CN113936934A - 一种旋转式双稳态永磁操动机构及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转式双稳态永磁操动机构，包括外部框架，所述外部框架上设有用以往复转动的树脂动铁心固定圆盘，所述树脂动铁心固定圆盘的两相对侧固连有旋转动铁心，每个旋转动铁心对应有固连在外部框架上的静铁心，所述静铁心上均设有永磁体，其中一侧静铁心上缠绕有合闸线圈，另一侧静铁心上缠绕有分闸线圈，所述树脂动铁心固定圆盘上固连有动触头，用以旋转通断外部框架上的静触头。该永磁操动机构在合闸与分闸状态下均可实现永磁保持，结构简单，对比电磁操动机构不需要持续通电即可保持在合闸状态，符合节能环保的发展方向。

Description

一种旋转式双稳态永磁操动机构及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种旋转式双稳态永磁操动机构及其工作方法，属于开关设备领域。

背景技术

操动机构是断路器、接触器等开关电器工作的核心部件，操动机构的输出动作特性直接影响着整个开关电器的分合闸能力与寿命。随着电力行业的快速发展，尤其是直流输电的蓬勃发展，开关电器对操动机构的分断能力及可靠性要求越来越高。传统操动机构有分合闸时间较长、结构复杂、保持耗能等缺点，难以满足故障下快速开断、低功耗可靠保持、灵活操控等要求。

永磁操动机构是一种由永磁保持、电磁驱动的操动机构，相比于纯电磁及弹簧操动机构，它采用了新的原理和思路，将电磁铁和永磁铁优势组合，具有结构简单、零部件少、可靠性高、动作速度快、保持耗能低等诸多优点，因此成为近年来的研究热点。双稳态永磁机构在工作过程中，通过电磁场与永磁场的配合能够产生分闸方向的磁力，加快分闸速度，提高分闸能力。但传统的直动式双稳态永磁机构由于分合闸线圈共用磁路，导致其在第三个不平衡稳态处存在工作“死区”，动铁心只有在越过死区位置后，方能尽量加大激磁电流来提高分闸速度，在此之前，如若盲目加大激磁电流，反而会引起动铁心速度的降低，甚至可能重吸合，制约着分闸速度的进一步提升。

另外，在中高压领域基于电磁斥力技术的操作机构相比于传统的电磁及永磁操动机构，其分闸速度明显提升，但存在驱动效率低、瞬态电流大、缓冲控制困难等缺陷，难以小型化及精确控制，制约着其在低压领域的应用。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种旋转式双稳态永磁操动机构及其工作方法，实现了零耗能保持与快速分断。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种旋转式双稳态永磁操动机构，包括外部框架，所述外部框架上设有用以往复转动的树脂动铁心固定圆盘，所述树脂动铁心固定圆盘的两相对侧固连有旋转动铁心，每个旋转动铁心对应有固连在外部框架上的静铁心，所述静铁心上均设有永磁体，其中一侧静铁心上缠绕有合闸线圈，另一侧静铁心上缠绕有分闸线圈，所述树脂动铁心固定圆盘上固连有动触头，用以旋转通断外部框架上的静触头。

优选的，所述外部框架由两片四角经第一螺杆、螺母固连为一体的绝缘板组成，所述树脂动铁心固定圆盘位于两绝缘板之间，所述树脂动铁心固定圆盘由两片四角经第二螺杆、螺母固连为一体的圆环板组成，所述绝缘板上均开设有与第二螺杆对应的圆弧形滑槽，第二螺杆的端部均嵌入对应的圆弧形滑槽中进行转动导向与限位，所述圆弧形滑槽与树脂动铁心固定圆盘的转动同轴心。

优选的，所述树脂动铁心固定圆盘由两片经第二螺杆、螺母固连为一体的圆环板组成，所述旋转动铁心均固连在两圆环板之间，并经第二螺杆穿过，所述旋转动铁心的形状均为类U形。

优选的，所述树脂动铁心固定圆盘上设有用以嵌设树脂动触头支架的插口，动触头位于树脂动触头支架上，所述树脂动铁心固定圆盘的外周部两相对位置均设有动触头。

优选的，所述静铁心均位于树脂动铁心固定圆盘的内圈内部，所述静铁心的形状均为类U形。

优选的，所述外部框架上设有用以嵌设树脂静触头支架的插口，静触头位于树脂静触头支架上，外部框架的两相对位置均设有静触头。

优选的，所述动铁心齿与静铁心定子的衔接面均为相同形状的斜弧极面结构。

一种旋转式双稳态永磁操动机构的工作方法，按以下步骤进行：

（1）合闸状态时，动、静触头闭合，在此状态下永磁体与右侧两瓣静铁心、右侧旋转动铁心形成低磁阻保持回路，而左侧旋转动铁心与静铁心间气隙较大，磁阻较大，产生的磁力很小，在永磁力的作用下，机构能够在合闸线圈不通电的情况下可靠保持在合闸位置，实现第一个稳态保持；

（2）在分闸操作过程中，分闸线圈通正向电流，同时合闸线圈适当通入反向电流，以抵消合闸永磁力，加快分断过程；动铁心受到电磁吸力产生的转矩T _c 与分闸侧永磁体吸力产生的转矩T _p1 作用而开始向分闸方向转动，此时合闸侧永磁体吸力为反力，产生的转矩为T _p2 ，但此反力可以通过使合闸线圈反向通电实现抵消永磁，进而降低反向作用力；合力矩T _sum 用以下公式计算：

当运动超过半程时，分闸侧等效气隙小于合闸侧气隙，分闸侧磁路磁阻小于合闸侧，分闸侧永磁体产生的转矩大于合闸侧永磁体产生的转矩，且由于分闸线圈产生的额外电磁力及合闸线圈的去磁作用，触头加速运动，以确保快速分断，提高操动机构的分断能力；

（3）当旋转动铁心中轴线运动到与分闸侧静铁心中轴线重合时，两对触头达到分断最大开距，由于圆弧形滑槽与动静铁心斜弧极面的共同限位作用，触头运动到该位置时即停止运动，此时分闸侧动静铁心间气隙接近为零，分闸侧永磁体产生的吸力远大于合闸侧永磁体的吸力，在分闸线圈断电后，机构仍能够可靠保持在分闸状态，实现第二个稳态保持。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、该永磁操动机构在合闸与分闸状态下均可实现永磁保持，结构简单，对比电磁操动机构不需要持续通电即可保持在合闸状态，符合节能环保的发展方向。

2、对比传统的直动式双稳态永磁操动机构，本发明设计的旋转式双稳态永磁操动机构从第一个稳态到第二个稳态的转换过程中，分合闸磁路相互独立，不存在磁路工作死区。

3、使用旋转动铁心来直接驱动触头运动，省略了传动机构，使整个操动机构的结构更为简化，质量减少，成本降低，且在空间上将纵向运动的行程转化为转动式的切向，有利于减少整个机构的体积，符合电器小型化的发展趋势。

4、在分合闸操作过程中，可以灵活控制合闸线圈及分闸线圈产生的总矢量电流，与永磁体配合，进而控制总合成矢量磁链甚至矢量磁力来直接控制动铁心的分合闸速度，实现更为灵活的动作特性控制，兼顾分断故障电流时的快速动作及分断正常电流时的高寿命，便于构建CPS电器。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明实施例的构造示意图。

图2为本发明实施例的局部构造示意图。

图3为图2的爆炸示意图。

图4为合闸状态时的机构示意图。

图5为合闸稳态时磁力线图。

图6为分闸过程示意图。

图7为分闸状态时的机构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1~7所示，本实施例提供了一种旋转式双稳态永磁操动机构，包括外部框架11，所述外部框架上设有用以往复转动的树脂动铁心固定圆盘1，所述树脂动铁心固定圆盘的两相对侧固连有旋转动铁心4，每个旋转动铁心对应有固连在外部框架上的静铁心7，所述静铁心上均设有永磁体8，其中一侧静铁心上缠绕有合闸线圈5，另一侧静铁心上缠绕有分闸线圈6，所述树脂动铁心固定圆盘上固连有动触头，用以旋转通断外部框架上的静触头。利用“磁阻最小原理”产生双向可控电磁力，控制操动机构完成分合闸操作，并实现在分合闸位置的永磁保持。该操作机构零部件数量少，利用永磁体实现双稳态保持，省去了弹簧机构，降低了传统操动机构的复杂程度。同时分合闸线圈不共用磁路，因此磁路不存在工作死区。在分合闸操作时，可以通过控制两个线圈的矢量电磁参量，使机构产生灵活可控的矢量合成磁力，进而灵活控制其分合闸动作特性。

在本发明实施例中，静铁心由四瓣硅钢片铁心和两片永磁体组成，与两个旋转动铁心共同组成独立的合闸磁路与分闸磁路。在每瓣静铁心定子上绕制线圈，其中相邻线圈串联，组成分闸线圈和合闸线圈，从而产生对永磁体为增磁或去磁效果的磁力线，达到控制动铁心加、减速运动的目的。旋转动铁心为两个弧形段结构，动静铁心的极面都设计为斜弧极结构，一方面是为了在分合闸位置处时，动静铁心能够尽量贴合，降低磁路磁阻，提高保持状态可靠性；另一方面可以起到分合闸限位作用，以简化结构设计。

在本发明实施例中，所述外部框架由两片四角经第一螺杆13、螺母固连为一体的绝缘板组成，所述树脂动铁心固定圆盘位于两绝缘板之间，所述树脂动铁心固定圆盘由两片四角经第二螺杆14、螺母固连为一体的圆环板组成，所述绝缘板上均开设有与第二螺杆对应的圆弧形滑槽12，第二螺杆的端部均嵌入对应的圆弧形滑槽中进行转动导向与限位，起到支撑动铁心周向转动并限位的作用。所述圆弧形滑槽与树脂动铁心固定圆盘的转动同轴心。

在本发明实施例中，所述树脂动铁心固定圆盘由两片经第二螺杆、螺母固连为一体的圆环板组成，所述旋转动铁心均固连在两圆环板之间，并经第二螺杆穿过，所述旋转动铁心的形状均为类U形。

在本发明实施例中，所述树脂动铁心固定圆盘上设有用以嵌设树脂动触头支架的插口15，动触头3位于树脂动触头支架2上，所述树脂动铁心固定圆盘的外周部两相对位置均设有动触头。构成旋转双断点触头机构。

在本发明实施例中，所述静铁心均位于树脂动铁心固定圆盘的内圈内部，所述静铁心的形状均为类U形。

在本发明实施例中，所述外部框架上设有用以嵌设树脂静触头支架的插口，静触头10位于树脂静触头支架9上，外部框架的两相对位置均设有静触头。构成旋转双断点触头机构。

在本发明实施例中，所述动铁心齿与静铁心定子的衔接面均为相同形状的斜弧极面结构16。

一种旋转式双稳态永磁操动机构的工作方法，按以下步骤进行：

（1）合闸状态时，如图4所示，动、静触头闭合，在此状态下永磁体与右侧两瓣静铁心、右侧旋转动铁心形成低磁阻保持回路，而左侧旋转动铁心与静铁心间气隙较大，磁阻较大，产生的磁力很小，在永磁力的作用下，机构能够在合闸线圈不通电的情况下可靠保持在合闸位置，实现第一个稳态保持，如图5所示；

（2）如图6为操动机构开始分闸操作时的动作示意图，在分闸操作过程中，分闸线圈通正向电流，同时合闸线圈适当通入反向电流，以抵消合闸永磁力，加快分断过程；动铁心受到电磁吸力产生的转矩T _c 与分闸侧永磁体吸力产生的转矩T _p1 作用而开始向分闸方向转动，此时合闸侧永磁体吸力为反力，产生的转矩为T _p2 ，但此反力可以通过使合闸线圈反向通电实现抵消永磁，进而降低反向作用力；合力矩T _sum 用以下公式计算：

当运动超过半程时，分闸侧等效气隙小于合闸侧气隙，分闸侧磁路磁阻小于合闸侧，分闸侧永磁体产生的转矩大于合闸侧永磁体产生的转矩，且由于分闸线圈产生的额外电磁力及合闸线圈的去磁作用，触头加速运动，以确保快速分断，提高操动机构的分断能力；

（3）如图7所示，当旋转动铁心中轴线运动到与分闸侧静铁心中轴线（图中虚线L）重合时，两对触头达到分断最大开距，由于圆弧形滑槽与动静铁心斜弧极面的共同限位作用，触头运动到该位置时即停止运动，此时分闸侧动静铁心间气隙接近为零，分闸侧永磁体产生的吸力远大于合闸侧永磁体的吸力，在分闸线圈断电后，机构仍能够可靠保持在分闸状态，实现第二个稳态保持。

机构合闸过程与上述分闸过程相似，不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种旋转式双稳态永磁操动机构，其特征在于：包括外部框架，所述外部框架上设有用以往复转动的树脂动铁心固定圆盘，所述树脂动铁心固定圆盘的两相对侧固连有旋转动铁心，每个旋转动铁心对应有固连在外部框架上的静铁心，所述静铁心上均设有永磁体，其中一侧静铁心上缠绕有合闸线圈，另一侧静铁心上缠绕有分闸线圈，所述树脂动铁心固定圆盘上固连有动触头，用以旋转通断外部框架上的静触头。

2.根据权利要求1所述的旋转式双稳态永磁操动机构，其特征在于：所述外部框架由两片四角经第一螺杆、螺母固连为一体的绝缘板组成，所述树脂动铁心固定圆盘位于两绝缘板之间，所述树脂动铁心固定圆盘由两片四角经第二螺杆、螺母固连为一体的圆环板组成，所述绝缘板上均开设有与第二螺杆对应的圆弧形滑槽，第二螺杆的端部均嵌入对应的圆弧形滑槽中进行转动导向与限位，所述圆弧形滑槽与树脂动铁心固定圆盘的转动同轴心。

3.根据权利要求1所述的旋转式双稳态永磁操动机构，其特征在于：所述树脂动铁心固定圆盘由两片经第二螺杆、螺母固连为一体的圆环板组成，所述旋转动铁心均固连在两圆环板之间，并经第二螺杆穿过，所述旋转动铁心的形状均为类U形。

4.根据权利要求1所述的旋转式双稳态永磁操动机构，其特征在于：所述树脂动铁心固定圆盘上设有用以嵌设树脂动触头支架的插口，动触头位于树脂动触头支架上，所述树脂动铁心固定圆盘的外周部两相对位置均设有动触头。

5.根据权利要求1所述的旋转式双稳态永磁操动机构，其特征在于：所述静铁心均位于树脂动铁心固定圆盘的内圈内部，所述静铁心的形状均为类U形。

6.根据权利要求1所述的旋转式双稳态永磁操动机构，其特征在于：所述外部框架上设有用以嵌设树脂静触头支架的插口，静触头位于树脂静触头支架上，外部框架的两相对位置均设有静触头。

7.根据权利要求1所述的旋转式双稳态永磁操动机构，其特征在于：所述动铁心齿与静铁心定子的衔接面均为相同形状的斜弧极面结构。

8.一种如权利要求1-7任一所述的旋转式双稳态永磁操动机构的工作方法，其特征在于，按以下步骤进行：

（1）合闸状态时，动、静触头闭合，在此状态下永磁体与右侧两瓣静铁心、右侧旋转动铁心形成低磁阻保持回路，而左侧旋转动铁心与静铁心间气隙较大，磁阻较大，产生的磁力很小，在永磁力的作用下，机构能够在合闸线圈不通电的情况下可靠保持在合闸位置，实现第一个稳态保持；

（2）在分闸操作过程中，分闸线圈通正向电流，同时合闸线圈适当通入反向电流，以抵消合闸永磁力，加快分断过程；动铁心受到电磁吸力产生的转矩T _c 与分闸侧永磁体吸力产生的转矩T _p1 作用而开始向分闸方向转动，此时合闸侧永磁体吸力为反力，产生的转矩为T _p2 ，但此反力可以通过使合闸线圈反向通电实现抵消永磁，进而降低反向作用力；合力矩T _sum 用以下公式计算：

当运动超过半程时，分闸侧等效气隙小于合闸侧气隙，分闸侧磁路磁阻小于合闸侧，分闸侧永磁体产生的转矩大于合闸侧永磁体产生的转矩，且由于分闸线圈产生的额外电磁力及合闸线圈的去磁作用，触头加速运动，以确保快速分断，提高操动机构的分断能力；

（3）当旋转动铁心中轴线运动到与分闸侧静铁心中轴线重合时，两对触头达到分断最大开距，由于圆弧形滑槽与动静铁心斜弧极面的共同限位作用，触头运动到该位置时即停止运动，此时分闸侧动静铁心间气隙接近为零，分闸侧永磁体产生的吸力远大于合闸侧永磁体的吸力，在分闸线圈断电后，机构仍能够可靠保持在分闸状态，实现第二个稳态保持。

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