CN1754241A

CN1754241A - 线性磁驱动装置

Info

Publication number: CN1754241A
Application number: CNA2004800054114A
Authority: CN
Inventors: 马库斯·坎普夫; 卡斯滕·普罗茨
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2004-01-27
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2024-01-27
Also published as: US20060139135A1; DE502004001671D1; CN100369173C; EP1597743A1; DE10309697B3; WO2004077477A1; US7482902B2; JP2006520517A; EP1597743B1

Abstract

一种具有一铁芯(3)和一线圈(11)的线性磁驱动装置(1)。一活动衔铁(7)上连接有一磁轭(10)和一永磁体(8)。所述衔铁(7)被所述永磁体(8)产生的磁性牵引力和跨越铁芯内一空隙的磁轭(10)固定在其第一端位上。

Description

线性磁驱动装置

技术领域

本发明所涉及一种具有一第一铁芯和一活动衔铁的线性磁驱动装置。所述第一铁芯穿过一可加载电流的第一线圈，并至少具有一可通过磁通的磁隙，所述衔铁具有一第一永磁体。

背景技术

欧洲专利申请“EP 0 867 903 A2”中有对所述的线性磁驱动装置的记载与说明。该文献提到的线性驱动装置用于移动电开关触头。一活动衔铁具有一永磁体，在对电线圈通电时该衔铁会在产生在永磁体和通电线圈之间的磁力作用下在线圈方向上进行移动。这种移动用于接通断路器的断路单元。在此过程中，弹簧张紧。永磁体吸附在一铁芯上，以便即使在通过线圈的电流被断开后仍能使驱动装置保持在其接通位置上。

发明内容

本发明的目的是提出一种如上述的经过简化设计的线性磁驱动装置，以使衔铁在一个端位进行可靠定位。

根据本发明在上述提到的线性磁驱动装置，上述的目的可通过下述方法得以实现，即在衔铁的第一端位上，第一永磁体至少部分地填满第一铁芯的一个空隙，一个安装在衔铁上的磁轭附在第一铁芯的一个空隙的一边上。

磁通在可承载于低磁阻的第一铁芯内部。因此，铁、钴、镍、由特殊合金构成的铁芯片等具有铁磁特性的不同材料都可以用来制作铁芯。使用一块永磁体至少部分地填满第一铁芯内的一个空隙的方式可以使得从永磁体发出的磁力线能以极小的损失进入到第一铁芯中。由于磁轭附在一个空隙的边上的方式改善了对磁通的引导，因为磁通在磁轭内部仍然被引导。磁阻的存在会产生一种力作用。当磁轭和铁芯之间的距离非常之小时，这种力作用会非常之大。针对这种情况，可以使由永磁体填满的空隙和磁轭所附的空隙成为同一空隙，也可以成为不同的空隙。第一铁芯内部的磁通的大小可以使得衔铁能固定在其端位上。只有受到外力作用或当线圈通电时，衔铁才会离开其端位。

另一种优选的实施例的特征是将第一铁芯至少分成两个部分，之间形成一个或复数个空隙供第一铁芯内部产生的磁通穿过。

将铁芯至少分成两个部分可以很好地引导第一铁芯内部的磁通。举例来说，可以将一整块铁芯通过适当的切口截分成若干部分，切口便可视为空隙，第一永磁体可随衔铁一起在其中作移动。通过这种方法将铁芯截成若干部分后，可以针对性地在铁芯上形成几个特殊区域；在这些区域中，磁通在优选方向上流动，以便能垂直进入或穿出表面。

另一种优选的实施例的特征是将第一铁芯至少截成两段，即第一芯体和第二芯体。两个芯体上分别设置有极面，极面之间形成第一和第二空隙。

将第一铁芯分成若干个芯体后，便可对第一铁芯进行模块式组合。由此，可以根据不同需要，使用较少数量的芯体组装成不同的铁芯。比如，可以使用两块同样的芯体来构成第一和第二空隙。根据简单的方案，可以使用U形铁芯充当这两块芯体；同时，两块U形铁芯臂部末端的端面彼此正面相对，铁芯臂部这些端面构成极面。

这些极面之间分别形成第一和第二空隙。这样的铁芯不仅坚固耐用，且造价低廉。U形芯体的臂部不仅可以用来固定可加载电流的第一线圈，也可以用作磁轭的止动点。

另一种优选的实施例的特征是当衔铁在第一端位上时，通过从第一永磁体发出的磁通将磁轭固定。

用磁通固定衔铁意味着无须使用机械固定装置。这种磁性“机械固定装置”实际上不会产生任何机械磨损。由于使用的是永磁体，所以在持续固定衔铁在第一端位时也无需使用辅助能源。

另一种优选的实施例的特征是，由磁通产生的磁力可以在第一端位上与一个从一附加装置产生的力相作用。

附加装置可以是一种具有弹性的装置，在衔铁移动过程中被拉伸到第一端位上。弹簧、液压装置、气动装置等都是这里所说的弹性装置。由磁通产生的衔铁牵引力大于从弹性装置上产生的力。由弹性装置提供的力可用于使衔铁脱离第一端位。在此过程中，用于推动衔铁脱离第一端位所需外力的大小只需大于磁力与弹性装置所产生的力之差。这个外力可通过给电线圈通电获得。通过这种设计，就有可能在不依赖磁力和弹性装置所发出的力的大小的情况下，用一个只取决于力差的较小外力使衔铁脱离第一端位。衔铁作完全移动所需的力则由弹性装置提供。因此，即便对于功率极大的线性磁驱动装置而言，也只需极小的位移外力。

另一种优选的实施例的特征是，利用第一线圈可获得一个垂直于衔铁移动方向的穿过空隙的磁场。

将线圈缠绕在U形芯体的一臂部即可获得一个垂直于衔铁移动方向的磁场。通过这种方法，不仅可以很容易地自行替换线圈，通过第一线圈获得的磁场的效应也能直接通过铁芯得以加强。此外，还有一种实施例是让线圈在铁芯的一个空隙的两个对立面上延伸；如此一来，就会在空隙、更确切地说是在永磁体上产生一个对称的力作用。根据优选方案，磁场可以在空隙中与衔铁的移动方向相垂直。

另一种优选的实施例的特征是，衔铁具有一第二永磁体，与一穿过一个可加载电流的第二线圈的第二铁芯共同作用。该第二铁芯至少具有一个可由磁通穿过的磁隙。在衔铁的一个第二端位上，第二铁芯的一个磁隙被第二永磁体至少部分地填满，磁轭附在第二铁芯的一个磁隙的一边上。

通过使用具有两块永磁体和一个磁轭的衔铁，可以将衔铁牢固地固定在两个端位上。第一或第二永磁体产生的磁通可以用来提供牵引力。此外，通过使用第一和第二线圈，可以以一种简单的方式加强用于推动衔铁进行移动的力。根据绕组方向和通电方向的不同，其中一个或两个线圈可以对衔铁产生一个力作用。由此，可以提高驱动装置的功率，或者可以使用两个小尺寸的线圈获得一个与用单个线圈所能获得的功率相同的驱动装置功率。此外，也可以不使用具有回复力的弹性装置。但弹性装置也可用于使衔铁获得应急开关的能力，或使其减速或额外加速。

另一种优选的实施例的特征是，磁轭的第一端位附在第一铁芯的一个空隙的一边上，第二端位附在第二铁芯的一个空隙的一边上。

除了能够在第一和第二端位上产生牵引力，磁轭在第一和第二铁芯上起到的是机械挡板的作用。衔铁的移动距离因此而受到了限制。磁轭所具有的机械坚固性足以使其承受冲击力。铁芯和磁轭作为支承装置具有较高的机械坚固性，能防止线圈振动。

还有一种优选的实施例的特征是将具有权利要求1到6中任一权利要求所述特征的驱动装置，其被设计成关于一镜像轴镜像对称。

选择使用镜像对称结构后，便可以对驱动装置进行模块式结构设计，并使用同一类型的组件。镜像轴可以与作线性位移的衔铁的旋转轴平行或叠合，也可以与衔铁的移动方向垂直。在这种结构设计中，第一和第二铁芯可以具有同样的结构。因此，就有可能使用少量部件装配出不同样式的驱动装置。

附图说明

以下部分将通过图示实施例的方法对本发明进行进一步说明。

图示的内容分别为：

图1显示了第一开关位置上的第一线性磁驱动装置实施例；

图2显示了第二开关位置上的第一线性磁驱动装置实施例；

图3显示了第一线性磁驱动装置实施例的变化；

图4显示了第一开关位置上的第二线性磁驱动装置实施例；

图5显示了第一开关位置开始到第二开关位置时的第二线性磁驱动装置实施例；

图6显示了带有两个磁轭的第一线性磁驱动装置第一实施例的变化。

具体实施方式

图1显示的是线性磁驱动装置1的第一实施例。线性磁驱动装置1用于移动电开关设备2的开关触点。电开关设备2可以是一装有真空开关管的多极断路器。线性磁驱动装置1内具有一第一铁芯3。第一铁芯3由第一芯体3a和第二芯体3b组成。第一芯体3a和第二芯体3b具有同样的结构。芯体3a、3b为U形芯体，其臂部端面相对地安装在线性磁驱动装置1内。第一芯体3a具有一第一臂部4a和一第二臂部4b。第二芯体3b具有一第一臂部4c和一第二臂部4d。第一臂部4a、4c的端面具有极面的作用，在此形成第一空隙5。在第二臂部4b、4d的端面处、即其极面之间形成了第二空隙6。衔铁7可以在第一空隙5和第二空隙6之间进行移动。衔铁7带有一第一永磁体8。第一永磁体8南北极(NS)的设置必须保证第一永磁体8内部的磁力线9能接近垂直地进入到第一臂部4a、4c或第二臂部4b、4d的极面内。衔铁7还带有一磁轭10。磁轭10固定在衔铁7远离开关设备2的一侧上，与第一永磁体8保持一定距离。第一永磁体8与磁轭10之间用一种非磁性物质连接。第二臂部4b、4d用作第一线圈11的绕组铁芯。另一种可供选择的方案是将第一线圈11缠绕在第一臂部4a、4c上。第一线圈11在衔铁7旋转轴的两侧上延伸。第一铁芯3上安装了弹簧12a、12b作为弹性装置，在衔铁7移动时可以被压缩。

图1显示的是处于断开位置的线性磁驱动装置1，也就是说，电开关设备2的触点处于断开状态。通过将弹簧12a、12b预张紧，衔铁7稳定地保持在其断开位置上。这一断开位置确定了衔铁7的第二端位。永磁体8跨越了第二空隙6，并将之填满。当用直流电以第一方向(13)给第一线圈11通电时，衔铁7会在第一永磁体8的磁场和第一线圈11的磁场之间的力作用下在第一空隙5的方向上作移动。移动过程中，由于磁轭10和第一铁芯3之间的距离缩小，会产生一个额外的力作用。

图2显示的是衔铁7的第一端位，在这一位置上，第一永磁体8跨越了第一空隙5。电开关设备2的触点呈闭合状态。弹簧12a、12b张紧。磁轭10平附在第二空隙6的边缘上。磁轭10跨越第二空隙6。从第一永磁体8出发的磁通15传导到第一芯体3a及第二芯体3b，并通过磁轭10形成闭环。第一永磁体8所产生的磁力将衔铁7固定在第一端位上。线性磁驱动装置1在这里是一个由一永磁体致动的驱动装置。

须以第二方向14给第一线圈通电才能使衔铁7作从第一端位(图2)到第二端位(图1)的移动。另一种可供选择的方案是使用一个用于引起切断移动的附加线圈。如此，便可使衔铁7在切断过程中进行一种特定的移动。在处于张紧状态中的弹簧12a、12b的支持下，第一永磁体8会脱离第一端位。衔铁7和磁轭10会随之一起移动。

在第一端位(图2)上，衔铁7通过从第一永磁体8出发的磁通得以固定。在第二端位(图1)上，衔铁7通过弹簧12a、12b得以固定。

图3显示的是图1、图2所显示的线性磁驱动装置实施例的一个变化。图3显示的是一个具有一单块铁芯(第一铁芯3)的线性磁驱动装置1a。第一铁芯3为U形铁芯。第一线圈11缠绕在它的一个臂部上。位于其第一臂部4a和第二臂部4b端面上的极面之间是第一空隙5。第一永磁体8可以在第一空隙5内部进行移动。第一永磁体8安装在一衔铁7上。衔铁7还带有一磁轭10。衔铁7移动到第一端位上(图未显示)后，磁轭10停靠在第二臂部4b上。第二臂部4b构成第一空隙5的一个边缘。由于磁轭10平附在第二臂部4b上，从第一永磁体8出发、越过第一铁芯3和磁轭10的磁力线的路线得以缩短，使得衔铁7在永磁体8的磁力作用下被固定在第一端位上。为了将衔铁7从第二端位转移到第一端位或从第一端位转移到第二端位，必须分别用相反的电流方向给第一线圈11通电。

图3所示装置的作用原理与图1、图2以及之前所描述的线性磁驱动装置的作用原理相符。

图6所示的线性磁驱动装置与图3所示的线性磁驱动装置原则上是一样的。除了磁轭10外，衔铁7上还安装了第二个磁轭10a。磁轭10、10a用于将衔铁7固定在端位上。

图4、图5显示的是第二线性磁驱动装置实施例。图4、图5显示的是一个具有一第一铁芯21和一第二铁芯22的复式线性磁驱动装置20，第一与第二铁芯各自分成两个芯体。第一铁芯21和第二铁芯22的结构与图1、图2所示铁芯的结构相符。第一铁芯21上安装了一个第一线圈23。第二铁芯22上安装了一个第二线圈24。第一线圈23和第二线圈24安装在铁芯的臂部上。复式线性磁驱动装置20内有一衔铁25。磁轭26固定在衔铁25的正中央。衔铁25为直线形，在其两端上分别安装了一第一永磁体27和一第二永磁体28。第一铁芯21、第一线圈23与第一永磁体27就和第二铁芯22、第二线圈24与第二永磁体28一样共同作用(如图1、图2所述)。鉴于衔铁25的对称轴29两侧的镜像结构设计以及衔铁25本身的结构特点，既可使用第一线圈23又可使用第二线圈24将衔铁25从第一端位转移到第二端位或从第二端位转移到第一端位。如图1、图2所述，磁轭26起到的是跨越第一铁芯21或第二铁芯22的一个空隙的桥接作用，并且在永磁体27、28所产生的磁牵引力的作用下将衔铁25定位在其端位上。简单而言，图1、图2中用于产生回复移动的弹簧12a、12b被一种带有一第二铁芯22、一第二线圈和一第二永磁体28的配置所代替。

示意图所显示的实施举例中的所有特征都可以相互组合，形成更多不同的实施例。

Claims

1.线性磁驱动装置(1，20)，具有一第一铁芯(3，21)和一活动衔铁(7，25)，所述第一铁芯(3，21)穿过一可加载电流的第一线圈(11，23)并至少具有一可通过磁通的磁隙(5)，所述衔铁(7，25)具有一第一永磁体(8，27)；其中，在衔铁(7，25)的一第一端位上，第一永磁体(8，27)至少部分地填满第一铁芯(3，21)的一个空隙，一个安装在衔铁(7，25)上的磁轭(10，26)附在第一铁芯(3，21)的一个空隙的一边上。

2.根据权利要求1所述的线性磁驱动装置(1，20)，其特征是，第一铁芯(3，21)至少分成两部分，其间形成的一个或复数个空隙，第一铁芯(3，21)内部产生的磁通从所述的空隙穿过。

3.根据权利要求2所述的线性磁驱动装置(1，20)，其特征是，第一铁芯(3，21)至少分成两段，即第一芯体(3a)和第二芯体(3b)，两个芯体上分别设置有极面，极面之间形成第一和第二空隙(5，6)。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的线性磁驱动装置(1，20)，其特征是，在衔铁(7，25)的第一端位上，磁轭(10，26)被从第一永磁体(8，27)发出的磁通固定。

5.根据权利要求4所述的线性磁驱动装置(1，20)，其特征是，在第一端位上，一个由磁通产生的磁力与一个从一附加装置(12a，b)上发出的力相作用。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的线性磁驱动装置(1，20)，其特征是，第一线圈(11，23)可产生一个垂直于衔铁(7，25)移动方向的穿过空隙(5，6)的磁场。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的线性磁驱动装置(20)，其特征是，衔铁(25)具有一第二永磁体(28)，与一穿过一可加载电流的第二线圈(24)的第二铁芯(22)共同作用，所述第二铁芯(22)至少具有一个可由磁通穿过的磁隙，在衔铁(25)的一个第二端位上，第二铁芯(22)的一个磁隙被第二永磁体(28)至少部分地填满，磁轭(26)附在第二铁芯(22)的一个磁隙的一边上。

8.根据权利要求7所述的线性磁驱动装置(20)，其特征是，磁轭(26)在第一端位附在第一铁芯(21)的一个空隙的一边上，在第二端位附在第二铁芯(22)的一个空隙的一边上。

9.根据权利要求7或8所述的线性磁驱动装置(20)，其特征是，具有权利要求1到6中任一项所述特征的驱动装置关于一镜像轴镜像对称。