CN1729548A - 电磁驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种尤其在中压技术领域的开关用的电磁驱动器(1)，它包括至少一个界定一个空气间隙的磁体(2、3)、一个设在空气间隙(4)内相对于磁体(2、3)做导引运动的运动件(5)、至少一块永久磁铁和至少一个可供给电流的导体(6)，其中，该一个或多个导体(6)在运动件(5)运动时至少部分在一个由该一块或多块永久磁铁产生的磁通中延伸，为了使这种电磁驱动器能以简单的方式固定在其终端位置，但与此同时保持方便地控制驱动器运动，本发明建议，所述运动件(5)与至少一个软磁性的闭锁体(7)连接；以及，由所述一块/多块永久磁铁(3)产生的磁通在运动件(5)的一个终端位置穿过闭锁体(7)，以及空气间隙(4)为了磁通由闭锁体(7)跨接。

Description

电磁驱动器

本发明涉及一种尤其在中压技术领域的开关用的电磁驱动器，它包括至少界定一个空气间隙的磁体、一个设在空气间隙内可相对于磁体做导引运动的运动件、至少一块永久磁铁和至少一个可供给电流的导体，其中，该一个或多个导体在运动件运动时至少部分在一个由该一块或多块永久磁铁产生的磁通中延伸。

例如由DE 198 15 538 A1已知这种电磁驱动器。在那里公开的驱动器有一台三相交流直线电动机，它由多个电动机模块组成。各电动机模块具有规定数量的固定的电动机线圈以及可相对于它们纵向运动地导引的带有永久磁铁的运动件。通过电动机线圈的励磁产生一个磁场，运动件的永久磁铁设在此磁场中。基于产生的洛伦兹力导致运动件的驱动运动，该运动件通过一开关杆与一个开关的运动触头连接。为了接通真空开关，运动触头通过三相交流直线电动机压靠在开关的固定触头上，此时运动件到达一个终端位置。

由WO 95/07542已知一种电磁驱动器，它有一个软磁性材料制的框形封闭延伸的磁轭，为了避免涡流，它由薄板堆叠而成。磁轭构成一个空腔，一个用软磁性材料制的衔铁在空腔内在两个终端位置之间被运动地导引。在每个终端位置，衔铁通过其端侧之一与软磁性磁轭触头接通，与此同时，在衔铁与此接触位置对置的另一个端侧与环形封闭的磁轭之间界定了一个空气间隙。在磁轭的空腔内还固定两个线圈，它们分别围绕衔铁的一个端侧。在线圈之间设有一些用于产生磁通的永久磁铁。基于此空气间隙，衔铁保持固定在各自的终端位置。通过围绕在空气间隙侧的端侧的线圈励磁，在空气间隙内产生如此强的磁通，以致为了减小磁阻使衔铁与磁轭分离，以及在闭合空气间隙的情况下转移到其第二个稳定的终端位置，在这里衔铁以其原先界定空气间隙的另一个端侧贴靠在磁轭上。从现在起线圈的励磁电流可以中断，因为衔铁也固定在此终端位置上。

上述两种已知的磁驱动器以不同的物理效应为依据。按DE 198 15 538A1的电磁驱动器为了产生驱动作用利用所谓的洛伦兹力。当带电粒子在磁场中运动时就会产生该力。按WO 95/07542的电磁驱动器的工作基于这种物理效应，即，磁场优选地在一种有高的导磁率的材料中传播，换句话说，在一种磁阻低的材料内传播。通过衔铁的移动，总的系统从一个具有高磁势的不利的能量状态转移到一个更有利的能量状态，在此状态空气间隙闭合以及磁通几乎仅仅穿过一种有低磁阻的材料。用于将系统转移为能量学有利的状态所需的力通过形成梯度产生。以这种效应为基础的驱动器也称为磁阻驱动器。

以洛伦兹力为基础的电磁驱动器有大的动力，以及除此之外能以简单的方式，亦即借助通过磁场导引的电流进行控制。但是存在的缺点是，这种驱动器没有稳定的终端位置或中间位置，而是在需要时必须通过附加的装置固定在各规定的终端位置。为此，通常使用弹簧、棘爪之类，它们的作用力只能麻烦地取消。磁阻式驱动器的特点一般而言在于稳定的终端位置固定。然而它们存在的缺点是严重非线性的行程-力特征线，该特征线要么只能困难地予以改变，要么在改变时会不利地影响到在终端位置的固定力或不利地影响到所述结构腔。

因此本发明的目的是提供一种前言所述类型的电磁驱动器，它能方便地固定在其终端位置，但与此同时保持简单地控制驱动器运动。

为达到此目的本发明采取的措施是，令运动件与至少一个软磁性的闭锁体连接；以及，由一块/多块永久磁铁产生的磁通在运动件的一个终端位置穿过闭锁体，以及空气间隙为了磁通由闭锁体跨接。

按本发明的电磁驱动器导致不仅利用洛伦兹力，而且利用因磁阻降低所形成的作用力，或换句话说利用磁阻力。为此在至少一个终端位置通过闭锁体跨接一个增加磁通磁阻的空气间隙。因此，运动件处于能量学有利的状态。在闭锁体从其终端位置脱离后，磁通被迫通过设在磁体内的空气间隙或通过设计在磁体与闭锁体之间的并增大的空气间隙流动，从而增大磁阻。以此方式，鉴于此终端位置形成了磁不利的状态。产生了一个对抗分离的磁性力。此运动件通过一个恰当的机械，例如驱动杆和传力杠杆，可与开关尤其真空开关的运动开关触头连接。在这种情况下，在驱动器的一个终端位置，运动的开关触头与开关的位置固定的触头牢固地接触。

当电流经过开关触头流动时，通过在触头处构成的狭窄位置产生互相排斥的力。通过锁定驱动器的终端位置避免了触头彼此脱离，并因而尤其在短路时避免形成高能电弧。

以减小磁通磁阻为基础的作用力有严重的非线性特征，因为在闭锁体与磁体的距离小时产生大的力。在中间的行程位置，此时闭锁体离磁轭距离较大，驱动器几乎仅借助洛伦兹力进行工作。因此按本发明的电磁驱动器在运动件的中间位置可以简单的方式，亦即或通过恰当地向导体馈电，或通过改变所述借助电磁线圈产生的磁通进行控制。然而在这些终端位置同时提供足够大的闭锁力，以便即使在短路时也能避免运动的开关触头脱离位置固定的静触头。

闭锁体为了跨接而贴靠在所述一个或多个磁体界定空气间隙的区域上，在此绝非必要。闭锁体也可以保持距这些区域有一个小的间距，以便在这些情况下例如可产生一个持续的压力用于将开关触头压靠在开关的固定触头上。但重要的是，与其他可能的行程位置相比，在终端位置上时的磁阻为最小。

在运动件上例如固定一些永久磁铁，由它们产生的磁通以及也可能由所述导体产生的磁通，在闭锁体处于一个终端位置时部分通过闭锁体流动，由此使得整个磁路的阻力在该终端位置是最小的。

与之不同，运动件也可有至少一个带有一支架的线圈，该支架被导体缠绕，其中，每个闭锁体与线圈的一个端侧连接。按本发明的此项恰当的进一步发展，电磁驱动器是一个行程驱动器，其中，电磁驱动器的行程与所述一个线圈或多个线圈的长度基本一致。闭锁体可以在设置在线圈的一侧或两侧。若运动件例如具有两个闭锁体和一个线圈，则它固定在两个终端位置。与仅具有一个闭锁体的方案相比，这种闭锁体对驱动器的力-行程特征线的影响得到增强。

按另一项有利的进一步发展，磁体除一块或多块永久磁铁外还包括一个软磁性磁轭，其中，由每块永久磁铁产生的磁通穿过磁轭。采用磁轭导引磁通有利于降低成本，因为空气间隙不必加工在大的并因而成本高的永久磁铁内。确切地说，使用一块较小的永久磁铁便足够了。磁轭有利地设计为环形或框状，在这种情况下通过例如矩形框构成一个磁路，它仅被一个使框的延伸过程断开的空气间隙中断。为了避免涡流，磁轭由薄板堆叠而成。磁体并因而一块或多块永久磁铁相对于运动件位置固定。因为运动件在产生驱动运动时插入该空气间隙内，所以本发明的此项进一步发展也称为以活动心线圈原理为基础的驱动器。这种驱动器与按三相交流直线电动机原理的驱动器相比用直流电压就够了，直流电压可以从三相电网的一个相获得。

按一种优选的实施例，每个闭锁体在其所属的终端位置时贴靠在软磁性磁轭上。由此避免在此终端位置在闭锁体与磁体之间的空气间隙。磁通从磁体直接过渡到闭锁体中，因此磁路的磁阻最小化。运动件因而特别牢固地锁止在此终端位置。

有利地，为了将运动件从其终端位置推开设有一个弹簧。在相关的终端位置的固定力可以通过线圈恰当地通电减小或甚至取消。弹簧则支持运动件离开终端位置。例如压力弹簧适合于作为这种弹簧，它们一方面支承在位置固定的支座上，以及另一方面支承在闭锁体背对线圈的那一端上。

按本发明的另一项进一步发展，运动件装在一根轴上并可以旋转，以及，每个闭锁体在一个终端位置贴靠在与磁体连接的止挡上。在按本发明的此项进一步发展中，电磁驱动器不是直线电动机，而是产生一个旋转运动，该旋转运动通过轴的旋转运动向外传输。按此项进一步发展，磁体可以有一些产生一行波磁场的电磁铁。

但优选地磁体有一个带有一些永久磁铁的磁轭，在这种情况下由永久磁铁产生的磁通穿过设计在磁体内的孔，换句话说穿过空气间隙。运动件设计为基础上与空心圆柱形空气间隙相配并借助轴可转动地装在空气间隙中。通过运动件导体的励磁产生旋转运动。所述导体可例如设计为绕组，它由一个电流相位供电。不过所述导体也可以通过多个绕组实现，它们由多个电流相位励磁，从而形成一个行波场。终端位置通过两个止挡的定位确定，止挡与磁体固定连接。在终端位置区，例如设计为杆状的闭锁体将其对置的端部区挡靠在止挡上，所以在终端位置通过闭锁体构成止挡的跨接。磁通现在不再被迫穿过空气间隙，而是克服较小的磁阻通过闭锁体从一个止挡到达另一个止挡。

比较适宜的是，所述运动件设计为旋转对称，以及所述导体设计成为至少一个在所述运动件上的绕组。

本发明其他恰当的设计和优点是下面参见附图对实施例所作说明的内容，其中相应的构件采用同样的附图标记表示，以及

图1表示按本发明的电磁驱动器一种实施例示意图，

图2表示按本发明的电磁驱动器另一种实施例示意图，

图3表示按本发明的电磁驱动器另一种实施例示意图，

图4表示按本发明的电磁驱动器另一种实施例示意图，以及

图5表示按本发明的电磁驱动器另一种实施例示意图。

图1示意表示按本发明的电磁驱动器的一种实施例。所表示的电磁驱动器有一个由磁轭2和永久磁铁3组成的磁体，磁体中设有一空气间隙4。磁体2、3和空气间隙4构成一个由永久磁铁3产生的磁通的磁路，其中，空气间隙4与磁体2、3相比意味着是一个有较大磁阻的区域。在被磁通或磁场穿过的空气间隙4中伸入一个运动件5，它由线圈6和闭锁体7组成。线圈6有一个例如用塑料制的不导电的线圈架，它用彼此接触对外绝缘的导体缠绕。线圈6伸入空气间隙4中的区段遭遇永久磁铁3产生的磁通，由此通过给线圈馈给电流来励磁而产生洛伦兹力，该洛伦兹力视具体的电流方向使运动件5移入空气间隙4内或从空气间隙移出。以此方式产生行程运动，该行程运动作为驱动运动例如可用于一个中压断路设备的断续器单元。

若运动件5基于洛伦兹力插入空气间隙4内以及在闭锁体7与磁轭2之间间距的两倍值小于空气间隙4的直径时，则磁路的磁阻下降。空气间隙4被闭锁体7跨接。若闭锁体7完全贴靠在软磁性的磁轭2上，则磁通可仅仅通过那些有高导磁率并因而低磁阻的材料而闭合。与有空气间隙的磁路相比，这种状态在能量学上更有利。因此一个梯度力阻止运动件5移到一个使闭锁体7与磁轭2隔开距离的位置。所述闭锁体7锁止在磁轭2上。

为了使闭锁体7离开磁轭2，设有一个在图1中仅示意表示的弹簧8，它例如设计为螺旋弹簧，并一方面支承在磁轭2上和另一方面支承在线圈6上。若闭锁体7贴靠在磁轭2上，则弹簧8被预紧。通过向线圈6供电，削弱产生固定力的永久磁场到这样的程度，即，弹簧8可将运动件5从此终端位置出发加速。此外，弹簧8可用于产生一个持续的压力将真空开关管的运动触头紧压在其固定触头上，其中，运动触头通过一个恰当的杆和杠杆装置与运动件5机械连接，为的是将运动件的运动传给运动触头。

图2表示按本发明的电磁驱动器1的另一种实施例。在图示的实施例中由两个分段2a和2b组成的磁轭2有两个空气间隙4，在这里，运动件5将两个线圈6分别延伸到其中一个空气间隙4内。以此方式相对于源自于减小磁阻所产生的作用力提高了洛伦兹力的份额。

图3表示按本发明的电磁驱动器1的另一种实施例的示意图。如图1中那样，在软磁性的磁轭2中只设一个空气间隙。但与图1所示实施例不同，运动件5有两个闭锁体7，它们安排在线圈6的两端。因此运动件5的运动两侧受限制，从而确定出两个终端位置，在其中一个终端位置闭锁体7贴靠在软磁性磁轭2上以及运动件5处于闭锁位置。为了分离两个闭锁体设有两个弹簧8，它们沿运动件5的运动方向彼此对置地布置以及各将其一端支承在它们配属的那个闭锁体7上，而另一个弹簧端支承在与磁轭2固定设置的支座上。

图4表示按本发明的电磁驱动器的一种实施例，其中与图2一样，软磁性磁轭2由两个分段2a和2b组成并设计有两个空气间隙4。运动件5有两个线圈段6，它们分别在其中一个空气间隙4内延伸。与图2不同，按图4的运动件5有三个闭锁体7。因此，运动件5只能在两个终端位置之间移动，在终端位置总是有两个闭锁体7贴靠在软磁性磁轭2上，从而跨接两个空气间隙4。为了分离闭锁体7仍设两个压力弹簧8，它们彼此沿运动件5的运动方向对置以及分别将一端支承在闭锁体7上以及另一端支承在图中未表示的位置固定的支座上。

图4还示意表示了一个真空开关9，它由一个空心圆柱形不导电的陶瓷段10和金属的端侧11及12组成。端侧11被固定触头13穿过，与它沿轴向对置地设一个可沿轴向运动地导引的运动触头14。运动触头14固定在导电的开关杆15上，后者穿过一个金属波纹管16，通过波纹管提供运动触头的轴向运动自由度。在陶瓷段10、端壁11和12以及金属波纹管16之间形成有一个真空室17，其中构成真空。图中仅示意表示的端子18用作电流接线头。驱动器的运动通过一杠杆19和用不导电的材料制的一传动杆20传入真空开关内，在这里，杠杆19通过示意表示的传动装置21与驱动器1连接。为了产生必要的触头压紧力设有一触头压紧弹簧，后者例如装在传动杆20内。

图4表示真空开关9处于中间位置。与之相反，在图中未表示的一接触位置时，运动触头14与固定触头13触头接通，所以电流可以流动。在这种情况下最下面的闭锁体7以及在中间的闭锁体7贴靠在磁轭2上，从而可锁定所述真空开关9的接触位置。由此防止运动触头14基于狭窄位置力(Engstellenkraften)从固定触头13上抬起。当处于分离的位置上时，上部闭锁体7和中部闭锁体7贴靠在磁轭2上，不过中部闭锁体7贴靠在下部框段上。

在图3和图4表示的实施例中，闭锁体7的影响以及进而与洛伦兹力相比磁阻力的份额增大。

图5表示按本发明的电磁驱动器1的另一种实施例。在图中表示的电磁驱动器1有一个由软磁性磁轭2和两块永久磁铁3组成的磁体，该磁体设计为基本上为框状并且有两个互相面对的楔柱状凸块22。凸块22构成空气间隙4的边界。运动件5借助一根图5中未表示的轴可旋转地装在空气间隙4内，并配备有一个设计为绕组的导体或者说线圈6，该线圈6在这里可通过仅三相电流的一个相提供励磁电流。

此外，在运动件5上设有两个同样设计为楔柱状的闭锁体7，它们在运动件5的彼此对置侧与运动件5固定连接。

由永久磁铁3产生的磁通选择磁阻最小的途径穿过凸块22并因而穿过运动件5及线圈6。通过线圈6的励磁，基于洛伦兹力导致运动件5旋转运动，并以此方式产生一个驱动力用于电开关设备的真空开关管。在真空开关管开关触头的接触位置，互相对置的闭锁体7贴靠在凸块22上，由此使得磁通穿过凸块22、闭锁体7和运动件5。在这里，闭锁体7用铁磁性材料制成，并通过跨接空气间隙4而使磁阻减小。因此电磁驱动器1的终端位置通过磁阻力锁住。

Claims (7)

1.一种尤其在中压技术领域的开关用的电磁驱动器(1)，它包括至少一个界定一个空气间隙的磁体(2、3)、一个设在该空气间隙(4)内可相对于磁体(2、3)被引导作运动的运动件(5)、至少一块永久磁铁和至少一个可供给电流的导体(6)，其中，所述一个或多个导体(6)在运动件(5)运动时至少部分在一个由所述一块或多块永久磁铁产生的磁通中延伸，其特征为：所述运动件(5)与至少一个软磁性的闭锁体(7)连接；以及，由所述一块/多块永久磁铁(3)产生的磁通在运动件(5)的一个终端位置穿过所述闭锁体(7)，在此，所述空气间隙(4)为了磁通由闭锁体(7)跨接。

2.按照权利要求1所述的电磁驱动器(1)，其特征为：所述运动件(5)具有至少一个带有一支架的线圈(6)，该支架被所述导体缠绕，其中，每个闭锁体与该线圈(6)的一个端侧连接。

3.按照权利要求1或2所述的电磁驱动器(1)，其特征为：所述磁体包括所述一块或多块永久磁铁(3)和一软磁性磁轭(2)，其中，由每块永久磁铁(3)产生的磁通穿过所述磁轭(2)。

4.按照权利要求3所述的电磁驱动器(1)，其特征为：每个闭锁体(7)在其所属的终端位置时贴靠在所述软磁性磁轭(2)上。

5.按照上述任一项权利要求所述的电磁驱动器(1)，其特征为：设有至少一个弹簧(8)用于将所述运动件(5)从终端位置推开。

6.按照权利要求1所述的电磁驱动器(1)，其特征为：所述运动件(5)装在一根轴上并可以旋转，以及，每个闭锁体在所述运动件的一个终端位置贴靠在与所述磁体连接的止挡上。

7.按照权利要求6所述的电磁驱动器，其特征为：所述运动件(5)设计为旋转对称的，以及所述导体设计成为至少一个在所述运动件(5)上的绕组。

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