功能的二个彼此独立的绕组予以完成。手动操作机构[80]由定铁心-辅助磁极[2]的螺杆部份及与之相配合的带有内螺孔的上磁轭[1]组成。当吸持着的磁保持电磁铁需要手动释放时，操作者只要反向旋转[1]向外侧运动，使原先处于闭合状态的极化磁路中出现人为气隙Q3，这时，由于磁阻猛增之故，恒磁体[3]提供的磁保持力小于电磁铁的反作用阻尼力矩，吸持着的动铁心[8]自动返回到释放状态。

图2是本发明的第二个实施例。

与图1所示方案不同的是：磁路中原有的非磁性材料间隙Q4被单一的空气间隙Q4′取代，[5]与[8]间的磁阻下降，故电磁吸力相应增加。为了缓冲[8]在吸合瞬间对[2]冲击所产生的恒磁体[3]与磁轭[2]、[4]之间的微小的相对运动，改善恒磁体的工作条件，并提高磁保持电磁铁整体的机械寿命，可以在[3]与[1]之间或[3]与[4]之间增设一个或二个柔性垫层[41]，它可以用一种防震的固体物质制成，也可以用具有类似物理性能的外复涂层例如电磁铁已有技术中使用的某种油脂等制成。当然，为了降低磁路的磁阻，[41]的厚度应愈薄愈好。除上述之外，图2所示实施例的其它结构特征和工作原理与图1实施例完全相同。

图3所示实施例是图2所示实施例的一种变型方案。

定铁心-辅助磁极[2]与线圈架[7]或非导磁材料制作的紧固件[42]作螺纹连结，其伸出[7]的那一部份螺杆直径被适当加粗，它的外缘部份与恒磁体[3]的内缘部份保持一个与恒磁体几何尺寸和磁能积相应的气隙Q1′，[3]的一个极面（例如下极面S极）经旁磁轭[4]、下磁轭[5]、空气间隙Q4′导引至动铁心[8]，另一个极面（例如上极面N极）经空气隙Q1′导引至[2]，上磁轭[1]被穿过Q1′气隙的漏磁通所取代，故极化磁路仍可构成闭合回路，虽然，它所造成的电磁铁磁保持力将较图1和图2实施例有明显的下降，但在某些场合下仍可达到良好的使用效果。为了实现电磁铁的手动操作功能，可以在[2]的外端面上增设专用的凹槽、凸缘、沉孔[52]，配用螺丝刀等工具使[2]旋转并向外侧运动，从而使吸持着的动铁心[8]自动释放到初始状态。除上述之外，本实施例的其它结构特征和工作原理与图1、图2实施例完全相同。

图4所示实施例的恒磁体[3]设置在电磁铁的中央轴线上，其上极面经[4]、[5]、Q4导引至[8]，其下极面经[1]导引至[2]，旁磁轭分支磁路[4a]相当于图1实施例中[4]的上端部份，但为了防止[3]的上下极面发生磁短路，与[3]上极面相连的[4]的内侧水平面必需与[4a]的外侧水平面保持一个足够的轴向高度H5，（此外它还应与[4a]作螺纹连结或紧压配合）H5太大时电磁铁的几何尺寸无谓增大，太小时将使[3]的上下极面发生磁短路，从而使电磁铁的磁保持力大幅度减小。柔性垫层[41]可以设置在[1]、[3]之间，也可以同时设置在[4]、[3]及[1]、[3]之间，其功能是缓冲动铁心[8]对[3]的机械冲击。除上述之外，本实施例的其它结构特征和工作原理与图1、图2实施例完全相同。

图5所示实施例中的恒磁体[3]仅仅设置在电磁铁中央轴线的一侧，非磁性垫块[43]嵌置在[2]、[1]、[3]、[4]的空间内，螺母[44]使[1]与[3]、[2]保持良好的接触配合。[2]的中部设有一个凸缘平台，使密封阀心套[45]或线圈架[7]对其起到止挡作用，除上述之外，图5所示实施例的其它结构特征和工作原理与图1实施例完全相同。

图6所示实施例中的恒磁体[3]设置在电磁铁中央轴线的两侧，但它的内侧极面与外侧极面的极性必需相反，例如，外侧呈S极性内侧必呈N极性，由图6可见，[2]为一根柱状体，其外侧可以用螺纹与[7]的中央轴孔内壁作螺纹连结或采用其它刚性连结的方法使之相对固定（例如注塑嵌装埋入法、粘结法等），[2]的上端为上磁轭[1]，本实施例中它们被简化为同一构件并套装在[3]的内侧空间，其轴向高度最佳值≥[3]的轴向高度。柔性垫层[41]可以在[8]吸合时减缓[2]、[1]对[3]的冲击破坏作用，提高电磁铁的抗冲击寿命。当同心度能够得到良好的控制时，[41]可以减薄直至→O值。[48]为非磁性垫块，它在线圈架[7]中轴外伸端部的配合下，使[3]的下平面与旁磁轭分支磁路[4a]的外侧平面保持一个必要的轴向高度H5，以免[3]被[4a]磁短路。非磁性垫板[46]紧固在[1]、[3]的外侧平面上，[52]为手动操作凹槽、凸缘、沉孔，需要手动操作电磁铁时，只要使用与[52]配套的工具旋转[1]、[2]使之向外侧运动，达到Q3行程后，恒磁体[3]无法克服Q3、Q1的磁阻和[9]、[8]的反作用力矩，原先吸持着的动铁心[8]便自动释放到初始状态。在本实施例中，尽管[3]以水平方向（或径向）充磁，但由[2]-Q2-[4a]-[4]-[5]-Q4′-[8]-δ-[2]构成的电磁磁路以及由[3]-[1]-[2]-[8]-Q4′-[5]-[4]-[3]构成的极化磁路与图1、图2、图3实施例的基本结构特征和工作原理完全相同。毫无疑问，本实施例若不需用手动操作时，[52]可予取消，但它的技术特征仍然没有超越图6实施例规定的基本范畴。

图7所示实施例的辅助磁极-定铁心[2]，改由与[7]的中央轴孔内壁作刚性连结的辅助磁极固定部份，[2b]与可移动部份[2a]组成。后者的主体是一根螺杆，上端部安装操作手把[49]，有时也可以在外侧端面上设置手动操作用凹槽、凸缘、沉孔[52]如图3、图6所示方案（本实施例不再绘图标示）。[2a]的下端面与[2b]的上端面应保持良好的接触配合，并依靠压簧[51]或[2a]的螺旋作用得到一个静压力。使接触面的磁阻进一步减小。正常工作时，[2a]向下旋动，气隙Q3

值。这时本实施例的结构特征和工作原理除上述之外与图1实施例完全相同。需要手动操作时，借助[49]或[52]使[2a]旋转并向外侧运动，原先闭合的极化磁路中出现一个人为气隙Q3恒磁体[3]提供的磁保持力无法克服Q3、Q4的磁阻与[9]、[8]反作用力矩的总和原先吸持着的动铁心[8]自动释放到初始状态。

图8所示实施例是图1实施例的改进型方案。操作手把[50]可以与[1]固结在一起，也可以利用下凸的二个以上的针状体或齿状体在需要时手控插入或啮合到[1]的二个以上对应孔洞中或齿槽中，旋动[50]使[1]旋转并向外侧运动，原先闭合的极化磁路中出现人为气隙Q3参照前述理由，[8]自动释放到初始状态。

图9所示实施例与图7实施例略有不同：在[1]的中央部位处设有一个孔洞，[2a]的主体是一根外表面光洁的柱状体，后者插入孔洞之后再安装操作手把[49]，孔洞的设置必需保证[1]与[2a]间呈一定的滑动间隙配合，配合间隙愈小或配合面积愈大则相应的磁阻愈小，反之亦然。[51]卡套在[2a]滑动杆的外侧部位上，为[2a]与[2b]间的接触配合提供一个静压力，[1]与[3]、[4]间应为刚性连结，需要手动操作时，只需向外拉动[49]，原先闭合的极化磁路中将出现一个人为气隙Q3，[8]随之自动释放。除此之外，本实施例与图7实施例的结构特征和工作原理完全相同。

图10为自动洗衣机电磁进水阀磁保持电磁铁实施例的纵剖面图。[43]为非磁性粘结剂或垫块，[45]为密封阀心套，采用塑料或尼龙制成，[47]为塑料护圈，防止恒磁体[3]在机械外力冲击时受到损害，[8b]为橡皮垫片，其功能是依靠[9]的弹力作用，将电磁进水隔膜阀的先异孔堵死（有关隔膜阀部份本图一概省略未绘），使进水阀在不通电状态时关闭，[8a]为[8]的一个同心的环状薄壁，将该壁沿径向滚压可以把[8b]封闭在内，[9]套装在[2]的下端部，当然也可以改套到[8]的上端部，但这时伸进[45]的[2]的柱状体部份最好具有相同的横截面积。需用手动关阀时，只需旋转[1]向外侧运动，使闭合的极化磁路中出现人为气隙Q3，[8]立即自动恢复到释放状态。实践证明，按照本实施例制作的自动洗衣机进水隔膜电磁阀，其使用寿命超过轻工部的规定标准三倍以上。

综上所述，应用本发明可以制作出各种小型磁保持接触器、磁保持继电器、磁保持电磁阀、磁保持脉冲计数器等高效节能和高可靠的更新换代系列产品，为低压电器领域的全面革新带来新的动力。

与现有技术相比，本发明具有如下主要优点：

1.磁路设计因需要而异，实施方案更加多样化。

2.结构工艺简单，加工精度不高。

3.恒磁体的抗震性能良好。

4.手动操作（释放）机构简单、方便。

Claims (8)

1、一种磁保持电磁铁，主要由恒磁体、导磁性材料制作的磁路、电磁线圈、操作手把等构成，其中，恒磁体安装在电磁线圈一个端部的外侧，线圈有一个贯通的中央轴孔，孔内设置线圈架或套装非导磁材料制作的薄壁管，一个动铁心插入安装在线圈架或薄壁管内作往复的直线运动，定铁心--辅助磁极安装在紧靠恒磁体的线圈的同一侧端部，其特征在于：

a.恒磁体的一个极面经旁磁轭[4]、下磁轭[5]、非磁性材料间隙Q4或空气间隙Q4′导引至动铁心[8]，另一个极面经上磁轭[1]或非磁性材料间隙Q1或空气间隙Q1′导引至动铁心--辅助磁极[2]，这时，为了控制恒磁体与动铁心间的漏磁通强度和电磁铁在反向励磁时的释放灵敏度，辅助磁极[2]必需伸进电磁线圈[6]相应的轴向高度H3并与旁磁轭[4]或其分支磁路[4a]保持一个必要的非磁性材料间隙Q2或空气间隙Q2′；

b.所述电磁铁在吸持状态时，至少形成一组或一组以上的闭合极化磁路，该磁路至少有一处将电磁线圈围裹在内；

c.与所述电磁铁配套装成若干种利用旋动、拉动、推动操作手把[49]、[50]，甚至直接操作磁路的一个元件或二个元件例如上磁轭[1]、辅助磁极可移动部份[2a]、恒磁体[3]，使处于磁保持吸合状态的闭合极化磁路中出现人为气隙Q3从而使吸持着的动铁心返回到释放状态的手动操作机构[80]；

d.在所述电磁铁的恒磁体[3]与上磁轭[1]之间或在恒磁体[3]与旁磁轭[4]之间设有一个或二个柔性垫层[41]。

2、按权利要求1规定的磁保持电磁铁，其特征在于所述的电磁线圈[6]可以由一个独立的绕组构成，也可以由二个彼此独立的绕组构成。

3、按权利要求1规定的磁保持电磁铁，其特征在于所述的非磁性材料间隙Q2或空气间隙Q2′，因电磁铁起动吸力、恒磁体几何形状及磁能积、电磁铁释放操作灵敏度等不同因素而异，其最小值为零点几毫米，最大值可达数十毫米。

4、按权利要求1规定的磁保持电磁铁，其特征在于所述的柔性垫层[41]是一种防震的固体物质或具有类似物理性能的外复涂层，它可以衬垫在恒磁体[3]的两侧，也可以衬垫在防震性能较好的一侧。

5、按权利要求1规定的磁保持电磁铁，其特征在于手动操作机构[80]由下列型式构成：

a.定铁心-辅助磁极[2]是一个与线圈架[7]刚性连结的整体构件，它的外端部是一根与上磁轭[1]螺纹连结的螺杆，在上磁轭[1]的外侧平面上有时还可以增设一个刚性连结的操作手把[50];

b.辅助磁极[2]是一个与线圈架[7]螺纹连结定位的整体构件，它的内侧端部是一根螺杆，外侧端部的平台面上设有操作上磁轭[1]做旋转运动所必需的凹槽、凸缘、沉孔[52];

c.辅助磁极[2]是一个与线圈架[7]刚性连结的整体构件，变形的旁磁轭[4]具有内螺纹与旁磁轭分支磁路[4a]上端部的外螺纹相配合;

d.辅助磁极[2]由固定部份[2b]与可移动部份[2a]组合而成，前者与线圈架[7]刚性连结，后者与上磁轭[1]滑动配合或螺纹配合，压簧[51]支承在辅助磁极可移动部份[2a]下端部的径向凸缘与上磁轭[1]的内侧平面空间并迫使辅助磁极固定部份[2b]与辅助磁极可移动部份[2a]间保持良好的静压配合。

6、按权利要求1规定的磁保持电磁铁，其特征在于恒磁体[3]可以由一块具有闭合结构形式的硬磁材料构成，也可以由一块及一块以上具有片状、块状、U状、弧状等开放结构形式的硬磁材料构成。

7、按权利要求1规定的磁保持电磁铁，其特征在于动铁心[8]在电磁铁释放状态时伸出下磁轭[5]的最佳轴向高度H4大于或等于电磁铁的工作行程δ值。

8、按权利要求1规定的磁保持电磁铁，其特征在于可以利用动铁心[8]的自重或能够提供反作用力矩的电磁铁的被驱动装置取代复位弹簧[9]。

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