CN1213446C - 双稳态电磁致动器 - Google Patents

Abstract

一种双稳态电磁致动器，用于继电器、接触器、断路器、电磁阀、往复泵、摆动电机等领域。使用单向电流脉冲激励致动，永磁保持。省去了现有装置中复杂的正负供电或机械双稳系统。具有节能，结构简单，易微型化，抗振，不抖动等优点。由壳架，安装在壳架上的磁极相对并可在两个稳定点之间运动的电磁铁及永久磁铁组成，特征是，位于两稳定点处的电磁铁磁极总是同时激励产生，且与相对的永久磁铁磁极极性相同而相互排斥，未激励时，永久磁铁与电磁铁芯相吸引而处于两稳定点之一。

Description

双稳态电磁致动器

本发明是一种用于继电器，接触器、断路器，电磁阀、往复泵，摆动电机等领域的双稳态电磁致动器。

目前，用于上述领域中的双稳电磁致动器大致有三种类型：I、电磁铁加衔铁型<连续供电激励致动并保持>；II、电磁铁加永久磁铁或矩磁铁芯加衔铁型(正负双向脉冲电流激励致动，永磁或剩磁保持)，如中国专利申请86101911，98100891.7(CN1192035A，98-9-2)等；III、电磁铁加机械双稳机构加衔铁型<单向脉冲电流激励致动，机械双稳保持>，见中国专利申请89206214.2，91107223.3。其中I型属传统产品，使用最广泛，但其保持稳定状态需连续供电，能耗大，因而在许多方面正被II型取代。II型因只瞬间供给正负电流脉冲，能耗低，绕组线径可较细，重量轻，体积小。因靠永磁保持，无弹簧反力，所以抗振动，冲击，工作可靠。但是其铁芯材料要求高，结构及控制系统较复杂，需正负电源，因而价格昂贵，使用不便，限制了它的普及使用。III型使用瞬间单向电流脉冲，克服了II型控制复杂的缺点，但又增加了机械双稳机构，同样使结构复杂，且降低了工作可靠性。

本发明的目的是提出一种具有III型与II型优点一单向电流脉冲激励致动(控制简便)，永磁保持(能耗低，抗振，不抖动，工作可靠)。掘弃其缺点——正负供电电源、机械双稳机构。且结构简单，成本低，与传统产品兼容的用于继电器，接触器，电磁阀，往复泵，摆动电机等领域的双稳态电磁致动器。

本发明主要由壳架，安装在壳架上的磁极相对的电磁铁和永久磁铁组成，所述电磁铁和永久磁铁其中之一在两稳定点之间运动而作为运动件，另一个固定在壳架上，电磁铁用单向电流脉冲激励，其特征是，位于两个稳定点处的电磁铁磁极总是同时激励产生，且与相对的永久磁铁磁极极性相同而相互排斥，激励电流脉冲持续至运动件能运动过行程中点，未激励时，永久磁铁与电磁铁芯相吸引而处于两个稳定点之一。

本发明克服了传统偏见，提出了一种全新工作原理的双稳态电磁致动器，见图1、图2、图9，(图中S、N，分别表示永久磁铁的南北极，虚线S、N表示激励后的电磁铁磁极)。其磁极配置与现有技术相反，激励后在两稳定点均受到排斥，用静止的传统观点来看，似乎将处于中点而无法工作，但若结合其激励方式用运动的，发展的眼光来看就可明白其工作原理了。本发明与磁保持继电器及剩磁保持继电器类似，都使用电流脉冲来激励。当激励脉冲加在电磁铁上时，虽然它产生的两个磁极均与永久磁铁排斥，但只有相互吸附在一起的一对产生斥力，另一对虽也互斥，但因距离较远(相隔着运动行程)，由磁极间作用力与其距离的平方成反比的原理可知，其斥力是很微弱的。当脉冲电流上升近最大值时，原吸附在一起的一对磁极间产生较大排斥力并使其向另一端运动。当其运动至行程中点附近时，激励电流脉冲消失，此时运动件依惯性继续向另一端运动。过中点后，因永久磁铁对另一端已无激励的电磁铁芯重新产生吸力而加速运动，并最终吸附在一起。此时若再用同向电流脉冲激励电磁铁，则吸附在一起的磁极间又将产生斥力，使其向另一端运动并最终吸附在其上，如此往复即构成仅用同向电流脉冲激励，永久磁铁保持的双稳态电磁致动器。其中可相对运动的电磁铁和永久磁铁里任一个固定在壳架上，另一个即为运动件(见附图1，附图2)。电磁铁既可整体运动，也可绕组固定，仅有铁芯运动(见附图3)。运动件既可绕轴旋转，也可沿轴滑动(见图1--图6)。电磁铁激励时同时产生的两磁极既可以为同极性(见附图7、8)。也可以为异极性(见附图9、10、12)。壳架也可用绕组框架构成。相互吸附在稳定点处的电磁铁芯与永久磁铁之间既可紧密接触也可有一定间隙，间隙可以由真空、空气、薄绝缘片或薄非磁性金属材料构成。电磁铁芯可以用软铁、硅钢，坡莫合金，非晶态磁性材料，铁氧体磁芯等各种磁性材料。永久磁铁可以用矫顽力高的各种铁氧体或合金永磁材料，也可用橡塑类弹性永磁材料。为缩小体积和重量，最好使用性价比适当的稀土永磁材料。与永久磁铁相互排斥的两个磁极，既可以由同一个电磁铁产生(见图4、5、图8、图12)，也可以由两个单独的电磁铁产生，但应同时激励(见图7、图9)。永久磁铁与电磁铁既可是一组也可由数组构成，几组电磁铁绕组并联后，当用于大型结构时，可加快动作速度。激励用电流脉冲既可一直为正也可一直为负，只须调整绕组线头即可。该脉冲通常用适当容量的电容放电产生(见图13)。也可用其它脉冲发生电路产生，只要脉冲宽度小于运动件渡越时间的一半，脉冲间隔大于该时间即可。此电流脉冲成串供给时就可构成摆动电机或往复泵。

本发明所述的致动器，当永久磁铁与电磁铁芯紧密接触时，其电磁铁芯磁极端面应与其上的绕组边缘齐平或略凹进，以保证与永久磁铁产生最大的排斥力。若因结构原因凹进或凸出较多时，其尺度应小于与其相配永久磁铁的厚度，否则将大大减小排斥力。

本发明所述的致动器，通常使用一个可在电磁铁芯两磁极端面间来会摆动的永久磁铁，无激励时永久磁铁吸附在两端面之一上，激励后永久磁铁即被排斥至另一端面并吸附其上，再次激励则又返回(见图7、8、9、10、12)。

本发明所述的致动器，也可使用两个被非磁性材料连接起来的永久磁铁，并可在电磁铁两磁极端面间摆动，一个吸附，另一个即脱开(见图1、2、4、5)。该非磁性连接材料可以是铜，铝合金，不锈钢等，也可以使用塑料，玻璃钢等非金属绝缘材料。

本发明所述的致动器，当用于继电器，接触器，断路器等开关控制装置，特别是微型密封管式结构时，最好使用导电性能较好的铁芯及永磁材料，在对其磁极端面进行表面处理(如磨光、涂覆或电镀一些抗氧化，熔焊，表面电阻小的金属或合金)后，直接做电触点和开关电极。当同一铁芯分成两半或更多块分别做触点时，须用绝缘材料或高电阻导磁材料将其分隔成几个相互绝缘的部分(见图8、14、17)。

本发明所述的致动器，当用于开关控制装置时，可包含有一至数组动静触片，其动触片经绝缘材料与致动器中的运动件连接在一起，随运动件动作与固定在壳架上的相应静触片闭合或分断。(见图7、图10、图19)动触片也可与间隔一段距离的静触片一起固定在壳架上，当运动件动作时，直接或经过其它传动件作用在其上，使其产生弹性变形而与静触片闭合或分断(如图2、图16)还可用干簧管放在运动磁铁的终点来代替动静触片(如图4)。

本发明所述的致动器，当用于某些需要手动或机械控制(如断路器，热继电器，机电双控继电器等)特殊场合时，可在其上加一手控装置，以便于手动分断或闭合。手控装置可以是固定在壳架上能作用于运动件的按钮P(图22)或拨动钮T(见图24)，也可以是连接在运动件上的一个拨动钮K(见图23)。

本发明所述的致动器，当用于微型全密封触点系统的继电器时，应使用稀土永磁材料的微型永久磁铁，电磁铁芯与相应触片也微型化，并依需要把它们部分或全部封装在绝缘管中，电磁铁绕组位于管外，(见图14-18)。绝缘管可以用陶瓷，塑料，玻璃等材料，通常使用透明玻璃管。管内可抽真空或充入化学性质不活泼气体如氦、氮等。为提高触点容量，管内充汞和氢气。由于运动件行程长，动静触点间距大，不易被聚集的汞短路，因而可构成任意位置的水银湿簧继电器。

本发明所述的致动器，当用于泵阀类装置时，电磁铁芯与永久磁铁中运动的一个做成阀芯或泵芯状，并密封在带有工质输出、入口的非磁性材料壳体中。另一个做为静止件与绕组位于壳体外，构成密封往复机构，用作电磁滑阀或电磁往复泵。(见图25、26)。由于运动件动作力靠磁力通过密封的非磁性壳体传递，没有需要密封的传动件，彻底消除了密封破损引起的故障，大大提高了工作可靠性。

本发明所述的致动器，当用手动开关通、断直流电源来形成激励电流脉冲时，因脉冲宽度远大于运动件渡越时间的一半，为使工作可靠，可在其运动件与壳架间加一阻尼装置(见图27、28)该阻尼装置由位于运动件上的一个尖锥与壳架上的弹性丝构成，弹丝也可用弹性胶垫代替。当运动件受排斥而快速向另一端运动时，其具有的动量可使它冲过位于运动行程中点的阻尼装置并继续向前。然而由于手动开关动作速度慢，产生的激励脉冲仍未消失，过中点后运动件因同性相斥而减速并退回中点处。此时因其动量较小，故不能冲过阻尼装置回移，只能靠在阻尼装置一侧维持中立状态。等激励脉冲消失后，方可继续运动至另一端。若无阻尼装置，运动件就会处于正中位置，并有返回原端的可能性，从而使工作状态不确定，加阻尼装置后的致动器，还具有通电后在中点，断电后在一端，再通电又在中点，断电后到另一端的功能。

综上所述，得出本发明的优点如下：

1、仅用单向电流脉冲激励，省去了磁保持或剩磁保持继电器所需要的正负电源，简化了结构及控制电路，高效节能，不发热，易密封防爆。

2、只改变了磁极配置方式，就具备了双稳功能，省去了机械双稳继电器中复杂的双稳机构，结构简单，易微型化，成本低。

3、使用控制方法与传统产品相同，替代方便，易普及使用。

4、无复位弹簧，用永久磁铁在两稳定点保持状态不变，且这两点处吸力最大，因而，受力合理，分合速度快，不易产生电弧，工作可靠，抗振动、冲击，闭合、分断不抖动，保持压力稳定，不受供电电压影响，适用于车、船等振动较大的运动设施中。

5、工作行程长，触点间距大，适用于高压或超高压开关装置，兼有磁吹灭弧作用。

6、可方便地进行手动及外力控制，构成机电兼容型双控继电器。

7、用于泵阀类产品时，由于磁力经非磁性密封壳体传递作用力，无传动件密封问题，从根本上解决了此类产品最令人头疼的传动件密封泄漏问题。

下面结合附图用5个实施例来说明本发明的具体解决方案；

图1为双永久磁铁固定，电磁铁整体滑移的致动器示意图；

图2为电磁铁固定，双永久磁铁及连杆滑移的双稳态继电器示意图；

图3为双永久磁铁及电磁铁绕组固定，电磁铁铁芯滑移的致动器示意图；

图4为电磁铁固定，双永久磁铁及连杆绕轴摆动的双稳继电器示意图；

图5为电磁铁固定，双永久磁铁绕轴径向摆动的断路器示意图；

图6为图5的A向视图；

图7为两稳定点处，与永久磁铁相斥的电磁铁磁极为同极性的双电磁铁型，双稳继电器示意图；

图8与图7相似，但只用一个电磁铁，其铁芯用绝缘材料分割为两半；

图9是两稳定点处，电磁铁磁极为异极性的双电磁铁型双稳致动器示意图；

图10为双稳接触器示意图；

图11为图10的C向视图；

图12为在电磁铁两磁极间滑移的单磁铁型双稳致动器示意图；

图13为触发脉冲产生电路；

图14为微型干簧管式双稳继电器(铁芯及磁铁直接做触点)；

图15为管内仅封装永久磁铁及触片组的微管式双稳继电器；

图16为单绕组微管式双稳继电器；

图17为电磁铁芯分四瓣分别做触点的微管式双稳继电器；

图18为电磁铁芯滑移式微管双稳继电器；

图19为微型双稳继电器示意图；

图20为图19的剖视图；

图21为图19中运动件的轴测图；

图22-图24为手动装置示意图；

图25为全密封双稳电磁滑阀示意图；

图26为电磁式往复泵示意图；

图27为止回阻尼装置示意图；

图28为图27侧视图；

实施例1为本发明构成的微型双稳继电器，结构放大后如图19-21所示，在一个塑料底架上镶嵌有静触片J及K，K在底架中部，两边各一片，动触片D中部的倒V型凹进扣在其上，构成动触片的电极引出线及动触片的摆动支点(见图19)。两块小稀土永久磁铁各自镶嵌在两个非磁性材料构成的连接架B上，该连接架两动触片D注塑连接成一体(见图21)。连接架以静触片K为支点上下摆动，使永久磁铁活动于电磁铁两磁极端面间。同时两动触片端部的触点与位于底架四角的四个静触片J上的触点接通或分断，构成双转换接点系统。电磁铁芯嵌紧或粘接在线圈骨架中，该骨架嵌在或粘在底架上，一个下沿带有两卡紧凸点的塑料外壳，卡罩在底架上，使系统处于密封状态。该微型双稳态继电器也可采用图2所示结构，触发电路如图13所示，工作原理如前所述。

实施例2为本发明构成的接触器或高压断路器，结构如图10、11所示，在一个底架上固定着两个电磁铁(该电磁铁芯也可如图10中虚线所示为一个整体)，一永久磁铁镶嵌在可在电磁铁两磁极端面间绕轴摆动的绝缘板上，并随其摆动而与电磁铁两磁极之一吸附。绝缘板上端通过过渡配合的铰链与三组(视需要还可增加)桥式动触片中部连接(如图11)。动触片组随磁铁摆动而分别与静触片组J1及J2接通或分断来控制三相电器的工作状态(触点也可用靠近磁铁附近安装的干簧管来构成)。绝缘板下端可加配重P使运动系统平衡，以适应各种工作位置。工作原理及触发电路如前所述。两电磁铁绕组也可分别由开及关按钮控制，以适应过流及欠过压等保护电路的要求，本实施例也可采用图4、5、6及图9、12所示结构及相应触点构成。

实施例3为本发明构成的干簧管式微型继电器，结构放大后见图14-18所示，图14、15为单磁铁式，图16、17、18为双磁铁式。在图14中有一密封的玻璃管，其中封装有一块微型稀土永久磁铁及一对用绝缘材料分隔成两半的电磁铁芯，四根引出线将电磁铁芯固定于玻璃管两端，两个绕组套在管外铁芯处。永久磁铁及与其接触的电磁铁芯磁极端部电镀金、银或钯、铑等触点材料后直接做电触点。磁铁外径与玻璃管内径动配合，因而可在电磁铁两端面间运动。两绕组串或并联后用图13电路触发激励。电磁铁及永久磁铁极性如图中所示，工作原理同上。当流过电流较大时，可在管内充入适量汞及高压氢气构成水银润湿继电器。因管内充气，为减小气体阻尼作用，可在磁铁中心开孔或外圆开数槽。图15为电磁铁芯及绕组均在管外，只把触片及永久磁铁封装在管内。因管两端较薄且要承受一定的冲击力，最好采用高强度塑料材料。图16中使用一个中心有孔的电磁铁芯封装在玻璃管中部，一个绕组套在管外相应位置。玻管两端各封有两组触片，两块薄微型永久磁铁经一穿过铁芯中心孔的非磁性杆连接在一起，永久磁铁及电磁铁极性如图中所示，激励后永久磁铁就从一边摆动至另一边，其上的锥状绝缘帽使两组触片接通或分断。图17与图16基本相同，只是用绝缘材料把电磁铁芯分为四瓣，并两两错开各自引出接线与永久磁铁配合作为一组触点。位于一端的永久磁铁只能接触其中凸出的两块，另外两块凸出在另一端并可与另一磁铁接触，构成双转换触点系统。图18为永久磁铁封装在管内两端，电磁铁芯可在管内来回摆动，永久磁铁和电磁铁芯直接做触点的结构，还可如图中虚线所示用一u形硅钢芯卡在管两端，构成永久磁铁闭合磁回路。

实施例4为本发明构成的全密封双稳电磁滑阀，结构如图25所示，在一个非磁性材料(黄铜，不锈钢等)构成的圆管形壳体中，封装着一个圆柱形永久磁铁做成的阀芯。磁铁外圆上加工有4个凹槽，中间的两个嵌有O型密封圈，靠近两端的两个嵌装齿轮状尼龙圈。三个工质输送口按要求分布在壳体上，两个电磁铁位于壳体两端外，与壳体中的永久磁铁相互作用使阀芯摆动，从而改变工质流动路线，完成阀门作用。也可如图3所示，永久磁铁位于壳体两端，阀芯状电磁铁芯封装在壳体中，绕组套在壳体外。触发电路及工作原理如前所述。

实施例5为本发明构成的电磁式往复泵，结构见图26所示，两电磁铁位于圆管形非磁性材料构成的密封壳体两端，壳体内封装着加工成泵芯状其上带有密封环的永久磁铁，壳体两端侧边开有四个带有单向阀的工质通道，其中两个经单向阀连通构成工质输入口，另两个经单向阀连通构成工质输出口，当电磁铁用连续单向电流脉冲激励时，永久磁铁构成的泵芯就会往复运动，泵出工质。用适当的双向电流脉冲激励效果更好。也可用类似图3结构，把永久磁铁放在泵外，电磁铁芯做成泵芯封在泵内，绕组套在泵外。

以上实施例及附图经适当组合还可构成多种实施方案。

Claims (10)

1、一种双稳态电磁致动器，由壳架、安装在壳架上的磁极相对的电磁铁和永久磁铁组成，所述电磁铁和永久磁铁其中之一在两稳定点之间运动而作为运动件，另一个固定在壳架上，电磁铁用单向电流脉冲激励，其特征是，位于两个稳定点处的电磁铁磁极总是同时激励产生，且与相对的永久磁铁磁极极性相同而相互排斥，激励电流脉冲持续至运动件能运动过行程中点，未激励时，永久磁铁与电磁铁芯相吸引而处于两个稳定点之一。

2、如权利要求1所述的致动器，其特征是电磁铁芯磁极端面与其上的绕组边缘齐平或凹进。

3、如权利要求2所述的致动器，其特征是仅用一个在电磁铁芯两磁极端面间来会摆动的永久磁铁，无激励时永久磁铁吸附在两端面之一上，激励后永久磁铁即被排斥至另一端面并吸附其上。

4、如权利要求2所述的致动器，其特征是使用两个被非磁性材料连接起来的永久磁铁，并在电磁铁两磁极端面间摆动，一个吸附另一个即脱开。

5、如权利要求2所述的致动器，其特征是电磁铁芯被绝缘材料或高电阻导磁材料分隔成相互绝缘的几个部分，永久磁铁及电磁铁芯磁极端面经表面处理后直接用做电触点。

6、如权利要求2、3、4、5任意一项所述的致动器，特征是包含有一至数组动静触片，其动触片随致动器中的运动件动作，与相应静触片闭合或分断。

7、如权利要求6所述的致动器，特征是在其上加有手控装置，在某些特殊场合，可手动分断或闭合。

8、如权利要求6所述的致动器，其特征是使用稀土永磁材料做成的微型永久磁铁，电磁铁芯与相应触点也微型化并封装在绝缘管内，其绕组在管外，构成全密封触点系统，管内充不活泼气体和汞。

9、如权利要求2、3、4任意一项所述的致动器，特征是电磁铁芯与永久磁铁中运动的一个，加工成阀芯或泵芯状并密封在非磁性材料壳体中，静止的一个及绕组位于壳体外，构成密封往复机构，与壳体上相应的输出、入口构成电磁滑阀或电磁往复泵。

10、如权利要求6所述的致动器，其特征是在致动器的运动件与壳架间有一阻尼装置，当运动件越过运动范围中点时，该装置阻止其回移。

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