CN107154324A - 用于磁保持螺线管致动器的柱塞 - Google Patents

Abstract

一种柱塞包括一纵长的柱塞本体及一形成于柱塞本体的一端的柱塞头。所述柱塞本体至少部分为圆柱状，包括一磁界面本体部，所述磁界面本体部垂直于柱塞本体的纵轴的截面为非圆形。另外还提供一使用上述柱塞的磁保持螺线管致动器，以及一种改善磁保持螺线管致动器的性能的方法。

Description

用于磁保持螺线管致动器的柱塞

技术领域

本发明涉及用于磁保持螺线管致动器的柱塞，特别是但不限于用于开关接触器致动器装置的柱塞。本发明还涉及磁保持螺线管致动器，以及提升磁保持螺线管致动器的性能。

背景技术

为了提高螺线管致动器的生产成本效益，在许多情况下，致动器的磁性件使用传统的铁氧体磁铁代替磁性更强的稀土磁铁。鉴于稀土元素的稀缺性，使用这种磁铁生产磁性产品的成本在增加。

然而，与稀土磁铁相比，铁氧体磁铁的磁场较弱，这对于构造致动器造成一些问题。减小磁铁的磁场强度相应地减小了致动器施加于致动器的柱塞上的作用力，从而降低了磁保持力以及柱塞整个冲程中的线圈驱动力。这对于一些需要强劲且一致的冲程以获得任何特殊效果的应用可能会产生有害影响。

开关接触器装置的致动器即属于这样一个冲程力至关重要的领域，因为较弱的冲程力可能会导致触点之间产生电弧和/或触头颤动，任何一种都可能损毁开关接触器并随着时间的推移产生故障。

发明内容

本发明提供一改进的柱塞装置以解决或限制上述问题。

根据本发明的第一方面，本发明提供一用于磁保持螺线管致动器的柱塞，所述柱塞包括：一纵长的柱塞本体以及形成于柱塞本体一端的柱塞头，所述柱塞本体包括一磁界面本体部，所述磁界面本体部在柱塞本体的相对两侧面形成第一、第二平面。

用于磁保持螺线管致动器的柱塞通常具有圆形的截面，以在柱塞与螺线管之间形成最小的摩擦配合。柱塞通过提供平面的部分与致动器的保持磁体形成磁性连接，柱塞向螺线管内的自由移动不受限制，而柱塞与保持磁体之间的保持力则明显地增大。如此提升了致动器的效能，特别是对于使用磁性较弱的，通常是成本更低的磁铁的场合。

较佳地，所述磁界面本体部的截面可为正方形或长方形。

正方形、立方体或基本上呈长方形的磁界面本体部可以有利地提升柱塞与保持磁体之间的磁性连接。由于保持磁体通常具有平坦的表面，在柱塞上设置平面确保形成均匀或实质上均匀的磁相互作用，从而加强两者之间的磁相互作用。

所述磁界面本体部可与柱塞头和/或柱塞本体与柱塞头相反的一端间隔开。

通过将磁界面本体部设置为远离柱塞本体的末端，在生产该柱塞时额外材料的用量可以最小化。显然，圆柱状柱塞和其宽度与圆柱直径相同的方形外形柱塞相比较而言，对于形成给定长度的柱塞本体，圆柱状柱塞需要更少的磁性材料。尽量降低柱塞重量的增加量也会导致致动器在给定的外加电压下产生更大的加速力。

所述柱塞本体也可以构造成其至少靠近磁界面本体部的部分为圆柱状。

柱塞具有至少一圆柱状的尾部使其能够用于圆柱状的螺线管线圈，这是致动器的螺线管线圈最通常的使用形状。

可选地，所述磁界面本体部的截面面积可以大于柱塞本体的其余部分的截面面积。

柱塞的磁界面本体部具有更大的截面积确保柱塞可以相对于螺线管线圈自由移动而不会与致动器附近的其它物体碰撞。

所述磁界面本体部可沿柱塞本体的大部分纵向长度延伸。在一实施例中，其也可沿其整个纵向长度延伸。磁界面本体部优选地可沿柱塞本体的纵向长度具有均匀或大致均匀的宽度。

沿其长度其截面全部为正方形或长方形的柱塞相对于具有混合的正方形与圆柱形本体部的柱塞在制造上更为简单，并且可以配合具有方形绕组的螺线管线圈使用。

根据本发明的第二方面，本发明提供一磁保持螺线管致动器，包括：一螺线管线圈；一安装于螺线管线圈内的可磁化的螺线管芯；一安装于或靠近螺线管线圈的一端的磁性件；及一柱塞，优选地为本发明第一方面提供的柱塞，所述柱塞包括一可与磁性件磁性接合的磁界面本体部，所述柱塞可收容于螺线管线圈内以使至少部分所述磁界面本体部靠近所述磁性件，所述磁界面本体部与磁性件的形状互补，以增加或优化两者之间的磁性接合。

磁保持螺线管致动器所采用的柱塞具有与磁性件互补的形状将提升柱塞与磁性件之间的磁性连接，在驱动上产生更大的冲程力，并且使得在给定的驱动电压下致动器更为强大。

所述柱塞可被收容于所述螺线管线圈内的长度范围为圆柱状，所述螺线管线圈为圆柱状线圈。所述柱塞的磁界面本体部的尺寸设计成使其不能插入至螺线管线圈内。所述磁界面本体部的截面可为正方形或长方形。可替代地，所述磁界面本体部可形成柱塞的本体的至少大部分纵向长度，所述磁界面本体部的截面为正方形或长方形。对应所述柱塞的螺线管线圈可为正方形或长方形线圈。可选地，所述螺线管芯可形成柱塞限位器。

为了防止柱塞的磁界面本体部对致动器的螺线管线圈的意外损坏，柱塞进入螺线管线圈的深度可被限制。有各种方式可实现此目的。

优选地，磁性元件可包括第一和第二条形磁铁，其可形成为铁氧体磁铁。在一个优选的实施例中，磁性元件可形成为具有贯穿的方形孔的磁壳体。方形孔的尺寸设计成用以容纳柱塞的磁界面本体部。

致动器的保持力的提升意味着，如果需要的话，可以使用铁氧体磁铁替代较贵的稀土磁铁，不会造成致动器明显的效率损失。这样有利地提升了此种致动器的成本效益。另外，使用铁氧体磁铁，其提供较弱的保持力，如此可以使用磁性较弱的螺线管，这样可以提升致动器制造的成本效益。

较佳地，所述磁保持螺线管致动器可以是接触器开关致动器。

由于接触器开关依靠强大的致动器来限制或减少触点颤动量，因此本致动器装置提供的增强的冲程力将非常有益于此种开关。

根据本发明的第三方面，本发明提供一种提升磁保持螺线管致动器的性能的方法，所述方法包括改善所述磁保持螺线管致动器的柱塞和磁性元件之间的磁相互作用的步骤。所述磁相互作用的改善是通过改变所述柱塞位于或靠近所述磁性件的部位的截面，使其更加方形或长方形以更好地与磁性件的形状相匹配来实现的。

提升磁保持螺线管致动器的柱塞与保持磁体之间的磁相互作用有利地提升了致动器的冲程力，从而实现柱塞更为精准、高效的移动。

附图说明

为更清楚地描述现有技术以及本发明各实施例的技术方案，下面简要介绍描述现有技术以及各实施例所使用的附图。显然，以下附图仅描述本发明的一部分实施例，本领域普通技术人员可以在无需付出创造性劳动前提下获得其它图式。

图1是根据本发明第一方面的柱塞的第一实施例的立体图，用于配合磁保持螺线管致动器使用。

图2a是根据本发明第二方面的磁保持螺线管致动器的第一实施例的截面图，使用图1所示的柱塞，柱塞相对于螺线管芯处于伸出状态。

图2b是图2a所示磁保持螺线管致动器的端面示意图。

图3是图2a所示磁保持螺线管致动器的截面图，其中柱塞相对于螺线管芯处于缩回状态。

图4a为现有技术中具有圆柱形柱塞的磁保持螺线管致动器的端面示意图，其中箭头示出致动器的磁性件与柱塞之间的磁相互作用的大小。

图4b是图2a所示磁保持螺线管致动器的端面示意图，其中箭头示出致动器的磁性件与柱塞之间的磁相互作用的大小。

图5是柱塞在不同伸出位置的作用力的曲线图，下方的曲线PA示出图4a所示现有柱塞的作用力，上方的曲线SP示出本发明图4b所示柱塞的作用力。

图6a是根据本发明第二方面的磁保持螺线管致动器的第二实施例的截面图，其中柱塞相对于螺线管芯处于伸出状态。

图6b是图6a所示磁保持螺线管致动器的端面图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在无需付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

首先参照图1，示出了一用于磁保持螺线管致动器的柱塞10。所述柱塞10改进了磁保持螺线管致动器12的性能。

所述柱塞10包括一纵长的、优选地其主要部分呈圆柱状的柱塞本体14。所述柱塞本体14的一端16形成柱塞头18，所述柱塞头18可以将任何使用该柱塞10的磁保持螺线管致动器12产生的力传递至另一装置，例如，所述磁保持螺线管致动器12可以作为开关接触器装置的致动器。

除了所述柱塞本体14的磁界面本体部20之外，所示柱塞10的柱塞本体14以及柱塞头18具有基本一致的横向或径向尺寸。所述磁界面本体部20将在下面详述。尽管所述柱塞头18的形状将取决于磁保持螺线管致动器12的实际应用，所述柱塞本体14的尺寸将取决于磁保持螺线管致动器12的螺线管线圈24的内部尺寸，但在本实施例中，所述柱塞10还包括一柱塞颈22，所述柱塞颈22分开柱塞本体14与柱塞头18。

所述磁界面本体部20的形成是为了提升使用柱塞10的磁保持螺线管致动器12的磁性件26与柱塞10之间的磁相互作用。所述磁界面本体部20的形成可以通过改变柱塞本体14的截面实现，如此，与磁性件26的一个或多个保持磁体28形成均匀或大致均匀的间隔。

在所述实施例中，该磁界面本体部20呈方块状或大致呈方块状，至少部分由圆柱状的柱塞本体14向外沿垂直于柱塞10的纵轴的方向延伸而成。如此，在柱塞本体14的相对两侧形成至少第一、第二相反的平面30、32。虽然在所述实施例中，所述方块状的磁界面本体部20将形成四个这样的平面，但应当注意的是，对于大部分磁保持螺线管致动器12来说，在螺线管线圈24的一端会设置两个相对的平面磁体28，因此仅通过形成上述两平面30、32就可以在柱塞10与磁体28之间形成适当的磁相互作用。

所述磁界面本体部20本身与柱塞头18以及柱塞本体14的与柱塞头18相反的一端34间隔开。柱塞本体14远离柱塞头18的端部36呈圆柱状或大致呈圆柱状。所述端部36的尺寸设计为能收容于螺线管线圈24之内。相对地，所述磁界面本体部20的尺寸可以设计为不能插入至螺线管线圈24内，这可以通过方块状的磁界面本体部20比螺线管线圈24的内部空间宽来实现。

图2a至3例示了一个代表性的磁保持螺线管致动器12。图2a是柱塞10处于伸出状态的磁保持螺线管致动器12截面视图，图2b为磁保持螺线管致动器12的从图2a的右手侧观察的端面视图。对于磁保持螺线管致动器12，除非需要在伸出状态与缩回状态之间驱动柱塞10，螺线管线圈24将被断电，因此通常设置有一个或多个与柱塞10连接的偏置弹簧37，以在柱塞10处于伸出状态时帮助维持所述柱塞10的位置。

所示的磁保持螺线管致动器12包括螺线管线圈24，所述螺线管线圈24在其一端40设置有基板38，所述基板38位于螺线管线圈24之外，并与设置于螺线管线圈24内的可磁化螺线管芯42连接。通常，所述螺线管芯42形成螺线管的柱塞限位器。所述螺线管线圈24绕设于螺线管芯42上。

磁性件26定位在螺线管线圈24的另一端44。在此，所述磁性件26形成为一具有穿透的方孔48的磁铁壳46。所述方孔48内设置有两个条形磁体28，优选地为铁氧体磁铁28。所述两个条形磁体28分开地设置于磁铁壳46内的方孔48的相对两侧。

所述柱塞10插入至磁保持螺线管致动器12内，使得所述端部36至少部分位于螺线管线圈24内，而所述柱塞本体14的磁界面本体部20位于或靠近磁性件26。

图2a中，所述磁保持螺线管致动器12未通电，柱塞10处于伸出状态。所述偏置弹簧37可与柱塞10相连以确保在螺线管致动器12处于断电状态时维持柱塞10相对于致动器外壳的位置。在图2a、3中，致动器外壳由外壳壁47示意性地表示。

在此默认状态下，柱塞10的磁界面本体部20的大部分与磁性件26的磁体28相重叠。然而，并非整个磁界面本体部20相重叠，这由图2a可以明显地看出。

图2b示出上述磁保持螺线管致动器12的端部示意图，显示了磁界面本体部20的第一、第二平面30、32的邻近部分。所述第一、第二平面30、32平行于且紧邻磁性件26的磁体28的邻近平面50。

所述第一、第二平面30、32与邻近的磁体28的平面50对齐并紧邻确保了柱塞10与磁性件26之间强劲且高度均匀的磁性连接或相互作用。

所述磁保持螺线管致动器12的柱塞10的缩回状态可参见图3，随着螺线管线圈24通电，使得柱塞10由其伸出状态移回。由于螺线管线圈24通电，柱塞10缩回至螺线管线圈24内，使得磁界面本体部20基本位于磁性件26的磁体28之间并与磁体28对齐，从而相对于完全呈圆柱状的柱塞，产生明显增大的吸引力，如此使得施加至与柱塞头18相连的任意器件的冲程力随之增大。将所述柱塞10与磁性体保持在一起的保持力足以克服偏置弹簧37的作用力，因此即使螺线管线圈24随后断电，柱塞10仍可以维持在缩回状态。

由于增大的吸引力，不仅柱塞10的冲程力增大，柱塞10的移动速度同样显著增加，如此导致磁保持螺线管致动器12更高效，特别适用于要求柱塞10快速移动的场合。

在测试柱塞10装置时，发现通过螺线管的特别设置实现的吸引力增大带来的优点明显大于柱塞10的重量小幅增加带来的缺点，其原因可以由图4a、4b看出。

图4a所示为现有技术中的圆柱状柱塞10’，作为具有第一、第二条形磁体28’的磁保持螺线管致动器12’的一部分。

在靠近每一磁体28’的中心的位置，柱塞本体14’的边缘相对紧密地靠近邻近的磁体28’的平面50’，磁体28’与柱塞本体14’之间的磁性作用的大小在此处将相对高。相互作用的强度与邻近磁体28’的平面50’和柱塞本体14’之间的间隔呈比例。然而，在磁体28’的边缘位置，柱塞本体14’离邻近磁体28’的平面50’远很多，而其磁相互作用相应地减小。

对于本装置，如图4b所示，磁界面本体部20的第一、第二平面30、32平行于或大致平行于致动器12的磁性件26的磁体28的平面50延伸。如此，由于磁力在磁界面本体部20的宽度上大体是均匀的，磁界面本体部20上聚集的磁相互作用远大于采用圆柱状柱塞10’所获得的磁相互作用。

所述效果可以由图5看出，其描绘的是给定的磁保持螺线管致动器12、12’的柱塞10、10’的伸出距离(单位为毫米)对保持力(单位为牛顿)的曲线图。下面的曲线PA示出了现有柱塞10’的作用力以及伸出的长度，而上面的曲线SP示出了图4b的方形柱塞10在各伸出位置的作用力。

由图示可以看出，对于绝大部分伸出距离，方形柱塞10相对于圆柱状柱塞10’总是具有更大的作用力。特别地，关键行程点，对于具有磁保持螺线管致动器12，12’的开关致动器而言可能是其柱塞10作用使触头闭合或打开的点，其反映关键的作用力要求。对于本致动器装置，本发明的柱塞10可以在关键行程点上将作用力提升10～20％，其提升量由现有装置在给定的伸出量X’(这里为伸出1.5mm)的作用力与所述方形柱塞10在同样伸出量(记为X)的作用力的差值ΔN表示。当然，确切的伸出距离取决于所使用的致动器装置。

由图5可见，在靠近最大伸出位置(本磁保持螺线管致动器装置的最大伸出量为4.0mm)，方形柱塞10与圆柱形柱塞10’的作用力差值出现降低。这是由于磁界面本体部20移出磁铁壳46的方孔48，此时柱塞10的磁相互作用是由其圆柱状端部36与磁体之间产生。

所述相互作用可以通过增加磁界面本体部的长度来提升，如图6a、6b所示实施例。第二实施例中相同或相似的元件以相似或相同的标号表示，为简短起见，对其不再赘述。

除了螺线管线圈124必须可以容纳柱塞110的非圆柱状的端部136之外，本实施例的磁保持螺线管致动器112在很大程度上与上一实施例相同。在此情况下，螺线管线圈124的绕组为正方形或长方形。螺线管芯142的尺寸可采用类似设计。

穿过磁铁壳146的孔148的截面仍然为正方形或长方形，使得孔148能够收容柱塞本体114的磁界面本体部120。所述磁界面本体部120可以沿柱塞本体114的大部分长度范围延伸，优选地沿柱塞本体114的如图所示的整个长度范围延伸。所述磁界面本体部120具有正方形或长方形外形(优选地，外形是均匀的)，以在柱塞本体114的大部分长度范围内形成第一、第二平面130、132。

本实施例中，在柱塞110伸出的任何位置，磁界面本体部120位于磁性件126的磁体128内的长度保持不变。如此，无论柱塞110伸出多少距离，第一、第二平面130、132与相邻磁体128的平面150都形成均匀的或者很大程度上不变的间隔。

应该注意的是磁介质本体部的正方形或长方形截面对于柱塞紧邻磁保持螺线管致动器的磁性件的磁体外表面并不是严格必须的，仅仅是需要两者充分匹配。例如，磁体的表面可以成型为与柱塞的形状相匹配，或者磁介质本体部的第一、第二平面之间可以由一非线性外表面相连。例如，可以考虑使用六角形截面的磁界面本体部，而不会偏离本发明的范围。因此，所述磁界面本体部的形状可能由易于生产或类似约束条件所决定。

显然，所提供的致动器可以省略偏置弹簧，通过维持其螺线管线圈的通电与断电状态来维持柱塞的位置。

因此，可以提供一用于磁保持螺线管致动器的柱塞，其与磁保持螺线管致动器的磁性件之间具有改进的磁性连接，从而提升冲程力并因此提升致动器的效率。这些是通过在柱塞本体上提供至少部分是平面的表面以对致动器的类似平面磁体产生更大的磁性吸引来实现的。

本发明的上述描述中，术语“包括”、“包含”“具有”是用于具体说明存在所陈述的特征、整体、步骤或者部件，但并不排除存在一个或多个其它特征、整体、步骤、部件、或者其组合。

说明书中所有的实施例以递进的方式进行描述，每一实施例主要描述其与前述实施例的差异，而各实施例的相同或相似的部分可以相互参照。

尽管本发明是参照一个或多个实施例进行描述的，以上对于实施例的描述仅用于使本领域的技术人员能实施或使用本发明。需要说明的是，根据本发明的创造精神，本领域技术人员还可以做出其他变化，本发明并不局限于上述实施方式，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (12)

1.一种用于磁保持螺线管致动器的柱塞，所述柱塞包括：

一纵长的柱塞本体；及

一形成于所述柱塞本体的一端的柱塞头；

所述柱塞本体包括一磁界面本体部，所述磁界面本体部在所述柱塞本体的相对侧形成第一、第二平面。

2.如权利要求1所述的柱塞，其中所述磁界面本体部的截面为正方形或长方形。

3.如权利要求1所述的柱塞，其中所述磁界面本体部与所述柱塞头和/或所述柱塞本体与柱塞头相反的一端间隔开。

4.如权利要求1所述的柱塞，其中所述磁界面本体部的截面面积大于所述柱塞本体的其余部分的截面面积。

5.如权利要求1所述的柱塞，其中磁界面本体部沿所述柱塞本体的大部分长度或整个长度延伸。

6.如权利要求5所述的柱塞，其中所述磁界面本体部沿所述柱塞本体的纵向长度具有均匀或实质上均匀的宽度。

7.一种磁保持螺线管致动器，包括：

一螺线管线圈；

一安装于螺线管线圈内的可磁化的螺线管芯；

一磁性件，所述磁性件安装于或靠近螺线管线圈的一端；及

一柱塞，所述柱塞包括一可与所述磁性件磁性接合的磁界面本体部，所述柱塞能够收容于螺线管线圈内以使至少部分所述磁界面本体部靠近所述磁性件，所述磁界面本体部与所述磁性件的形状互补，以增加或优化两者之间的磁性接合。

8.如权利要求7所述的磁保持螺线管致动器，其中所述柱塞可被收容于所述螺线管线圈内的长度范围为圆柱状，所述螺线管线圈为圆柱状线圈。

9.如权利要求7所述的磁保持螺线管致动器，其中所述柱塞的磁界面本体部的尺寸设计成使其不能插入至所述螺线管线圈内。

10.如权利要求7所述的磁保持螺线管致动器，其中所述磁界面本体部形成所述柱塞的本体的至少大部分长度，所述磁界面本体部的截面为正方形或长方形，所述螺线管线圈为正方形或长方形线圈。

11.如权利要求7所述的磁保持螺线管致动器，其中所述螺线管芯形成柱塞限位器。

12.一种提升磁保持螺线管致动器的性能的方法，所述方法包括改善所述磁保持螺线管致动器的柱塞和磁性元件之间的磁相互作用的步骤，所述磁相互作用的改善是通过改变所述柱塞位于或靠近所述磁性件的部位的截面，使其更加方形或长方形以更好地与磁性件的形状相匹配来实现的。