CN1745448A - 开关的电磁驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开关的电磁驱动装置(1)，具体而言是应用于中压技术领域的开关的电磁驱动装置。该驱动装置具有一个驱动单元(2)，且该驱动单元含有一个磁导体(6)、一个至少部分地在该磁导体中可移动放置的电枢(8)、该电枢设有至少一个可产生驱动永磁场的驱动磁体(5)以及至少一个至少部分延伸至该驱动永磁场内的导体(10)；锁紧单位(3)将电枢锁紧在至少一个终端位置。为了提供一种可通过简单的方法固定于其终端位置并确保其能简单受控的开关的电磁驱动装置，值得建议的是，该锁紧单位(3)至少应具备一个软磁性的运动部件(15)，该运动部件固定地与电枢(8)连接在一起的，并且在电枢(8)的一个终端位置处，有一个锁紧永磁场的气隙(18)，由此，在不依靠驱动磁场的情况下，通过至少一个锁紧磁体(16)产生上述锁紧磁场。而该锁紧磁体与一个脱离线圈(17)相连，通过该线圈，电流可以独立与上述的导体而流动，从而将电枢拉离其端部位置。

Description

开关的电磁驱动装置

技术领域

本发明涉及一种开关的电磁驱动装置，具体而言为应用于中压技术领域的开关的电磁驱动装置。该电磁驱动装置具有一个驱动单元，该驱动单元包括一个磁体、一个至少部分地在该磁体中可移动放置的电枢、至少一个可产生驱动永磁场的驱动磁体以及至少一个至少部分地延伸至该驱动磁场内的导体；其中，还有一锁紧单元将电枢锁紧在至少一个终端位置处。

背景技术

此类的电磁驱动装置可从例如DE 198 15 538 A1中加以了解。被公布于其中的驱动装置具有一台由多个电动机模块组合在一起构成的三相交流线性电动机。该电动机模块由一定数量的固定的电动机线圈以及与此相关的、纵向运动且带有永磁体的运动部件组成。该运动部件的永磁体则设置在通过激励电动机线圈所产生的磁场中。该运动部件在洛伦兹力的作用下开始驱动运动，且通过操作杆与开关的移动触点连接起来。为了接通真空开关，该移动触点通过三相交流线性电动机的驱动进抵在开关的固定触点上，由此可使该运动部件到达一个终端位置。

WO 95/07542中披露了一种电磁驱动装置，含有一个以框架结构封闭运作的磁轭。该磁轭由软磁材料构成，从而可避免由大量薄片聚集所生成的涡流。而一由软磁材料构成的电枢在该磁轭形成的空间中在两个终端位置之间运动。在每个终端位置上，电枢都会用其立面之一去接触该软磁磁轭，而该电枢的另一个与前述接触立面相对的立面与该封闭运行的磁轭之间形成一个气隙。此外，在该磁轭的空间内还固定着两个分别环绕在电枢的上述立面上的线圈。在这两个线圈之间，存在可产生磁通量的永磁体。且由于气隙的存在，使得该电枢被固定地各终端位置上。通过激励围绕在处于气隙那侧的电枢立面的线圈，在该气隙处产生了一个如此巨大的磁通量，以至于为了减少磁阻，电枢从磁轭上脱开，并且在上述气隙闭合的情况下，电枢转而进入其第二个稳定的终端位置。在该终端位置处，电枢以其之前限定气隙的那个立面抵靠在磁轭上。由于电枢同样固定于该终端位置处，线圈的励磁电流也将中断。

前述两个电磁驱动装置是以不同的物理原理为基础的。根据DE 198 15 538 A1所涉及的电磁驱动装置运用的是用于产生驱动作用的洛伦兹力，该力是通过带电物体在磁场中的运动所产生的。而WO 95/07542中所涉及的电磁驱动驱动装置的作用可归因于如下物理效应，即一磁场会优先在高导磁系数的材料中，或换言之，在磁阻弱的材料中传播。通过电枢的移动，整个系统可由一具有高磁势能的能量低效状态向一能量较高效状态转化。在该能量高效状态下，气隙被闭合或被消除，并且磁通量仅穿过带有微弱磁阻的材料。用于把系统转化为能量高效状态的力是以梯度形态出现的，而基于该效应之上的驱动也可被称为磁阻驱动。

以洛伦兹力为基础的电磁驱动装置具有强大的动力，并且该驱动装置可以通过一种简单的方式，由磁场产生的电流来控制。然而该驱动装置的缺点在于其自身不会停止于任何稳定的终端或中间位置上，而是必须通过其他物件将其固定于预定的终端位置上。为此，通常会有一些弹簧、插口或是类似的物件安置于其中，以消耗和抵消洛仑兹力。磁阻驱动通常因其终端位置稳固而出众，然而其也有一个缺点，其路径和力的特征曲线表现为非线性的，该曲线要么难以被影响改变，要么会对终端位置上的保持力负荷或对装置空间的负荷产生影响。

发明内容

因此，本发明旨在提供一种上述类型的开关的电磁驱动装置，该开关的电磁驱动装置可通过简单的方法固定于其终端位置处，并确保对驱动运动的简单控制。

本发明的上述目的是这样实现的，该锁紧单元具有至少一个与电枢固定连接在一起的软磁性的运动部件，该运动部件在电枢的每个终端位置上将锁紧永磁场中的气隙消除，该缩紧磁场通过至少一个锁紧磁体产生，并且独立于上述驱动磁场。该锁紧磁体中设一个独立于上述导体并可通电的脱离线圈，用于将电枢从其一个终端位置处驱动出来。

本发明的开关的电磁驱动装置包括：一驱动单元和一锁紧单元，两者的导体或线圈是各自独立导电的。以此方式，本发明的开关的电磁驱动装置可随意受控以及可几乎适应所有要求。同时，该驱动单元中的电枢的至少一个终端位置处备有一电磁锁紧装置，由此即可淘汰高成本且需经常维护的机械锁紧单元。通过消除预先存在于锁紧单元中的气隙，相对于由锁紧磁体产生的锁紧磁场的磁阻会降低或最小化，从而使得电枢由此终端位置移出时仅需克服锁紧单元的磁阻力成为可能。在该电枢的终端位置处，运动部件倚靠在例如锁紧单元上限定气隙的那个区域，该区域形成一个用以阻挡电枢继续运动的止挡。

除此之外，电枢以及运动部件也可固定地与真空开关管的移动触点连接在一起。在此真空开关电子管的接触位置上，移动触点与真空开关管的位置固定的固定触点相接触。基于与电枢的固定连接且通过触点的互相接触，同样可确定电枢的一个终端位置。当电枢处于这一终端位置时，移动部件绝不需要倚靠在锁紧单元用于形成气隙的软磁区域，该移动部件更可远离该锁紧单元用于限定上述气隙的软磁区域。

通过对驱动单元的导体和锁紧单元的脱离线圈分别独立地导电，磁阻力即锁紧磁体的作用力在驱动运动时几乎完全被抵消。例如，当电枢从一个终端位置被驱动出来时，脱离线圈产生一个可中和锁紧磁场的脱离磁场。。

本发明的基本特征还在于，上述运动部件是由相对于气隙而言仅具有较小磁阻的材料构成的。因此，任何呈铁磁性的物质，如铁、铁磁合金、镍铁合金都适用。这些软磁性的材料，在磁场消失后会失去由磁场所产生的磁特性。所以，软磁性的材料具有细长的磁滞曲线并且因此仅具有弱的矫顽磁场强度。

具有优点的实施方式是，锁紧体由两个部分构成，并且各自放置于运动部件的两侧。根据本发明的具有优点的进一步的特征，与电枢固定连接在一起的运动部件的运动空间是由两个面限定的，由此电枢运动的两个终端位置可被确定下来。根据本发明的进一步的特征，电枢可用于驱动真空开关管，由此不仅可以将真空开关管锁定在接通位置，使电流通过真空开关管，而且还可以将该开关管锁定在断开位置，使各触点互相分开。

具有优点的实施方式还在于，在锁紧单元与驱动单元之间设置用于隔绝磁通量的介质。通过该隔绝介质，锁紧单元和驱动单元的磁场互相分隔开，通过该隔绝介质可以阻止驱动磁场的重叠并阻止它与锁紧磁场甚至是与脱离磁场之间发生无益的相互作用。该隔绝介质采用非铁磁性且导磁系数小于等于1的物质，例如，空气或铝。

根据本发明的一个优选实施方式，每个锁紧磁体以及每个脱离线圈都被安置于上述锁紧体上。以此方式在驱动运动中保持不动的锁紧体可固定住上述的锁紧磁体和脱离线圈，从而避免在(例如)导通真空管时该敏感组成部件随之运动。借助这种有利的设计，降低了电磁驱动装置的维护工作量。

根据本发明的目的，该电枢具有一个由隔绝材料构成的线圈架，其上缠绕有导体线圈。由此，该电磁驱动装置变成为一移动装置。该线圈架则可制成诸如管件或换言之管状物。

根据具有优点的进一步的特征，磁体由驱动磁体以及一软磁性的磁轭构成，驱动磁场穿过该磁体中的一个间隙，而上述运动部件至少部分导体设置在该间隙内。根据本发明的这一特征，线圈可以运动起来，与之相对，更灵敏更重的永磁体可固定地放置于该磁体中。如前所述，通过避免永磁体的运动可延长使用寿命并减少维护困难。由于线圈的运动，该驱动装置所基于的原理也可被称为动圈原理。

在本发明的另一个优选的实施方式中，本发明的电磁驱动装置拥有一控制单元，可产生预先确定且与时间有关的控制信号、还具有一依靠控制信号向导体供电且可加强电流的促动器输出极，以及至少一依靠控制信号向脱离线圈供电且可加强电流的线圈输出极。采用本发明特征的输出极可以加强控制单元的输出信号，如其信号强度不足以传输到线圈和导体的话。控制单元产生与在实际应用中出现的各种需求相对应的信号数据，而根据其模型产生与时间相关的控制信号。借助该控制单元，用一种特别简单的方式来调节所希望的电磁驱动装置的力和路径特征曲线便成为可能。

此外，本发明还涉及一种用于控制本发明电磁驱动装置的方法，在所述方法中，锁紧线圈即可依靠导体的电流而导电，运用所述方法可以几乎完全排除相互影响的情况。

附图说明

下面参照附图，对本发明的实施例作说明，以体现本发明的改进和优点。其中，相应的组成部件用相同的零件标号表示：

图1为本发明的实施例所涉及的电磁驱动装置的剖面图；

图2展示图1所示的该电磁驱动装置的控制设备。

具体实施方式

图1以剖面图的形式说明了发明实施例所涉及的电磁驱动装置1。该电磁驱动装置1包括一驱动单元2以及一锁紧单元3，两者是通过以环状铝块4所构成的绝缘介质互相连接在一起的。该绝缘介质用于使该驱动单元2中的磁场与该锁紧单元3中的磁场互相隔绝。

驱动单元2含有一个磁体。该磁体由一个可产生驱动永磁场的驱动磁体5以及一个与该驱动磁体5固定连接在一起的软磁性的磁轭6组成。在该磁导体5、6中具有一个环状的间隙7，且电枢8的一部分延伸进入该环状的间隙7。该电枢8具有一个由绝缘材料制成的斗状线圈架9，且该线圈架的管状段上缠绕一导体的线圈。通过导体的线圈缠绕构成了驱动线圈10。

电枢8通过线圈架9的横向支柱11固定地与驱动杆12连接在一起，该驱动杆借助于普通轴承沿纵向可运动地设置于该电磁驱动装置1中。

锁紧单元3含有一个由两部分组成的软磁性的锁紧体14，该锁紧体被安置于由软磁性材料构成的运动部件15的两侧，而该运动部件15固定地与驱动杆12连接在一起，也就因此固定地与电枢8连接在一起。，在该实施例中，无论是锁紧体14或是运动部件15，均采用铁磁性的钢作为软磁性材料。在锁紧体14的每一段或每一部分以及运动部件15的两侧均可见到锁紧磁体16，该磁体可产生沿电枢8轴向方向延伸的锁紧磁场。在其附近，该锁紧磁体16分别被脱离线圈17围绕在中间。通过运动部件15及锁紧体14限定出了气隙18，且上述锁紧磁场沿运动部件15的运动方向并且基本上是轴向地穿过该气隙。

在驱动单元2的洛伦兹力的作用下发生了驱动运动，同时在电枢8的纵向方向产生一个轴向的驱动用永磁场，其场力线在驱动磁体5中表示出来。该驱动永磁场穿过软磁性的磁轭6。由此，被安置于磁体的间隙7中的、属于电枢8的线圈10便被该磁场横向穿过。该线圈10导电之后便可由此产生电枢8的往复直线运动，该运动可通过驱动杆12传递到运动部件15。于是，该运动部件15将沿直线往复运动的方向，朝向锁紧体14之一运动过去，由此，将形成于运动部件15以及锁紧体14之间的一个气隙18缩小。该气隙18的缩小导致了由锁紧磁体16之一产生的、轴向的锁紧磁场的磁阻减少。该效应产生于以下基础上，即锁紧体14是由一铁磁性的材料，即由一导磁系数远大于1的材料构成，而气隙18中填充的空气是相对导磁系数为1的物质。当上述运动部件15碰倒锁紧体14的其中一个时，电枢8便可达到它的其中一个终端位置，并通过由气隙缩小所产生的磁阻力而锁紧在该终端位置。为将电枢8从该终端位置处脱离，该与运动部件15相倚的锁紧磁体16周围的脱离线圈17将被激发。该锁紧磁体16的作用力被由脱离线圈17所产生的脱离磁场所削弱或抵消，从而可以通过驱动单元2，将电枢8从该终端位置处脱离出来。由此开始，该电枢8便可向相反方向一直运动，直到其撞击到锁紧体14的另一部分并达到其第二个终端位置。由于此时与运动方向相对的另一气隙18被闭合，在该终端位置处，相对于锁紧磁场的磁阻也达到了最小值。

图2表示图1的电磁驱动装置1的控制单元19。该控制单元19具有一接口20，该接口可将到达的接通或断开信号21转换成可被控制元件22所接受的用于控制的输入信号。在该控制单元22中，预先确定的信号模型以信号强度与时间相关的模式储存在于该控制元件的存储区中。借助于选出的预定信号模型，该控制单元19可通过与时间相关的电流值24操控磁体定位输出极23。该定位输出极产生加强的电流值24并向锁紧单元3的脱离线圈17来供电。

此外，控制元件22还与一电流调节器25连接在一起，该电流调节器可用于比较由控制元件22测得的电流理想值26和在促动器输出极28的出口处测得的电流实际值27。在将电流理想值26与电流实际值27项协调期间，将产生一释放信号29，实际的路径位置将由一图中未显示的测量系统测定。因此，通过该控制设备的控制，可特别精确地调节该电磁驱动装置的力和路径的特征曲线。

当然，在本发明的范畴中也可放弃一些附加的操控，并且，促动器输出极28也可同样直接受控于控制单元22。

控制单元22、促动器输出极28以及磁体定位输出极23是与图2中的电源31连接在一起，且该电源可用于为控制设备运行提供所必需的能量30。

Claims (9)

1.一种特别应用于中压技术领域的开关的电磁驱动装置(1)，包括：一个驱动单元(2)，该驱动单元具有一个磁体(6)、一个至少部分地在该磁体中可移动放置的电枢(8)、至少一个可产生驱动永磁场的驱动磁体(5)以及至少一个至少部分地延伸至该驱动磁场内的导体(10)；其中，设有一个锁紧单元(3)，将电枢(8)锁紧在至少一个终端位置处；其特征在于，上述锁紧单元(3)具有至少一个与电枢(8)固定连接在一起的软磁性的运动部件(15)，该运动部件在上述电枢(8)的每个终端位置处消除一个气隙(18)，以形成一个锁紧永磁场，其中，在不依靠磁场的情况下，通过至少一个锁紧磁体(16)产生一个独立于驱动磁场的锁紧磁场；该锁紧磁体设置有一个独立于上述导体而通电的脱离线圈(17)，用于将上述电枢(8)从一个终端位置处解脱出来。

2.根据权利要求1所述的开关的电磁驱动装置，其特征在于，该锁紧单元(3)具有一与该磁体连接在一起的锁紧体(14)，每个气隙都形成于该锁紧体(14)与上述运动部件(15)之间。

3.根据权利要求2所述的开关的电磁驱动装置，其特征在于，该锁紧体(14)由两个部分构成且被安置于上述运动部件(15)的两侧。

4.根据权利要求2或3所述的开关的电磁驱动装置，其特征在于，上述每个锁紧磁体(16)以及上述每个脱离线圈(17)被安置于该锁紧体(14)上。

5.根据上述权利要求中任一权利要求所述的开关的电磁驱动装置，其特征在于，在上述锁紧单元(3)与上述驱动单元(2)之间设置隔绝磁通量的介质。

6.根据上述权利要求中任一权利要求所述的开关的电磁驱动装置，其特征在于，上述电枢(8)具有一由绝缘材料构成的线圈架(9)，其中，该导体缠绕在该线圈架(9)上形成线圈(10)。

7.根据上述权利要求中任一权利要求所述的开关的电磁驱动装置，其特征在于，上述磁体是由上述驱动磁体(5)以及一软磁性的磁轭(6)构成，其中，驱动磁场穿过该磁体中的一个间隙(7)，且该导体(10)的至少一部分处于该间隙中。

8.根据上述权利要求中任一权利要求所述的开关的电磁驱动装置，其特征在于，具有一个用于产生预先确定的且与时间相关的控制信号的控制单元(22)、一个根据控制信号加强电流并向上述导体(10)供电的促动器输出极(28)，以及至少一个依靠控制信号加强电流的线圈输出极(23)，用于向所述脱离线圈(17)供电。

9.一种用于控制权利要求1到8之一所述的电磁驱动装置(1)的方法，其中，该脱离线圈(17)与上述导体(10)的电流相关地被激发，由此使该电磁驱动装置(1)具有一条预先确定的力和路径的特征曲线。

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