CN2684355Y

CN2684355Y - 双稳态动圈式永磁操动机构

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Publication number: CN2684355Y
Application number: CN 03253813
Authority: CN
Inventors: 李文卓
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-09-27
Filing date: 2003-09-27
Publication date: 2005-03-09
Anticipated expiration: 2013-09-27

Abstract

一种双稳态动圈式永磁操动机构包括永磁操动机构和驱动电路。永磁操动机构10由拉杆1、永磁体2、套筒3、软磁体骨架4、永磁体6及拉杆7、线圈5或线圈8和线圈9组成。永磁体2和永磁体6被置于套筒3的两端，在永磁体2、套筒3和永磁体6之间形成一个内空间。线圈5或线圈8和线圈9绕在软磁体骨架4上，被置于永磁体2、套筒3和永磁体6构成的内空间内，且可以产生相对运动，拉杆1和拉杆7分别连接于软磁体骨架4的两侧，将软磁体4的运动传出内空间。操动机构的合、分闸位置由永磁体2和永磁体6对软磁体骨架4的吸合力来保持。操动机构的合、分闸位置切换由在线圈中通以直流电流，使永磁体对软磁体骨架4产生的电磁斥力的推动来实现。

Description

双稳态动圈式永磁操动机构

技术领域：

本实用新型涉及一种为电力开关配置的操动机构，尤其是一种结构简单，可动环节少的永磁操动机构，属于开关电器分、合闸技术领域。

背景技术：

传统的电器操动机构的核心是连杆和锁扣机构以及能量储存系统，由于其机械零件很多，结构复杂，传动关系繁琐，致使其可控性差，故障率高，累计运动误差大，而且响应速度缓慢，虽经长期的研究与改进，但多年的运行经验表明，操动机构及其电气控制和辅助回路的故障在断路器总故障中占有很大比例。从国际、国内的统计数字来看，断路器的故障中，机械故障占大多数。国际大电网会议组织的国际调查表明，机械故障高达总故障的70.3％，如包括辅助电器和控制回路，则为89.4％，成为断路器可靠性的关键性问题。

可靠性的高低和零部件数量的多少有着直接关系，减少零部件数量能明显地提高断路器的可靠性。因此，无论是改进提高传统操动机构的性能和质量，还是研制新型操动机构，提高可靠性的理论依据首先应为简化机构的结构，减少零部件的数目。

永磁操动技术是九十年代世界最新技术，它采用全新工作原理和结构，通过将电磁铁与永久磁铁特殊结合，实现传统断路器操动机构的全部功能，并在一定程度上实现智能化。在结构上与传统断路器操动机构的最大区别在于永磁操动机构工作时运动部件少，永磁操动机构工作时主要运动部件只有一个，结构简单，这样就便其可靠性大大提高。而且永磁操动机构无需脱、锁扣装置，即可实现机构终端位置的传统功能，因此，其故障源比其它操动机构要少得多，具有极高的可靠性，永磁操动机构的寿命可达几十万次而无须检修，性能可靠、耐磨损、免维护，使用寿命长，其性能可靠远非其他操动机构可比。国外文献称这一技术是革命性的，是当今发展的趋势和潮流，并可适用于发电厂、变电所等配电系统的控制和保护，尤其适用于开重要负荷及频繁操作场所，可满足电力行业对断路器发展的高可靠性、智能化等要求，因此成为当前电器操动机构的一个非常重要的发展方向。

目前开发的永磁操动机构主要应用于中压真空断路器，采用双稳态的方式，主要构成有合闸线圈、分闸线圈、静铁芯、动铁芯及永磁体组成，其主要特征是线圈与静铁芯为一体，没有相对运动，运动是由动铁芯产生，其主要缺点是无论是合闸，还是分闸操作，线圈产生的磁场首先都要克服永磁体产生的磁场，然后才能产生吸引动铁芯运动的电磁力，当所产生的电磁力足以吸引动铁芯运动时，动铁芯才被吸向另一端，这使得此种结构的永磁操动机构的响应时间大大滞后，在一些对分、合闸速度要求较高的场合无法应用。另外，此类永磁操动机构的结构仍有些复杂，制造成本偏高。

实用新型内容：

本实用新型的目的就是要克服上述缺点，提供一种双稳态动圈式永磁操动机构，使该机构具有结构简单可靠，可动零件少，使用寿命长，价格低廉等特点，可广泛应用于各种断路器、接触器等开关电器领域。

为达到上述目的，本实用新型的双稳态动圈式永磁操动机构包括永磁操动机构和驱动电路，其特点是，所述永磁操动机构的构成是，两个永磁体分别置于套筒两端，其上绕有一个线圈或绕有分闸线圈和合闸线圈两个线圈的软磁体骨架置于由套筒及套筒两端的永磁体所形成的内空间内，软磁体骨架两端各自连接有拉杆，并分别伸出置于套筒两端的永磁体；所述驱动电路有单电源驱动电路，双电源驱动电路和双线圈驱动电路三种不同的驱动电路及工作方式。

单电源驱动电路的组成是，由直流电源与二极管、限流电阻、充放电电容互相串联组成驱动线圈工作的电容电源电路；与限流电阻和充放电电容的串联接点(即与充放电电容正端)相连的正向二极管的正向输出分成两路：一路由开关管经限流电阻和线圈再经开关管连于充放电电容负端组成对线圈的正向电流驱动控制电路；另一路由开关管经线圈和限流电阻再经开关管连于充放电电容负端组成对线圈的负向电流驱动控制电路，在限流电阻与线圈相串联的电路两端还分别并联两个开关管构成线圈剩余能量的释放回路。

双电源驱动电路的组成是，由第一直流电源与二极管，限流电阻，充放电电容相互串联组成驱动线圈工作的正向电容电源电路；与充放电电容正端相连的正向二极管的正向输出经开关管，限流电阻和线圈串联后再连于正向电容电源电路中的充放电电容负端构成对线圈的正向电流驱动控制电路；另一直流电源与二极管、限流电阻、充放电电容相互串联组成驱动线圈工作的负向电容电源电路；与充放电电容正端相连的正向二极管的正向输出经开关管与线圈和限流电阻串联后再连于负向电容电源电路中的充放电电容负端构成对线圈的负向电流驱动控制电路。在限流电阻与线圈相串联电路两端分别并联两个开关管构成线圈剩余能量的释放回路。

双线圈驱动电路的组成是，由同一电容电源电路供两路驱动控制电路，分别控制分闸线圈和合闸线圈，即由直流电源与二极管，限流电阻，充放电电容相互串联组成驱动线圈工作的电容电源电路，充放电电容正端分两路：一路由二极管，开关管，限流电阻，分闸线圈，充放电电容串联成回路成为对分闸线圈的驱动控制电路；另一路由二极管，开关管，限流电阻，合闸线圈，充放电电容相互串联成回路成为合闸线圈的驱动控制电路。限流电阻与分闸线圈串联的电路两端以及限流电阻与合闸线圈串联的电路两端各自并联一个供线圈释放剩余能量的开关管。

本实用新型的有益效果是，极大减少了断路器操动机构的传动环节，提高了断路器操动机构的可靠性和响应时间，并降低了操动机构的制造成本。

附图说明：

图1，永磁操动机构结构示意图之一；

图2，永磁操动机构结构示意图之二；

图3，单电源驱动电路原理示意图；

图4，双电源驱动电路原理示意图；

图5，双线圈驱动电路原理示意图；

图1至图5中的标号及符号名称：

1、7—拉杆，2、6——永磁体，3——套筒，4——软磁体骨架，

5、8、9——线圈

BT1、BT2、BT3、BT4——直流电源

C1、C2、C3、C4——电容

D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9——二极管

R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8——限流电阻

Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12、Q13、Q14——开关管。

具体实施方式：

图1与图2是双稳态动圈式永磁操动机构的永磁操动机构结构示意图，由图可知，两个永磁体2与6分别置于套筒3两端，软磁体骨架4置于由套筒3与两端的两个永磁体2与6所构成的矩形内空间内，可在内空间内左右运动，软磁体骨架3两端分别与拉杆1与拉杆7相连，并分别伸出永磁体2和永磁体6之外，线圈5或者分闸线圈8和合闸线圈9绕制在软磁体骨架3上。

图3至图5是驱动电路原理图，图3是单电源驱动电路原理图，其具体组成是，由直流电源BT1与二极管D1，限流电阻R1，充放电电容C1相互串联成回路，构成驱动线圈工作的电容电源电路；与充放电电容C1正端相连的二极管D2的输出分成两路：一路由开关管Q1经限流电阻R2和线圈5再经开关管Q2连于充放电电容C1负端组成对线圈5的正向电流驱动控制电路；另一路由开关管Q3经线圈5和限流电阻R2再经开关管Q4连于充放电电容C1负端构成对线圈5的负向电流驱动控制电路。在限流电阻R2与线圈5相互串联的电路两端还分别并联两个开关管Q5与Q6，构成线圈5剩余能量释放回路。

图4是双电源驱动电路原理图。其组成是，由直流电源BT2与二极管D3，限流电阻R3，充放电电容C2相互串联组成驱动线圈工作的正向电容电源；与充放电电容C2的正端相连的正向二极管D4的正向输出经开关管Q7与限流电阻R4和线圈5串联后再连于充放电电容C2的负端构成对线圈5的正向电流驱动控制电路；另一直流电源BT3与二极管D5，限流电阻R5，充放电电容C3相互串联组成驱动线圈与工作的负向电容电源电路；与充放电电容C3正端相连的正向二极管D6的正向输出经开关管Q10与线圈5和限流电阻R4串联后再连于充放电电容C3负端构成对线圈5的负向电流驱动控制电路，在限流电阻R4和线圈5串联电路两端分别并联开关管Q8与Q9构成线圈5剩余能量的释放回路。

图5是双线圈驱动电路原理图。其组成是，由直流电源BT4与二极管D7，限流电阻R6，充放电电容C4相互串联成回路构成驱动电容电源电路；充放电电容C4正端分两路：一路由二极管D8，开关管Q11，限流电阻R7，分闸线圈8，充放电电容C4相互串联成回路，构成对分闸线圈8的驱动控制电路；另一路由二极管D9，开关管Q13，限流电阻R8，合闸线圈9，充放电电容C4串联成回路构成合闸线圈9的驱动控制电路；限流电阻R7与分闸线圈8串联的电路两端以及限流电阻R8与合闸线圈9串联的电路两端各自并联一个供分闸线圈8和合闸线圈9释放剩余能量的开关管Q12与Q14。

工作原理及工作过程叙述如下：

永磁操动机构在合、分闸位置的保持由永久磁铁的吸合力来实现。永磁机构处于保持状态时，线圈不需加载保持电流。永磁体6吸合软磁体骨架4，此时开关电器处于分闸状态。相反永磁体2吸合软磁体骨架4，此时开关电器处于合闸状态。

本实用新型的操动机构由分闸位置转变为合闸位置的过程是这样的：智能控制单元发出合闸命令，驱动电路工作(具体工作步骤，后面还有详细介绍)，使线圈5或合闸线圈9中产生一个与永磁体6的磁场方向相反的磁场，两个磁场相斥，使软磁体骨架4被快速推向永磁体2，并被永磁体2吸合，由于拉杆1、7与软磁体骨架4是固接在一起的，所以也被永磁体2一起带动，从而完成一次由分闸状态至合闸状态的转变。

本实用新型的操动机构由合闸位置转变为分闸位置的过程是这样的：智能控制单元发出分闸命令，驱动电路工作(具体工作步骤，后面还有详细介绍)，使线圈5或分闸线圈8中产生一个与永磁体2的磁场方向相反的磁场，两个磁场相斥，使软磁体骨架4被快速推向永磁体6，并被永磁体6吸合，而完成一次由合闸状态至分闸状态的转变。

下面结合附图3、4、5，进一步介绍永磁操动机构和驱动电路的工作原理和工作顺序。

单电源驱动电路(附图3)工作顺序如下：

1、永磁操动机构处于分闸保持状态，直流电源BT1通过二极管D1、限流电阻R1对电容C1充电，所有电子开关管Q1-Q6处于关断状态，线圈5内没有工作电流；

2、永磁操动机构处于由分闸向合闸的过渡状态，智能控制单元控制电子开关管Q1、Q2开通，电容C1的电流通过二极管D2、电子开关管Q1、限流电阻R2加载给线圈5，然后通过电子开关Q2，形成电流回路，使线圈5产生正向电流，该正向电流通过线圈5后，使软磁体骨架4产生与永磁体6相排斥的磁力，由于该力的作用，使软磁体骨架4和线圈5被推向永磁体2，并被吸合在永磁体2上，从而实现合闸操作；

3、智能控制单元控制电子开关Q1、Q2关断，同时开通电子开关Q5，使线圈5内储存的剩余电能通过限流电阻R2形成的回路将能量释放，同时直流电源BT1通过二极管D1、限流电阻R1对电容C1充电；

4、在线圈5的剩余能量释放完毕后，智能控制单元控制电子开关Q5关断，永磁操动机构处于合闸保持状态；

5、永磁操动机构处于由合闸向分闸过渡状态，智能控制单元控制电子开关管Q3、Q4开通，电容C1的电流通过二极管D2、电子开关管Q3、限流电阻R2加载给线圈5，然后通过电子开关Q4，形成电流回路，使线圈5产生反向电流，该反向电流通过线圈5后，使软磁体骨架4产生与永磁体2相排斥的磁力，由于该力的作用，使软磁体骨架4和线圈5被推向永磁体6，并被吸合在永磁体6上，从而实现分闸操作；

6、智能控制单元控制电子开关Q3、Q4关断，同时开通电子开关Q6，使线圈5内储存的剩余电能通过限流电阻R2形成的回路将能量释放，同时直流电源BT1通过二极管D1、限流电阻R1对电容C1充电；

7、在线圈5的剩余能量释放完毕后，智能控制单元控制电子开关管Q6关断，永磁操动机构处于分闸保持状态，至此操动机构完成了一个“分—合—分”的完整操作过程。

双电源驱动电路(附图4)工作顺序如下：

1、操动机构处于分闸保持状态，直流电源BT2通过二极管D3、限流电阻R3对电容C2充电，直流电源BT3通过二极管D5、限流电阻R5对电容C3充电，所有电子开关管Q7-Q10处于关断状态，线圈5内没有工作电流；

2、永磁操动机构处于由分闸向合闸的过渡状态，智能控制单元控制电子开关管Q7开通，电容C2的电流通过二极管D4、电子开关管Q7、限流电阻R4加载给线圈5形成电流回路，使线圈5产生正向电流，该正向电流通过线圈5后，使软磁体骨架4产生与永磁体6相排斥的磁力，由于该力的作用，使软磁体骨架4和线圈5被推向永磁体2，并被吸合在永磁体2上，从而实现合闸操作；

3、智能控制单元控制电子开关Q7关断，同时开通电子开关Q8，使线圈5内储存的剩余电能通过限流电阻R4形成的回路将能量释放，同时直流电源BT2通过二极管D3、限流电阻R3对电容C2充电；

4、在线圈5的剩余能量释放完毕后，智能控制单元控制电子开关Q8关断，永磁操动机构处于合闸保持状态；

5、永磁操动机构处于由合闸向分闸过渡状态，智能控制单元控制电子开关管Q10开通，电容C3的电流通过二极管D6、电子开关管Q10、限流电阻R4加载给线圈5形成电流回路，使线圈5产生反向电流，该反向电流通过线圈5后，使软磁体骨架4产生与永磁体2相排斥的磁力，由于该力的作用，使软磁体骨架4和线圈5被推向永磁体6，并被吸合永磁体6上，从而实现分闸操作；

6、智能控制单元控制电子开关Q10关断，同时开通电子开关Q9，使线圈5内储存的剩余电能通过限流电阻R2形成的回路将能量释放，同时直流电源BT3过二极管D5、限流电阻R5对电容C3充电；

7、在线圈5的剩余能量释放完毕后，智能控制单元控制电子开关Q9关断，永磁操动机构处于分闸保持状态，至此操动机构完成了一个“分—合—分”的完整操作过程。

双线圈驱动电路(附图5)工作顺序如下：

1、永磁操动机构处于分闸保持状态，直流电源BT4通过二极管D7、限流电阻R6对电容C4充电，所有电子开关管Q11-Q14处于关断状态，线圈8和线圈9内没有工作电流；

2、永磁操动机构处于由分闸向合闸的过渡状态，智能控制单元控制电子开关管Q13开通，电容C4的电流通过二极管D9、电子开关管Q13、限流电阻R8加载给线圈9，形成电流回路，使线圈9产生正向电流，该正向电流通过线圈9后，使软磁体骨架4产生与永磁体6相排斥的磁力，由于该力的作用，使软磁体骨架4和线圈8、9被推向永磁体2，并被吸合在永磁体2上，从而实现合闸操作；

3、智能控制单元控制电子开关Q13关断，同时开通电子开关Q14，使线圈9内储存的剩余电能通过限流电阻R8形成的回路将能量释放，同时直流电源BT4通过二极管D7、限流电阻R6对电容C4充电；

4、在线圈9的剩余能量释放完毕后，智能控制单元控制电子开关Q13关断，永磁操动机构处于合闸保持状态；

5、永磁操动机构处于由合闸向分闸过渡状态，智能控制单元控制电子开关管Q11开通，电容C4的电流通过二极管D7、电子开关管Q11、限流电阻R7加载给线圈8，形成电流回路，使线圈8产生反向电流，该反向电流通过线圈8后，使软磁体骨架4产生与永磁体2相排斥的磁力，由于该力的作用，使软磁体骨架4和线圈8、9被推向永磁体6并被吸合在永磁体6上，从而实现分闸操作；

6、智能控制单元控制电子开关Q11关断，同时开通电子开关Q12，使线圈8内储存的剩余电能通过限流电阻R2形成的回路将能量释放，同时直流电源BT4通过二极管D7、限流电阻R6对电容C4充电；

7、在线圈8的剩余能量释放完毕后，智能控制单元控制电子开关Q12关断，永磁操动机处于分闸保持状态，至此操动机构完成了一个“分—合—分”的完整操作过程。

永磁操动机构的行程根据所配置的开关需要，可通过改变套筒的长度实现，开关电器所需的推力和保持力可根据永磁体2、6的磁场强度，线圈5或线圈8、9的匝数，以及驱动电路能提供的工作电流的大小来设计。这样本实用新型即可满足大多数开关电器对操动机构的要求。如果能得到推广应用，必将极大地降低开关的成本，提高其性能，因而可产生巨大的经济效益。

Claims

1、一种双稳态动圈式永磁操动机构，包括永磁操动机构和驱动电路，其特征在于，所述永磁操动机构的构成是，两个永磁体(2)与(6)分别置于套筒(3)两端，其上绕有线圈(5)的软磁体骨架(4)置于套筒(3)与两个永磁体(2)和(6)所形成的内空间内，软磁体骨架(4)两端各自连接拉杆(1)与拉杆(7)，并分别伸出置于套筒(3)两端的永磁体(2)和(6)；所述驱动电路为单电源驱动电路，其组成是，由直流电源(BT1)与二极管(D1)，限流电阻(R1)，充放电电容(C1)相互串联成回路，构成驱动线圈(5)工作的电容电源电路；与充放电电容(C1)正端相连的二极管(D2)的输出分成两路：一路由开关管(Q1)经限流电阻(R2)和线圈(5)再经开关管(Q2)连于充放电电容(C1)负端组成对线圈(5)的正向电流驱动控制电路；另一路由开关管(Q3)经线圈(5)和限流电阻(R2)，再经开关管(Q4)连于充放电电容(C1)负端构成对线圈(5)的负向电流驱动控制电路，在限流电阻(R2)与线圈(5)相串联的电路两端还分别并联两个开关管(Q5)与(Q6)，构成线圈(5)剩余能量释放回路。

2、一种双稳态动圈式永磁操动机构，包括永磁操动机构和驱动电路，其特征在于，所述永磁操动机构的构成是，两个永磁体(2)与(6)分别置于套筒(3)两端，其上绕有线圈(5)的软磁体骨架(4)置于套筒(3)与两个永磁体(2)和(6)所形成的内空间内，软磁体骨架(4)两端各自连接拉杆(1)与拉杆(7)，并分别伸出置于套筒(3)两端的永磁体(2)和(6)；所述的驱动电路为双电源驱动电路，其组成是，由直流电源(BT2)与二极管(D3)，限流电阻(R3)，充放电电容(C2)相互串联成回路，构成驱动线圈(5)工作的正向电容电源电路；与充放电电容(C2)的正端相连的正向二极管(D4)的正向输出经开关管(Q7)与限流电阻(R4)和线圈(5)串联后再连于充放电电容(C2)的负端构成对线圈(5)的正向电流驱动控制电路；另一直流电源(BT3)与二极管(D5)，限流电阻(R5)，充放电电容(C3)相互串联组成驱动线圈(5)工作的负向电容电源电路；与充放电电容(C3)正端相连的正向二极管(D6)的正向输出经开关管(Q10)与线圈(5)和限流电阻(R4)串联后再连于充放电电容(C3)负端构成对线圈(5)的负向电流驱动控制电路，在限流电阻(R4)和线圈(5)串联电路两端分别并联开关管(Q8)与(Q9)构成线圈(5)剩余能量的释放回路。

3、一种双稳态动圈式永磁操动机构，包括永磁操动机构和驱动电路，其特征在于，所述永磁操动机构的构成是，两个永磁体(2)与(6)分别置于套筒(3)两端，其上绕有分闸线圈(8)和合闸线圈(9)的软磁体骨架(4)置于套筒(3)与两个永磁体(2)和(6)所形成的内空间内，软磁体骨架(4)两端各自连接拉杆(1)与拉杆(7)，并分别伸出置于套筒(3)两端的永磁体(2)和(6)；所述驱动电路为双线圈驱动电路，其组成是，由直流电源(BT4)与二极管(D7)，限流电阻(R6)，充放电电容(C4)相互串联成回路构成驱动电容电源电路；充放电电容(C4)正端分为两路，一路由二极管(D8)，开关管(Q11)，限流电阻(R7)，分闸线圈(8)，充放电电容(C4)相互串联成回路，构成对分闸线圈(8)的驱动控制电路；另一路由二极管(D9)，开关管(Q13)，限流电阻(R8)，合闸线圈(9)，充放电电容(C4)串联成回路构成合闸线圈(9)的驱动控制电路；限流电阻(R7)与分闸线圈(8)串联的电路两端以及限流电阻(R8)与合闸线圈(9)串联的电路两端各自并联一个供分闸线圈(8)和合闸线圈(9)释放剩余能量的开关管(Q12)与(Q14)。