CN110993428B - 一种低压真空接触器小型化电磁操动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低压真空接触器小型化电磁操动机构，尤其是适用于低压真空接触器和对体积有要求的工作场合。其特点是通过在传统的电磁操动机构的上部增加永磁辅助机构，能够在实现吸力特性与反力特性高度匹配的同时，大大减小了电磁操动机构的体积。该电磁操动机构的由静铁心、导杆衬套、磁套、动铁心衬套、动铁心、导杆、固定销、分闸弹簧、线圈骨架、线圈、永磁体、顶盖、磁轭构成。通过合理的设计永磁体的磁路，使得操动机构产生的力特性与真空灭弧室的自闭力与波纹管力特性随位移变化趋势一致，为接触器操动机构的小型化提供了一种新型且巧妙的方法。

Description

一种低压真空接触器小型化电磁操动机构

技术领域

本发明涉及一种电磁操动机构，具体来讲，是一种低压真空接触器小型化电磁操动机构，尤其适用于对体积有要求的低压真空接触器。

背景技术

接触器用以控制电路的频繁开断，对供电系统的运行可靠性至关重要。相比于空气接触器，真空接触器在真空介质中灭弧，具有开断容量大、重量轻、体积小、可靠性高、宜频繁操作等优点，在各种配电系统中已经得到了大量的应用。

为保证寿命，真空灭弧室的波纹管自由态常位于合闸位置，在分闸位置上波纹管被压缩，产生作用在动触头上的阻碍分闸的力。另外，动触头还由于真空灭弧室内外压差而受到恒定的阻碍分闸的自闭力。对于低压真空接触器而言，这两个力造成的阻碍分闸的效果十分恶劣。

目前市面上可见的真空接触器多采用分闸弹簧来达到分闸和分闸保持的目的。由于分闸弹簧所提供的分闸力的特性不能很好地贴合真空灭弧室的负载反力特性，因此所需要的分闸弹簧往往很大，真空接触器的反力特性很大。从而需要很大的线圈来压缩分闸弹簧使其储能并完成合闸和合闸保持，使得接触器结构笨重。

然而在一些应用场景中尤其是航空航天领域，对接触器的体积和重量提出了很高的要求，真空接触器小型化问题亟待解决。

发明内容

针对接触器对操动机构有小型化的要求下，本发明提出一种与低压真空接触器灭弧室的自闭力与波纹管力特性随位移变化趋势一致的永磁辅助分闸的小型化电磁操动机构。

本发明一种低压真空接触器小型化电磁操动机构，合闸状态下，通过电磁线圈产生的吸力实现合闸保持。分闸状态下，真空灭弧室动铁心上所受的自闭力和波纹管弹力阻碍分闸保持；由此依靠永磁体提供的吸力和分闸弹簧的弹力实现分闸状态的保持；具体结构包括静铁心、磁套、动铁心、导杆、分闸弹簧、线圈、永磁体、顶盖与磁轭。

所述静铁心与动铁心套于导杆上下部分，动铁心与导杆间通过固定销固定；静铁心与动铁心两者间设置有弹簧，两者外套有线圈，线圈外侧套有磁套。

磁套底端与静铁芯的底座固定，顶部开孔套于动铁心上部，通过动铁心外壁上的台肩限位。合闸时，动铁心下表面与静铁心上表面碰撞，实现合闸定位，分闸弹簧在分闸位置上处于预压缩状态。分闸过程中，弹簧释放能量帮助分闸，动铁心上台肩与磁套顶部配合，实现分闸定位。

所述分闸弹簧套于导杆上，位于动铁心与静铁心之间，动铁心上方由下至上依次设置有相互固定的磁轭、永磁体与顶盖；顶盖外围周向与磁套间固定。

上述动铁心上方依次安装有固定为一体的磁轭、永磁体与顶盖。其中，磁轭套于导杆上端；永磁体与顶盖上开有供导杆穿过的开孔。

磁轭、永磁体与上盖间通过形状匹配的铝制壳套套于三者之上，随后通过螺钉将壳套固定于顶盖端面，实现三者间固定。永磁体通过顶盖与磁轭产生的吸力与所述低压真空接触器灭弧室的自闭力与波纹管产生的反力特性变化趋势一致，使得整个电磁操动机构的特性与低压真空接触器配合良好。

本发明的优点在于：

1、本发明低压真空接触器小型化电磁操动机构，相比于传统方法中仅采用分闸弹簧作为返回装置的方法，采用永磁辅助机构辅助分闸，经过设计的永磁吸力特性可以匹配真空接触器灭弧室自闭力与波纹管的力特性，且随动铁心运动的位移力特性变化趋势一致，使得电磁机构提供的吸力大大减小。

2、本发明低压真空接触器小型化电磁操动机构，相比于直接采用永磁操动机构，永磁体充磁方向不同，且为一整体，加工与安装方便。

3、本发明低压真空接触器小型化电磁操动机构，相比于分离磁路式的操动机构，动铁心仅为一个整体部分，所有的电磁力直接作用在动铁心本体上，不存在需要多个动铁心通过传动机构连接的问题，减小了传动机构带来的能量转化效率低的问题，提高了能量的利用率。

4、本发明低压真空接触器小型化电磁操动机构，在降低了永磁体的加工和安装难度的同时，大大减小了操动机构的体积。解决了合闸电流大，吸、反力特性不匹配和空间利用率低等的问题。

附图说明

图1为本发明低压真空接触器小型化电磁操动机构分闸状态下剖面图；

图2为本发明低压真空接触器小型化电磁操动机构合闸动作过程中磁场方向示意图。

图中：

1-静铁心 2-导杆衬套 3-磁套

4-动铁心衬套 5-动铁心 6-导杆

7-固定销 8-分闸弹簧 9-线圈骨架

10-线圈 11-永磁体 12-顶盖

13-磁轭 14-限位套筒 15-壳套

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明低压真空接触器小型化电磁操动机构，如图1所示，包括静铁心1、导杆衬套2、磁套3、动铁心衬套4、动铁心5、导杆6、固定销7、分闸弹簧8、线圈骨架9、线圈10、永磁体11、顶盖12与磁轭13。

所述静铁心1与动铁心5由上至下同轴套于导杆6上。其中，静铁心选用电工纯铁等导磁性能优越的材料制成，为柱状结构，且具有扁平圆柱状底座。底座周向上等角度间隔设计有四个螺纹孔，用于将电磁操动机构固定于真空接触器外壳或骨架上。静铁心1中心开孔按照直径及作用不同分为三段开孔，分别为上段开孔，中段开孔与下段开孔；其中，中段开孔内径与导杆6间间隙配合；上段开孔与下段开孔内径均大于中段开孔内径；使上部开孔和下部开孔与导杆6间形成空隙，分别用来放置分闸弹簧8与导杆衬套2。

所述导杆衬套2为铍青铜材料制成的圆柱状零件，中间开孔，套于导杆6上，置于静铁心1的下部开孔内，使导杆衬套2外径与静铁心1的下部开孔内径紧配合，通过导杆衬套2实现对导杆6运动的径向定位以及润滑，使导杆6可沿自身轴向顺畅移动。

所述动铁心5采用电工纯铁等导磁性能优越的材料制成，为上部外径小于下部外径的凸台状柱体结构；下部外径与静铁心1外径相同，上部套由铍青铜材料制成的动铁心衬套4，动铁心衬套4下端周向上设计有向外延伸外延部分，与动铁心5上部和下部间形成的台肩贴合，且延伸部分外缘不超过动铁心5下部外壁。动铁心5中心开孔具有上部小内径段与下部大内径段；其中小内径段与导杆6间间隙配合；大内径段内壁与导杆6内部间形成空隙，用于放置分闸弹簧8。动铁心5和导杆6之间的同心定位，通过前述大内径段与小内径段间形成的台肩与导杆6周向上设计的台肩配合搭接实现。动铁心5中部沿动铁心5径向开有贯穿动铁心5侧壁的固定孔，在动铁心5定位后，通过固定销7穿过固定孔与导杆6固定，实现动铁心5和导杆6间的固定。固定销7为一细长圆柱体，作为优选，材料为0Cr17Ni4Cu4，长度比动铁心5上部外径略短。

所述磁套3为电工纯铁等导磁性能优越的材料制成，套接于动磁铁与静铁心1外侧，为筒状结构，顶部开孔，套于动铁心5上部套接的动铁心衬套4；且顶部开孔处还设计有限位套筒14，限位套筒14端部与动铁心衬套4的外延部分贴合，分闸时通过限位套筒14实现分闸限位；分闸时，动铁心5碰撞到动铁心衬套4的外延部分后，实现分闸定位，此时动铁心5下表面与静铁心1上表面之间的气隙为主工作气隙，主工作气隙距离为此电磁操动机构的开距；合闸时，动铁心5下表面与静铁心1上表面碰撞，实现合闸定位。

上述动铁心衬套4外径与筒状磁套3顶部开孔内径紧配合固定，通过动铁心衬套4实现对动铁心5运动的径向定位以及润滑，使动铁心5与导杆6一同沿轴向顺畅移动；且通过限位套筒14实现动铁心5的移动限位。磁套3下端为开口，开口处内壁设计有环形槽，环形槽深度与静铁心1的底座厚度相同，环形槽内径与静铁心1底座外径相同，实现了静铁心1与磁套3之间的定位。磁套3下端周向上与静铁心1的底座外缘间翻卯固定，为便于两者间的翻卯固定，可将静铁心1的底座下边沿处设计倒角，同时将磁套3下端外边沿处设计倒角。

所述分闸弹簧8套于导杆6上，位于动铁心5与静铁心1之间，分闸弹簧8上部设置于动铁心5的大内径段内，端部与导杆6上的台肩接触；下部设置于静铁心1的大内径段内，与大内径段和小内径段形成的环形台肩接触。分闸弹簧8在分闸位置上处于预压缩状态，在合闸过程中储能，在分闸过程中释放能量帮助分闸。

所述线圈骨架9套于动磁芯与静铁心1外侧，且位于磁套3内的环形腔体中。线圈骨架9的内圆柱面从上至下依次贴合于磁套3顶部限位套筒14外壁、动铁心衬套4外延部分外壁、动铁心5下部外壁、静铁心1外壁，上表面与磁套3顶部贴合，下表面与静铁心1的底座贴合。

所述合闸线圈10采用铜导线绕制而成，环绕在合闸线圈骨架9上，与合闸线圈骨架9一同放置于动铁心5与静铁心1间的环形腔体内。合闸线圈10的通电方向按照永磁体11在磁套3上表面产生的磁通与合闸线圈10在磁套3上表面产生的磁通同向的原则确定。合闸线圈10的两端出线穿过磁套3磁套3上端外缘相对位置开有两个出线孔外接控制电路。

所述动铁心5上方依次安装有磁轭13、永磁体11与顶盖12。其中，磁轭13为倒置的圆锥台结构，由电工纯铁等导磁性能优越的材料制成，套于导杆6上端，与导杆6外壁间间隙配合。磁轭13上端面与永磁体11贴合，上端面直径与永磁体11直径相同。下端面直径略大于与动铁心5上部端面直径，使磁通更为集中，使得磁路更为合理。

所述永磁体11为扁平形圆柱体，采用永磁材料制成，作为优选，可采用钕铁硼材料。永磁体11充磁后装配，用于提供帮助分闸的永磁吸力，直接作用在动铁心5上。

所述顶盖12周向外壁套于磁套3上段，通过螺钉穿过两者上开设的螺纹孔，实现顶盖12与磁套3间的固定。顶盖12中心开孔，内径与永磁体11开孔内径相同，略大于导杆6上端外径。导杆6穿过开孔，在孔内做上下运动。顶盖12端面内侧设计有圆形凸台，该凸台直径与永磁铁外径相等，便于永磁体11、永磁磁轭13与顶盖12之间的同轴装配。磁轭13、永磁体11与上盖间通过形状匹配的铝制壳套15套于三者之上，随后通过螺钉将壳套15固定于顶盖12端面，实现三者间固定。

分闸状态下，磁轭13下表面与动铁心5上表面之间的气隙在分闸状态下约为0.2mm-0.5mm；一是使得永磁体11提供的分闸保持力在足以提供维持分闸状态的吸力的同时，不会因为永磁吸力过大导致影响合闸动作时间。二是可以避免动铁心5在运动的过程中碰撞磁轭13，进而将冲击传递到永磁体11上，防止永磁体11因碰撞而碎裂。

上述永磁体11吸力特性需要匹配真空接触器灭弧室自闭力与波纹管的力特性，可根据具体的负载反力特性，改变永磁体11体积大小和厚度、磁轭13尺寸以及磁轭13与永磁体11之间的非工作气隙大小，通过磁路法或有限元法计算得到磁体11在不同条件下的产生的吸力，选取匹配真空接触器灭弧室自闭力与波纹管的力特性的条件，设计永磁体11、磁轭13的尺寸大小以及非工作气隙大小。

本发明电磁操动机构的工作状态由合闸线圈10控制：合闸线圈10通电，电磁操动机构吸合；合闸线圈10断电，电磁操动结构释放。具体工作原理如下：

分闸状态下，真空灭弧室动铁心5上所受的自闭力和波纹管弹力极大，这两个力阻碍分闸保持。此时，经过设计的永磁体11吸力特性可以匹配真空接触器灭弧室自闭力与波纹管的力特性，依靠永磁体11提供的吸力和分闸弹簧8的弹力实现分闸状态的保持。

吸合过程中，若永磁体11的充磁方向为顺时针方向，如图2所示，永磁体11上端面为N极，下端面为S极，则永磁体11在动铁心5中产生的磁场方向向上，而线圈10通电后产生的磁场方向向下，与永磁体11产生的磁场方向正好相反。所以随着线圈10电流上升，动铁心5靠近非工作气隙侧受到的向上的吸力迅速减小而靠近主工作气隙侧受到的吸力迅速增大。在吸力的作用下，动铁心5带动导杆6向下运动，压缩分闸弹簧8为其储能。

合闸状态下，主工作气隙很小，产生的很大的电磁吸力，而非工作气隙的长度很大，永磁体11产生的吸力很小。此时，主要通过电磁线圈10产生的吸力实现合闸保持。

分闸过程中，线圈10断电。在超行程阶段，永磁体11产生的帮助分闸的吸力较小，由分闸弹簧8提供足够的能量，使动铁心5和导杆6获得较大的分闸速度。在行程阶段，随着真空灭弧室动静触头间距的增大，动触头上受到的阻碍分闸的力迅速增大；同时，随着非工作气隙长度的减小，永磁体11产生的帮助分闸的吸力急剧增大，有针对性地克服了真空灭弧室自闭力和波纹管力，实现快速分闸。

Claims (9)

1.一种低压真空接触器小型化电磁操动机构，其特征在于：包括静铁心、磁套、动铁心、导杆、分闸弹簧、线圈、永磁体、顶盖与磁轭；

所述静铁心与动铁心套于导杆上下部分，动铁心与导杆间通过固定销固定；静铁心与动铁心两者间设置有弹簧，两者外套有线圈，线圈外侧套有磁套；

磁套底端与静铁芯的底座固定，顶部开孔套于动铁心上部，通过动铁心外壁上的台肩限位；合闸时，动铁心下表面与静铁心上表面碰撞，实现合闸定位，分闸弹簧在分闸位置上处于预压缩状态；分闸过程中，弹簧释放能量帮助分闸，动铁心上台肩与磁套顶部配合，实现分闸定位，此时动铁心下表面与静铁心上表面之间的气隙为主工作气隙；

所述分闸弹簧套于导杆上，位于动铁心与静铁心之间，动铁心上方由下至上依次设置有相互固定的磁轭、永磁体与顶盖；顶盖外围周向与磁套间固定；

上述动铁心上方依次安装有固定为一体的磁轭、永磁体与顶盖；其中，磁轭套于导杆上端；永磁体与顶盖上开有供导杆穿过的开孔；

磁轭、永磁体与上盖间通过形状匹配的铝制壳套套于三者之上，随后通过螺钉将壳套固定于顶盖端面，实现三者间固定；永磁体通过顶盖与磁轭产生的吸力与真空灭弧室的自闭力与波纹管产生的反力特性变化趋势一致，使得整个电磁操动机构的特性与低压真空接触器配合良好；

合闸状态下，通过电磁线圈产生的吸力实现合闸保持；分闸状态下，真空灭弧室动铁心上所受的自闭力和波纹管弹力阻碍分闸保持；依靠永磁体提供的吸力和分闸弹簧的弹力实现分闸状态的保持。

2.如权利要求1所述一种低压真空接触器小型化电磁操动机构，其特征在于：静铁芯底部开孔，孔内安装导杆衬套，套于导杆上，与静铁心的下部开孔内径紧配合；通过导杆衬套实现对导杆运动的径向定位以及润滑。

3.如权利要求1所述一种低压真空接触器小型化电磁操动机构，其特征在于：动铁心上部套有动铁心衬套，动铁心衬套与磁套顶部开孔紧配合，通过动铁心衬套实现对动铁心运动的径向定位以及润滑。

4.如权利要求1所述一种低压真空接触器小型化电磁操动机构，其特征在于：磁套底端与静铁心底座间翻卯固定。

5.如权利要求1所述一种低压真空接触器小型化电磁操动机构，其特征在于：所述永磁体为扁平形圆柱体，采用永磁材料制成；永磁体充磁后装配，用于提供帮助分闸的永磁吸力，直接作用在动铁心上。

6.如权利要求1所述一种低压真空接触器小型化电磁操动机构，其特征在于：所述磁轭下端面直径大于与动铁心上部端面直径。

7.如权利要求1所述一种低压真空接触器小型化电磁操动机构，其特征在于：顶盖端面内侧设计有圆形凸台，该凸台直径与永磁铁外径相等，便于永磁体、永磁磁轭与顶盖之间安装时的同轴装配。

8.如权利要求1所述一种低压真空接触器小型化电磁操动机构，其特征在于：磁轭下表面与动铁心上表面之间的气隙在分闸状态下为0.2mm-0.5mm。

9.如权利要求1所述一种低压真空接触器小型化电磁操动机构，其特征在于：永磁体充磁方向为沿轴向充磁；且充磁方向与线圈通电在动铁心5中产生的磁场方向相反。

Images