CN201229906Y - 一种提高线圈磁场对动铁芯动态反应能力的永磁机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种提高线圈磁场对动铁芯动态反应能力的永磁机构，它包括一固定在驱动杆上的动铁芯，所述动铁芯外依次连接一内导磁环和一环形永磁体，在所述环形永磁体的外面固定连接一外导磁套，在所述内导磁环和环形永磁体的两侧，分别设置一与所述外导磁套固定连接、与所述动铁芯滑动连接的合闸线圈和分闸线圈，在所述合闸线圈的外侧设置一穿设过所述驱动杆且与所述外导磁套固定成一体的合闸端盖，在所述分闸线圈的外侧设置一穿设过所述驱动杆且与所述外导磁套固定成一体的分闸端盖，在所述合闸端盖和分闸端盖之间留有动铁芯移动的空间，其特征在于：所述动铁芯与所述合闸端盖或分闸端盖的接触面中，至少有一侧接触面为非平面接触的曲面。本实用新型可广泛应用于电力行业的真空断路器中。

Description

一种提高线圈磁场对动铁芯动态反应能力的永磁机构

技术领域

本实用新型涉及一种永磁机构，特别是关于一种提高线圈磁场对动铁芯动态反应能力的永磁机构。

背景技术

目前具有轴向往复运动功能的机构被广泛应用于电力开关设备、机械制造、医疗器械、工程机械、纺织机械等众多领域。这样的机构通常是利用驱动元件的旋转运动转换成直线运动的方式来实现的，实现这一过程的驱动元件一般采用弹簧机构、液压机构、伺服机构等。但是其存在以下问题：1、弹簧机构具有结构复杂、体积大、零部件数量多、故障率高、可靠性低等缺点，这是因为每个弹簧机构除去标准件还需要高达120件以上的零部件，并且还有许多相互关联的机械锁扣装置。2、液压机构不仅有众多的管路和控制阀，而且液体泄漏是限制机构可靠性提高的难题，极其难以完美解决。3、伺服机构需要有复杂的控制***来进行控制，成本高昂，难以普及。因此，近年来随着新型高性能永磁材料的出现，人们开发了以永磁体来提供保持力的机构，简称永磁机构，已公开的专利有：中国专利CN 1202714A、CN 2337668Y、CN 1416151A等。

如图1所示，是永磁机构和弹簧机构的操动力与行程关系的比较图，其中a表示真空灭弧室要求的合闸特性曲线，b表示弹簧操作机构合闸时提供的特性曲线，c表示永磁机构合闸时提供的特性曲线。由此可见，与弹簧机构相比，永磁机构有着优异的机械特性、电气特性、适当的合闸速度和分闸速度、较长的使用寿命以及较高的可靠性。因此，永磁机构更能符合当今社会对开关设备的高可靠性、免维护、智能化、小型化的整体发展趋势和要求，目前永磁机构正广泛应用于电力***中的中压真空断路器中。同时国家电网公司也已经明确将永磁操动机构、小型化、免维护的真空技术，列为配电与用电的新技术应用方向。

如图2所示，是已有技术中永磁机构示意图，它的工作过程是：当合闸线圈10启动时，动铁芯11在合闸线圈10的作用下带动驱动杆12一起向左运动，直至动铁芯11与合闸端盖13相接触为止；此时合闸线圈10中的电流终止，动铁芯11与合闸端盖13相接触的状态由永磁体14与外导磁套15、合闸端盖13、以及内导磁环16所形成的静磁回路来保持，从而形成合闸状态。类似地，当分闸线圈17启动时，动铁芯11在分闸线圈17的作用下，克服合闸静态定位保持力带动驱动杆12一起向右运动，直至动铁芯11与分闸端盖18相接触为止；此时分闸线圈17中的电流终止，动铁芯11与分闸端盖18相接触的状态由永磁体14与外导磁套15、分闸端盖18、以及内导磁环16所形成的静磁回路来保持，从而形成分闸状态。通过上述对永磁机构的工作过程描述可知，动铁芯的动态反应能力是通过关系式：F₀＝F_z-F_g表现出来的，其中F_z表示线圈磁场对动铁芯的动态驱动力，F_g表示动铁芯的静态定位保持力，F₀表示线圈对动铁芯的净作用力。也就是说，F₀决定着动铁芯的动态反应能力，F₀越大，动态反应能力就越大，反之就越小。

然而，众所周知，特别是在电力行业的输、变电领域比如电力开关中，作为轴向往复运动的永磁机构，不仅要求具有很高的静态保持力，还要求具有足够快的动态反应能力，也就是说，F_g和F₀都要大。因此可行的办法就是提高线圈磁场对动铁芯的动态驱动力F_z，而现有技术中无法在这方面提供满足，在现有技术中，如果动铁芯的静态定位保持力越高，则线圈对动铁芯的净作用力就越差，动铁芯的动态反应能力就越差；相反，为保证动铁芯有足够高的动态反应能力，就不得不牺牲动铁芯的静态定位保持力。因此，设计一种既具有高的静态定位保持力，又具有快的动态反应能力的轴向高梯度磁场永磁机构是一项新的研究课题。

发明内容

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种在动铁芯的材质、体积以及线圈磁场强度不变的情况下，能够显著提高线圈磁场对动铁芯动态反应能力的永磁机构。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种提高线圈磁场对动铁芯动态反应能力的永磁机构，它包括一固定在驱动杆上的动铁芯，在所述动铁芯外面滑套一内导磁环，在所述内导磁环的外表面固定设置一环形永磁体，在所述环形永磁体的外表面固定连接一外导磁套，在所述内导磁环和环形永磁体的两侧，分别设置一与所述外导磁套固定连接、与所述动铁芯滑动连接的合闸线圈和分闸线圈，在所述合闸线圈的外侧设置一穿设过所述驱动杆且与所述外导磁套固定成一体的合闸端盖，在所述分闸线圈的外侧设置一穿设过所述驱动杆且与所述外导磁套固定成一体的分闸端盖，在所述合闸端盖和分闸端盖之间留有动铁芯移动的空间，其特征在于：所述动铁芯与所述合闸端盖或分闸端盖的接触面中，至少有一侧接触面设置为非平面曲面。

所述非平面曲面的形状为凸台形、圆锥形、圆弧形、半圆形、多边形、V形、之字形、梯形、锯齿形和抛物线形中的一种或一种以上形状的组合。

所述动铁芯与一侧端盖的接触面为平面，与另一侧端盖的接触面为非平面曲面。

所述动铁芯与两侧端盖的接触面为相同形状的非平面曲面。

所述动铁芯与一侧端盖接触面形状的曲率大于与另一侧接触面形状的曲率。

所述永磁体形状为圆形、多边形、方形、矩形、椭圆形中的一种环状体。

所述永磁体由多个具有相同磁矩方向的小永磁体拼装而成。

所述小永磁体的形状呈瓦形。

本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本实用新型运用电磁学和力学原理分析了永磁机构的静态保持力和动态反应力的控制源，通过改变动铁芯与一侧或两侧端盖之间的接触面形状，改变轴向磁场的梯度，进而提高永磁机构的动态反应能力，其结构原理简单科学，具有创新和实用价值。2、本实用新型对永磁机构结构的改进貌似简单，但是，本实用新型与已有技术相比能够在动铁芯的材质、体积以及线圈磁场强度都不变的情况下，显著提高线圈磁场对动铁芯的动态驱动力，其有益效果十分显著。3、本实用新型可以根据不同的使用场合和不同的使用要求，对两个接触面进行相同的和不同的曲面结构设计，且实施方便、应用面广、经济性好。本实用新型可广泛应用于电力行业的真空断路器中。

附图说明

图1是现有技术永磁机构和弹簧机构的操动力与行程关系的比较图

图2是现有技术永磁机构示意图

图3是动铁芯与端盖为平面接触时的磁力线形成图

图4是动铁芯与端盖为曲面接触时的磁力线形成图

图5～7是本实用新型动铁芯与两端盖的接触面中一端为非平面曲面示意图

图8～10是本实用新型动铁芯与两端盖的接触面中双端均为相同的非平面曲面示意图

图11～13是本实用新型动铁芯与两端盖的接触面中双端为不相同的非平面曲面示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。

本申请人通过研究发现，在做轴向往复运动的永磁机构中，动铁芯与端盖之间的静态保持力F_g与线圈磁场对动铁芯的动态驱动力F_z在磁学机理上是有所不同的。线圈磁场对动铁芯的动态驱动力F_z通过磁场的能量方程分析，运用虚功原理推导如下：

假设体积为V_m的磁性物质，在磁场H的作用下沿轴向方向移动了dz距离，则其体积范围内的磁场能量变化可由磁场能量方程式给出：

$\mathrm{\Δ}{W}_m=\frac{1}{2}{\mathrm{\μH}}^2{V}_m-\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_0{H}^2{V}_m---\left(1\right)$

这里，μ为磁性物质的磁导率，μ₀为真空磁导率。将已知关系式：

$\mathrm{\μ}={\mathrm{\μ}}_0(1+\frac{M}{H})---\left(2\right)$

$={\mathrm{\μ}}_0(1+\mathrm{\χ})$

代入式(1)，有：

$\mathrm{\Δ}{W}_m=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\χ}{H}^2{V}_m---\left(3\right)$

这里，χ为磁性物质的磁化率，由于V_m具有一定的空间大小，一般地，在该磁性物质体积范围内磁场强度H和磁化率χ均为空间的函数，因此外磁场沿轴向的作用力可表述为：

$F_z=\frac{\∂\mathrm{\Δ}{W}_m}{\∂z}$                     (4)

$={\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\χ}{V}_{m}H\frac{\∂H}{\∂z}+\frac{{\mathrm{\μ}}_0{V}_m}{2}{H}^2\frac{\∂\mathrm{\χ}}{\∂z}$

式中，

为磁场梯度，物质的磁化率恒定时，式中第二项为零。由此可见，任何磁性物质在均匀磁场中所受的净作用力为零。在通常情况下，磁场对磁性物质的作用力取决于式(4)中的第一项，即：

$F_z={\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\χ}{V}_{m}H\frac{\∂H}{\∂z}---\left(5\right)$

其方向指向磁场变化率增大的方向。

而动铁芯与端盖之间的静态保持力乃是永磁磁场在介质界面上Maxwell(麦克斯韦)张力，已知公式为：

$F_g=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_0{H}_g^2{S}_m---\left(6\right)$

这里，μ₀为真空磁导率，H_g为动铁芯与端盖之间的气隙磁场强度，S_m为动铁芯与端盖之间的接触面积。

由此可见，在动铁芯的材质、体积以及线圈磁场强度不变的情况下，通过提高线圈磁场强度的梯度便可显著提高线圈磁场对动铁芯的动态驱动力，从而提高线圈对动铁芯的净作用力F₀。虽然在动铁芯与端盖的接触面为平面状态时，线圈磁场也存在梯度，但其梯度值较小，磁场对动铁芯的动态驱动力较弱。根据磁力线折射原理可知，在高磁导率的软铁边界上，几乎所有磁力线都倾向于在空气一侧垂直边界。因此，将动铁芯与端盖的啮合面设计为曲面时，在动铁芯表面附近，磁力线会发生大角度扭曲，磁场强度的不均匀性显著增大，从而大幅度提高了动铁芯表面附近的磁场梯度。如图3所示，当动铁芯11与合闸端盖13的啮合面为平面状态时，合闸线圈10所产生的磁力线a近乎均匀地穿过动铁芯11表面，动铁芯11表面附近的磁场较均匀，梯度值较小，磁场对动铁芯11的动态驱动力较弱；而当动铁芯11与合闸端盖13的啮合面为曲面时(如图4所示)，在动铁芯11表面附近，磁力线a发生大角度扭曲，磁场的不均匀性显著增大，从而大幅度提高了动铁芯11表面附近的磁场梯度，由上述式(4)可知，由于磁场的梯度加大，在动铁芯的材质、体积以及线圈磁场强度都不变的情况下，即可显著提高线圈磁场对动铁芯的动态驱动力。

根据以上分析，本实用新型提供了一种具有轴向高梯度磁场的永磁机构，其是在现有永磁机构的基础上，将动铁芯与两侧的两个端盖的接触面设计成一侧或两侧非平面曲面。该非平面曲面可以是凸台形、圆锥形、半圆形、圆弧形、多边形、V形、之字形、梯形、锯齿形、抛物线形等形状中的一种，也可以是上述一种形状以上的组合。具体实施例如下：

实施例一

如图5所示，本实施例包括一固定在驱动杆1上的动铁芯2，在动铁芯2外面滑动设置一内导磁环3，在内导磁环3的外面固定设置一环形永磁体4，在环形永磁体4的外面固定连接一外导磁套5，在内导磁环3和环形永磁体4的两侧，分别设置一与外导磁套5固定连接、且滑动设置在动铁芯2上的合闸线圈6和分闸线圈7。在合闸线圈6的外侧设置一穿设过驱动杆1且与外导磁套5固定成一体的合闸端盖8，在分闸线圈7的外侧设置一穿设过驱动杆1且与外导磁套5固定成一体的分闸端盖9，在合闸端盖8和分闸端盖9之间留有动铁芯2移动进行合闸和分闸的空间。动铁芯2与合闸端盖8的接触面为常规的平面接触，动铁芯2与分闸端盖9之间的接触面为锥台形曲面。这样，当分闸线圈7启动时，所形成的磁场具有较高的磁场梯度，进而对动铁芯2形成较大的动态驱动力，使动铁芯迅速摆脱与合闸端盖8之间的静磁吸附力，向分闸端盖9方向运动。相比之下，当合闸线圈6启动时，动铁芯2与分闸端盖9之间的平面接触面所形成的磁场梯度较低，动铁芯2所受到的动态驱动力较小，动铁芯2向合闸端盖8的运动反应速度也相应较低。

实施例二

如图6、图7所示，本实施例与上述实施例类似，均为单侧曲面形状，尽管曲面形状有所不同，但是接触面附近的磁场梯度都会发生较大的变化，当分闸线圈7启动时，都会对动铁芯2形成较高的动态驱动力，使动铁芯2摆脱与合闸端盖8之间的静磁吸附力，向分闸端盖9运动的反应速度加快。

上述两实施例都是动铁芯2与两端盖8、9的接触面为单侧曲面接触的结构形式，这样的结构适合于运动速度有一个方向高一个方向低的往复运动场合，其中，有曲面的一侧运动速度快。

实施例三

如图8～10所示，本实施例列举了动铁芯2与两端盖8、9的接触面为双侧曲面接触结构，比如都是锥台形的接触曲面(仅以此为例)，如图8、图9所示，两接触曲面是对称设置的；如图10所示，两接触曲面是同方向设置的。这几种设置同样可以达到提高双侧接触面磁场梯度的目的。当合闸线圈6或分闸线圈7启动时，所形成的磁场都具有较高的轴向磁场梯度，对动铁芯2的动态驱动力也较大，这样的结构适合于两个方向的运动速度都要高且相同的往复运动场合。

实施例四

如图11～13所示，本实施例列举了动铁芯2与两端盖8、9的接触面为双侧接触曲面结构的各种不同形式，但是两侧接触曲面形状不同。这样的结构与实施例一类似，适合于两个方向的运动反应速度不相同的往复运动场合。但与实施例一比较，不同之处在于：接触面为非平面曲面的结构中所产生的加速度要高于接触面为平面的结构中所产生的加速度，接触曲面的曲率越大，磁场强度梯度越大，所形成的动态驱动力就越大。

在上述各实施例中，永磁体4可以使用任何已知的永磁材料来制作，比如为钕-铁-硼或钐-钴或铁氧体或铝镍钴合金的烧结体或粘结体，这里选用牌号为SANMAG-N39SH，材料的剩磁Br＝12.5kGs，矫顽力Hcb＝12.0kOe的永磁材料；永磁体4的径向截面可以是是圆环形的，也可以根据设计要求设置成其它形状，例如多边形、矩形、椭圆形等。永磁体4可以是单一的环体，也可以是用多块具有相同磁距方向的瓦形小块拼装而成的，这样可以进一步降低永磁材料的成本，扩大使用的范围。

上述各实施例中，外导磁套5、内导磁环3、动铁芯2、合闸端盖8和分闸端盖9可以使用低碳钢或纯铁或硅钢或坡莫合金或非晶合金等高导磁材料制成。

上述各实施例中，驱动杆1使用非导磁的不锈钢或铜合金或铝合金或有机材料制成。驱动杆1和动铁芯2可以采用螺纹连接、销连接、铆接、焊接方式或以上方式的一种或一种以上方式的组合。

上述各实施例中，可以在各个组件的***，采用电镀、涂覆、浸渍的方法形成一层金属或非金属膜，起到防腐、润滑和改善外观的作用。

Claims (10)

1、一种提高线圈磁场对动铁芯动态反应能力的永磁机构，它包括一固定在驱动杆上的动铁芯，在所述动铁芯外面滑套一内导磁环，在所述内导磁环的外表面固定设置一环形永磁体，在所述环形永磁体的外表面固定连接一外导磁套，在所述内导磁环和环形永磁体的两侧，分别设置一与所述外导磁套固定连接、与所述动铁芯滑动连接的合闸线圈和分闸线圈，在所述合闸线圈的外侧设置一穿设过所述驱动杆且与所述外导磁套固定成一体的合闸端盖，在所述分闸线圈的外侧设置一穿设过所述驱动杆且与所述外导磁套固定成一体的分闸端盖，在所述合闸端盖和分闸端盖之间留有动铁芯移动的空间，其特征在于：所述动铁芯与所述合闸端盖或分闸端盖的接触面中，至少有一侧接触面设置为非平面曲面。

2、如权利要求1所述的一种提高线圈磁场对动铁芯动态反应能力的永磁机构，其特征在于：所述非平面曲面的形状为凸台形、圆锥形、圆弧形、半圆形、多边形、V形、之字形、梯形、锯齿形和抛物线形中的一种。

3、如权利要求1或2所述的一种提高线圈磁场对动铁芯动态反应能力的永磁机构，其特征在于：所述动铁芯与一侧端盖的接触面为平面，与另一侧端盖的接触面为非平面曲面。

4、如权利要求1或2所述的一种提高线圈磁场对动铁芯动态反应能力的永磁机构，其特征在于：所述动铁芯与两侧端盖的接触面为相同形状的非平面曲面。

5、如权利要求1或2所述的一种提高线圈磁场对动铁芯动态反应能力的永磁机构，其特征在于：所述动铁芯与一侧端盖接触面形状的曲率大于与另一侧接触面形状的曲率。

6、如权利要求1或2所述的一种提高线圈磁场对动铁芯动态反应能力的永磁机构，其特征在于：所述永磁体形状为圆形、多边形、方形、矩形、椭圆形中的一种环状体。

7、如权利要求6所述的一种提高线圈磁场对动铁芯动态反应能力的装置，其特征在于：所述永磁体由多个具有相同磁矩方向的小永磁体拼装而成。

8、如权利要求1或2所述的一种提高线圈磁场对动铁芯动态反应能力的装置，其特征在于：所述永磁体由多个具有相同磁矩方向的小永磁体拼装而成。

9、如权利要求7所述的一种提高轴向磁场梯度的永磁机构，其特征在于：所述小永磁体的形状呈瓦形。

10、如权利要求8所述的一种提高轴向磁场梯度的永磁机构，其特征在于：所述小永磁体的形状呈瓦形。

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