CN110223892A - 一种轻量化紧凑型电磁斥力机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种轻量化紧凑型电磁斥力机构，属于快速机械开关操动机构领域，电磁斥力机构包括驱动装置、保持装置和缓冲装置；驱动装置包括分闸线圈、合闸线圈和斥力盘，用于提供操动机构分合闸动作时的驱动力，所述的保持装置包括弹簧、活塞、弹簧底座、外壳、连接板和螺栓，用于提供机构在分合闸位置处的保持力，通过连接板与斥力盘铰接。本发明提供的电磁斥力机构将保持装置、缓冲装置与驱动装置紧密结合，相比一般设计的电磁斥力机构，不仅减小了运动部件的总质量，同时在保证保持、缓冲性能的前提下，有效提高了电磁斥力机构的驱动效率和可维护性，降低了产品的体积及成本。
Description
技术领域
本发明属于快速机械开关操动机构领域，更具体地，涉及一种轻量化紧凑型电磁斥力机构。
背景技术
研制可以快速切断故障电流的断路器，是促进高压直流电网技术发展和应用的关键。根据拓扑原理的不同，直流断路器可分为机械式直流断路器、固态式直流断路器和混合式直流断路器三种。固态式直流断路器需要串并联大量的电力电子器件，带来很高的通流损耗，目前适用于高压直流电网的方案主要为机械式和混合式。
快速机械开关是两者中的关键部件，其动作速度直接决定了高压直流断路器的开断性能。目前在快速机械开关中普遍使用的操动机构是基于涡流斥力驱动原理的电磁斥力机构。
相比于传统的操动机构，电磁斥力机构具有响应时间短、刚分速度快、结构简单等优点。但现有电磁斥力机构中的保持装置一般采用永磁或碟簧机构，一旦设计成型则其出力特性不可调节；现有保持装置的设计要求驱动装置、保持装置和缓冲装置必须独立设置，并依次连接在传动杆上，使产品的占地面积和高度均大于传统机构，无法满足电气设备紧凑化的要求；现有机构的附加零部件过多，运动质量较大，造成电磁斥力机构分、合闸操动时的驱动效率很低。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的是提供一种轻量化紧凑型电磁斥力机构，旨在解决现有电磁斥力机构保持装置的分、合闸保持力不可调的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种轻量化紧凑型电磁斥力机构，包括驱动装置、缓冲装置和保持装置；驱动装置包括分闸线圈、合闸线圈和斥力盘；分闸线圈与合闸线圈相对设置，且斥力盘的上端穿过分闸线圈的通孔；缓冲装置与斥力盘相对设置，且缓冲装置上部穿过合闸线圈的通孔；保持装置与斥力盘连接，工作时，通过调整保持装置中弹簧的刚度、螺栓的旋进深度或连接板的长度实现保持力大小的调节。
本发明中由于设计了一种基于螺旋弹簧的保持装置，使得在机构的分闸位置和合闸位置弹簧均处于压缩状态，通过调整弹簧的刚度、螺栓的旋进深度或连接板的长度可以调整保持力大小。具体地，弹簧的刚度决定了弹簧在某给定压缩量下的出力大小，刚度越大，则保持装置在相同弹簧压缩量下的分、合闸保持力越大；螺栓的旋进深度决定了弹簧的压缩量，旋进深度越大，弹簧出力越大，则分、合闸保持力越大；连接板的长度决定了保持装置在分、合闸位置时连接板与水平方向之间的夹角大小，连接板越长则该夹角越小，保持装置出力越小。
更进一步地，电磁斥力机构包括两个保持装置，均与斥力盘连接，且关于斥力盘轴对称设置。由于将保持装置的连接板与斥力盘进行连接，使保持装置安装至驱动装置两侧，同时将缓冲装置穿过合闸线圈内部通孔并直接作用于斥力盘底部，从而大大降低了机构的轴向高度，有利于操动机构箱的小型化设计，使得整个机构的体积小且运动质量小。
更进一步地，保持装置包括：连接板、活塞、弹簧、弹簧底座、螺栓和外壳；外壳内为圆柱形空腔结构，活塞、弹簧、和弹簧底座均设置在圆柱形空腔中；弹簧设置在活塞和弹簧底座之间，连接板的一端与活塞连接，另一端与斥力盘连接。
更进一步地，外壳的内径与活塞、弹簧底座的外径间隙配合，且活塞与弹簧底座可在外壳的内部滑动。具体地，可以通过在外壳内部添加润滑油润滑，减小活塞运动时的摩擦力，避免卡塞，使电磁斥力机构的分合闸操作可以顺利进行。
更进一步地，在活塞上、斥力盘上以及连接板的两端均设置有通孔，连接板的一端通过通孔与活塞连接，另一端通过通孔与斥力盘连接。
更进一步地，连接板与活塞之间，以及连接板与斥力盘之间通过销钉或轴承铰链。其中采用销钉连接使得铰链连接的结构更简单；采用轴承连接使铰链连接的摩擦力更小，减小机构操动时对保持装置的磨损，同时降低机构操动时的出力大小，从而减低电源体积和成本。
更进一步地，外壳上设置有螺纹孔，且螺栓穿过外壳的螺纹孔与弹簧底座相接触。可以通过调整螺栓位置来调整弹簧的压缩量，进而调整机构的分合闸保持力大小。
更进一步地，斥力盘、连接板、活塞、弹簧底座、螺栓和外壳的材料均为超硬铝合金。相对于碳钢及其他合金钢材料，超硬铝合金的密度更小，结构强度更高，从而机构的运动部件质量更小，降低了电源体积和成本。
更进一步地，缓冲装置为液压缓冲、弹簧缓冲或聚氨酯材料缓冲。其中，当采用液压缓冲时，因液压缓冲对机构的冲击更小，可以提高机构的机械寿命。
更进一步地，分闸线圈、合闸线圈与斥力盘的外径大小相同。因斥力盘与线圈尺寸一致时两者之间产生的电磁斥力最大，此时电磁斥力机构的驱动效率取得最优值，故使斥力盘外径与分合闸线圈的外径大小一致。
本发明与现有技术相比，由于设计了一种新的保持装置结构，从而产生了如下技术效果：
(1)本发明中，基于螺旋弹簧的保持装置在机构的分闸位置和合闸位置弹簧均处于压缩状态，通过调整弹簧的刚度、螺栓的旋进深度或连接板的长度可以调整保持力大小。
(2)本发明将保持装置的连接板与斥力盘进行铰链连接，使保持装置安装至驱动装置两侧，同时将缓冲装置穿过合闸线圈内部通孔并直接作用于斥力盘底部，从而大大降低了机构的轴向高度，有利于操动机构箱的小型化设计。
(3)本发明省去了传动连杆、保持装置安装座等其他附加零部件的设计和装配，大大减轻了运动部件质量，使机构在分、合闸操作功明显减小，从而在相同的驱动要求下减小了电源容量，有效提升了机构的驱动效率，降低了产品的成本和体积。
附图说明
图1为本发明实施例提供的轻量化紧凑型电磁斥力机构示意图；
图2为本发明实施例提供的保持装置示意图。
各附图标记为：1-驱动装置，2-缓冲装置，3-保持装置，11-分闸线圈，12-合闸线圈，13-斥力盘，31-连接板，32-活塞，33-弹簧，34-弹簧底座，35-螺栓，36-外壳。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明将保持装置、缓冲装置与驱动装置紧密结合，兼具轻量化与紧凑化的优点；同时，基于螺旋弹簧的保持装置在机构的分闸位置和合闸位置弹簧均处于压缩状态，通过调整弹簧的刚度、螺栓的旋进深度或连接板的长度可以调整保持力大小。另外，本发明省去了传动连杆、保持装置安装座等其他附加零部件的设计和装配，大大减轻了运动部件质量，使机构在分、合闸操作功明显减小，从而在相同的驱动要求下减小了电源容量，有效提升了机构的驱动效率，降低了产品的成本和体积。
图1示出了本发明实施例提供的轻量化紧凑型电磁斥力机构示意图，图2示出了本发明实施例提供的保持装置示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
本发明提供的一种轻量化紧凑型电磁斥力机构包括：驱动装置1、缓冲装置2和保持装置3；在所述驱动装置1中设置有分闸线圈11、合闸线圈12和斥力盘13；所述分闸线圈11与所述合闸线圈12相对设置，且所述斥力盘13穿过所述分闸线圈11的通孔；
其中，所述缓冲装置2与所述斥力盘13相对设置，且所述缓冲装置2上部穿过所述合闸线圈12的通孔。由于操动机构对合闸动作的速度要求相对于分闸速度更低，因此合闸线圈的匝数可以少于分闸线圈，从而在设计时依据分闸缓冲的外径大小来设计合闸线圈的通孔大小。该设计使缓冲装置与驱动装置共用轴向空间，大大减小了操动机构的轴向高度，有利于产品的小型化。缓冲装置2可以为液压缓冲、弹簧缓冲或聚氨酯材料缓冲，作为进一步优选地，本实例中为液压缓冲，因液压缓冲对机构的冲击更小，可以提高机构的机械寿命，但其设计相对更复杂。
如图2所示，保持装置3包括：连接板31、活塞32、弹簧33、弹簧底座34、螺栓35和外壳36；其中，在连接板31的两端均设置有通孔，一端与斥力盘13铰链连接，另一端与活塞32铰链连接。连接板31的两端均设置有通孔，一端与斥力盘13铰链连接，另一端与活塞32铰链连接。外壳36内部有圆柱形空腔，活塞32、弹簧33、弹簧底座34均设置在外壳36的内部空腔中。弹簧33设置在活塞32和弹簧底座34之间。外壳36的内径与活塞32、弹簧底座34的外径间隙配合，活塞32与弹簧底座34可以在外壳36的内部滑动。外壳36的一面设置有螺纹孔，螺栓35穿过外壳36的螺纹孔与弹簧底座34相接触。
作为本发明的一个实施例，铰链连接可以通过销钉或轴承实现，其中采用销钉连接使得铰链连接的结构更简单；采用轴承连接使铰链连接的摩擦力更小，减小机构操动时对保持装置的磨损，同时降低机构操动时的出力大小，从而减低电源体积和成本。
其中，在外壳36上设置有螺纹孔，螺栓35穿过外壳36的螺纹孔与弹簧底座34相接触。在设计定型后，可以通过调整螺栓35位置来调整弹簧33的压缩量，进而调整机构的分合闸保持力大小。
作为本发明优选实例，外壳36的内径与活塞32、弹簧底座34的外径间隙配合，活塞32与弹簧底座34可以在外壳36的内部滑动，作为本发明的一个实施例，通过在外壳内部添加润滑油润滑，减小活塞运动时的摩擦力，避免卡塞，使电磁斥力机构的分合闸操作可以顺利进行。
在本发明实施例中，斥力盘13、连接板31、活塞32、弹簧底座34、螺栓35和外壳36的材料可以为超硬铝合金，相对于碳钢及其他合金钢材料，超硬铝合金的密度更小，结构强度更高，从而机构的运动部件质量更小，降低了电源体积和成本。
在本发明实施例中，分闸线圈11、合闸线圈12与斥力盘13的外径大小相同。因斥力盘13与线圈尺寸一致时两者之间产生的电磁斥力最大，此时电磁斥力机构的驱动效率取得最优值，故使斥力盘外径与分合闸线圈的外径大小一致。由仿真和试验结果可知，分、合闸线圈外径与斥力盘外径大小一致时，电磁斥力机构的驱动效率最高。
通过上述结构的优化，相比一般设计的电磁斥力机构，不仅减小了运动部件的总质量，同时在保证保持、缓冲性能的前提下，有效提高了电磁斥力机构的驱动效率和可维护性，降低了产品的体积及成本。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的轻量化紧凑型电磁斥力机构，现结合附图详述其工作过程如下：
在电磁斥力机构进行分闸操作时，外部电源向分闸线圈11放电，放电电流在空间中产生快速变化的磁场。由于电磁感应原理，磁场的轴向分量在斥力盘13中产生感应电动势，磁场的径向分量与斥力盘13中的感应涡流相作用产生电磁斥力，从而带动斥力盘13及机构的活动部件向机构的分闸方向运动。在运动过程中，保持装置3中的弹簧33一直处于压缩状态。当斥力盘13运动至分闸位时，斥力盘13的底端与缓冲装置2的上部撞击。最后斥力盘13在保持装置3提供的分闸保持力以及缓冲装置2提供的缓冲力作用下稳定在机构的分闸位置。
在电磁斥力机构进行合闸动作时，外部电源向合闸线圈12放电，放电电流在空间中产生快速变化的磁场。由于电磁感应原理，磁场的轴向分量在斥力盘13中产生感应电动势，磁场的径向分量与斥力盘13中的感应涡流相作用产生电磁斥力，从而带动斥力盘13及机构的活动部件向机构的合闸方向运动。在运动过程中，保持装置3中的弹簧33一直处于压缩状态。最后斥力盘13在保持装置3提供的合闸保持力作用下稳定在机构的合闸位置(即图1中的位置)。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种轻量化紧凑型电磁斥力机构，其特征在于，包括驱动装置(1)、缓冲装置(2)和保持装置(3)；
所述驱动装置(1)包括分闸线圈(11)、合闸线圈(12)和斥力盘(13)；所述分闸线圈(11)与所述合闸线圈(12)相对设置，且所述斥力盘(13)的上端穿过所述分闸线圈(11)的通孔；
所述缓冲装置(2)与所述斥力盘(13)相对设置，且所述缓冲装置(2)上部穿过所述合闸线圈(12)的通孔；
所述保持装置(3)与所述斥力盘(13)连接，工作时，通过调整所述保持装置(3)中弹簧的刚度、螺栓的旋进深度或连接板的长度实现保持力大小的调节。
2.如权利要求1所述的电磁斥力机构，其特征在于，所述电磁斥力机构包括两个保持装置(3)，均与所述斥力盘(13)连接，且关于所述斥力盘(13)轴对称设置。
3.如权利要求1所述的电磁斥力机构，其特征在于，所述保持装置(3)包括：连接板(31)、活塞(32)、弹簧(33)、弹簧底座(34)、螺栓(35)和外壳(36)；
所述外壳(36)内为圆柱形空腔结构，所述活塞(32)、所述弹簧(33)、和所述弹簧底座(34)均设置在所述圆柱形空腔中；
所述弹簧(33)设置在所述活塞(32)和所述弹簧底座(34)之间，
所述连接板(31)的一端与所述活塞(32)连接，另一端与所述斥力盘(13)连接。
4.如权利要求3所述的电磁斥力机构，其特征在于，所述外壳(36)的内径与所述活塞(32)、所述弹簧底座(34)的外径间隙配合，且所述活塞(32)与所述弹簧底座(34)可在所述外壳(36)的内部滑动。
5.如权利要求1-4任一项所述的电磁斥力机构，其特征在于，在所述活塞(32)上、所述斥力盘(13)上以及所述连接板(31)的两端均设置有通孔，所述连接板(31)的一端通过通孔与所述活塞(32)连接，另一端通过通孔与所述斥力盘(13)连接。
6.如权利要求5所述的电磁斥力机构，其特征在于，所述连接板(31)与所述活塞(32)之间，以及所述连接板(31)与所述斥力盘(13)之间通过销钉或轴承铰链。
7.如权利要求1-6任一项所述的电磁斥力机构，其特征在于，所述外壳(36)上设置有螺纹孔，且所述螺栓(35)穿过外壳(36)的螺纹孔与弹簧底座(34)相接触。
8.如权利要求1-7任一项所述的电磁斥力机构，其特征在于，所述斥力盘(13)、连接板(31)、活塞(32)、弹簧底座(34)、螺栓(35)和外壳(36)的材料均为超硬铝合金。
9.如权利要求1-8任一项所述的电磁斥力机构，其特征在于，所述缓冲装置(2)为液压缓冲、弹簧缓冲或聚氨酯材料缓冲。
10.如权利要求1-9任一项所述的电磁斥力机构，其特征在于，所述分闸线圈(11)、所述合闸线圈(12)与所述斥力盘(13)的外径大小相同。
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