CN108550495A - 双单稳态组合的可实现短时闭合的永磁操动机构及方法 - Google Patents

双单稳态组合的可实现短时闭合的永磁操动机构及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双单稳态组合的可实现短时闭合的永磁操动机构及方法，包括非导磁外壳(18)，设置在该非导磁外壳(18)内部的单稳态永磁机构(19)、非导磁材料垫块(9)、附属机构(20)，以及贯穿于非导磁外壳(18)并与其滑动连接的导杆(1)，以及包裹在导杆(1)之外并与其滑动连接、与非导磁外壳刚性连接的弹簧支撑柱(17)。本发明增加附属机构(20)，并提供合闸、分闸、短时闭合三种命令模式。合闸、分闸操作采用传统方式，短时闭合操作采用新型方式，并设有附属机构(20)辅助此操作，大大缩短了合闸保持时间，又缩短了机构分闸动作时间，最终实现短时闭合的效果。

Description

双单稳态组合的可实现短时闭合的永磁操动机构及方法
技术领域
本发明涉及一种双单稳态组合的可实现短时闭合的永磁操动机构，属于中压真空断路器领域。
背景技术
真空断路器以其体积小、重量轻、适用于频繁操作、灭弧不用检修的优点，迅速占领了中压断路器市场，并进一步向高压领域发展。真空断路器所配操动机构通常有电磁式、弹簧式和永磁式三种。其中永磁式操动机构凭借其高可靠、低能耗、免维护，以及可实现同步操作等诸多优点，日益引起人们的关注。随着试探性重合闸操作的提出，一种用于合闸完成后即刻快速分闸，也即短时闭合情况下的操动机构需求很强烈，但是传统操动机构分闸速度慢，只有合闸、分闸两种操作命令没法满足要求，一种新型操动机构需要进一步研究。本发明在采用单稳态永磁操动机构的基础上，提出再加一级附属机构，以及一种短时闭合命令模式。在短时闭合操作的合闸阶段中即控制附属机构启动，使得单稳态永磁机构刚到达合闸位并保持需要的闭合时间后，附属机构动铁芯碰撞单稳态永磁机构动铁芯。提前控制附属机构启动，大大缩短了合闸保持时间t1，并且冲撞块与动铁芯的碰撞提高了短时闭合操作中分闸阶段初速度，又缩短了机构分闸动作时间t2，通过缩短两个阶段时间，最终实现短时闭合的效果。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于合闸完成后即刻快速分闸，也即短时闭合情况下的操动机构需求，本发明提供了一种双单稳态组合的可实现短时闭合的永磁操动机构，提供合闸、分闸、短时闭合三种命令模式，大大缩短了合闸保持时间t1，并且冲撞块与动铁芯的碰撞提高了短时闭合操作中分闸阶段初速度，又缩短了机构分闸动作时间t2，通过缩短两个阶段时间，最终实现短时闭合的效果。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种双单稳态组合的可实现短时闭合的永磁操动机构，包括弹簧支撑柱、非导磁外壳，设置在该非导磁外壳内部的单稳态永磁机构、非导磁材料垫块、附属机构，以及贯穿于非导磁外壳并与其滑动连接的导杆，其中所述非导磁材料垫块与非导磁外壳刚性连接，将非导磁外壳分成两个部分，由上到下依次为第一部分、第二部分，而所述单稳态永磁机构、附属机构通过非导磁材料垫块形成隔离。所述弹簧支撑柱的顶部与非导磁外壳刚性连接，且所述弹簧支撑柱包裹在导杆之外并与其滑动连接，其中：
所述单稳态永磁机构包括动铁芯、分闸弹簧、驱动用静铁芯、线圈、永磁体、保持用内侧静铁芯、保持用外侧静铁芯，所述分闸弹簧、驱动用静铁芯、线圈、永磁体、保持用内侧静铁芯、保持用外侧静铁芯设置于第二部分内，其中所述驱动用静铁芯、保持用内侧静铁芯、保持用外侧静铁芯与非导磁外壳刚性连接，所述保持用外侧静铁芯位于驱动用静铁芯的上方，所述永磁体置于所述保持用内侧静铁芯、保持用外侧静铁芯的中部，环绕于保持用内侧静铁芯的外侧，内嵌于保持用外侧静铁芯的内侧。所述线圈设置于所述永磁体的下部，内径小于永磁体内径，外径大于永磁体外径，内嵌于所述驱动用静铁芯上。
所述动铁芯嵌置于上述驱动用静铁芯、线圈以及非导磁外壳所围成的区域内，，且与驱动用静铁芯、线圈滑动连接。所述动铁芯为圆柱型，内部开有同心、高度不同圆柱型槽两个，由内到外分别为圆柱型槽一、圆柱型槽二，在圆柱型槽一的底部设置有环形圆孔一。所述分闸弹簧设置于弹簧支撑柱、动铁芯之间，上方与弹簧支撑柱的底部相固定，下方与动铁芯环形圆孔一相固定。操动机构处于合闸位时分闸弹簧保持第一压缩状态，操动机构处于分闸位时分闸弹簧保持原长状态或者第二压缩状态。
所述附属机构包括附属动铁芯、附属分闸弹簧、附属驱动用静铁芯、附属线圈、附属永磁体、附属保持用内侧静铁芯、附属保持用外侧静铁芯，所述附属分闸弹簧、附属驱动用静铁芯、附属线圈、附属永磁体、附属保持用内侧静铁芯、附属保持用外侧静铁芯设置于第一部分内，附属保持用外侧静铁芯位于附属驱动用静铁芯的上方，且所述附属驱动用静铁芯、附属保持用内侧静铁芯、附属保持用外侧静铁芯与非导磁外壳刚性连接。所述附属永磁体置于所述附属保持用内侧静铁芯、附属保持用外侧静铁芯的中部，环绕于附属保持用内侧静铁芯的外侧，内嵌于附属保持用外侧静铁芯的内侧。所述附属线圈设置于所述附属永磁体的下部，内径小于附属永磁体内径，外径大于附属永磁体外径，内嵌于所述附属驱动用静铁芯。所述附属动铁芯为中空圆柱型，顶部开有环形圆孔，所述附属动铁芯置于所述附属驱动用静铁芯、附属线圈、非导磁材料垫块、保持用内侧静铁芯所围成的区域内，套于导杆、弹簧支撑柱外侧，与导杆、弹簧支撑柱滑动连接，所述附属动铁芯下部分外径小于上部分外径。所述附属分闸弹簧设置于非导磁外壳、附属动铁芯之间，上方与非导磁外壳相固定，下方与附属动铁芯的顶部环形圆孔相固定，而所述附属动铁芯的底部位于圆柱型槽二的上方。所述附属机构处于起始位时附属分闸弹簧保持第三压缩状态，附属机构处于终止位时附属分闸弹簧保持原长状态或者第四压缩状态。
所述导杆与动铁芯刚性连接，其两端伸出非导磁外壳的中心孔并与其滑动连接。
一种采用双单稳态组合的可实现短时闭合的永磁操动机构的短时闭合方法：包含三个阶段，第一阶段为预备阶段，即机构的合闸过程，第二阶段为机构在合闸动作完成后的保持阶段，时间为t，第三阶段为机构的分闸阶段，时间为t。实际的短时闭合时间为t，t＝t+t。通过调整附属机构的启动时刻控制第二阶段时间t，通过调整附属机构的电流脉冲大小控制碰撞瞬间速度，进而控制第三阶段时间t，实现对短时闭合时间t的控制。通过缩短时间t、t，即可缩短时间t，达到短时闭合的效果。当单稳态永磁机构收到合闸信号时，线圈通入电流，产生磁动势，线圈产生的电磁场与永磁体产生的永磁磁场方向一致，所产生的磁场作用于动铁芯。随着电流增加，线圈产生的电磁力大于分闸弹簧在分闸位置的反力，动铁芯带动导杆向上运动。在单稳态永磁机构进行合闸操作的过程中，附属机构收到启动信号，向附属线圈通入某一方向脉冲电流，产生的电磁场与附属永磁体产生的永磁磁场方向相反，使得附属动铁芯受到的保持力迅速减小。随着电流增加，保持力迅速减小，附属分闸弹簧对附属动铁芯的作用力大于附属永磁体对附属动铁芯的保持力，此时附属分闸弹簧驱动附属动铁芯向下运动。控制好启动时间，使得动铁芯到达合闸位并且保持需要的控制第二阶段时间t，附属动铁芯与其碰撞。单稳态永磁机构获得一较大初速度，继续进行分闸操作。附属机构中的附属线圈通反向脉冲电流，产生的电磁场方向与附属永磁体的磁场方向一致，克服附属分闸弹簧阻力，驱动附属动铁芯向上运动，在附属永磁体的作用上保持在初始位置。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
本发明在采用单稳态永磁操动机构的基础上，提出再加一级附属机构，以及一种短时闭合命令模式。在短时闭合操作的合闸阶段中即控制附属机构启动，使得单稳态永磁机构刚到达合闸位并保持需要的闭合时间后，附属机构动铁芯碰撞单稳态永磁机构动铁芯。提前控制附属机构启动，大大缩短了合闸保持时间t1，并且冲撞块与动铁芯的碰撞提高了短时闭合操作中分闸阶段初速度，进而缩短了机构分闸动作时间t2，通过缩短两个阶段时间，最终实现短时闭合的效果。两级机构的结构相似，线圈、永磁体规格相近，方便加工，可互通互用。附属机构在合闸、分闸操作期间不工作，仅在短时闭合操作期间工作，将机构模块化，丰富了操动机构动作方式。附属线圈中电流脉冲的大小可控，可以实现短时闭合时间的在线调整。
附图说明
图1为本发明在合闸位置的结构示意图；
图2为本发明在分闸位置的结构示意图；
图3为本发明在碰撞位置的结构示意图；
图中：1导杆、2动铁芯、3驱动用静铁芯、4线圈、5分闸弹簧、6保持用内侧静铁芯、7永磁体、8保持用外侧静铁芯、9非导磁材料垫块、10附属动铁芯、11附属驱动用静铁芯、12附属线圈、13附属保持用内侧静铁芯、14附属保持用外侧静铁芯、15附属永磁体、16附属分闸弹簧、17弹簧支撑柱、18非导磁外壳、19单稳态永磁机构、20附属机构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种双单稳态组合的可实现短时闭合的永磁操动机构，如图1-3所示，包括弹簧支撑柱17、非导磁外壳18，设置在该非导磁外壳18内部的单稳态永磁机构19、非导磁材料垫块9、附属机构20，以及贯穿于非导磁外壳18并与其滑动连接的导杆1，其中所述非导磁材料垫块9与非导磁外壳18刚性连接，将非导磁外壳18分成两个部分，由上到下依次为第一部分、第二部分，而所述单稳态永磁机构19、附属机构20通过非导磁材料垫块9形成隔离。所述弹簧支撑柱17的顶部与非导磁外壳18刚性连接，且所述弹簧支撑柱17包裹在导杆1之外并与其滑动连接，其中：
所述单稳态永磁机构19包括动铁芯2、分闸弹簧5、驱动用静铁芯3、线圈4、永磁体7、保持用内侧静铁芯6、保持用外侧静铁芯8，所述分闸弹簧5、驱动用静铁芯3、线圈4、永磁体7、保持用内侧静铁芯6、保持用外侧静铁芯8设置于第二部分内，其中所述驱动用静铁芯3、保持用内侧静铁芯6、保持用外侧静铁芯8与非导磁外壳18刚性连接，所述保持用外侧静铁芯8位于驱动用静铁芯3的上方，所述永磁体7置于所述保持用内侧静铁芯6、保持用外侧静铁芯8的中部，环绕于保持用内侧静铁芯6的外侧，内嵌于保持用外侧静铁芯8的内侧。所述线圈4设置于所述永磁体7的下部，内径略小于永磁体7内径，外径略大于永磁体7外径，内嵌于所述驱动用静铁芯3上。
所述动铁芯2嵌置于上述驱动用静铁芯3、线圈4以及非导磁外壳18所围成的区域内，，且与驱动用静铁芯3、线圈4滑动连接。所述动铁芯2为圆柱型，内部开有同心、高度不同圆柱型槽两个，由内到外分别为圆柱型槽一、圆柱型槽二，在圆柱型槽一的底部设置有环形圆孔一。所述分闸弹簧5设置于弹簧支撑柱17、动铁芯2之间，上方与弹簧支撑柱17的底部相固定，下方与动铁芯2环形圆孔一相固定。操动机构处于合闸位时分闸弹簧5保持第一压缩状态，操动机构处于分闸位时分闸弹簧5保持原长状态或者第二压缩状态。
所述附属机构20包括附属动铁芯10、附属分闸弹簧16、附属驱动用静铁芯11、附属线圈12、附属永磁体15、附属保持用内侧静铁芯13、附属保持用外侧静铁芯14，所述附属分闸弹簧16、附属驱动用静铁芯11、附属线圈12、附属永磁体15、附属保持用内侧静铁芯13、附属保持用外侧静铁芯14设置于第一部分内，附属保持用外侧静铁芯14位于附属驱动用静铁芯11的上方，且所述附属驱动用静铁芯11、附属保持用内侧静铁芯13、附属保持用外侧静铁芯14与非导磁外壳18刚性连接。所述附属永磁体15置于所述附属保持用内侧静铁芯13、附属保持用外侧静铁芯14的中部，环绕于附属保持用内侧静铁芯13的外侧，内嵌于附属保持用外侧静铁芯14的内侧。所述附属线圈12设置于所述附属永磁体15的下部，内径略小于附属永磁体15内径，外径略大于附属永磁体15外径，内嵌于所述附属驱动用静铁芯11。所述附属动铁芯10为中空圆柱型，顶部开有环形圆孔，所述附属动铁芯10置于所述附属驱动用静铁芯11、附属线圈12、非导磁材料垫块9、保持用内侧静铁芯6所围成的区域内，套于导杆1、弹簧支撑柱17外侧，与导杆1、弹簧支撑柱17滑动连接，所述附属动铁芯10下部分外径小于上部分外径。所述附属分闸弹簧16设置于非导磁外壳18、附属动铁芯10之间，上方与非导磁外壳18相固定，下方与附属动铁芯10的顶部环形圆孔相固定，而所述附属动铁芯10的底部位于圆柱型槽二的上方。所述附属机构20处于起始位时附属分闸弹簧16保持第三压缩状态，附属机构20处于终止位时附属分闸弹簧16保持原长状态或者第四压缩状态。
所述导杆1两端伸出非导磁外壳18的中心孔并与其滑动连接，与上述弹簧支撑柱17滑动连接，与动铁芯2刚性连接。
一种双单稳态组合的可实现短时闭合的永磁操动机构的短时闭合方法，包含三个阶段，第一阶段为预备阶段，即机构的合闸过程，第二阶段为机构在合闸动作完成后的保持阶段，时间为t1，第三阶段为机构的分闸阶段，时间为t2。实际的短时闭合时间为t，t＝t1+t2。通过调整附属机构20的启动时刻控制第二阶段时间t1，通过调整附属机构20的电流脉冲大小控制碰撞瞬间速度，进而控制第三阶段时间t2，实现对短时闭合时间t的控制。通过缩短时间t1、t2，即可缩短时间t，达到短时闭合的效果。当单稳态永磁机构19收到合闸信号时，线圈4通入电流，产生磁动势，线圈4产生的电磁场与永磁体7产生的永磁磁场方向一致，所产生的磁场作用于动铁芯2。随着电流增加，线圈4产生的电磁力大于分闸弹簧5在分闸位置的反力，动铁芯2带动导杆1向上运动。在单稳态永磁机构19进行合闸操作的过程中，附属机构20收到启动信号，向附属线圈12通入某一方向脉冲电流，产生的电磁场与附属永磁体15产生的永磁磁场方向相反，使得附属动铁芯10受到的保持力迅速减小。随着电流增加，保持力迅速减小，附属分闸弹簧16对附属动铁芯10的作用力大于附属永磁体15对附属动铁芯10的保持力，此时附属分闸弹簧16驱动附属动铁芯10向下运动。控制好启动时间，使得动铁芯2到达合闸位并且保持需要的时间后(即控制第二阶段时间t1)，附属动铁芯10与其碰撞。单稳态永磁机构19获得一较大初速度，继续进行分闸操作。附属机构20中的附属线圈12通反向脉冲电流，产生的电磁场方向与附属永磁体15的磁场方向一致，克服附属分闸弹簧16阻力，驱动附属动铁芯10向上运动，在附属永磁体15的作用上保持在初始位置。其合、分闸方法与传统方法类似，此处不再赘述。
上述附属机构20的附属线圈12，其通入电流脉冲的大小可控，进而控制上述附属动铁芯10撞击上述动铁芯2的速度(即控制第三阶段时间t2)，最终控制单稳态永磁机构19的短时闭合操作中分闸阶段的时间t2，进而控制短时闭合操作时间t。
本发明通过增加附属机构20，并提供合闸、分闸、短时闭合三种命令模式。合闸、分闸操作采用传统方式，短时闭合操作采用新型方式，并设有附属机构20辅助此操作，大大缩短了合闸保持时间，又缩短了机构分闸动作时间，最终实现短时闭合的效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种双单稳态组合的可实现短时闭合的永磁操动机构，其特征在于：包括弹簧支撑柱(17)、非导磁外壳(18)，设置在该非导磁外壳(18)内部的单稳态永磁机构(19)、非导磁材料垫块(9)、附属机构(20)，以及贯穿于非导磁外壳(18)并与其滑动连接的导杆(1)，其中所述非导磁材料垫块(9)与非导磁外壳(18)刚性连接，将非导磁外壳(18)分成两个部分，由上到下依次为第一部分、第二部分，而所述单稳态永磁机构(19)、附属机构(20)通过非导磁材料垫块(9)形成隔离；所述弹簧支撑柱(17)的顶部与非导磁外壳(18)刚性连接，且所述弹簧支撑柱(17)包裹在导杆(1)之外并与其滑动连接，其中：
所述单稳态永磁机构(19)包括动铁芯(2)、分闸弹簧(5)、驱动用静铁芯(3)、线圈(4)、永磁体(7)、保持用内侧静铁芯(6)、保持用外侧静铁芯(8)，所述分闸弹簧(5)、驱动用静铁芯(3)、线圈(4)、永磁体(7)、保持用内侧静铁芯(6)、保持用外侧静铁芯(8)设置于第二部分内，其中所述驱动用静铁芯(3)、保持用内侧静铁芯(6)、保持用外侧静铁芯(8)与非导磁外壳(18)刚性连接，所述保持用外侧静铁芯(8)位于驱动用静铁芯(3)的上方，所述永磁体(7)置于所述保持用内侧静铁芯(6)、保持用外侧静铁芯(8)的中部，环绕于保持用内侧静铁芯(6)的外侧，内嵌于保持用外侧静铁芯(8)的内侧；所述线圈(4)设置于所述永磁体(7)的下部，内径小于永磁体(7)内径，外径大于永磁体(7)外径，内嵌于所述驱动用静铁芯(3)上；
所述动铁芯(2)嵌置于上述驱动用静铁芯(3)、线圈(4)以及非导磁外壳(18)所围成的区域内，，且与驱动用静铁芯(3)、线圈(4)滑动连接；所述动铁芯(2)为圆柱型，内部开有同心、高度不同圆柱型槽两个，由内到外分别为圆柱型槽一、圆柱型槽二，在圆柱型槽一的底部设置有环形圆孔一；所述分闸弹簧(5)设置于弹簧支撑柱(17)、动铁芯(2)之间，上方与弹簧支撑柱(17)的底部相固定，下方与动铁芯(2)环形圆孔一相固定；操动机构处于合闸位时分闸弹簧(5)保持第一压缩状态，操动机构处于分闸位时分闸弹簧(5)保持原长状态或者第二压缩状态；
所述附属机构(20)包括附属动铁芯(10)、附属分闸弹簧(16)、附属驱动用静铁芯(11)、附属线圈(12)、附属永磁体(15)、附属保持用内侧静铁芯(13)、附属保持用外侧静铁芯(14)，所述附属分闸弹簧(16)、附属驱动用静铁芯(11)、附属线圈(12)、附属永磁体(15)、附属保持用内侧静铁芯(13)、附属保持用外侧静铁芯(14)设置于第一部分内，附属保持用外侧静铁芯(14)位于附属驱动用静铁芯(11)的上方，且所述附属驱动用静铁芯(11)、附属保持用内侧静铁芯(13)、附属保持用外侧静铁芯(14)与非导磁外壳(18)刚性连接；所述附属永磁体(15)置于所述附属保持用内侧静铁芯(13)、附属保持用外侧静铁芯(14)的中部，环绕于附属保持用内侧静铁芯(13)的外侧，内嵌于附属保持用外侧静铁芯(14)的内侧；所述附属线圈(12)设置于所述附属永磁体(15)的下部，内径小于附属永磁体(15)内径，外径大于附属永磁体(15)外径，内嵌于所述附属驱动用静铁芯(11)；所述附属动铁芯(10)为中空圆柱型，顶部开有环形圆孔，所述附属动铁芯(10)置于所述附属驱动用静铁芯(11)、附属线圈(12)、非导磁材料垫块(9)、保持用内侧静铁芯(6)所围成的区域内，套于导杆(1)、弹簧支撑柱(17)外侧，与导杆(1)、弹簧支撑柱(17)滑动连接，所述附属动铁芯(10)下部分外径小于上部分外径；所述附属分闸弹簧(16)设置于非导磁外壳(18)、附属动铁芯(10)之间，上方与非导磁外壳(18)相固定，下方与附属动铁芯(10)的顶部环形圆孔相固定，而所述附属动铁芯(10)的底部位于圆柱型槽二的上方；所述附属机构(20)处于起始位时附属分闸弹簧(16)保持第三压缩状态，附属机构(20)处于终止位时附属分闸弹簧(16)保持原长状态或者第四压缩状态；
所述导杆(1)与动铁芯(2)刚性连接，其两端伸出非导磁外壳(18)的中心孔并与其滑动连接。
2.一种采用权利要求1所述双单稳态组合的可实现短时闭合的永磁操动机构的短时闭合方法，其特征在于：包含三个阶段，第一阶段为预备阶段，即机构的合闸过程，第二阶段为机构在合闸动作完成后的保持阶段，时间为t1，第三阶段为机构的分闸阶段，时间为t2；实际的短时闭合时间为t，t＝t1+t2；通过调整附属机构(20)的启动时刻控制第二阶段时间t1，通过调整附属机构(20)的电流脉冲大小控制碰撞瞬间速度，进而控制第三阶段时间t2，实现对短时闭合时间t的控制；通过缩短时间t1、t2，即可缩短时间t，达到短时闭合的效果；当单稳态永磁机构(19)收到合闸信号时，线圈(4)通入电流，产生磁动势，线圈(4)产生的电磁场与永磁体(7)产生的永磁磁场方向一致，所产生的磁场作用于动铁芯(2)；随着电流增加，线圈(4)产生的电磁力大于分闸弹簧(5)在分闸位置的反力，动铁芯(2)带动导杆(1)向上运动；在单稳态永磁机构(19)进行合闸操作的过程中，附属机构(20)收到启动信号，向附属线圈(12)通入某一方向脉冲电流，产生的电磁场与附属永磁体(15)产生的永磁磁场方向相反，使得附属动铁芯(10)受到的保持力迅速减小；随着电流增加，保持力迅速减小，附属分闸弹簧(16)对附属动铁芯(10)的作用力大于附属永磁体(15)对附属动铁芯(10)的保持力，此时附属分闸弹簧(16)驱动附属动铁芯(10)向下运动；控制好启动时间，使得动铁芯(2)到达合闸位并且保持需要的控制第二阶段时间t1，附属动铁芯(10)与其碰撞；单稳态永磁机构(19)获得一较大初速度，继续进行分闸操作；附属机构(20)中的附属线圈(12)通反向脉冲电流，产生的电磁场方向与附属永磁体(15)的磁场方向一致，克服附属分闸弹簧(16)阻力，驱动附属动铁芯(10)向上运动，在附属永磁体(15)的作用上保持在初始位置。
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