CN110828226A - 电磁斥力装置及快速开关 - Google Patents

Abstract

本申请提供电磁斥力装置及快速开关。所述电磁斥力装置包括分闸线圈、合闸线圈、涡流盘、电流脉冲发生单元，所述分闸线圈配置有第一磁性外壳；所述合闸线圈配置有第二磁性外壳；所述涡流盘设置在所述分闸线圈与所述合闸线圈之间；所述电流脉冲发生单元用于产生脉冲电流，给所述分闸线圈或所述合闸线圈通电，使所述涡流盘表面产生涡电流，产生斥力驱动所述涡流盘运动。

Description

电磁斥力装置及快速开关

技术领域

本申请涉及中压或高压快速开关技术领域，具体涉及电磁斥力装置及快速开关。

背景技术

随着柔性直流输电设备的广泛应用，能快速切断直流系统故障电流的直流断路器成为近年的研究热点。在当前，适用于高压直流电网的断路器解决方案主要为机械式和混合式两种拓扑形式。

无论何种拓扑结构的直流断路器，均要求机械开关能在数ms的时间内完成动作，并保证可靠的绝缘能力。具有百微秒级响应速度的电磁斥力装置，及采用这种操作机构的快速机械开关受到广泛关注，其基本原理是：当通有电流脉冲的线圈附件存在导体时，根据反映磁通变化的楞次定律，导体内将产生相反方向的电流以抵消线圈所产生的磁通变化，也称为涡流，这将在线圈和导体之间产生排斥力，如果线圈处于固定状态，金属导体将获得快速远离线圈的运动能力，特别重要的是，其响应时间通常在百微秒级，远高于常规液压、弹簧操作机构如的毫秒级响应速度。

随着快速机械开关及断路器的工程应用，如何提高电磁斥力装置的效率将决定所开发的产品在体积、成本是否具有优势。在现有电磁斥力装置的特性研究中，人们主要把注意力集中在快速斥力功能的发挥，即，如何提高斥力机构的速度，并不特别关注电能转化为动能的效率问题。

发明内容

本申请实施例提供一种电磁斥力装置，包括分闸线圈、合闸线圈、电流脉冲发生单元、涡流盘，所述分闸线圈配置有第一磁性外壳；所述合闸线圈配置有第二磁性外壳；所述涡流盘设置在所述分闸线圈与所述合闸线圈之间；所述电流脉冲发生单元，用于产生脉冲电流，给所述分闸线圈或所述合闸线圈通电，使所述涡流盘表面产生涡电流，产生斥力驱动所述涡流盘运动。

根据一些实施例，所述电流脉冲发生单元包括第一电流脉冲发生单元和第二电流脉冲发生单元，所述第一电流脉冲发生单元用于产生脉冲电流，给所述分闸线圈通电，使涡流盘表面产生涡电流，产生斥力驱动所述涡流盘做分闸运动；所述第二电流脉冲发生单元用于产生脉冲电流，给所述合闸线圈通电，使涡流盘表面产生涡电流，产生斥力驱动所述涡流盘做合闸运动。

根据一些实施例，所述第一磁性外壳和所述第二磁性外壳的导磁材料的相对磁导率高于500。

根据一些实施例，所述第一磁性外壳和所述第二磁性外壳的导磁材料包括硅钢、电工铁、工业纯铁的至少一种。

根据一些实施例，所述第一磁性外壳和所述第二磁性外壳包括带有环形槽的单一实体或拼接体，所述环形槽用于放置所述分闸线圈或所述合闸线圈。

根据一些实施例，所述涡流盘处于分闸位置或合闸位置时，所述第一磁性外壳或所述第二磁性外壳的表面高于所述涡流盘对应的涡流工作表面。

根据一些实施例，所述分闸线圈与第一磁性外壳绝缘，所述合闸线圈与所述第二磁性外壳绝缘，所述绝缘耐受水平与所述电流脉冲发生单元的电压等级相匹配。

根据一些实施例，所述涡流盘的材质包括单一材质的相对磁导率为1的非导磁良导体。

根据一些实施例，所述涡流盘的上表面和下表面平行，且所述上表面和所述下表面垂直于所述涡流盘运动方向的轴线。

根据一些实施例，所述涡流盘包括至少一个减重孔。

根据一些实施例，所述电磁斥力装置还包括第一支撑板和第二支撑板，所述第一支撑板用于设置分闸线圈；所述第二支撑板用于设置合闸线圈。

根据一些实施例，所述分闸线圈、所述合闸线圈、所述涡流盘、所述第一支撑板、所述第二支撑板均为同轴的回转体，所述回转体的轴线与所述涡流盘的运动方向一致。

根据一些实施例，所述电磁斥力装置还包括拉杆，所述拉杆与所述涡流盘固定连接。

根据一些实施例，所述电磁斥力装置还包括弹簧机构，所述弹簧机构的一端固定连接所述拉杆，另一端固定在所述第一支撑板和/或所述第二支撑板上，所述弹簧机构保持所述涡流盘位于分闸位置或合闸位置。

根据一些实施例，所述弹簧机构包括双稳态弹簧机构，所述双稳态弹簧机构包括至少两组弹簧，呈圆周对称形式固定在所述拉杆和所述第一支撑板和/或所述第二支撑板上。

本申请实施例还提供一种快速开关，包括如上所述的电磁斥力装置、电流传导杆、动触头和静触头，所述电流传导杆与所述拉杆固定连接；所述动触头与所述电流传导杆固定连接；其中，所述涡流盘带动所述动触头运动，以带动所述动触头与静触头进行分闸或合闸操作。

根据一些实施例，所述快速开关还包括绝缘套管，所述绝缘套管包裹在所述静触头和所述动触头之外。

根据一些实施例，所述涡流盘通过端面法兰加螺栓紧固的方式与所述拉杆固定连接。

本申请实施例提供的技术方案，用于固定线圈的外壳采用磁性材料制成，涡流原理表明，线圈产生的变化的磁通将在涡流盘内形成涡电流。在线圈获得相同驱动电流的情况下，磁场聚集有助于增大涡流盘内的电流。这有利于使线圈产生的磁力线更多地聚集在由线圈和涡流盘组成的驱动机构周围，从而提高涡流效应产生的电流幅值，进而提高电磁斥力装置的驱动效率，从而在相同条件下，降低脉冲电流回路的电容器容值，减小体积和成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施例提供的电磁斥力装置的结构示意图之一；

图2是本申请一实施例提供的电磁斥力装置的结构示意图之二；

图3是本申请一实施例提供的电磁斥力装置的结构示意图之三；

图4是本申请一实施例提供的涡流盘、线圈外壳及线圈盘的构造示意图；

图5是本申请一实施例提供的单一材质涡流盘、拉杆连接的结构示意图；

图6是本申请一实施例提供的一种快速开关的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图和实施例，对本申请技术方案的具体实施方式进行更加详细、清楚的说明。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本申请的限制。其只是包含了本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，本领域技术人员对于本申请的各种变化获得的其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。

图1是本申请一实施例提供的电磁斥力装置的结构示意图之一。

如图1所示，电磁斥力装置包括分闸线圈4、合闸线圈5、电流脉冲发生单元6、涡流盘3。

分闸线圈4配置有第一磁性外壳1。合闸线圈5配置有第二磁性外壳2。涡流盘3设置在分闸线圈4和合闸线圈5之间。电流脉冲发生单元6用于产生脉冲电流，给分闸线圈4或合闸线圈5通电，使涡流盘3表面产生涡电流，产生斥力驱动涡流盘3运动。

如图1所示，当涡流盘3处于合闸位置时，电流脉冲发生单元6对分闸线圈4放电，从而在与其临近的涡流盘3表面产生相反方向的涡电流。涡流盘向下做分闸直线运动，到达分闸位置。

当涡流盘3处于分闸位置时，电流脉冲发生单元6对合闸线圈5放电，从而在与其临近的涡流盘3表面产生相反方向的涡电流。涡流盘向上做合闸直线运动，实现合闸，到达合闸位置。

本实施例提供的技术方案，用于固定线圈的外壳采用磁性材料制成，涡流原理表明，线圈产生的变化的磁通将在涡流盘内形成涡电流。在线圈获得相同驱动电流的情况下，磁场聚集有助于增大涡流盘内的电流。这有利于使线圈产生的磁力线更多地聚集在由线圈和涡流盘组成的驱动机构周围，从而提高涡流效应产生的电流幅值，进而提高电磁斥力装置的驱动效率，从而在相同条件下，降低脉冲电流回路的电容器容值，减小体积和成本。

图2是本申请一实施例提供的电磁斥力装置的结构示意图之二。

作为上述实施例的一种可选择的方案，电流脉冲发生单元包括第一电流脉冲发生单元61和第二电流脉冲发生单元62。

第一电流脉冲发生单元61用于产生脉冲电流，给分闸线圈4通电，使涡流盘3表面产生涡电流，产生斥力驱动涡流盘3做分闸运动；第二电流脉冲发生单元62用于产生脉冲电流，给合闸线圈5通电，使涡流盘3表面产生涡电流，产生斥力驱动涡流盘3做合闸运动。

电流脉冲发生单元合并设置，有利于分闸线圈4和合闸线圈5的统筹控制。电流脉冲发生单元分开设置，有利于提高分闸和合闸控制的直接性、快速性。

图3是本申请一实施例提供的电磁斥力装置的结构示意图之三。

如图3所示，电磁斥力装置100包括分闸线圈4、合闸线圈5、电流脉冲发生单元6、涡流盘3、拉杆7、第一支撑板10、第二支撑板11、弹簧机构9。

第一支撑板10用于设置分闸线圈4。第二支撑板11用于设置合闸线圈5。分闸线圈4配置有第一磁性外壳1。合闸线圈5配置有第二磁性外壳2。涡流盘3设置在分闸线圈4和合闸线圈5之间。电流脉冲发生单元6用于产生脉冲电流，给分闸线圈4或合闸线圈5通电，使涡流盘3表面产生涡电流，产生斥力驱动涡流盘3运动。拉杆7与涡流盘3固定连接。弹簧机构9的一端固定连接拉杆7，另一端固定在第一支撑板10和/或所述第二支撑板11上，弹簧机构9保持涡流盘3位于分闸位置或合闸位置。

弹簧机构的设置，有利于涡流盘位置的准确设置。

可选地，弹簧机构9包括双稳态弹簧机构。双稳态弹簧机构包括至少两组弹簧，呈圆周对称形式固定在拉杆7和第一支撑板10和/或第二支撑板11上。

拉杆7和斥力机构涡流盘3均通过直接相连的方式，实现沿绝缘套管轴线方向的直线往复运动。如图4所示，图4是本申请一实施例提供的涡流盘、线圈外壳及线圈盘的构造示意图。这种连接包含但不限于螺纹连接、法兰连接等形式。可以确保电磁斥力装置的动作直接传递到拉杆7，使其完成直线运动，进而实现高速分合闸操作。

多组弹簧的设置，使得推力方向汇集在拉杆7的轴线上，有利于减小各推力弹簧的不均衡性，进而减小分合闸操作过程中的运动阻尼，提高驱动效率。

作为上述实施例的一种可选择的方案，电磁斥力装置中分闸线圈4和合闸线圈5的第一磁性外壳1和第二磁性外壳2的导磁材料的相对磁导率高于500。磁性外壳的导磁材料包括硅钢、电工铁、工业纯铁的至少一种，应满足机械强度的要求。

固定分闸线圈和合闸线圈的外壳采用具有高磁导率的材料制成。涡流原理表明，线圈产生的变化的磁通将在涡流盘内形成涡电流；在线圈获得相同驱动电流的情况下，磁场聚集有助于增大涡流盘内的电流。从而提高涡流效应产生的电流幅值，进而提高电磁斥力装置的驱动效率。

作为上述实施例的一种可选择的方案，电磁斥力装置中分闸线圈4和合闸线圈5的第一磁性外壳1和第二磁性外壳2包括带有环形槽的单一实体或拼接体，环形槽用于放置分闸线圈4或合闸线圈5。

具体而言，线圈外壳可以包括U型的环槽，内部放置线圈，使磁力线进一步聚集。

作为上述实施例的一种可选择的方案，电磁斥力装置中涡流盘3处于分闸位置或合闸位置时，分闸线圈4或合闸线圈5的外壳的表面高于涡流盘3对应的涡流工作表面。

具体而言，在线圈盘的外径处，线圈外壳的上表面高过涡流盘的下表面，适当增加线圈外壳底面、侧壁的厚度，使得这一气隙处的磁力线更加集中，从而提高涡流效应产生的电流幅值，进而提高电磁斥力装置的驱动效率。

作为上述实施例的一种可选择的方案，分闸线圈或合闸线圈与磁性外壳绝缘，绝缘耐受水平与电流脉冲发生单元的电压等级相匹配。

线圈以绝缘方式固定于线圈外壳中，一个实施例是用环氧树脂材料将线圈浇注固定在线圈外壳的环槽内，进一步地，该绝缘材料可以是硅橡胶、聚氨酯等绝缘材料，同时线圈匝间及线圈对外壳所承受的电压应和电流脉冲发生单元的电压等级一致。

图5是本申请一实施例提供的单一材质涡流盘、拉杆连接的结构示意图。

作为上述实施例的一种可选择的方案，涡流盘3的材质包括单一材质的相对磁导率为1的非导磁良导体。涡流盘3的上表面和下表面平行，且上表面和下表面垂直于涡流盘3运动方向的轴线。

涡流盘为单一材质的非导磁良导体，其厚度应和电流脉冲的频率、电磁斥力峰值所需要的机械强度一致。在满足分闸速度的情况下，尽可能选择较小的厚度、较高的导电率。单一材料的涡流盘在导电率和力学性之间的平衡方面具有优势，一种实施例是导电率≥40％IACS％、屈服强度≥400Mpa。

涡流盘的上下表面互相平行，且与线圈表面平行，各表面垂直于斥力机构的往复运动方向的轴线。

涡流盘3通过端面法兰加螺栓紧固的连接方式与拉杆7固定在一起，且其包含至少一个减重孔，拉杆7包含至少一个减重孔；有利于减少被电磁斥力机构驱动的运动部件的总质量，有利地提高驱动效率。

图6是本申请一实施例提供的一种快速开关的结构示意图。

快速开关包括电磁斥力装置100、电流传导杆8、绝缘套管200、动触头300、静触头400。

电流传导杆8与拉杆7以及动触头300固定连接，在电流传导杆8的下部设置了电流导出装置，以传导动触头的电流。电磁斥力装置100的涡流盘3通过拉杆7带动动触头300运动，以带动动触头300与静触头400进行分闸或合闸操作。绝缘套管200包裹在静触头400和动触头300和部分电流传导杆8之外。

在电流传导杆8外部设置有绝缘套管200。绝缘套管200内部形成两部分空间。上部区域布置有绝缘断口，绝缘断口可以是真空灭弧室、SF6灭弧室等任意能独立承担绝缘能力的断口型式。拉杆7通过断口运动。绝缘套管200的下部分空间包含电磁斥力转置100。它们和拉杆7共同完成沿轴向的直动式运动功能。

拉杆7和斥力机构涡流盘3均通过直接相连的方式，实现沿绝缘套管轴线方向的直线往复运动。如图4所示，图4是本申请一实施例提供的涡流盘、线圈外壳及线圈盘的构造示意图。这种连接包含但不限于螺纹连接、法兰连接等形式。可以确保电磁斥力装置的动作直接传递到拉杆7，使其完成直线运动，进而实现高速分合闸操作。

如图6所示，当快速开关的动触头300和静触头400合闸时，涡流盘3位于合闸位置，电流脉冲发生单元6对分闸线圈4放电，从而在与其临近的涡流盘3表面产生相反方向的涡电流。涡流盘向下做分闸直线运动，带动与其固定在一起的拉杆7，电流传导杆8与拉杆7以及动触头300固定连接。最终带动与拉杆固定的电流传导杆8和动触头300，实现分闸。

当快速开关的动触头300和静触头400处于分闸位置时，涡流盘3位于分闸位置，电流脉冲发生单元6对合闸线圈5放电，从而在与其临近的涡流盘3表面产生相反方向的涡电流。涡流盘向上做合闸直线运动，带动与其固定在一起的拉杆7，最终带动与拉杆固定的电流传导杆8和动触头300，实现合闸。

本实施例提供的技术方案，用于固定线圈的外壳采用磁性材料制成，涡流原理表明，线圈产生的变化的磁通将在涡流盘内形成涡电流。在线圈获得相同驱动电流的情况下，磁场聚集有助于增大涡流盘内的电流。这有利于使线圈产生的磁力线更多地聚集在由线圈和涡流盘组成的驱动机构周围，从而提高涡流效应产生的电流幅值，进而提高电磁斥力装置的驱动效率，从而在相同条件下，降低脉冲电流回路的电容器容值，减小体积和成本。

需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本申请而非限制本申请的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本申请的精神和范围的前提下对本申请进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本申请的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。

Claims (18)

1.一种电磁斥力装置，包括：

分闸线圈，配置有第一磁性外壳；

合闸线圈，配置有第二磁性外壳；

涡流盘，设置在所述分闸线圈与所述合闸线圈之间；

电流脉冲发生单元，用于产生脉冲电流，给所述分闸线圈或所述合闸线圈通电，使所述涡流盘表面产生涡电流，产生斥力驱动所述涡流盘运动。

2.根据权利要求1所述的电磁斥力装置，其中，所述电流脉冲发生单元包括：

第一电流脉冲发生单元，用于产生脉冲电流，给所述分闸线圈通电，使涡流盘表面产生涡电流，产生斥力驱动所述涡流盘做分闸运动；

第二电流脉冲发生单元，用于产生脉冲电流，给所述合闸线圈通电，使涡流盘表面产生涡电流，产生斥力驱动所述涡流盘做合闸运动。

3.根据权利要求1所述的电磁斥力装置，其中，所述第一磁性外壳和所述第二磁性外壳的导磁材料的相对磁导率高于500。

4.根据权利要求3所述的电磁斥力装置，其中，所述第一磁性外壳和所述第二磁性外壳的导磁材料包括硅钢、电工铁、工业纯铁的至少一种。

5.根据权利要求1所述的电磁斥力装置，其中，所述第一磁性外壳和所述第二磁性外壳包括带有环形槽的单一实体或拼接体，所述环形槽用于放置所述分闸线圈或所述合闸线圈。

6.根据权利要求1所述的电磁斥力装置，其中，所述涡流盘处于分闸位置或合闸位置时，所述第一磁性外壳或所述第二磁性外壳的表面高于所述涡流盘对应的涡流工作表面。

7.根据权利要求1所述的电磁斥力装置，其中，所述分闸线圈与第一磁性外壳绝缘，所述合闸线圈与所述第二磁性外壳绝缘，所述绝缘耐受水平与所述电流脉冲发生单元的电压等级相匹配。

8.根据权利要求1所述的电磁斥力装置，其中，所述涡流盘的材质包括单一材质的相对磁导率为1的非导磁良导体。

9.根据权利要求1所述的电磁斥力装置，其中，所述涡流盘的上表面和下表面平行，且所述上表面和所述下表面垂直于所述涡流盘运动方向的轴线。

10.根据权利要求1所述的电磁斥力装置，其中，所述涡流盘包括至少一个减重孔。

11.根据权利要求1至10之任一项所述的电磁斥力装置，还包括：

第一支撑板，用于设置分闸线圈；

第二支撑板，用于设置合闸线圈。

12.根据权利要求11所述的电磁斥力装置，其中，所述分闸线圈、所述合闸线圈、所述涡流盘、所述第一支撑板、所述第二支撑板均为同轴的回转体，所述回转体的轴线与所述涡流盘的运动方向一致。

13.根据权利要求11所述的电磁斥力装置，还包括：

拉杆，与所述涡流盘固定连接。

14.根据权利要求13所述的电磁斥力装置，还包括：

弹簧机构，一端固定连接所述拉杆，另一端固定在所述第一支撑板和/或所述第二支撑板上，所述弹簧机构保持所述涡流盘位于分闸位置或合闸位置。

15.根据权利要求14所述的电磁斥力装置，其中，所述弹簧机构包括双稳态弹簧机构，所述双稳态弹簧机构包括：

至少两组弹簧，呈圆周对称形式固定在所述拉杆和所述第一支撑板和/或所述第二支撑板上。

16.一种快速开关，包括：

如所述权利要求13至权利要求15任一项所述的电磁斥力装置；

电流传导杆，与所述拉杆固定连接；

动触头，与所述电流传导杆固定连接；

静触头；

其中，所述涡流盘带动所述动触头运动，以带动所述动触头与静触头进行分闸或合闸操作。

17.根据权利要求16所述的快速开关，还包括：

绝缘套管，包裹在所述静触头和所述动触头之外。

18.根据权利要求16所述的快速开关，其中，所述涡流盘通过端面法兰加螺栓紧固的方式与所述拉杆固定连接。

Images