CN2137814Y - 混合式电磁铁 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种永磁和励磁混合的电磁 铁。该电磁铁采用大电流直流励磁启动，保证足够的 启动力和衔铁行程；该电磁铁采用启动开关，全波整 流桥、储能电容、释放开关和线圈构成大电流励磁启 动和小电流直流励磁保持，使保持时节能；该电磁铁 采用反电流励磁释放保证无去磁气隙时释放可靠。 这种电磁铁保持能耗仅是相当的传统电磁铁保持能 耗的百分之一到千分之一，而体积和材料消耗仅是相 当的传统电磁铁的二分之一到五分之一。

Description

本发明涉及一种电磁铁，特别涉及到一种电流励磁和永磁相结合的混合式电磁铁，属于电磁学和电子技术领域，应用于牵引、制动、开关、阀门、自动控制等领域。该电磁铁由励磁电路、衔铁和铁芯以及附加在铁芯或衔铁上的永磁铁构成。该电磁铁采用大电流励磁启动、小电流励磁和永磁保持，反电流励磁释放。

公开号为CN2052932U、CN2087376U的专利申请提出了一种永磁保持式电磁铁技术，解决了电磁铁的节能、防烧和去噪声问题。它比大电流启动小电流保持的双直流源电磁铁更节能且解决了电子元器件的温升问题。但是该技术尚存在如下问题：

1.仅依靠永磁保持，就不可能有效地提高保持力，不能使电磁铁应用于大保持力电磁铁系统中。如果加大永磁铁体积或使用特别高的磁能积的永磁铁（如钕铁硼），则要增大电磁铁体积或提高成本。尤其是当需很大保持力时，反电流励磁释放的电量也要很大，这就需要很大的储能电容，又进一步增大了体积和增加了成本。

2.上述专利储能电容的放电回路中串接限流电阻或其它限流元器件尽管在导通时有分压的作用，但是它们消耗掉相当的已储存的电能，不得不使储能电容参数加大，既增加体积又增加成本。而当所述电子开关分断时分压作用消失，显然这种分压无保护作用。反电流的最佳调节只有依靠储能电容参数的调节才是合理的。

3.从启动到保持，励磁线圈短时间通以很大电流，该电流起始和被关断时必然造成极大的浪涌电压，电网也有瞬时高压产生。已有技术只笼统地提及此事没有给出具体的用最少的元件保护整个电路的设计。

4.已有技术中的电子开关采用晶体三极管或晶闸管一类的流控型元器件，其可靠性、抗干扰能力较差。控制电路较复杂、耗电也多，给商品化带来了困难。

5.CN2087376U专利图9启动电子开关（晶体三极管）的阻容控制电路里无电容放电回路，其结果是影响了电磁铁连续频繁启动能力。

仅依靠永磁铁保持还有可能带来电磁铁失控危险：一旦复位弹簧失效或储能电容放电回路失效，就会使释放失效造成重大的设备事故（例如制动失灵、强迫供电等）。当电磁阀或接触器的指示标被压下而又被忽视时也会造成重大事故。

本发明就在于提出一种新的技术方案克服纯永磁保持技术中的体积大、成本高的缺点，使新型电磁铁能综合励磁保持和永磁保持的优点，达到节能、限制元器件温升、节材、降低成本的目的；

本发明的另一个目的是提高已有技术中励磁电路的可靠性、电磁铁释放的安全性；

本发明的第三个目的是采用压控型元件取代已有技术中的流控型元器件，简化电路、减小体积、提高可靠性和抗干扰能力、有利于商品化；

本发明的第四个目的是给出控制电容一个放电回路，解决电磁铁的连续频繁启动能力问题。

本发明是采用下述技术方案来达到上述目的的：

1.保持时采用励磁和永磁相结合的无去磁隙保持办法，使节能节材兼顾并使释放更可靠安全。

传统电磁铁去磁隙消耗掉大约60％～95％有功损耗，不利于保持时节能，去磁隙还大大减小保持力（减小大约40％～80％），不利于减小体积。无去磁隙保持和力矩去磁技术在专利CN2082891U中已提出，本发明是在混合式电磁铁中首先使用该技术，不仅可以使节能水平提高一步，更重要的是可以极大地提高保持力，从而有效地减小铁芯、衔铁、尤其是永磁铁的体积和储能电容的体积，也就有效地降低了成本。这种励磁和永磁的结合决非简单的磁力相加，而是一种强耦合。应当指出，这种混合式保持法可以使保持电流降至毫安级（或更低），已与永磁保持法的保持态控制电流属同一数量级，元器件温升问题得到了解决。

十分明显，与单一的永磁保持相比，混合式保持法在电磁铁不工作时，永磁吸力就会小得多。当反电流励磁释放失效或复位弹簧失效时，人工克服只剩下的纯永磁保持力就变得容易多了。更为重要的是，当误压电磁阀或接触器的指示标时，因只有较小的永磁吸力（误压前处释放状态），复位弹簧（或负载复位弹簧）就能将衔铁连同指示标推回到释放状态，或者因较小的永磁吸力，人手抵消复位弹簧弹力而使衔铁达到保持位的可能性很小，从而避免可能发生的事故。

2.储能电容放电回路中只串联释放开关、线圈和所述储能电容，这样的设计就可以最大限度地减小所述电容的容量参数，达到减小体积、降低成本的目的。实践证明，这在所有可能情况下都是有效的：选择既能保证可靠释放又使容量最小从而体积最小的电容易于达到优化设计，而不同规格不同用途的电磁铁其储能电容参数是十分不同的。

3.在整流桥的输出侧并接一只压敏电阻，当采用直流供电时，此压敏电阻并接在直流源的正负端。压敏电阻可有效地吸收浪涌电压，达到既保护所述电子开关、储能电容、又保护整流二极管及其它元器件免受过压击穿的目的。如果电子开关选用晶闸管，则在晶闸管阴阳极上并接阻容吸收电路。

4.在直流侧的电子开关选用压控型器件，例如场效应管。这种器件的触发、关闭和半关闭依靠的是电压信号及其变化，这就可以使控制用电阻值加得很大，不仅耗电少、电路简单，而且器件本身的可靠性好，抗干扰能力强，极便于商品化。

5.在启动电子开关的阻容控制电路里引入“浮地放电”技术，即所述电子开关的输出端是“浮地”，在控制电容的两端分别跨接一只电阻，这两只电阻的另一端接在“浮地”上。在电源供电情况下控制电容不会经“浮地”放电，当电源失电后这两只电阻相当于串联后又并联到控制电容上，放电就得以实现。“浮地放电”比电容并联放电电阻方法好在电源加电时没有放电产生，从而提高了控制的可靠性。接在控制电容正极上的电阻可由释放开关和线圈串接代替。“浮地放电”法可使放电电阻较小，达到断电瞬时放电完毕，不影响电磁铁的频繁启动能力。

下面结合附图说明上述发明的一些实施例：

图1是所述电磁铁的本体结构的2幅示图，说明第1、2实施例；

图2是交流侧设置启动开关的4幅示图，说明第3、4、5、6实施例；

图3是直流侧设置启动开关的4幅示图，说明第7、8、9、10实施例；

图4给出的是场效应管作为电子开关的2幅示图，说明第11、12实施例。

图1A所示的是一种混合式阀用电磁铁本体结构，图示的是保持状态，其中衔铁［2］之上装有硬磁性材料的永磁铁［1］，软磁性材料的上铁芯［4］与下铁芯［5］构成封闭形的铁芯。上铁芯［4］与衔铁［2］之间无去磁气隙，只有一只偏离对称中心的弹簧［3］处于被压缩状态，该弹簧可以装在衔铁上也可装在铁芯上，它是根据CN2082891U专利所采用的力矩去磁技术而设计的，在混合式电磁铁中这是首次采用这一技术。线圈［6］与励磁电路［7］通过线圈［6］的两根端线相接。与电磁铁相互作用的阀芯顶杆［8］将阀芯另一端的复位弹簧压力F1传递给衔铁［2］。当电源失电后，所述电路［7］中的储能电容［9］反电流放电励磁产生与F1方向相同的斥力，抵消永磁铁［1］的吸力，与复位弹簧压力F1和弹簧［3］的力矩作用相加，使衔铁［2］释放。这是本发明的实施例1。

图1B所示的是一种混合式牵引电磁铁本体结构，图示为保持状态，其中上铁芯［4］与下铁芯［5］之间装有永磁铁［1］。在保持态中所述牵引电磁铁通过衔铁［2］接受复位弹簧和负载的拉力F2作用。当电源失电后，所述储能电容［9］反电流放电励磁，抵消永磁铁［1］对衔铁［2］的吸力，加上复位拉力F2和弹簧［3］的力矩作用使衔铁［2］释放。这里，电路［7］装在塑料底座［10］内，其它内容与实施例1相同。

图2A为启动开关［11］与阻容降压电路［12］并联后串接在整流桥［13］交流侧，产生大电流启动和小电流保持的励磁电路示意图，给出了第3个实施例。当电源开关K闭合时，启动开关［11］闭合，电网交流电经整流桥［13］整为直流，通过与桥［13］输出端并联的压敏电阻［14］的浪涌吸收，再由二极管［15］和［16］向所述储能电容［17］充电并由与之并联的线圈［18］励磁。与电容［17］串联的电阻［19］是为了防止电容充电时造成过流。当启动完毕，启动开关［11］分断后，电网交流电经降压电路［12］降压后由桥［13］向线圈供给小电流。

释放开关［20］和［21］与电容［17］和线圈［18］串接形成反电流励磁回路。因开关［21］的下端接在所述电容［17］和电阻［19］之间，所以该回路中没有限流元件，可最大限度利用电容［17］所储存的电能，从而可减小其容量参数，借以减小其体积并能降低成本。二极管［16］、［15］是防止开关［21］闭合时电容［17］会不经线圈［18］放电。开关［20］、［21］是在电源开关K闭合时分断、在K分断时闭合。电容［17］在开关［20］、［21］闭合后放电电流的走向是电容［17］的正极至开关［20］至线圈［18］至开关［21］至电容［17］的负极。

在桥［13］的直流输出端设两个端子［22］、［23］，显然这两个端子还可分别接到一个合适的直流电源的两极上。

图2B为整流桥［13］交流侧串接一只有半闭合功能，即其开度可调的启动开关［24］的励磁电路示意图。端子［22］、［23］后的电路与图2A相应部分完全相同，故予以省略。开关［24］在电源开关K闭合时闭合，当启动完毕后开关［24］就进入半闭合状态，给出小电流供电保持。开关［24］通常只能是电子开关。例如双向晶闸管作为电子开关时，全相角导通时是闭合态而移相触发导通时是半闭合态。双向晶闸管的全相角触发和移相触发的控制电路种类不少，在有关手册和书中可以查到。晶闸管移相触发降压的大小是可调的，从而可得到最佳保持电流。此为第4实施例。

图2C所示是变压器［25］降压供给小电流保持励磁的第5实施例。端子［22］、［23］后的电路与图2A相应部分完全相同，予以省略。启动开关［26］串接在桥［13］的交流侧，通过桥［13］供给大电流励磁，变压器［25］付边接整流桥［27］交流侧，而桥［13］与［27］输出端都并联在端子［22］、［23］上。通过选择不同的变压器付边电压可得到合适的保持小电流。开关［26］的作用与开关［11］完全相同。变压器［25］的主边与串接开关［26］后的桥［13］的交流侧始端并联。

图2D所示为整流桥［28］本身两个臂是开度可调的单向开关［29］、［30］的励磁电路，作为第6实施例。同样地，端子［22］、［23］后电路省略。单向开关［29］、［30］可选用单向晶闸管，其全相角导通时为所述启动开关闭合而移相触发导通时为降压小电流供电，同样地该小电流可用移相大小来调节。全相角及移相触发电路在这里照样予以省略。

图3A所示为全电压（电网电压）全桥整流提供直流源而大电流启动和小电流励磁则在直流侧产生的四个实施例。其中图3A端子［22］、［23］后电路与图2A相应部分不同之处在于：启动开关［31］一端接线圈［18］另端接端子［22］，其余部分则完全相同。开关［31］随电源开关K闭合而闭合，随开关K分断而分断，在启动大电流励磁结束后，［31］以合适的小电流励磁，即［31］是一个开度可调的电子开关。开关［31］可并接一只电阻为小电流励磁提供一个通路，此时开关［31］就成为纯闭合分断型开关，在启动完毕后，它就应及时分断。作为特例，该电阻也可断开取消。此为第7个实施例。

图3B所示为电容［17］作为所述启动开关而采用附加线圈［32］来限流保持的励磁电路，作为第8实施例。在这里，因电容［17］通过二极管［15］与辅助线圈［32］并联后与线圈相接，充电时不会造成过大的电流导致元器件损坏，故取消限流电阻［19］。相应地，二极管［16］和开关［21］也随之取消。当电源开关K闭合后，直流电由端子［22］经二极管［15］向电容［17］充电，因电容充电起始有短路作用，故此时［17］相当于所述启动开关闭合，线圈［18］被大电流励磁启动。随着电容［17］充电，线圈［32］开始有电流通过，当［17］充电完毕时电流完全由线圈［32］流向线圈［18］。因双线圈的总电阻很大，故电流很小，达到了小电流励磁保持的目的。当电源开关K分断后释放开关［20］闭合，使反电流励磁释放得以实现。

图3C所示为第9个实施例。与图3B不同之处在于线圈［32］被限流电阻［33］所取代，因而图3B在保持时有更大的磁势。通常［33］值很大，一些情况下该实施例中的电阻［33］可开路取消，仅依靠电容［17］漏电流励磁和永磁保持。利用漏电流励磁带来的好处不仅使电路简单，而且可以选择档次低但价格也低体积更小的电容器件，是变缺点为优点的新发明。

图3D所示为第10个实施例。与图3C不同之处在于电阻［33］被启动开关［34］取代。该实施例的启动大电流励磁的时间不受电容［17］充电时间限制，电容［17］可认为是启动开关的一部分，适合启动力大、行程大的电磁铁。电源开关K闭合时开关［34］闭合，当启动完毕后［34］调小开度进行小电流励磁。当K分断后［34］也分断，开关［20］闭合，电容［17］进行上述反电流放电励磁。若采用电容［17］漏电流提供小电流保持，那么开关［34］就变为纯闭合分断型开关，在启动完毕后它应及时分断。

上述实施例所述启动开关和释放开关可以是机械开关，也可以是电子开关，是机械开关或不需隔离的信号控制的电子开关时图3中隔离二极管［15］可予短接取消。

图4给出了场效应管为电子开关的两个实施例。

图4A所示是图3C所示实施例的一种，即开关［20］是一只场效应开关管，其特点是：将二极管［15］换成一个反接的稳压二极管［36］。当电源有电时，由电阻［35］限流过的稳压二极管［36］给开关管［37］的栅极G和源极S间施加一合适的电压，由稳压管决定的这个电压使开关管［37］分断。当电源失电后，GS之间的电压近似为零，［37］又处于闭合状态，为电容［17］放电作好了准备。显然，这种压控型电子开关既简单又可靠，不易被电压波动所影响。当然开关［20］也可以是流控型器件。

图4B所示的是最后一个实施例。它是图3D所示实施例的一种，即开关［34］是一只场效应管［38］，其特点是：当电源开关K闭合时，并接在场效应管［38］漏D栅G极间的阻容控制电路中的微分电容［39］近似短路，电压通过稳压二极管［40］加到了［38］的GS极之间，管子导通。当电容［39］充完电后，大电流启动励磁结束，［38］的GS极间电压由分别并接在DG间和GS间的电阻［41］和［42］分压决定，使［38］处于微通状态达到小电流励磁目的。电容［39］充电时间由其微分时间常数决定，即电阻［43］和电容［39］的参数决定。电容［39］的放电电阻［44］、［45］的一端分别接于控制电容［39］的两侧，另端接在开关管［38］的输出端S，S端即所谓浮地。当电源有电时，没有可能放电，当电源失电后，电阻［45］、［44］在“浮地”串接成与电容［39］并联的放电电阻，使放电得以进行。

在该实施例中，电阻［44］可以取消，其作用由开关［20］和线圈［18］串接的电路实现。该实施例中电阻［41］、［42］值是很大的（例如几兆欧），因此它们不能代替电阻［44］。当采用所述漏电流励磁时，电阻［41］、［42］应开路取消，使场效应管［38］在保持时分断。

上述这种阻容控制中的“浮地放电”技术可用于控制所有类型的启动使用的电子开关，包括流控型和压控型两种元器件。

上述所有实施例中所述一只压敏电阻接线法可以省去续流二极管及直流侧的其他保护电子开关等器件的电路，例如其它阻容吸收电路，器件旁并联压敏电阻的电路等等。

本发明的电磁铁根据应用要求可以改变永磁铁的安装位置和其体积的大小，其中一个特例是不装永磁铁。在后一种情况出现时，所述全部电路仍然有效，只是反电流励磁释放的目的不再是抵消永磁保持力而仅是用于去剩磁。

在上述励磁电路中，如果取消储能电容［17］，则与该电容相关的释放开关，相关的二极管、电阻，相关的控制电路都可取消，只保留启动开关及相关电路（例如电子开关的控制电路）。此时，在线圈［18］两端接一瞬时反向直流电源。当电源失电需要释放时，这个瞬时电源代替电容［17］进行反电流励磁。

在上述实施例中，所有电子开关是取交流或直流电源得电、失电信号控制的。当工程需要时，它们还可以采用外来的控制信号，例如数字信号和模拟信号等加以控制，此时电子开关的受控端接在外部控制装置的有关输出端上。机械开关可采用自动或手动控制。

实践证明：该发明采取的技术措施较好地综合了纯励磁保持和纯永磁保持的优点，克服了它们各自存在的缺点，使得新型电磁铁节能达到了99％以上，节材达到了50％以上，获得了优良的性能价格比。

Claims (15)

1、一种励磁和永磁混合工作的电磁铁，它包括励磁电路、衔铁、线圈、铁芯和永磁铁，其特征是：

a.所述电磁铁的启动开关[11][24][29、30][31][34]与全波整流桥[13][27][28]、储能电容[17]、释放开关[20][21]以及线圈[18]构成了一个大电流励磁启动和小电流励磁加永磁保持，反电流励磁释放的励磁电路；

b.所述电磁铁在无去磁气隙的软磁性材料铁芯[4、5]或衔铁[2]上安装硬磁性材料的永磁铁。

2、根据权利要求1所述电磁铁，其特征是：所述启动开关［11］串接在所述整流桥［13］的交流侧，其两端又并接降压的阻容电路［12］。

3、根据权利要求1所述电磁铁，其特征是：一个全闭合完成启动之后又受控半闭合给出所述小电流励磁保持的所述启动开关［24］串接在所述整流桥［13］的交流侧。

4、根据权利要求1所述电磁铁，其特征是：所述启动开关［26］串接在整流桥［13］的交流侧后与交流侧的另一端并联在变压器［25］的主边上，变压器［25］的付边接到整流桥［27］的交流侧，两只桥［13］、［27］输出端又并联在直流输出端子［22］、［23］上。

5、根据权利要求1所述电磁铁，其特征是：所述整流桥［28］的两臂由全闭合启动半闭合保持的两只单向启动开关［29］、［30］构成。

6、根据权利要求1所述电磁铁，其特征是：全闭合启动半闭合保持的所述启动开关［31］、［34］设置在直流侧，其一端接线圈［18］另端接在直流源端子［22］上。

7、根据权利要求1所述电磁铁，其特征是：所述释放开关［20］、［21］与所述储能电容［17］和所述线圈［18］串接成一个回路，或开关［20］与电容［17］线圈［18］串接成一个回路。

8、根据权利要求1所述电磁铁，其特征是：所述储能电容［17］通过二极管［15］与辅助线圈［32］并联或与开关［34］并联或与电阻［33］并联，二极管［15］可短接取消或由稳压二极管［36］置换，［33］可以开路取消。

9、根据权利要求1所述电磁铁，其特征是：所述整流桥直流输出端［22］、［23］并接有一只压敏电阻，端子［22］、［23］可直接接到直流电源上。

10、根据权利要求1所述电磁铁，其特征是：所述启动开关［11］、［26］、［31］、［34］和释放开关［20］、［21］既可以是机械开关也可以是电子开关，开关［31］、［34］可以是纯闭合、分断型开关，也可以是开度可调的电子开关，开关［20］、［21］、［31］、［34］可以是流控型也可以是压控型电子开关，尤其是场效应管器件开关。

11、根据权利要求1所述电磁铁，其特征是：所述所有启动用电子开关采用阻容控制时，均可在控制电容［39］两端跨接两只电阻［44］、［45］，这两只电阻的另一端并接在所述电子开关的输出端，对于直流侧的启动开关，其中一只电阻［44］可以由释放开关［20］和线圈［10］串联的电路代替。

12、根据权利要求1、10所述电磁铁，其特征是：场效应管［37］的栅G源S极间并接一只经电阻［35］限流过的稳压二极管［36］，场效应管［38］的栅G源S极间并接一只经电阻［43］限流过的和受控于电容［39］的稳压二极管［40］，还并接一只分压电阻［42］，另一只分压电阻［41］则并接在场效应管［38］的漏D栅G极间，也与控制阻容［43］、［39］并联。

13、根据权利要求1所述电磁铁，其特征是：在所述混合式电磁铁的衔铁［2］和铁芯［4］的吸持面上偏离对称中心安装一只弹簧［3］。

14、根据权利要求1所述电磁铁，其特征是：所述全部电子开关的受控端可接在所述电磁铁外部控制装置的有关输出端，所述机械开关可自控和手控。

15、根据权利要求1、7所述电磁铁，其特征是：所述储能电容［17］被线圈［18］两端连接的直流源代替，此时与电容［17］充放电相关的电路和器件取消。

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