專利名稱：磁保持式牽引電磁鐵及其控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
磁保持式牽引電磁鐵及其控制電路，一種高效節(jié)電的改代產(chǎn)品，屬于低壓電氣機(jī)械領(lǐng)域。是配套安裝在電磁閥、電磁繼電器、磁力起動(dòng)器、接觸器、電磁制動(dòng)器等電氣機(jī)械裝置上(內(nèi))的電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)及專用控制電路，其作用是控制牽引電磁鐵帶動(dòng)的閥塞、閥桿或電磁繼電器、磁力起動(dòng)器、接觸器的動(dòng)觸頭支架或電磁制動(dòng)器的抱閘作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到啟閉電磁閥門或分合電磁繼電器、磁力起動(dòng)器、接觸器電氣觸頭或分合電磁制動(dòng)器閘瓦之目的。
在已有技術(shù)中，如中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?8219029.6提供的“磁保持式電磁閥”和中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?8218906.9提供的“磁保持式電磁繼電器開關(guān)裝置”等設(shè)計(jì)方案，雖然在很大程度上對(duì)已有的各種磁保持電磁閥和磁保持電磁繼電器開關(guān)裝置牽引電磁鐵的形狀、構(gòu)造及其結(jié)合提出了新的改進(jìn)及實(shí)用的技術(shù)方案，但是，經(jīng)過進(jìn)一步研究后發(fā)現(xiàn)，上述已有技術(shù)方案仍然存在著兩個(gè)根本性的缺陷第一，磁保持式牽引電磁鐵的磁保持力還不夠大，恒磁體的磁能積并沒有得到充分的開發(fā)和利用，磁路結(jié)構(gòu)(設(shè)計(jì))也不盡合理。第二，牽引電磁鐵在磁保持“自鎖”后，當(dāng)勵(lì)磁電源突然失電時(shí)無法自動(dòng)返回到釋放狀態(tài)。這樣，電源電壓和牽引電磁鐵工作狀態(tài)的失步，可能會(huì)造成巨大的“自起動(dòng)”沖擊電流，使設(shè)備損壞，工藝流程破壞，甚至引起電網(wǎng)解列等嚴(yán)重事故。
本發(fā)明與上述已有技術(shù)不同，其目的是提供一種新的、高效能的閉合工作磁路，對(duì)磁路中某些核心部件的形狀和相對(duì)位置作出特殊的約束規(guī)定，以保證牽引電磁鐵工作磁路中電磁磁力線和恒磁磁力線的主磁通能以最佳的方向角(互為平行)穿過磁路的工作主氣隙，從而制造出一種電磁控制和恒磁控制(磁保持)靈敏度都很高的新型磁保持式牽引電磁鐵。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種專用的脈沖控制單元電路只使用一個(gè)電磁線圈就能操縱磁保持牽引電磁鐵的吸合和釋放狀態(tài)，并且在勵(lì)磁電源消失時(shí)使磁保持在吸合狀態(tài)的牽引電磁鐵自動(dòng)返回到釋放狀態(tài)。
本發(fā)明的第三個(gè)目的是提供一種快速動(dòng)作的、適宜于頻繁操作的、無聲運(yùn)行的高效節(jié)電牽引電磁鐵，大幅度地提高被控對(duì)象的工作可靠性和電氣滅弧性能。
本發(fā)明的第四個(gè)目的是提供一種設(shè)計(jì)電磁線圈的新技術(shù)方案其電磁線截面積一律按過電流運(yùn)行方式選用。例如，可以按額定安全載流量20倍以上的過電流標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)出一個(gè)可靠工作的磁保持式牽引電磁鐵電磁線圈，從而節(jié)省大量銅材，縮小磁保持牽引電磁鐵的整機(jī)體積。
本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)完整的磁保持式牽引電磁鐵和一個(gè)專用的脈沖控制單元電路。兩者可以分別制造安裝，也可以組裝成一個(gè)有機(jī)的整體產(chǎn)品。


圖1是磁保持式牽引電磁鐵的結(jié)構(gòu)示意圖它由上磁軛〔1〕，輔助磁極〔2〕，恒磁體〔3〕，旁磁軛〔4〕，下磁軛〔5〕，電磁線圈〔6〕，線圈架〔7〕，動(dòng)鐵心〔8〕，復(fù)位彈簧〔9〕等元件組成。在元件〔1〕的中央部位，垂直安裝一個(gè)元件〔2〕，以它們的中央軸線(縱向)為對(duì)稱軸，元件〔3〕吸持就位在元件〔1〕的左右兩側(cè)平面上，元件〔4〕也同樣對(duì)稱吸持在元件〔3〕上。元件〔6〕是一個(gè)平繞的線圈，具有縱向中央軸孔的元件〔7〕的下端部插入固定在元件〔2〕和〔3〕的空隙內(nèi)，其下翼板緊壓在元件〔4〕的水平部位上，使元件〔3〕的上下兩個(gè)接觸平面能夠得到一定的靜壓配合。元件〔5〕套裝在元件〔4〕和〔7〕的上端部，其外側(cè)結(jié)合面與元件〔4〕形成良好的定位配合，內(nèi)側(cè)垂直面則構(gòu)成一個(gè)規(guī)則化的、元件〔8〕插入滑動(dòng)的導(dǎo)軌軸承。元件〔9〕是一個(gè)壓簧，套裝在元件〔2〕的外側(cè)臺(tái)面上，與元件〔8〕的自重互相配合，使磁保持牽引電磁鐵在釋放狀態(tài)下保持足夠?qū)挼墓ぷ鳉庀恫?duì)被控對(duì)象(如電磁繼電器、接觸器的動(dòng)觸頭支架、閥塞等)提供必須的反作用力矩。總之，上述磁保持牽引電磁鐵的所有元件，不論在幾何形狀、安裝位置、結(jié)構(gòu)性能、磁性能方面，一律以元件〔1〕、〔2〕的中央軸線為對(duì)稱軸，構(gòu)成若干組左右對(duì)稱的工作磁路，即由元件〔1〕、〔3〕、〔4〕、〔5〕、〔8〕、〔2〕、〔9〕構(gòu)成的封閉式恒磁極化磁路和元件〔2〕、〔4〕、〔5〕、〔8〕、〔9〕、〔6〕構(gòu)成的電磁磁路，這兩個(gè)磁性回路在工作的時(shí)候，基于本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的上述特點(diǎn)，將迫使恒磁磁力線與電磁磁力線的主磁通以最佳的方向角互為平行地穿過元件〔2〕、〔8〕間形成的磁路主工作氣隙。
除此以外，為了更有效地改善磁路的工作性能，本發(fā)明提供的一個(gè)新技術(shù)方案是對(duì)元件〔5〕和〔8〕間的滑動(dòng)間隙及配合面積進(jìn)行適度的雙重控制，例如將間隙壓縮到數(shù)十微米左右，同時(shí)使滑動(dòng)配合面積處的磁阻下降，以滿足元件〔8〕的運(yùn)動(dòng)速率和牽引電磁鐵磁保持力的設(shè)計(jì)要求。為了同時(shí)兼顧到磁保持牽引電磁鐵的電磁吸合力矩、磁保持力矩和釋放力矩三者之間的平衡調(diào)控關(guān)系，本發(fā)明提供的另一個(gè)新技術(shù)方案是規(guī)定元件〔2〕的軸向高度H1必須大于元件〔3〕的軸向高度H2并伸進(jìn)元件〔6〕內(nèi)一個(gè)足夠的軸向高度H3。本發(fā)明提供的第三個(gè)新技術(shù)方案是與所述中央對(duì)稱軸線90°相交的元件〔3〕的上下兩個(gè)平面，其恒磁極性應(yīng)彼此相反，例如當(dāng)上平面為N極性時(shí)下平面為S極性，上平面為S極性時(shí)下平面為N極性。
在材質(zhì)構(gòu)造方面，元件〔3〕最好選用高矯頑磁力的硬磁鐵氧體或其它恒磁材料，元件〔1〕、〔2〕、〔4〕、〔5〕、〔8〕可以選用剩磁小的電工純鐵或具有類似物理特性的其它磁性材料，元件〔7〕應(yīng)該選用硬質(zhì)非導(dǎo)磁材料。
圖2是磁保持牽引電磁鐵專用的脈沖控制單元電路結(jié)構(gòu)示意圖交流電源〔17〕，整流電路〔16〕為元件〔6〕提供必需的勵(lì)磁直流電源，電容器〔10〕串接在勵(lì)磁主電路中，既可以設(shè)置在正極端，也可以改接到負(fù)極端。該電容器〔10〕與元件〔6〕的直流電阻、電感、分布電容組成的等效電路不允許出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。開關(guān)〔12〕和限流元件〔11〕串聯(lián)后并接在電容器〔10〕進(jìn)線側(cè)的勵(lì)磁電源上前者可以是一種手動(dòng)開關(guān)例如普通按鈕或單極切換開關(guān)等，也可以是一種電子開關(guān)(含電磁開關(guān))例如晶閘管或晶體三極管等；后者可以是一種普通的降壓元件例如電阻器或電感器等，也可以是一種電子調(diào)壓元件如自控調(diào)壓晶體三極管等。電源電壓取樣器〔14〕通常選用電光元件或電磁元件例如發(fā)光二極管、脈沖變壓器、電磁繼電器等，觸發(fā)器〔13〕則選用相應(yīng)的光敏元件或脈沖變壓器等。二極管〔15〕應(yīng)串接在元件〔11〕和〔12〕的進(jìn)線側(cè)正極主電路中，起止逆隔離作用(電源電壓取樣器〔14〕并接到交流電源側(cè)后可予取消)。
結(jié)合圖1和圖2，對(duì)本發(fā)明的工作原理概述如下初始位時(shí)，磁保持式牽引電磁鐵元件〔8〕和元件〔2〕間形成的主工作氣隙具有一定的寬度，此時(shí)，它在恒磁極化磁路中的磁阻呈高阻值，在元件〔9〕的反作用力下，該電磁鐵處于釋放狀態(tài)。接通交流電源〔17〕時(shí)，電容器〔10〕瞬間充電，為電磁線圈〔6〕提供了一個(gè)巨大的脈沖工作電流，電流方向?yàn)镵(＋)→G(－)，工作磁路中的恒磁磁力線與電磁磁力線正向疊加，元件〔8〕吸合，這時(shí)，所述主工作氣隙的寬度趨向于零(視元件〔2〕、〔8〕接觸配合面加工精度而定)，其磁阻呈低阻值，電容器〔10〕因充滿電荷而進(jìn)入“隔直”儲(chǔ)能狀態(tài)，電磁線圈〔6〕自動(dòng)失電，動(dòng)鐵心〔8〕在恒磁極化系統(tǒng)的作用下磁保持在吸合狀態(tài)。隨著某一原因造成電磁線圈〔6〕的勵(lì)磁電源失電(含正常分閘過程在內(nèi))，電源電壓取樣器〔14〕發(fā)送出一個(gè)相應(yīng)的電光或電磁脈沖信號(hào)，推動(dòng)觸發(fā)器〔13〕工作，輸出一個(gè)光電或磁電的脈沖信號(hào)，將(電子)開關(guān)〔12〕接通，電容器〔10〕儲(chǔ)積的能量經(jīng)(電子)開關(guān)〔12〕、限流元件〔11〕、電磁線圈〔6〕構(gòu)成一個(gè)反放電回路，電流方向?yàn)镚(＋)→K(－)，牽引電磁鐵工作磁路中極化系統(tǒng)的恒磁磁力線與電磁系統(tǒng)的電磁磁力線反向疊加，由于復(fù)位彈簧〔9〕的反作用力，動(dòng)鐵心〔8〕立即恢復(fù)到釋放狀態(tài)。
需要特別指出的是，元件〔3〕和元件〔9〕的選用及工作是一組截然相反的矛盾當(dāng)元件〔3〕改用高磁能積的恒磁材料時(shí)，磁保持式牽引電磁鐵的吸合時(shí)間縮短，磁保持力矩增強(qiáng)，但釋放時(shí)間相對(duì)增加，釋放控制靈敏度有所下降；當(dāng)元件〔9〕改用高彈力的壓簧時(shí)，電磁鐵的吸合時(shí)間增長(zhǎng)，磁保持力矩減弱，釋放控制靈敏度提高，且釋放時(shí)間變快。因此只要對(duì)元件〔3〕和〔9〕的選用進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化配合，本發(fā)明可以提供一種快速動(dòng)作的、適宜于頻繁操作的高效節(jié)電型磁保持牽引電磁鐵。
圖1又是一個(gè)磁保持式交流接觸器的實(shí)施例。元件〔1〕——元件〔9〕構(gòu)成所述的磁保持式牽引電磁鐵。元件〔18〕為接觸器的動(dòng)觸頭支架，〔19〕為動(dòng)觸頭，〔20〕為動(dòng)觸頭固定銷子，〔21〕為動(dòng)觸頭壓簧，〔22〕為靜觸頭，〔23〕為印刷電路板、其上裝有所述元件〔10〕、〔11〕、〔12〕、〔13〕、〔14〕、〔15〕、〔16〕等，〔24〕為接觸器的封閉殼體，〔25〕為交流勵(lì)磁電源引線。元件〔8〕與元件〔18〕剛性連結(jié)，整個(gè)結(jié)構(gòu)外形尺寸與CJ20－40型交流接觸器相同，電氣結(jié)線也完全兼容。
圖3示出了一個(gè)磁保持式電磁閥的實(shí)施例。元件〔1〕——元件〔9〕構(gòu)成所述的磁保持式牽引電磁鐵。元件〔26〕為元件〔2〕的緊固螺母，〔27〕為密封閥心套，使用非導(dǎo)磁材料制成，從原理上講可視為線卷架〔7〕的擴(kuò)展(加厚)部份，〔28〕為剛性連桿，〔29〕為閥塞，〔30〕為閥塞缸，〔31〕為閥座，〔32〕為閥蓋，〔33〕為密封卷。
圖4示出了一個(gè)磁保持式牽引電磁鐵脈沖控制單元電路實(shí)施例的原理結(jié)線圖。元件〔11〕為電阻器R3，〔12〕為高反壓晶體三極管T4，〔13〕為光敏三極管T2，電阻器R2既為T2提供偏置電流又為T4提供基極電流同時(shí)兼任電容器C2的積分電阻，防止開關(guān)〔12〕在接通合閘電源的一瞬間搶先誤導(dǎo)通。電阻器R1及發(fā)光二極管T1組成元件〔14〕，電容器C1枚平整流電路〔16〕的輸出電壓，免使T1在接近脈動(dòng)直流電零點(diǎn)時(shí)誤動(dòng)作。元件〔34〕為光耦整體器件，〔35〕為主令控制觸頭，它閉合時(shí)使電容器〔10〕充電、電磁線圈〔6〕正向?qū)?，牽引電磁鐵磁保持吸合，充電完畢后“隔直”儲(chǔ)能，在主令控制觸頭〔35〕分?jǐn)?或交流電源失電)時(shí)，經(jīng)二極管〔15〕的止逆作用，使電磁線圈〔6〕反向?qū)?，磁保持式牽引電磁鐵自動(dòng)釋放。由此可見，本原理結(jié)線是一種與普通交流牽引電磁鐵全兼容的控制電路。
圖5示出了本發(fā)明脈沖控制單元電路另一個(gè)實(shí)施例的原理結(jié)線圖。與圖4不同元件〔12〕采用晶閘管T4，新增了一個(gè)二極管T5，起降壓抗干擾作用。其余的元件編號(hào)及工作原理與圖4所述相同。
圖6示出了本發(fā)明脈沖控制單元電路第三個(gè)實(shí)施例的原理結(jié)線圖。開關(guān)〔12〕是一個(gè)單極切換開關(guān)，操動(dòng)開關(guān)接通正極電源時(shí)，電磁線圈〔6〕正向?qū)?，牽引電磁鐵吸合并磁保持；操動(dòng)開關(guān)接通限流元件〔11〕時(shí)(如本圖顯示的所在位置)，電磁線圈〔6〕反向?qū)ǎ瑺恳婋姶盆F回復(fù)到釋放狀態(tài)。
圖7示出了本發(fā)明脈沖控制單元電路第四個(gè)實(shí)施例的原理結(jié)線圖。元件〔14〕是一個(gè)電壓繼電器的勵(lì)磁線圈，開關(guān)〔12〕是該繼電器的一對(duì)切換觸頭，除此外，本圖的其余元件編號(hào)和工作原理與圖4所述相同。
一九八九年六月中旬，本發(fā)明人已經(jīng)按照本發(fā)明規(guī)定的條件，研制出了第一臺(tái)磁保持式牽引電磁鐵樣機(jī)，并著手進(jìn)行了制造生產(chǎn)的有關(guān)準(zhǔn)備工作。為了解決與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)接觸器殼體“改代”兼容的問題，本發(fā)明人又繼續(xù)研制出第二代樣機(jī)，配套安裝到電磁閥和接觸器上，取得了十分良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果。
事實(shí)證明，本發(fā)明具有的主要優(yōu)點(diǎn)是1. 超高速動(dòng)作的工作特性，可以達(dá)到毫秒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。例如本發(fā)明人研制出的第一臺(tái)樣機(jī)，全行程為8毫米，實(shí)測(cè)的吸合動(dòng)作時(shí)間不大于2毫秒(三十次平均值)。
2. 高可靠的工作特性，主要取決于磁保持運(yùn)行沒有連續(xù)的機(jī)械振動(dòng)源和傳統(tǒng)的發(fā)熱源(勵(lì)磁線圈、短路環(huán))以及使用了優(yōu)質(zhì)的恒磁材料及簡(jiǎn)單的控制電路，故適宜于頻繁操作。
3. 高效節(jié)電特性，是因?yàn)閯?lì)磁線圈僅在改變裝置工作狀態(tài)的瞬間脈沖用電(脈寬最大值為百毫秒級(jí)，最小值為毫秒級(jí))?？刂齐娐返淖院碾娨苍诤镣咧涟俸镣呒?jí)間變化。節(jié)電率隨用電設(shè)備的接通系數(shù)而變，與現(xiàn)有同類產(chǎn)品相比，最佳值可達(dá)99.9％左右。
4. 勵(lì)磁線圈一律采用直流電源，與現(xiàn)有的交流電磁閥、磁力起動(dòng)器、接觸器等電氣機(jī)械裝置相比，節(jié)省了大量的無功功率，改善了供電電網(wǎng)的功率因數(shù)。
5. 勵(lì)磁線圈電磁線按過電流運(yùn)行方式選用，節(jié)省了銅材，縮小了牽引電磁鐵體積，減輕了重量。
6. 以大量的低碳鋼取代了磁力起動(dòng)器、接觸器中傳統(tǒng)使用的昂價(jià)的硅鋼片。
7. 簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝，改善了電磁繼電器開關(guān)裝置的滅弧性能。
8. 在控制線路上與已有的同類交直流電氣裝置全兼容。
權(quán)利要求1.磁保持式牽引電磁鐵及其控制電路，是配套安裝在電磁閥、電磁繼電器、磁力起動(dòng)器、接觸器、電磁制動(dòng)器等電氣機(jī)械裝置上(內(nèi))的電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)及專用控制電路，其特征在于(a)、每個(gè)牽引電磁鐵均由上磁軛[1]，輔助磁極[2]，恒磁體[3]，旁磁軛[4]，下磁軛[5]，電磁線圈[6]，線圈架[7]，動(dòng)鐵心[8]，復(fù)位彈簧[9]等元件組成，以輔助磁極[2]和動(dòng)鐵心[8]的中心軸線為對(duì)稱軸，形成在幾何形狀、安裝位置、結(jié)構(gòu)性能、磁性能方面左右對(duì)稱的工作磁路，其中，恒磁磁路為封閉式對(duì)稱磁路，(含局部滑動(dòng)間隙配合)上述磁路中恒磁磁力線與電磁磁力線的主磁通穿過動(dòng)鐵心[8]的主工作氣隙且互為平行；(b)、一個(gè)串接在電磁線圈[6]主電路中的電容器[10]和并接在該電容器進(jìn)線側(cè)勵(lì)磁電源上的開關(guān)[12]、限流元件[11]，構(gòu)成了使用同一個(gè)電磁線圈[6]控制磁保持牽引電磁鐵吸合和釋放的脈沖控制單元電路。
2.按權(quán)利要求1規(guī)定的磁保持式牽引電磁鐵及其控制電路，其特征是輔助磁極〔2〕的軸向高度H1必須大于恒磁體〔3〕的軸向高度H2并伸進(jìn)電磁線圈〔6〕內(nèi)一個(gè)足夠的軸向高度H3。
3.按權(quán)利要求1規(guī)定的磁保持式牽引電磁鐵及其控制電路，其特征是下磁軛〔5〕和動(dòng)鐵心〔8〕之間的滑動(dòng)間隙配合及配合面積。
4.按權(quán)利要求1規(guī)定的磁保持式牽引電磁鐵及其控制電路，其特征是與中心軸線90°相交的恒磁體〔3〕的上下兩個(gè)平面，其恒磁極性彼此相反。
5.按權(quán)利要求1規(guī)定的磁保持式牽引電磁鐵及其控制電路，其特征是電磁線圈〔6〕的電磁線截面積一律按過電流運(yùn)行方式選用。
6.按權(quán)利要求1規(guī)定的磁保持式牽引電磁鐵及其控制電路，其特征是開關(guān)〔12〕為電子開關(guān)(晶體三極管、晶閘管)或電磁開關(guān)時(shí)，勵(lì)磁電壓取樣器〔14〕、觸發(fā)器〔13〕、限流元件〔11〕、電容器〔10〕構(gòu)成一個(gè)使工作在吸合狀態(tài)的磁保持式牽引電磁鐵在勵(lì)磁電源失電時(shí)自動(dòng)返回到釋放狀態(tài)的“自同步保護(hù)電路”。
7.按權(quán)利要求1、4規(guī)定的磁保持式牽引電磁鐵及其控制電路，其特征是恒磁體〔3〕及與之配合使用的復(fù)位彈簧〔9〕。
專利摘要磁保持式牽引電磁鐵及其控制電路，屬于低壓電氣機(jī)械領(lǐng)域。是配套安裝在電磁閥、電磁繼電器、磁力起動(dòng)器、接觸器、電磁制動(dòng)器等電氣裝置上的電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)及專用控制電路，勵(lì)磁線圈在電磁鐵吸合后自動(dòng)斷電，具有瞬間通電吸合、恒磁吸持自保、瞬間通電釋放的工作特征，是一種高效節(jié)電、超高速動(dòng)作、高可靠的牽引電磁鐵，節(jié)省銅材，不需用硅鋼片，制造工藝簡(jiǎn)單，最佳節(jié)電率可達(dá)99.9％左右，與上述電氣機(jī)械配套，可以形成數(shù)百種改代產(chǎn)品。
文檔編號(hào)H01F7/06GK2052932SQ8921316
公開日1990年2月14日 申請(qǐng)日期1989年9月5日 優(yōu)先權(quán)日1989年9月5日
發(fā)明者張凡, 周繼輝, 廖平 申請(qǐng)人:張凡, 周繼輝, 廖平, 四川新興電氣應(yīng)用技術(shù)研究所