CN1601663A - 脉冲励磁双稳态电磁致动器 - Google Patents

Abstract

一种脉冲励磁双稳态电磁致动器，用于继电器，接触器、断路器，电磁阀、电磁铁等领域。使用脉冲电流励磁致动，磁铁或卡簧、弹簧销、弹簧等维持稳态，省去了现有技术－磁保持双稳中的正负双向脉冲发生电路及绕组转换开关；或机械双稳中复杂的双稳机构和返力弹簧，仅用一个开关逐次输入单向脉冲，就能在两个稳态间转换，具有节能、抗振、结构简单、易微型化、不易抖动、工作行程长的特点。由机座、含有运动部件的电磁铁及运动部件稳态维持装置组成，其特征是，所述运动部件的两稳态点位于电磁铁最大磁引力作用点两边，运动件在两稳态点均可被电磁铁脉冲磁力作用而摆脱稳态维持装置的约束，从一边依靠惯性越过最大磁引力作用点而摆动至另一边，并在稳态维持装置作用下重新处于稳定状态。

Description

脉冲励磁双稳态电磁致动器

技术领域；

本发明是一种用于继电器，接触器、断路器，电磁阀、电磁铁等电磁执行机构领域的脉冲励磁双稳态电磁致动器。

背景技术；

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<连续供电励磁致动并保持>；II、电磁铁加永久磁铁或矩磁铁芯再加衔铁型(正负双向脉冲电流励磁致动，永磁或剩磁保持)，如中国专利申请98100891.7(CN1192035A，98-9-2)等；III、电磁铁加机械双稳机构再加衔铁型<单向脉冲电流励磁致动，机械双稳保持>，见中国专利申请89206214.2(CN2052949u，90-2-14)，91107223.3(CN1067768A，93-1-6)。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，效率低，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和返力弹簧，同样使结构复杂且抗振动、冲击能力差，降低了工作可靠性。

发明内容；

本发明要解决的技术问题是在保持III型与II型优点--电流脉冲励磁致动，磁铁或卡簧、弹簧等无功耗元件维持稳态(节能，抗振动、不抖动)。掘弃其缺点--正负供电电源或绕组转换开关及机械双稳机构(控制不便，结构复杂)，和返力弹簧(产生抖动，降低抗振性)。提出一种结构简单、工作行程长、控制简便且与传统产品兼容的用于继电器、接触器、电磁阀、电磁铁等领域的脉冲励磁双稳态电磁致动器。

本发明主要由机座、含有运动部件的电磁铁及该运动部件稳态维持装置组成，其特征是，所述运动部件的两稳态点位于电磁铁最大磁引力作用点两边，运动部件在两稳态点均可被电磁铁的脉冲磁力作用而摆脱稳态维持装置的约束，从一边依靠惯性越过最大磁引力作用点而摆动至另一边，并在稳态维持装置作用下重新处于稳定状态。

本发明提出了一种创新工作原理的双稳态电磁致动器，见图1--9，(图中S、N分别表示永久磁铁的南北极，虚线S、N表示电流脉冲产生的瞬间电磁铁南北磁极)。其运动部件稳态点与现有技术不同，不是位于最大磁引力作用点处，而是位于其两边，运动部件受电磁铁的脉冲磁力作用后，在两稳态点均可受到吸引而摆脱稳态维持装置的约束，向最大磁引力作用点运动，并在励磁脉冲消失后，依靠惯性从一边越过最大磁引力作用点而摆动至另一边，又重新受稳态维持装置作用而处于稳定状态。(稳态维持装置中的磁铁、弹簧、翘板机构等，也可对过了最大磁引力作用点的运动部件施力而加速其运动)，如此往复即构成了脉冲电流励磁的双稳态电磁致动器。

其中电磁铁芯可以用软铁、硅钢、坡莫合金、非晶磁材、铁氧体、磁铁等各种磁性材料。电磁铁绕组可以串联也可并联，大型设施中也可分组串并联。电磁铁结构可以是螺管型(图1--3、图11、12、14)、拍合型(图4、13、15)、旋转电枢型(图5、7)、U型(图19)等。电磁铁运动部件按具体需求可以是全部电磁铁芯(图1、2)、或部分铁芯(图4、5、6、11、14、19等)、以及电磁铁绕组(图3)、或绕组与部分铁芯(图4中绕组放到双点划线位置、图5中转子被固定后、图7、12)。

两稳态点的稳态维持装置可以是磁铁(图1、图5--13、图20等)、插座(图4，兼电触点)、卡簧(图2，兼电触点)弹簧销(图3、14)、弹簧(图4中底座下双点划线所示)、翘板机构(图19)等以及运动部件自重或金属表面亲合力(密封真空管中)，只要在稳态点能产生一定约束力即可。运动阻力较大时最好用磁铁、弹簧、翘板机构，因其能对过中点后的运动件有驱使它向稳态点运动的附加力。磁铁可用铁氧体、合金、稀上磁材、以及橡塑类弹性磁铁等。为降低成本，两稳态点处的磁铁也可合二为一(如图12、20所示)。稳态维持装置常兼做电触点(图2、4、9、11)。以上列举的各类稳态维持装置也可混合使用，如一边用磁铁，另一边用插座、弹簧销、卡簧、自重等。并可视具体情况非对称布置(图13)。

激励用电流脉冲通常无极性要求，正负均可，含磁铁的个别结构(见图7、9、13、15)要求用单向脉冲电流。该脉冲电流通常用适当容量的电容直接放电产生(见图16)。也可用小电容对三级管(或可控硅)控制极放电来间接产生(图18)，或由微处理器给出控制脉冲。大功率负载可用PTC元件产生(图17)。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运动机构。若配合运动部件的固有机械谐振特性，适当选择电容及绕组电感，使其工作在与其共振的振荡放电状态下效果更好。

当用于继电器等开关控制设备时，可附加一至数组受运动部件作用而开关的动静电触点，也可用舌簧开关管放在带磁铁的运动件附近来代替动静电触点(图8)。

在某些需手动或机电兼控的设施上使用时，可在其运动部件上加一手控装置，以便于手动或机动分合。(见图19运动件上部的手柄)。

本发明所述的致动器，通常以做成杆状的电磁铁芯(或部分铁芯)为运动部件，并可在螺管状电磁铁绕组中来回滑动(图1、2、11)杆截面通常为圆形或矩形，或空芯管状，绕组长度一般小于运动铁芯。

上述致动器中，用做电磁铁芯(或部分铁芯)的杆状运动部件，也可以为永久磁铁(图8)此时两边稳态维持装置用普通铁磁材料即可，磁铁磁极应与电磁铁绕组脉冲磁极相吸引，以保证它可进入绕组中来回滑动。

上述致动器中的杆状铁芯运动部件，也可做成阀芯状，并密封在非磁性材料壳体中(图14)，电磁铁绕组(或绕组与部分铁芯)位于壳体外(图14中双点划线表示位于绕组外的部分铁芯)，增加外磁路铁芯后可减小磁阻，屏蔽电磁干扰。非磁性材料可以用塑料、玻璃钢、高强陶瓷、黄铜、不锈钢、铝合金等材料。由于运动部件靠磁力经密封壳体传动，无传动件密封泄漏问题，且阻力小、结构简单、工作可靠。

本发明所述的致动器，其运动部件也可以是绕轴旋转并摆动于电磁铁铁芯磁极两边的部分铁芯。结构见(图4、5、10、13、15、19、20)。

本发明所述的致动器，其运动部件还可以是往复摆动于电磁铁铁芯两磁极间的部分铁芯。结构见(图6、图21)。

本发明所述的致动器，当用于管式微型全密封触点系统的双稳态继电器时，可附加一至数组受运动部件作用而开关的动、静电触点，电磁铁芯(图2)、或部分铁芯(图21)、稳态维持装置、或其一部分(图9中磁铁在外导磁簧片在内)、及电触点均微型化并密封在绝缘管内，电磁铁绕组(或绕组与部分铁芯)位于管外。绝缘管可以用玻璃、陶瓷、塑料等材料，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氮、氦等。为提高触点容量，管内可充汞及氢气。对于微型真空器件，还可用触点间金属表面亲合力来维持稳态。

本发明所述的致动器，若用手动开关通、断直流电源来形成励磁电流脉冲时，因脉冲宽度常远大于运动件渡越时间的一半，为使工作可靠，可在其运动部件与非运动件间加一阻尼装置(见图22)。当运动部件受电磁铁磁极(图中双点划线所示)吸引而快速向另一端运动时，其具有的动能可使它冲过最大磁引力作用点处的阻尼装置并继续向前。然而由于手动开关动作速度慢，产生的脉冲磁力仍未消失，冲过最大磁引力作用点后的运动部件因受到磁极吸引而减速并退向该点。此时因其动能较小，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。等脉冲磁力消失后，方可在磁力、重力、弹簧力等稳态维持力作用下，继续原方向运动。若无阻尼装置，运动部件就会处于最大磁引力作用点正中位置，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，断电后到另一端的三稳态功能。阻尼装置可以用尖锥与弹性簧片或簧丝(图15中双点划线所示)及弹簧销与锥台(图10所示)构成，弹性簧片(丝)也可用弹性胶垫代替。前叙稳态维持装置中的弹簧(图4中双点划线所示)、翘板机构(图19)、距离较近且对称布置的磁铁(图9)等也兼有阻尼装置作用。

本发明所述的致动器，当使用磁铁做稳态维持装置时，在某些应用场合可使磁铁约束运动部件端的磁极与运动部件被约束端的脉冲磁极极性相同(见图7、9、13、15等)。这样布置后，工作开始时，运动部件不仅受到电磁铁异性磁极吸引还受到磁铁同性磁极的推斥，因而起动速度快，动作灵敏、工作行程长，改善了致动器不均匀的力—行程特性曲线。(此时励磁电流脉冲应为单向而非任意方向)

综上所述，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、单向(或任意方向)脉冲励磁，省去了磁保持或剩磁保持双稳继电器所需要的正负电源或绕组换向开关，简化了结构及控制电路，高效节能，不发热，易密封防爆。

2、只改变了两稳态点位置，就具备了双稳功能，省去了机械双稳继电器中较复杂的双稳机构，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、无复位返力弹簧，用磁铁或弹簧等无功耗元件维持稳态，工作可靠，节能、抗振动、冲击，分合不易抖动，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、因在单向脉冲励磁时就可工作在推拉状态，所以工作行程可大于现有三种技术，适应于工作行程长的设施，如触点间距大的高压或超高压开关，较长行程双稳态电磁铁、电磁锁闩驱动装置等。

6、可构成结构独特的全密封磁力传动阀，因无传动件及其密封装置，所以阻力小，结构简单、并从根本上解决了此类产品最易出现的传动件密封泄漏问题。

附图说明；

图1为螺管式结构，全部铁芯为运动部件，磁铁维持稳态的最简单双稳态电磁致动器；

图2为微型螺管式全密封触点双稳态继电器，稳态维持装置为兼做电触点的卡簧片；

图3为铁芯固定，电磁铁绕组为运动部件，弹簧销维持稳态的双稳态电磁致动器；

图4为部分铁芯绕轴旋转并摆动于电磁铁铁芯磁极两边的电源转换开关，其稳态维持装置为兼做电触点的插座；

图5为旋转式双稳态致动器，运动部件为电枢，磁铁维持稳态(磁铁也可如图中双点划线所示布置)；

图6为部分铁芯为运动部件，并穿有芯轴，可往返摆动于电磁铁上下两磁极间的双稳态电磁铁；

图7与图5类似，只是将绕组放到运动部件(电枢)上，并在电枢两磁极处都放置了磁极方向与电枢感应磁极同向的磁铁；

图8为永久磁铁做运动部件的双稳态致动器，外磁路铁芯兼做稳态维持装置；

图9为摆动式微管全密封触点双稳态继电器；

图10为小型密闭式双稳态继电器；

图11为绕组外带有铁芯的螺管式小型双稳态继电器，用夹在两铁磁性导电触片间的绝缘磁体在触片上产生的磁性及触片弹性来维持稳态；

图12为铁芯固定，绕组与外磁路铁芯为运动部件的双稳态致动器，使用行程中点的一块固定磁铁维持稳态；

图13为用于高压负荷开关的双稳态致动器；

图14为用于密封阀的双稳态致动器，绕组外双点划线表示可以附加的外磁路铁芯，两端标有S、N的双点划线表示可代替图中弹簧销维持稳态的环状磁铁；

图15短行程双稳态继电器的结构，图中左上角的双点划线表示可附加的尖锥与弹性簧丝组成的阻尼止回装置；

图16为用电容直接放电脉冲电流产生电路；

图17为用PTC元件产生脉冲电流的电路；

图18为用小电容对三级管控制极放电来间接产生脉冲电流电路；

图19为手控或机电兼控的两用双稳态接触器，使用翘板机构维持稳态并止回；

图20另一种形式的双稳态接触器，使用运动部件上附带的一块磁铁与稳态点处的铁板维持稳态；

图21为部分铁芯在电磁铁铁芯两磁极间往复摆动的管式密封双稳开关，用U型磁铁维持稳态；

图22为阻尼止回装置工作原理图。

具体实施方式；

实施例1，本发明构成的微型螺管式全密封触点双稳态继电器，如图2所示，玻璃管内两端各封入弯成插座状的弹性卡簧片做电触点及稳态维持装置，软磁材料做的电磁铁芯两端加工成插头状，并经电镀等表面处理后装入管内做运动部件及动触点，管外中间部分绕有绕组，其宽度小于铁芯长度。给绕组加上适当宽度的任意方向脉冲电流，就可让铁芯在两组触点间运动并使其闭合或分断。为减小磁阻也可在绕组外增加外磁路铁芯，如图中双点划线所示。若铁芯与管壁配合较紧，为减小空气阻尼，可在铁芯中打一通孔或在外圆上沿轴向开数个槽。稳态维持装置也可用图1、图11、图21中所示磁铁代替。

实施例2，本发明构成的旋转电枢型双稳态致动器，可用于球阀、负荷开关、断路器、旋转电磁铁等设施。如图7所示，在一个带有两凸磁极的圆形定子铁芯内，还两两对应同心布置着四个磁铁，每一对的磁极相异。一个带绕组的两极转子可绕中心轴旋转摆动于定子磁极两边，转子在两稳态点时两极分别对应一对磁铁的磁极。定子内还有一个具有弹性的定位块用来限定转子在两稳态点位置，使其向定子磁极方向略偏于磁铁中心线。转子励磁后其脉冲磁极应与两对应磁铁的磁极相同，这样转子将在磁铁同性磁极的推斥以及定子感应的异性磁极吸引下向定子磁极运动，接近定子磁极时励磁脉冲消失，失去磁性的转子依惯性继续转动，越过已无磁性的定子磁极后又被位于定子磁极另一侧的磁铁吸引而运动至该侧的稳态点上。(定子磁极也可绕上绕组并与转子绕组串、并联，只要其磁极相异即可)。该致动器也可固定转子，以定子为运动件。

实施例3，本发明构成的摆动式微管全密封触点双稳态继电器，如图9所示在玻璃管一端封装一导电软磁材料做的磁极，其管内部分铰接着一导电软磁摆杆(摆杆也可铰接在重心位置使其不受重力影响)，玻管另一端中间封装着一软磁材料磁极、其两侧各封装一导电软磁材料构成得触片，两触片管外根部各贴有一同极性小磁片，使其管内端部呈相同磁极并可吸引摆杆端部使它维持稳态，(两触片也可用导电永磁材料直接构成)，绕组在管外。为减小磁阻也可如图中双点划线所示增加外磁路。为增加对控制脉冲的适应性，也可在触片中的磁极中心打孔，装微型弹簧销与摆杆构成止回装置。维持稳态也可用弹簧、卡簧等。

实施例4，本发明构成的小型密闭双稳继电器，如图10所示，一盒状软磁壳底部中心点焊一软磁铁芯，其上有绕组，一软磁材料构成的摆杆及其铰链点焊在盒盖中心。软磁盒盖上开有孔，可使固定在胶木板上的电触片引出，胶木板粘接在盒盖内面，胶木板上还固定有使摆杆定位并维持稳态的两块磁铁，摆杆顶端在两稳态位置是压在背面贴有绝缘材料得动触片上，并使其产生弹性变形而与静触片接触。摆杆顶端有一小锥台与铁心中央的弹簧锥销配合止回。两磁铁也可放在摆杆顶端附近并使其与摆杆感应磁极相同以提高灵敏度。稳态维持装置也可用卡簧、弹簧、翘板机构等。

实施例5，本发明构成的高压负荷开关，如图13所示，在带有绕组6的C型铁芯5上连接着可绕轴9旋转并摆动于磁极两边的活动铁芯4，铁芯4通过绝缘轴10带动主闸刀3及灭弧刀2运动。活动铁芯4被磁铁7和磁铁8及其支座限定于稳态位置。为增加分合闸时的作用力及速度，两磁铁位置呈非对称布置，两磁铁大小及其作用力也不等。靠近主闸刀插座11和灭弧管1一端磁铁较大且距磁极较近，另一端因只需保持分闸后的闸刀及活动铁芯不自由移动所以较小。两磁铁磁极方向与活动铁芯励磁后的磁极相同，以产生附加推力。电磁铁结构及其位置也可在附图中另行选取。

实施例6，本发明构成的二位4通密封电磁阀，如图14所示，在一个塑料或玻璃钢、高强陶瓷、不锈钢等非磁性材料构成的壳体内封装着加工成阀芯的纯铁、硅钢、坡莫合金或铁氧体等软磁材料电磁铁铁芯。电磁铁绕组或绕组与外磁路铁芯(图中双点划线所示)在壳外，壳体上分布着五个工质输送口，由位于壳体上的弹簧销与阀芯上的V型槽维持稳态(若阀芯摩擦力较大且阀体水平安装时可不要稳态维持装置，或在壳体外两端面处附加磁极极性与铁芯感应磁极同性的环状磁铁，以增加其换向力(如图14中两端双点划线所示)。阀芯也可由硅钢片叠成铆接后加工，并套上两非磁性材料环与壳体接触，以减小涡流及工质中可能含有的铁磁微粒划伤内壳，也可在阀芯上开槽嵌密封环。

实施例7，本发明构成的手控、电控两功能接触器，如图19所示，在一个绕着绕组的U型固定铁芯两磁极面上，绕轴摆动着一T型活动铁芯、T型铁芯下部类似扳动开关的翘板机构，翘板两端经铰链各连着三组桥式动触点，该触点可随翘板上下移动与对应静触点分合，此翘板机构也是T型活动铁芯的稳态维持装置，T型活动铁芯上端中间有一手柄，需要时可手工操动接触器分合。

以上实施例及附图的各种结构，经适当组合还可构成多种实施方案。

Claims (10)

1、一种用于继电器，接触器、断路器，电磁阀、电磁铁等电磁执行机构领域的脉冲励磁双稳态电磁致动器，由机座、含有运动部件的电磁铁及该运动部件稳态维持装置组成，其特征是，所述运动部件的两稳态点位于电磁铁最大磁引力作用点两边，运动部件在两稳态点均可被电磁铁的脉冲磁力作用而摆脱稳态维持装置的约束，从一边依靠惯性越过最大磁引力作用点而摆动至另一边，并在稳态维持装置作用下重新处于稳定状态。

2、如权力要求1所述的致动器，其特征是运动部件为做成杆状的电磁铁芯(或部分铁芯)，该运动部件可在螺管状电磁铁绕组中来回滑动。

3、如权力要求2所述的致动器，其特征是运动部件由永久磁铁构成，且与螺管状电磁铁绕组脉冲磁极相吸引。

4、如权力要求2所述的致动器，其特征是运动部件做成阀芯状，并密封在非磁性材料壳体中，电磁铁绕组(或绕组与部分铁芯)位于壳体外，通过磁力传动构成密封电磁阀。

5、如权力要求1所述的致动器，其特征是运动部件为绕轴旋转并摆动于电磁铁铁芯磁极两边的部分铁芯。

6、如权力要求1所述的致动器，其特征是运动部件为往复摆动于电磁铁两磁极间的部分铁芯。

7、如权力要求1或2、3、5、6其中之一所述的致动器，其特征是包含有一至数组受运动件作用而开关的动、静电触点，电磁铁芯(或部分铁芯)、稳态维持装置(或其一部分)及电触点均微型化并密封在绝缘管内，电磁铁绕组(或绕组与部分铁芯)位于管外，构成管式密封双稳态继电器。

8、如权力要求1或2、3、4、5、6其中之一所述的致动器，其特征是在致动器的运动部件与非运动件间有一阻尼止回装置，当运动部件越过最大磁引力作用点后，该装置可阻止运动件回移至最大磁力作用点正中位置。

9、如权力要求7所述的致动器，其特征是在致动器的运动部件与非运动件间有一阻尼止回装置，当运动部件越过最大磁引力作用点后，该装置可阻止运动件回移至最大磁力作用点正中位置。

10、如权力要求1或2、4、5、6其中之一所述的致动器，其特征是稳态维持装置为磁铁，且其约束运动部件端的磁极与运动部件被约束端的脉冲磁极极性相同。

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