CN1366312A - 电磁铁和使用该电磁铁的开关装置的操作机构 - Google Patents

Abstract

提供了一种电磁铁10,其由线圈3、在上述线圈3的中心轴上移动的可动铁心1和以覆盖上述线圈3的上面、下面和外周面的形式设置的固定铁心2构成,其特征在于将永久磁铁12配置在由上述可动铁心1和上述固定铁心2包围的空隙中,利用上述永久磁铁12产生的磁场使上述可动铁心1吸附到上述固定铁心2上。克服了由于在线圈电流形成的磁路中存在永久磁铁,所以释放时对永久磁铁直接进行逆励磁,有可能发生退磁的现有的电磁铁的缺点。即,由于将永久磁铁配置在由固定铁心和可动铁心包围的空隙内,所以,线圈电流的磁场不作用于永久磁铁,从而可以提供不会发生退磁的寿命长、可靠性高的电磁铁。

Description

电磁铁和使用该电磁铁的开关装置的操作机构

技术领域

本发明涉及电磁铁和使用该电磁铁的开关装置的操作机构的结构，特别是涉及抑制永久磁铁的退磁的电磁铁和应用该电磁铁的可靠性高的开关装置的操作机构。

背景技术

开关装置的操作机构，有电动弹簧操作机构、液压式和气压式操作机构等。通常，这些操作机构的零部件数多、链接机构复杂，制造成本比较高。简化链接机构的方法之一，有利用电磁铁的操作机构，例如，在特开平5-23475号公报中记载的真空接触器中，就将电磁铁用于接通动作，在接通的同时，使蓄势待发的遮断弹簧释放，从而使触点断开。另外，在特表平10-505940号公报记载的操作机构中，设置了贯穿接通和切断用的2个线圈的插棒式铁芯，用电磁铁进行接通和切断两方面的动作。另外，在特开2000-249092号公报中，利用永久磁铁的吸引力维持接通状态，通过用线圈电流进行逆向励磁，由个别设置的可动部件驱动用弹簧进行切断动作。这时，线圈不用区别接通用和切断用，使用1个线圈就够了。

但是，在先有的带永久磁铁的电磁铁中存在以下缺点。永久磁铁有稀土类的钐—钴系磁铁、钕系磁铁、铝镍钴合金系磁铁、铁氧体系磁铁等。使用剩余磁通密度高并且成本比较低的钕系磁铁时，可以电磁铁实现小型化并且廉价。但是，钕系磁铁的矫顽力大到1000kA/m，磁化磁场需要2000kA/m(相当于磁通密度2.5T)以上。因此，用组装了电磁铁的线圈将永久磁铁磁化在现实上是不可能的，必须组装磁化后的磁铁。

将电磁铁应用于开关装置的操作机构时，必须保证长达20年以上的长期的动作和满足1万次以上的多次动作。因此，必须尽可能排除使永久磁铁退磁的原因。在特开2000-249092号公报记载的带永久磁铁的电磁铁中，直接向永久磁铁施加逆向磁场，进行切断动作。通过反复向永久磁铁供给逆向能量，有可能一起退磁，即降低寿命。

此外，在磁路内存在永久磁铁时，从线圈侧看，磁阻将增大。由于永久磁铁的导磁率和空气大致相同，所以，在动作开始时刻，在行程长度中存在使永久磁铁的厚度增加的间隙，从而需要更大的安匝数。

发明内容

本发明就是为了解决上述问题而提出的，目的旨在提供不直接对永久磁铁进行逆向励磁并且在由线圈电流形成的磁路中不存在永久磁铁的寿命长、效率高的电磁铁和使用该电磁铁的开关装置的操作机构。

即，按照本发明，提供一种电磁铁，其由线圈、在上述线圈的中心轴上移动的可动铁心、以及以覆盖上述线圈的上面、下面和外周面的形式设置的固定铁心构成，其特征在于将永久磁铁配置在由上述可动铁心和上述固定铁心包围的空隙中，利用上述永久磁铁产生的磁场使上述可动铁心吸附到上述固定铁心上。

另外，按照本发明，提供一种电磁铁，其由线圈、在上述线圈的中心轴上移动的可动铁心、以及以覆盖上述线圈的上面、下面和外周面的形式设置的固定铁心构成，其特征在于在上述固定铁心的插入上述可动铁心的一侧设置磁性体的突出部，用插棒式铁心和固定在其端部的钢板构成上述可动铁心，使上述插棒式铁心的端面与上述固定铁心、上述钢板与上述突出部分别以相同方向对置，并将永久磁铁设置在由上述插棒式铁心、上述突出部、上述钢板和上述固定铁心包围的区域。

此外，按照本发明，提供一种电磁铁，其由线圈、在上述线圈的中心轴上移动的可动铁心、以及以覆盖上述线圈的上面、下面和外周面的形式设置的固定铁心构成，其特征在于在上述固定铁心的插入上述可动铁心侧设置磁性体的突出部，用插棒式铁心和固定在其端部的钢板构成上述可动铁心，并将永久磁铁配置在由上述插棒式铁心、上述突出部、上述钢板和上述固定铁心包围的空隙中，使上述钢板的侧面与上述突出部相对置，并且使上述插棒式铁心的端面与上述固定铁心、上述钢板与上述永久磁铁分别以相同的方向对置。

另外，按照本发明，提供如上所述的电磁铁，其特征在于具有可以有选择性地使顺向和逆向电流流过上述线圈的电源电路，在流过顺向电流时，产生与上述永久磁铁产生的磁场方向相同的磁场，进行吸引动作，在流过逆向电流时，就抵消上述永久磁铁产生的磁场，进行释放动作。

此外，按照本发明，提供一种开关装置的操作机构，其特征在于具有上述电磁铁、开合自由的触点和用于使上述触点断开的切断弹簧，并设置有可以有选择性地使顺向和逆向的电流流过上述电磁铁的线圈的电源电路，在流过顺向电流时，使上述切断弹簧积蓄能量，并接通触点，利用上述永久磁铁的吸引力维持接通状态，在上述线圈中流过逆向电流时，就抵消上述永久磁铁产生的磁场，并由上述切断弹簧的弹性力所切断。

即，如果是这样构成的电磁铁，由于不直接对永久磁铁进行逆励磁并且在由线圈电流形成的磁路中不存在永久磁铁，所以，可以提供寿命长、效率高的电磁铁。此外，通过将该电磁铁应用于开关装置的操作机构，可以实现小型、廉价并且可靠性高的开关装置。

附图说明

图1表示本发明实施例的电磁铁的剖面图。

图2表示本发明实施例的电磁铁的吸引动作开始之后的状态。

图3表示本发明实施例的电磁铁的吸引动作结束之前的状态。

图4表示本发明实施例的电磁铁的吸引动作结束的状态。

图5表示本发明实施例的电磁铁的释放动作中的状态。

图6表示本发明实施例2的电磁铁的吸引动作开始之后的状态。

图7表示本发明实施例2的电磁铁的吸引动作结束之前的状态。

图8表示本发明实施例2的电磁铁的释放动作中的状态。

图9表示应用本发明的电磁铁的真空断路器的结构。

图10表示本发明的真空断路器的触压弹簧43周边部的结构。

具体实施方式

下面，参照附图以实施例详细说明本发明。

实施例1.

下面，使用图1～图5说明本发明的实施例1。

图1是本发明实施例的电磁铁10的剖面图。电磁铁10是轴对称结构，在图的右半部附加了用于说明结构的参照符号，在左半部表示出了永久磁铁12和流过线圈3的电流产生的磁场B(虚线)。

可动铁心1由贯穿在线圈3的中心轴上的插棒式铁心5和固定在其端部的圆盘状的钢板6构成，经由固定在插棒式铁心5的端部的非磁性的连接部件7与负载W连接。负载W在电磁铁10的吸引状态下作用将可动铁心1向上驱动的力。固定铁心2由都是磁性体的钢管2a、凸型钢材2b和环状的钢板2c构成。凸型钢材2b和环状的钢板2c可以如图所示的那样从钢管2a的两端按照拧入的方式安装或者通过焊接而固定。另外，钢管2a和凸型钢材2b或钢管2a和环状的钢板2c可以用圆柱状的材料通过切削而制造。这里，钢材2b采用凸型形状，当然也可以采用单纯的平板形状。但是，将插棒式铁心5的端面和固定铁心2的间隙X设置在线圈3的中央附近时，可以减少磁通泄漏，所以，使用凸型钢材比较好。另外，凸型钢材2b可以用一体物制造，也可以将2块钢板连接而构成。线圈3由用绝缘物或非磁性体金属(铝、铜等)制作的骨架3a和绕组线3b构成。

环状的钢板2c比较深地拧入到钢管2a内，成为设置了磁性体的突出部4的形状。本实施例的电磁铁10的结构使插棒式铁心5的端面与凸型钢材2b、圆盘状的钢板6与突出部4分别以相同方向对置。插棒式铁心5的侧面与环状的钢板2c间的距离g比可动铁心的行程长度短。关于其理由，后面予以说明。另外，插棒式铁心5的端面与凸型钢材2b间的距离X比圆盘状的钢板6与突出部4间的距离L短，在吸引动作结束时插棒式铁心5与凸型钢材2b成为接触的状态。

环状的永久磁铁12配置在由插棒式铁心5、圆盘状的钢板6、突出部4和环状的钢板2c包围的区域中，固定在环状的钢板2c上。符号13是由例如SUS等非磁性体制作的永久磁铁12的固定件，固定件13是通过拧入钢管2 a中而固定。利用固定件13在永久磁铁12与突出部4之间设置间隙，这是为了防止永久磁铁12产生的磁通被突出部4短路而设置的。

下面，使用图2～图5说明本发明的电磁铁10的动作。图2表示吸引动作开始之后的状态、图3表示吸引动作结束之前的状态、图4表示吸引动作结束后的状态、图5表示释放动作中的状态。

利用外部的电源电路(图中未示出)向线圈3通电时，吸引力F0作用于插棒式铁心5的端面，可动铁心1开始向下动作。这里，插棒式铁心5的侧面与环状的钢板2c间的距离g设定得比可动铁心1的行程长度短，所以，线圈电流产生的磁场Bc通过路径01。这里，为了使磁场Bc和永久磁铁12产生的磁场Bm的方向成为图2中箭头所示的方向，必须预先设定线圈电流的方向和永久磁铁12的极性。磁场Bc和磁场Bm的方向也可以同时成为相反方向。

可动铁心1由吸引力F0驱动时，就成为图3所示的状态。随着可动铁心1的移动，圆盘状的钢板6与突出部4间的间隙L减小，从而变得比插棒式铁心5与环状的钢板2c间的间隙g短(g＞L)。因此，线圈电流的磁场Bc开始向路径02分流，在动作结束时就几乎全部流入路径02。即，随着可动铁心1的移动，除了作用于插棒式铁心5的端面上的吸引力F0外，还有吸引力F1作用于圆盘状的钢板6与突出部4之间。在吸引动作结束之前的状态下，由于永久磁铁12的磁场Bm通过路径03，所以，吸引力F0就进一步增大。

在可动铁心1的动作结束之后，切断线圈3的电流时，由永久磁铁12的吸引力保持吸引状态。在吸引动作结束之后，在圆盘状的钢板6与突出部4之间也存在间隙，所以，永久磁铁12产生的磁场Bm通过路径03。由吸引力F0维持可动铁心1与固定铁心2的吸附状态。

下面，使用图5说明释放动作。释放动作通过将与吸引动作时方向相反的电流向线圈3通电而进行。线圈电流产生的磁场Bc通过路径02，抵消永久磁铁12产生的磁场Bm。作用到插棒式铁心5的端面的吸引力F0减小，在负载力的作用下，可动铁心1向上移动。但是，由于磁场Bc同时向圆盘状的钢板6与突出部4之间作用吸引力Fr，所以，在过大的电流通过线圈3时有可能再次发生吸引动作。必须设置根据与负载力的平衡力限制线圈电流并且在释放动作结束之后即时地切断线圈电流的装置。

下面，说明本实施例的效果。先有的带永久磁铁的电磁铁在线圈电流形成的磁路中存在永久磁铁12，所以，在释放动作时对永久磁铁12直接进行逆励磁。通过反复动作而继续向永久磁铁12供给逆向能量时，就存在发生退磁的危险性。在本实施例的电磁铁中，将永久磁铁12配置在由可动铁心1和固定铁心2包围的空隙中，即配置在磁屏蔽的区域内，所以，线圈电流产生的磁场Bc对永久磁铁12不直接作用。在释放动作中也不向永久磁铁12供给逆向能量。可以避免发生退磁的危险性，从而可以成为寿命长、可靠性高的电磁铁。

另外，永久磁铁12的导磁率和空气基本上相同，在线圈电流形成的磁路中存在永久磁铁12时，从线圈侧看，磁阻将增大。在动作开始时，在行程中将存在除了永久磁铁12的厚度之外的间隙，从而要增加动作所需要的安匝数。在本实施例的电磁铁10中，在线圈电流形成的磁路中不存在永久磁铁，所以，磁阻小、效率高。

实施例2.

下面，使用图6和图7说明本发明的实施例2。

图6是本发明实施例的电磁铁10的剖面图。可动铁心1由贯穿在线圈3的中心轴上的插棒式铁心5和固定在其端部的圆盘状的钢板6构成，经由固定插棒式铁心5的端部的非磁性的连接部件7与负载连接。固定铁心2由都是磁性体的钢管2a、凸型钢材2b和环状的钢板2c构成。凸型钢材2b和环状的钢板2c，可以如图所示的那样按照从钢管2a的两端拧入的方式进行安装，或者可以通过焊接而固定。凸型钢材2b可以用一体物制造，也可以将2块钢板连接而构成。线圈3由用绝缘物或非磁性体金属(铝、铜等)制作的骨架3a和绕组线3b构成。

环状的永久磁铁12固定到环状的钢板2c上。符号15是用例如SUS等非磁性部件制作的管子，以扶持永久磁铁12的状态固定到钢管2a上。由于没有大的力作用到管子15上，所以，可以用螺丝16等固定。用非磁性部件制作管子15，是为了避免管子15将永久磁铁12的磁场短路。另外，在管子15的端部，安装由非磁性部件制作的盖子17，固定在可动铁心1上的棒8从中穿过。由盖子17、凸型钢材2b、连接部件7和棒8防止可动铁心1的轴发生偏离。

插棒式铁心5的端面与凸型钢材2b间的距离X比圆盘状的钢板6与永久磁铁12间的距离L短，避免圆盘状的钢板6碰撞而将永久磁铁12破坏。

下面，使用图6～图9说明本发明的电磁铁10的动作。图6～图9表示电磁铁10的剖面，右半部表示出了用于说明结构的符号，左半部表示出了磁场的情况。

图6表示吸引动作开始之后的状态。插棒式铁心5的端面与凸型钢材2b间的距离X、圆盘状的钢板6与永久磁铁12的距离L都比永久磁铁12与插棒式铁心5间的距离g长，永久磁铁12产生的磁场Bm如图6所示的那样只作用到永久磁铁12的周边。因此，作用于可动铁心1的驱动力非常弱。用外部的电源电路(图中未示出)向线圈3通电时，由线圈电流的磁场Bc向插棒式铁心5的端面作用吸引力F0，可动铁心1开始向下动作。这里，插棒式铁心5的侧面与环状的钢板2c间的距离g设定得比可动铁心1的行程长度短，所以，线圈电流产生的磁通Φc通过路径04。为了使线圈电流的磁场Bc和永久磁铁12的磁场Bm的方向成为图6所示的箭头的方向，必须预先设定线圈电流的方向和永久磁铁12的极性方向。磁场Bc和磁场Bm的方向可以同时成为相反方向。

由吸引力F0驱动可动铁心1时，就成为图7所示的状态。随着可动铁心1的移动，圆盘状的钢板6与永久磁铁12间的间隙L减小，变得比插棒式铁心5与环状的钢板2c间的间隙g短(g＞L)，所以，永久磁铁12的磁场Bm通过路径05。即，随着可动铁心1的移动，在吸引力F0作用到插棒式铁心5的端面上的同时，吸引力F1也作用到圆盘状的钢板6与永久磁铁12之间。另外，永久磁铁12的磁场Bm通过插棒式铁心5与凸型钢材2b相对置的面，所以，吸引力F0将更加增大。

在可动铁心1的动作结束之后，取消线圈3的励磁时，由于永久磁铁12的磁通Φm，吸引力F0和吸引力F1作用，保持该状态。

另一方面，如图8所示，释放动作通过以和吸引动作时方向相反的电流向线圈3通电而进行。线圈电流所产生的磁场Bc通过路径06，抵消永久磁铁12产生的磁场Bm。吸引力F0减小，在负载力的作用下，可动铁心1向上移动。

下面，说明本实施例的效果。和实施例1的电磁铁一样，线圈电流产生的磁场Bc不直接作用于永久磁铁12，释放动作时也不供给逆向能量。因此，可以避免永久磁铁退磁的危险性，从而可以成为寿命长、可靠性高的电磁铁。另外，永久磁铁12的导磁率和空气基本上相同，在线圈电流形成的磁路中存在永久磁铁12时，从线圈侧看，磁阻将增大。在动作开始时，在行程中将存在除了永久磁铁12的厚度之外的间隙，从而要增加所需要的安匝数。在本实施例的电磁铁10中，在线圈电流形成的磁路中不存在永久磁铁，所以，磁阻小、效率高。

此外，本实施例的电磁铁具有以下的效果。在释放动作中，实施例1的电磁铁由线圈电流产生的磁场Bm向圆盘状的钢板6与磁性体突出部4之间作用吸引力F1，所以，线圈3中通过过大的电流时有可能再次发生吸引动作。因此，必须设置根据与负载力的平衡力限制线圈电流并且在释放动作结束之后即时地切断线圈电流的装置。但是，在本实施例的电磁铁中，没有由线圈电流的磁场Bc发生吸引力的部分，从而不会再次发生吸引动作。因此，不必设置根据与负载力的平衡力限制线圈电流并且在释放动作结束之后即时地切断线圈电流的装置。

实施例3.

下面，使用图9和图10说明本发明的实施例3。

本实施例是将实施例1和实施例2的电磁铁10应用于开关装置的操作机构的实施例。图9是应用实施例2的电磁铁10的三相真空断路器20的侧剖面图。这里，以真空断路器为例进行说明，但是，也可以将本发明的电磁铁10应用于气体断路器等其他开关装置。

真空断路器20由真空管30、操作机构部40、绝缘支架31以及容纳控制电路51和电磁铁10的操作空间50构成。真空管30以三相并列的状态设置在纸面里边方向。3个真空管30用操作机构部40内的手柄41连接，由1个电磁铁10驱动。

真空管30根据由上下的端板32和绝缘筒33构成的真空容器将其内部保持为真空状态。在真空管30内配置固定触点37和可动触点38，通过它们的开合而实现接通和切断。固定触点37固定到固定导体35上，与固定侧馈电线39电气连接。另一方面，可动触点38固定到可动导体36上，通过挠性导体61与可动侧馈电线62连接。波纹管34将其两端与可动导体36和端板32连接。由波纹管34维持着真空状态，固定触点37和可动触点38可以进行开合。

真空管30和电磁铁10都与手柄41连接，使电磁铁10产生的驱动力作用于可动导体36。可动导体36利用绝缘棒63与操作机构电气绝缘，与固定在手柄41上的控制杆42连结。电磁铁10的可动铁心1通过连接部件9与控制杆44连结。

在接通动作中，必须使触压弹簧43和切断弹簧45同时积蓄能量。触压弹簧43是接通时用于向触点供给接触压力的弹簧，切断弹簧45是用于进行切断动作的弹簧。

触压弹簧43容纳在绝缘棒63内，触压弹簧43周边的结构示于图10。触压弹簧43容纳在绝缘棒63上压制的触压弹簧仓43a内。可动导体36固定到连接部件43b上，连接部件43b通过销钉43c与触压弹簧仓43a连结。在连接部件43b上，设置比销钉43c的外径略大的孔，在触压弹簧仓43a上设置椭圆孔43d。在接通动作中，固定触点37与可动触点38接触时，销钉43c开始在椭圆孔43d内移动(图中向下)，到接通动作结束之前，压缩触压弹簧43。另一方面，切断弹簧45由操作机构部40的顶板46和固定在连接部件9上的板47扶持。切断弹簧45在接通动作中总是被压缩。

下面，说明开关装置20的动作。向线圈3通电而产生图7所示的磁场Bc时，可动铁心1在吸引力F0的作用下向下移动，同时可动导体36向上移动，触点被接通。在接通动作结束之后，即使切断线圈3的电流，根据永久磁铁12的吸引力也保持该状态。在切断动作中，以和接通动作时方向相反的电流向线圈3通电时，如图8所示，抵消永久磁铁12的磁场Bm，吸引力F0减小，所以，在触压弹簧43和切断弹簧43的弹性力的作用下，可动导体36向下驱动。

下面，说明本实施例的效果。通过将实施例1～实施例2的电磁铁10应用于开关装置，保持接通状态所使用的永久磁铁12不会发生退磁，从而可以保证20年的长期使用和满足1万次以上的多次动作。即，可以提供寿命长、可靠性高的开关装置。

按照本发明的电磁铁和使用该电磁铁的开关装置的操作机构，由于将用于维持吸引状态的永久磁铁配置在由固定铁心和可动铁心包围的区域内，所以，线圈电流产生的磁场不直接作用于永久磁铁，从而可以提供可靠性高并且效率高的产品。

Claims (6)

1.一种电磁铁，其由线圈、在上述线圈的中心轴上移动的可动铁心、以及以覆盖上述线圈的上面、下面和外周面的形式设置的固定铁心构成，其特征在于：将永久磁铁配置在由上述可动铁心和上述固定铁心包围的空隙中，利用上述永久磁铁产生的磁场使上述可动铁心吸附到上述固定铁心上。

2.一种电磁铁，其由线圈、在上述线圈的中心轴上移动的可动铁心、以及以覆盖上述线圈的上面、下面和外周面的形式设置的固定铁心构成，其特征在于：在上述固定铁心的插入上述可动铁心的一侧设置磁性体的突出部，用插棒式铁心和固定在其端部的钢板构成上述可动铁心，使上述插棒式铁心的端面与上述固定铁心、上述钢板与上述突出部分别以相同的方向对置，并将永久磁铁设置在由上述插棒式铁心、上述突出部、上述钢板和上述固定铁心包围的区域。

3.如权利要求2所述的电磁铁，其特征在于：使上述插棒式铁心的端面与固定铁心间的距离比上述钢板与上述突出部间的距离短。

4.一种电磁铁，其由线圈、在上述线圈的中心轴上移动的可动铁心、以及以覆盖上述线圈的上面、下面和外周面的形式设置的固定铁心构成，其特征在于：在上述固定铁心的插入上述可动铁心的一侧设置磁性体的突出部，用插棒式铁心和固定在其端部的钢板构成上述可动铁心，上述插棒式铁心的端面与上述固定铁心、上述钢板与上述突出部分别以相同的方向对置，并将永久磁铁配置在由上述插棒式铁心、上述突出部、上述钢板和上述固定铁心包围的空隙中，使上述钢板的侧面与上述突出部相对置，并且使上述插棒式铁心的端面与上述固定铁心、上述钢板与上述永久磁铁分别以相同的方向对置。

5.如权利要求1～4的任一项所述的电磁铁，其特征在于：具有可以有选择性地使顺向和逆向电流流过上述线圈的电源电路，在流过顺向电流时，产生与上述永久磁铁产生的磁场方向相同的磁场，进行吸引动作，在流过逆向电流时，就抵消上述永久磁铁产生的磁场，进行释放动作。

6.一种开关装置的操作机构，其特征在于：具有权利要求1～5的任一项所述的电磁铁，开合自由的触点和用于使上述触点断开的切断弹簧，并设置有可以有选择性地使顺向和逆向的电流流过上述电磁铁的线圈的电源电路，在流过顺向电流时，使上述切断弹簧积蓄能量，并接通触点，利用上述永久磁铁的吸引力维持接通状态，在上述线圈中流过逆向电流时，就抵消上述永久磁铁产生的磁场，并由上述切断弹簧的弹性力所切断。

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