CN110246732A - 一种基于开槽磁轭的电磁斥力机构线圈 - Google Patents

Abstract

本发明属于快速机械开关操动机构领域，公开了一种基于开槽磁轭的电磁斥力机构线圈，包括：线圈骨架、挡板、紧固件、绕线圈和磁轭；磁轭为径向开槽的分离式结构，磁轭中心设置有线圈骨架，磁轭外部由紧固件环绕并一同固定在挡板上，磁轭内部设置有绕线圈；通过径向切槽增加磁轭中感应涡流的流通路径，开槽两侧磁轭中的涡流方向相反，抵消了涡流的去磁作用，减小了空间漏磁，提高了能量转化效率，提升了驱动效率。本发明提供的电磁斥力机构用线圈可以有效减小磁轭本身的涡流损耗和磁饱和效应，有助于降低空间漏磁，提高电磁斥力机构的驱动效率。

Description

一种基于开槽磁轭的电磁斥力机构线圈

技术领域

本发明属于快速机械开关操动机构领域，更具体地，涉及一种基于开槽磁轭的电磁斥力机构线圈。

背景技术

研制可以快速切断故障电流的断路器，是促进高压直流电网技术发展和应用的关键。根据拓扑原理的不同，直流断路器可分为机械式直流断路器、固态式直流断路器和混合式直流断路器三种。固态式直流断路器需要串并联大量的电力电子器件，带来很高的通流损耗，目前适用于高压直流电网的方案主要为机械式和混合式。

快速机械开关是两者中的关键部件，其动作速度决定了直流断路器的开断性能。传统操作机构由于动作环节多、累计运动公差大使其响应时间分散性大、分合闸时间较长，不适用于上述场合。电磁斥力机构相对于传统操动机构，具有响应时间短、刚分速度快、结构简单等优点，普遍应用于快速机械开关领域。

目前的电磁斥力机构多为空心线圈结构，磁场能量大多消耗在空气中，主磁通利用率很低。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于开槽磁轭的电磁斥力机构线圈，旨在解决现有技术中电磁斥力机构采用空心线圈结构，使得磁场能量大多消耗在空气中，磁通利用率低导致驱动效率低的问题。

本发明提供了一种基于开槽磁轭的电磁斥力机构线圈，包括线圈骨架、挡板、紧固件、绕线圈和磁轭；磁轭为径向开槽的分离式结构，磁轭中心设置有线圈骨架，磁轭外部由紧固件环绕并一同固定在挡板上，磁轭内部设置有绕线圈；通过径向切槽增加磁轭中感应涡流的流通路径，开槽两侧磁轭中的涡流方向相反，抵消了涡流的去磁作用，减小了空间漏磁，提高了能量转化效率，提升了驱动效率。

进一步优选地，磁轭可以为圆筒形，且磁轭开槽的数目大于等于4。

本发明中，磁轭是圆筒形，表面径向开槽，中心设置有线圈骨架，外部由紧固件环绕并一同固定在挡板上。磁轭内部设置有绕线圈，并通过环氧树脂浇筑成一体式结构。可以有效减小磁轭本身的涡流损耗和磁饱和效应，有助于降低空间漏磁，提高电磁斥力机构的驱动效率。

进一步优选地，磁轭的材料可以为电工纯铁DT-4。DT-4磁导率高，可以有效约束线圈周围的磁场，避免磁场向外扩散，使磁力线集中在线圈与能量转换件周围，以提高两者间的电磁耦合程度，从而在相同的驱动电流下获得更高的电磁驱动力。

进一步优选地，磁轭与绕线圈通过环氧树脂浇筑成一体式结构。去除了绕线圈表面多余的固定件，减小了绕线圈与能量转换件之间的初始间隙，从而增大机构在运动初始阶段的电磁耦合程度，另一方面也增加了绕线圈的牢固性。

进一步优选地，线圈骨架与挡板中心均设置有通孔，两者通过螺纹连接。

进一步优选地，磁轭和紧固件通过螺栓或铆钉固定在挡板上。由于磁轭为分离式结构，将磁轭固定在所述挡板上方便两者的装配和浇筑；紧固件相当于增大了磁轭浇筑时的接触面积，使线圈结构更加紧固。

进一步优选地，线圈骨架可以为圆筒形，线圈骨架的材料为环氧玻璃布。其中，玻璃布是用环氧玻璃纤维织成的织物；具有绝缘、绝热、耐腐蚀、不燃烧、耐高温、高强度等性能，主要用作绝缘材料、玻璃钢的增强材料。

进一步优选地，紧固件可以为圆筒形，紧固件的材料为环氧玻璃布。

进一步优选地，挡板可以为环氧玻璃布板。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

(1)由于本发明中的磁轭为径向开槽的分离式结构，使得本发明与现有技术相比，可以保证磁场在使用区域内按照较理想的通道进入线圈闭环，这样使磁场的能量转化效率大为提升，从而使斥力机构在相同的驱动参数下获得更大的电磁驱动力，提高了电磁斥力机构的驱动效率，减小了电源的容量和成本。

(2)本发明中磁轭开槽数目越多，机构操动时在磁轭中感应的涡流越小，磁轭的增磁作用越显著。

(3)本发明将磁轭设置为圆筒形，方便固定和承装绕线圈，磁轭与线圈浇筑成一体式结构，绕线圈与磁轭采用环氧树脂浇筑的方式固定，去除了线圈表面多余的固定件，这样可以使线圈与能量转换件间的初始间隙尽可能小，增大电磁斥力机构的最大输出行程与驱动力，同时使线圈牢固性大大提高。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于开槽磁轭的电磁斥力机构线圈示意图；

图2为本发明实施例提供的开槽数为4的磁轭结构示意图；

图3为本发明实施例提供的开槽数为6的磁轭结构示意图；

图4为本发明实施例提供的开槽数为8的磁轭结构示意图。

各附图标记为：1-线圈骨架，2-挡板，3-紧固件，4-绕线圈，5-磁轭，6-环氧树脂。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一种基于开槽磁轭的电磁斥力机构线圈，相对于空心线圈，该结构通过改善磁路，有效减小了空间漏磁，从而提高了斥力机构的驱动效率。同时，本发明是一种可以减小空间漏磁，充分利用磁场能量的新线圈结构，以提升斥力机构的驱动效率，从而降低成本，可以提高产品的竞争力。

图1示出了本发明实施例提供的基于开槽磁轭的电磁斥力机构线圈示意图，图2、图3、图4示出了本发明实施例提供的具有不同开槽数目的磁轭结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

本发明提供了一种基于开槽磁轭的电磁斥力机构线圈，包括线圈骨架1、挡板2、紧固件3、绕线圈4和磁轭5；磁轭5为径向开槽的分离式结构，磁轭5中心设置有线圈骨架1，外部由紧固件3环绕并一同固定在挡板2上，磁轭5内部设置有绕线圈4。

通过有限元仿真可知，由于电磁感应原理，线圈产生的变化的磁场会在磁轭中感应出涡流。若磁轭为一体式结构，由于励磁电流与涡流方向相反，总磁场强度减弱，同时涡流使磁力线集中于磁轭与线圈之间，导磁材料极易达到磁饱和，进一步削弱了磁轭增磁的效果。综上，在电磁斥力机构的线圈周围添加不开槽磁轭时，机构的驱动效率下降明显。为增大涡流的流通路径，减弱涡流对磁场的影响，本发明在磁轭上进行径向开槽，将其分为若干个扇形部分。径向切槽增加了磁轭中感应涡流的流通路径，同时开槽两侧磁轭中的涡流方向相反，抵消了涡流的去磁作用。仿真结果表明，开槽磁轭的涡流去磁作用明显减弱，磁密均匀分布在磁轭中，有效减小了空间漏磁，将磁场集中在线圈周围，能量转化效率大大提高，从而使斥力机构在相同驱动参数下获得更高的分闸速度，有效提升了驱动效率。

在本发明实施例中，磁轭5、线圈骨架1及紧固件3均为圆筒形磁轭的材料为电工纯铁DT-4。DT-4磁导率高，可以有效约束线圈周围的磁场，避免磁场向外扩散，使磁力线集中在线圈与能量转换件周围，以提高两者间的电磁耦合程度，从而在相同的驱动电流下获得更高的电磁驱动力。

磁轭与绕线圈通过环氧树脂浇筑成一体式结构，去除了绕线圈表面多余的固定件，减小了绕线圈与能量转换件之间的初始间隙，从而增大机构在运动初始阶段的电磁耦合程度，另一方面也增加了绕线圈的牢固性。

磁轭和紧固件通过螺栓或铆钉固定在挡板上。由于磁轭为分离式结构，将磁轭固定在所述挡板上方便两者的装配和浇筑；紧固件相当于增大了磁轭浇筑时的接触面积，使线圈结构更加紧固。

线圈骨架与挡板中心均设置有通孔，两者通过螺纹连接，使绕线圈与开槽磁轭方便装配和浇筑。线圈骨架的材料可以为环氧玻璃布管，挡板和紧固件的材料为环氧玻璃布板。环氧玻璃为非导磁材料，在机构分、合闸操动时不会感应出涡流而消耗能量，且绝缘性能优越。

本发明通过上述结构的优化，与传统的空心线圈结构相比，极大地减小了磁场的散射，使线圈产生的磁场绝大部分都经过磁轭传导，并通过磁轭的伸出式结构，保证磁场在使用区域内按照较理想的通道进入线圈闭环，这样使磁场的能量转化效率大为提升，从而使斥力机构在相同的驱动参数下获得更大的电磁驱动力，提高了电磁斥力机构的驱动效率，减小了电源的容量和成本；磁轭的开槽结构减小了磁轭在变化磁场下的涡流去磁效应，进一步提高了磁场利用率。磁轭开槽数目越多，机构操动时在磁轭中感应的涡流越小，磁轭的增磁作用越显著，但加工和装配难度越高。由仿真结果可知，磁轭开槽数目达到4个时，涡流去磁与磁轭增磁的效果相当，因此实际设计时需兼顾加工成本和驱动效果合理选择开槽数目，图2、图3、图4分别给出了开槽数4、6、8时的磁轭典型结构；另外，将磁轭设置为圆筒形，方便固定和承装绕线圈，磁轭与线圈浇筑成一体式结构，绕线圈与磁轭采用环氧树脂浇筑的方式固定，去除了线圈表面多余的固定件，这样可以使线圈与能量转换件间的初始间隙尽可能小，增大电磁斥力机构的最大输出行程与驱动力，同时使线圈牢固性大大提高。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的基于开槽磁轭的电磁斥力机构线圈，现参照附图并结合具体实施例详述如下：

本发明提供的基于开槽磁轭的电磁斥力机构线圈包括：包括线圈骨架1、挡板2、紧固件3、绕线圈4和磁轭5；所述磁轭5、线圈骨架1及紧固件3均为圆筒形，所述磁轭5中心设置有所述线圈骨架1，外部由所述紧固件3环绕并一同固定在所述挡板2上，所述磁轭5内部设置有所述绕线圈4；所述磁轭5为径向开槽的分离式结构，开槽数目越多，磁轭中的感应涡流越小，但加工成本和装配难度越高。由仿真结果可知，磁轭开槽数目达到4个时，涡流去磁与磁轭增磁的效果相当，本实例中，开槽数目为8个；所述磁轭5的材料为电工纯铁DT-4。DT-4牌号的电工纯铁磁导率较高，可以有效约束线圈周围的磁场，避免磁场向外扩散，使磁力线集中在线圈与能量转换件周围，以提高两者间的电磁耦合程度，从而在相同的驱动电流下获得更高的电磁驱动力。所述磁轭5与所述绕线圈4通过环氧树脂浇筑成一体式结构，去除了线圈表面多余的固定件，减小了线圈与能量转换件之间的初始间隙，从而增大机构在运动初始阶段的电磁耦合程度，另一方面也增加了绕线圈的牢固性；所述线圈骨架1与所述挡板2中心均设置有通孔，两者通过螺纹连接，使绕线圈与开槽磁轭方便装配和浇筑；所述磁轭5和所述紧固件1通过螺栓或铆钉固定在所述挡板2上，由于所述磁轭为分离式结构，将磁轭固定在所述挡板上方便两者的装配和浇筑；所述紧固件相当于增大了磁轭浇筑时的接触面积，使线圈结构更加紧固，本实例中选用螺栓固定；所述线圈骨架1的材料为环氧玻璃布管，所述挡板2和所述紧固件1的材料为环氧玻璃布板，环氧玻璃为非导磁材料，在机构分、合闸操动时不会感应出涡流而消耗能量，且绝缘性能优越。

通过上述结构的优化，相比一般的空心线圈结构，极大地减小了磁场的散射，使线圈产生的磁场绝大部分都经过磁轭传导，并通过磁轭的伸出式结构，保证磁场在使用区域内按照较理想的通道进入线圈闭环，这样使磁场的能量转化效率大为提升：磁轭的开槽结构减小了磁轭在变化磁场下的涡流去磁效应，进一步提高了磁场利用率；绕线圈与磁轭采用环氧树脂浇筑的方式固定，去除了线圈表面多余的固定件，这样可以做到线圈与能量转换件间的初始间隙尽可能小，可以增大电磁斥力机构的最大输出行程与驱动力。与空心线圈结构相比，由文献中的有限元仿真结果可知，同等放电参数下电磁力峰值将提高14％左右。

现结合附图详述本发明实施例提供的基于开槽磁轭的电磁斥力机构线圈的工作过程如下：

在电磁斥力机构进行分合闸操作时，外部电源向所述绕线圈4放电，放电电流在空间中产生快速变化的磁场，磁场通过所述磁轭5传导形成闭合磁路，与能量转换件之间产生电磁力，驱动机构进行分合闸操作。

其中，绕线圈4可采用高驱动效率线圈结构。定义两个线圈外形比例参数来描述线圈尺寸：α为线圈高度与线圈平均直径的比例系数，β为线圈径向厚度与线圈平均直径的比例系数。经过仿真与理论研究可知，α越小，β越大，电磁斥力机构的驱动效率越高。本发明实例中，选取在满足加工条件下α系数尽可能小，β系数尽可能大的线圈规格。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于开槽磁轭的电磁斥力机构线圈，其特征在于，包括线圈骨架(1)、挡板(2)、紧固件(3)、绕线圈(4)和磁轭(5)；

所述磁轭(5)为径向开槽的分离式结构，所述磁轭(5)中心设置有所述线圈骨架(1)，所述磁轭(5)外部由所述紧固件(3)环绕并一同固定在所述挡板(2)上，所述磁轭(5)内部设置有所述绕线圈(4)；

通过径向切槽增加磁轭中感应涡流的流通路径，开槽两侧磁轭中的涡流方向相反，抵消了涡流的去磁作用，减小了空间漏磁，提高了能量转化效率，提升了驱动效率。

2.如权利要求1所述的电磁斥力机构线圈，其特征在于，所述磁轭(5)为圆筒形，所述磁轭(5)开槽的数目大于等于4。

3.如权利要求1或2所述的电磁斥力机构线圈，其特征在于，所述磁轭(5)的材料为电工纯铁DT-4。

4.如权利要求1-3任一项所述的电磁斥力机构线圈，其特征在于，所述磁轭(5)与所述绕线圈(4)通过环氧树脂浇筑成一体式结构。

5.如权利要求1-4任一项所述的电磁斥力机构线圈，其特征在于，所述线圈骨架(1)与所述挡板(2)中心均设置有通孔，两者通过螺纹连接。

6.如权利要求1-5任一项所述的电磁斥力机构线圈，其特征在于，所述磁轭(5)和所述紧固件(3)通过螺栓或铆钉固定在所述挡板(2)上。

7.如权利要求1-6任一项所述的电磁斥力机构线圈，其特征在于，所述线圈骨架(1)为圆筒形，所述线圈骨架(1)的材料为环氧玻璃布。

8.如权利要求1-7任一项所述的电磁斥力机构线圈，其特征在于，所述紧固件(3)为圆筒形，所述紧固件(3)的材料为环氧玻璃布。

9.如权利要求1-8任一项所述的电磁斥力机构线圈，其特征在于，所述挡板(2)为环氧玻璃布板。