專利名稱：磁性直線驅動器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種尤其用于電開關的磁性直線驅動器，它包括一個可供入電流的線圈，在線圈內(nèi)部可通過沿軸向的電流產(chǎn)生磁流。
由美國專利文件4817494已知一種用于加速拋射體的磁性直線驅動器。
由美國專利文件5719451同樣已知一種磁性直線驅動器，它例如應用于液體泵。文件中所述直線驅動器的共同點是，電磁線圈沿線圈軸向加速銜鐵。
由英國專利文獻GB1068610例如也已知一種此類磁性直線驅動器。它是一種閥用驅動器，在閥中，借助于銜鐵的運動可關閉或打開液體通道。
在這篇專利文獻中，銜鐵具有一永久磁鐵，該永久磁鐵內(nèi)部的磁流沿銜鐵的運動方向并垂直于軸向定向。
在銜鐵的終端位置，銜鐵總是移向機械止擋，使永久磁鐵的一極與止擋接觸，并通過永久磁鐵的磁性作用將其保持在此止擋上。
若向線圈供入電流，則電流的磁性作用首先必須克服永久磁鐵吸持在止擋上的固定力，這意味著會延遲銜鐵的加速。此外，當銜鐵朝終端位置方向運動時，它只有在即將到達止擋前才被吸向止擋，因為永久磁鐵的極與止擋表面之間的空隙只有在運動結束時才足夠小。
相對于此，本發(fā)明的目的是創(chuàng)造一種前言所述類型的磁性直線驅動器，它能在結構性費用低和控制費用低的同時實現(xiàn)無延遲地加速銜鐵。
按本發(fā)明為達到此目的采取的措施是，磁性直線驅動器設有一銜鐵，該銜鐵只是垂直于軸向運動并有一磁活化部分，它的運動軌跡穿過在貫穿線圈的鐵心內(nèi)部的空隙或在鐵心的一個端面旁經(jīng)過，其中，磁活化部分不磁化或按這樣的方式磁化，即，使磁活化部分內(nèi)部的磁流平行或反向平行于軸向延伸。
若線圈供入電流，則在其內(nèi)部沿軸向產(chǎn)生一磁流，它在鐵心內(nèi)部延伸并在空隙區(qū)域從鐵心出來。一個銜鐵、例如未鐵磁性磁化或鐵磁性磁化的銜鐵，尤其是一個反向平行于線圈磁流的方向被永久磁化的銜鐵，它的磁活化部分朝線圈內(nèi)部的方向加速。一個其內(nèi)部磁流平行于線圈磁流定向的磁鐵會從線圈內(nèi)部向外被排斥?？沙浞掷眠@一效果來驅動銜鐵。
尤其當磁活化部分是鐵磁性的或作為永久磁鐵沿著反向平行于軸向的方向磁化時，磁性直線驅動器可有利地用作電氣開關驅動器，例如用于高壓斷路開關或真空開關。
在銜鐵處于其運動軌跡的終端位置，使得在接通線圈電流時線圈的磁流中只有一很小部分穿過磁活化部分時，則導致銜鐵朝線圈中心方向加速，直至線圈磁流的絕大部分穿過磁活化部分。在銜鐵運動時，可借助于控制裝置切斷通過線圈的電流，使銜鐵基于其動能和被驅動質量的動能越過線圈繼續(xù)運動，線圈的磁流不可能通過對磁活化部分的作用來制動銜鐵。
由此保證在運動的一開始銜鐵最佳地加速。
期望的銜鐵加速剖面可例如這樣來達到，即，將鐵心與磁活化部分運動軌跡之間的空隙設計為沿運動軌跡有不同的寬度?？障对谘剡\動軌跡的某個區(qū)域內(nèi)越小，則在該區(qū)域內(nèi)作用在銜鐵上的力就越大。
一電開關的驅動桿例如與此銜鐵連接，驅動桿本身則驅動一斷續(xù)器的開關觸點。
機械止擋可在操作桿區(qū)域內(nèi)或在直線驅動器本身的區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)。
按照本發(fā)明的一種有利的設計，磁活化部分被磁化，并且在磁活化部分的至少一個終端位置，該磁活化部分至少部分地處于設在線圈外部的磁軛體區(qū)域內(nèi)，使從磁活化部分流出或進入此磁活化部分的磁流中的至少一部分直接穿過磁軛體面朝磁活化部分的界面。
此界面有利地基本上垂直于軸向定向。
對于磁活化部分被磁化(例如設計為電磁鐵)或永久磁化的情況，磁活化部分的磁流有這樣一個趨勢，即盡可能減小與相鄰設置的磁軛體的空隙。
在銜鐵運動軌跡的端區(qū)內(nèi)設置至少一個磁軛體，至少在磁活化部分長度的一部分上，磁活化部分的磁流可進入該磁軛體中。
因此，在銜鐵上作用了一個力，它力圖使磁活化部分與磁軛體之間造成盡可能大的重疊，盡可能使磁活化部分的全部磁流能通過盡可能垂直于軸向設置的界面進入磁軛體。沿銜鐵運動軌跡方向的作用力，基本上與磁活化部分與磁軛體重疊的程度無關。
由此實現(xiàn)了一個基本上與銜鐵在運動的端區(qū)內(nèi)位置無關的固定力，它將銜鐵保持在其終端位置。
這樣一種結構可有利地用于磁活化部分或銜鐵的兩個終端位置。
本發(fā)明另一項有利的設計規(guī)定，就磁活化部分的運動軌跡而言，第二線圈處于與第一線圈相對的位置，它可供入與第一線圈同向的電流。
通過兩個按所述方式組合的線圈可產(chǎn)生比較大的磁流，從而導致銜鐵有更大的潛在的加速度。
此外可以規(guī)定，第一和第二線圈沿銜鐵的運動方向彼此錯開。
通過使兩個線圈沿銜鐵的運動方向彼此錯開，可以沿此運動軌跡實現(xiàn)一種規(guī)定的加速剖面。
還可以規(guī)定每個線圈分別用于銜鐵的一個運動方向。
此外可有利地設置兩個磁軛體，它們彼此就磁活化部分的運動軌跡而言處于相對位置并在它們之間形成空隙，該空隙至少部分被磁活化部分的運動軌跡穿過。
由于另一個磁軛體相對于磁活化部分的運動軌跡與第一個磁軛體處于相對位置，使得不僅用于通過線圈的磁流而且用于磁活化部分的磁流的磁路在每個終端位置都閉合，從而在這些終端位置無論是為了加速還是為了固定均獲得大的作用力。
本發(fā)明另一項有利的設計規(guī)定，在控制裝置內(nèi)設多個可充電和可按具體情況共同地或交替地與線圈連接的充電電容器。
不同的充電電容器可用于不同的電路情況(例如要驅動的斷路器不同的負載狀況)或不同地用于接通或斷開。
此外本發(fā)明還涉及一種磁性直線驅動器的工作方法，按此方法，為了沿不同的方向驅動銜鐵，線圈總是供入同向的電流。
無論銜鐵或磁活化部分處于哪一個終端位置，在線圈內(nèi)部產(chǎn)生磁流時它都朝線圈內(nèi)部加速。若通過線圈的電流被及時斷開，則銜鐵總是一直運動到另一個終端位置。這就顯著簡化了線圈的控制。
按本發(fā)明的方法可有利地設計為，在磁活化部分到達其終端位置之前結束供電。
按照另一種有利的設計，一旦由于電振蕩過程使饋電電壓轉換其符號，便斷開通過線圈的電流。
由于線圈有電感和電阻并且在正常情況下通過電容饋電，所以在直線驅動器的控制裝置內(nèi)形成振蕩回路。這導致產(chǎn)生電振蕩，使加在線圈上的饋電電壓不時改變其符號。
這意味著磁流反向，其結果將導致作用在磁活化部分上的磁性作用力反向，而這是不希望發(fā)生的。因此比較有利地是監(jiān)測饋電電壓，一旦饋電電壓轉換其符號便切斷通過線圈的電流。
還可以有利地規(guī)定，一旦饋電電壓由于電振蕩過程轉換其符號，便變換電流去往充電電容器的路線。
按照本發(fā)明直線驅動器的工作方法的另一項有利的設計規(guī)定，首先在線圈內(nèi)產(chǎn)生電流，電流引起的磁流在線圈內(nèi)反向平行于磁活化部分的磁化定向，只要磁活化部分被磁化；以及，在磁活化部分在其運動軌跡上達到線圈最大磁場強度的地點后，便轉換通過線圈的電流方向。
采用此方法，在銜鐵朝線圈內(nèi)部被吸動的過程中銜鐵首先加速。當磁活化部分到達線圈內(nèi)部最大磁場強度的地點后，如果電流繼續(xù)流過線圈，則銜鐵會被制動。若在此時刻人們使一個/多個線圈內(nèi)的電流方向轉向，則磁活化部分被壓向磁場強度較小的區(qū)域，亦即壓向線圈之外。由此在銜鐵上存在連續(xù)的作用力，從而也可以克服較大的外載荷。這一效果即使在磁活化部分沒有初始磁化時也能發(fā)生，這是基于完成第一階段運動后的剩余磁化。
為了電流轉向，線圈的充電電容器有恰當?shù)某叽?，它保證在由電容器和線圈構成的振蕩回路中有具有適當時間常數(shù)的振蕩特性。因此，線圈電流在恰當?shù)臅r刻自動轉向。為此也可以采用電子控制器。
下面借助附圖所示實施例對本發(fā)明予以詳細說明。附圖中

圖1為磁性直線驅動器的橫截面示意圖；圖2示出直線驅動器線圈的控制電路；圖3示意表示直線驅動器的供電。
圖1表示一磁性直線驅動器，它包括由玻璃纖維增強塑料制的一根桿2和一個用恒磁材料制的磁活化部分3組成的銜鐵1。該銜鐵一端連接一根操作桿4，后者僅示意表示并與一高壓斷路器可驅動的斷續(xù)器開關觸點5連接。直線驅動器產(chǎn)生沿雙向箭頭6方向的運動。
銜鐵1在第一磁軛體8與第二磁軛體9之間的空隙7內(nèi)運動，這兩個磁軛體就銜鐵1的運動軌跡而言鏡面對稱地處于相對位置。
每個磁軛體有一環(huán)形槽，其中分別置入一個線圈10、11。這兩個線圈10、11分別帶有電接頭并由此可借助控制裝置向它們供電。
若至少向線圈10、11之一供電，則例如在線圈10的上部斷面，電流方向為進入圖紙平面，而在線圈10的下部斷面，電流則從圖紙平面流出，這一點就象用點12示意表示的那樣。
由此產(chǎn)生沿軸向34的磁流，磁流用箭頭13表示，它穿過在線圈10內(nèi)部的第一磁軛體8的第一鐵心14和在線圈11內(nèi)部的第二磁軛體9的第二鐵心15。
在所表示的銜鐵終端位置，銜鐵按未表示的方式停靠在機械止擋上，此時線圈10、11磁流13中的一部分16穿過銜鐵磁活化部分3的邊緣區(qū)。
線圈10、11磁流13的其余部分必須越過鐵心14、15之間寬的空隙，此空隙沒有被銜鐵1的玻璃纖維增強塑料體橋接。
因此磁流趨向于使磁活化部分3向圖中的下方加速，從而使線圈10、11的磁流13在磁活化部分3的一個盡可能大的長度上穿過它，并反向平行于磁活化部分3內(nèi)部存在的磁流17延伸。
當磁活化部分3大體到達線圈10、11的中心時，通過線圈10、11的電流被切斷，以防止磁活化部分在離開線圈10、11的磁流13時減速制動。
銜鐵基于動能繼續(xù)運動，直至達到磁活化部分3的第二個圖中用虛線表示的終端位置36。
在到達終端位置前的運動區(qū)內(nèi)，在磁活化部分3內(nèi)部的磁流17企圖通過一個盡可能小的空隙進入磁軛體8、9之一并從那里重新排出。
下面借助于圖1中表示的上部終端位置，說明在銜鐵處于終端位置時作用在銜鐵上的固定力。
當通過線圈10、11的電流被切斷時，磁流13消失。
在磁活化部分3內(nèi)部的一部分磁流17可通過界面35直接進入磁軛體8，在這里，磁流在不可避免的空隙作為間層的情況下經(jīng)第二磁軛體9閉合，所以磁流可從那里重新進入磁活化部分3。
在磁活化部分3中處于線圈繞組10、11所在高度處的那部分磁流18必須越過寬的空隙，以便進入磁軛體8內(nèi)。因此在所描述的狀況下存在著使磁活化部分3進一步向上運動的愿望，以便使磁活化部分3的長度與在線圈10上方的磁軛體8的部分有盡可能多的重疊。
在此，作用在銜鐵1上的磁性力在很大程度上和磁活化部分3與在線圈10上方的磁軛體8部分已經(jīng)重疊多大沒有關系。因此在終端位置，作用在銜鐵上的固定力在很大程度上與機械誤差無關。
這相應地也適用于圖中虛線表示的另一個銜鐵終端位置。
此外，圖1中還示出，兩個磁軛體8、9在鐵心14、15區(qū)域內(nèi)沿磁活化部分的運動軌道成型為，使銜鐵1和磁軛體8、9之間的空隙向上漸寬。這意味著當磁活化部分3向上運動時作用在它上面的力減小。以此方式在斷開斷續(xù)器時在運動的一開始就獲得高的加速度，而在運動終止時獲得一個變?nèi)醯募铀俣取４送饫缈梢栽O想，使第二線圈11相對于第一線圈10沿銜鐵1的運動軌跡向下錯移，從而在斷開的過程中，亦即當銜鐵1從下向上運動時，首先由第二線圈11承擔主要的加速任務，以后則是由第一線圈1O承擔。
由此也可以實現(xiàn)一種規(guī)定的加速度剖面。
圖2表示一個控制電路，它包括一個充電電容器19，該充電電容器19可通過第一IGBT(絕緣柵雙極晶體管insulated-gate bipolar Transistor)20和第二IGBT 21與磁性直線驅動器內(nèi)部的線圈22連接。附圖標記23象征性地表示線圈22及其引線的電阻。
若IGBT 20、21導通，則電流沿箭頭24表示的方向流過線圈22。電流進一步沿箭頭25、26、27流過第一IGBT 20。
若電容器19放電，則線圈22上的電壓下降并在那里感應出一反向電壓，它力圖保持電流24的電流強度。在線圈22上的反向電壓與饋電電壓方向相反，從而產(chǎn)生零電壓。在這一時刻IGBT 20、21切斷，亦即它們截止電流。
通過線圈22內(nèi)部的電壓感應出的電流經(jīng)二極管28、29沿箭頭30的方向流回電容器19并使電容器重新部分充電。從而在直線驅動器工作時實現(xiàn)能量節(jié)約，這一點尤其在借助此直線驅動器驅動的高壓開關處于應急狀態(tài)必須借助電池工作時具有重要意義。
圖3示意表示通過三個不同的控制單元31、31、33向直線驅動器供電，其中每一個控制單元有一個自己的充電電容器，在此，這些充電電容器可具有不同的電容量。因此，對于不同的電路狀況分別提供不同能量，這些能量以儲存在充電電容器內(nèi)的電場能形式存在。
不同的控制單元31、32、33還可以用于快速地彼此相繼地進行斷開-接通-斷開操作。
權利要求
1.一種尤其用于電開關的磁性直線驅動器，它包括一個可供入電流的線圈(10、11)以及一個僅僅垂直于軸向(34)可運動的銜鐵(1)，在該線圈內(nèi)部通過沿軸向(34)的電流可產(chǎn)生磁流(13)，該銜鐵則具有一個磁活化的部分(3)，它的運動軌跡穿過貫穿所述線圈(10、11)的鐵心(14、15)內(nèi)部的一個空隙(7)或在鐵心(14、15)的一個端面旁經(jīng)過，其中，磁活化的部分(3)不磁化或按這樣的方式磁化，即，使磁活化部分(3)內(nèi)部的磁流(7)平行或反向平行于軸向(34)延伸。
2.按照權利要求1或2所述的磁性直線驅動器，其特征在于磁性活化部分(3)被磁化，并且磁活化部分(3)在其至少一個終端位置至少部分地處于設在線圈外部的磁軛體(8、9)區(qū)域內(nèi)，使得從磁活化部分(3)流出或進入此磁活化部分的磁流(7)中的至少一部分直接穿過磁軛體面朝磁活化部分的界面(35)。
3.按照權利要求1或2所述的磁性直線驅動器，其特征在于就磁活化部分(3)的運動軌跡而言，第二線圈(11)處于與第一線圈(10)相對的位置，可向該第二線圈(11)中供入與供入第一線圈(10)中的電流同向的電流。
4.按照權利要求1、2或3所述的磁性直線驅動器，其特征在于第一和第二線圈(10、11)沿銜鐵(1)的運動方向彼此錯開。
5.按照權利要求1至4中任一項所述的磁性直線驅動器，其特征在于設置兩個磁軛體(8、9)，它們彼此就磁活化部分(3)的運動軌跡而言處于相對位置并在它們之間形成空隙(7)，該空隙至少部分被磁活化部分(3)的運動軌跡穿過。
6.按照權利要求1至5中任一項所述的磁性直線驅動器，其特征在于在控制裝置(31、32、33)內(nèi)設有多個可充電和可按具體情況共同或交替與一個線圈連接的充電電容器(19)。
7.按照權利要求1所述的磁性直線驅動器的一種工作方法，其特征在于為了沿不同的方向驅動銜鐵(1)，總是向線圈(10、11)供入同向的電流。
8.按照權利要求7所述的方法，其特征在于在磁活化部分(3)到達其終端位置之前結束供電。
9.按照權利要求8所述的方法，其特征在于一旦饋電電壓由于電振蕩過程轉換其符號，便斷開通過線圈(10、11)的電流。
10.按照權利要求8所述的方法，其特征在于一旦饋電電壓由于電振蕩過程轉換其符號，便變換去往充電電容器(19)的電流方向。
11.按照權利要求1所述的磁性直線驅動器的工作方法，其特征在于首先在線圈(10、11)內(nèi)產(chǎn)生電流，只要磁活化部分被磁化，該電流引起的磁流在線圈(10、11)內(nèi)就反向平行于磁活化部分(3)的磁化定向；以及，在磁活化部分(3)在其運動軌跡上達到線圈(10、11)最大磁場強度的地點后，就轉換通過線圈(10、11)的電流方向。
全文摘要
在一種磁性直線驅動器中設有一個線圈(10、11),該線圈內(nèi)部通過沿軸向(34)的電流可產(chǎn)生磁流(13)。驅動器包括一個僅僅垂直于軸向(34)可運動的銜鐵(1),該銜鐵有一個磁活化部分(3),它尤其反向平行于軸向(34)被磁化。銜鐵被電流脈沖驅動,該電流脈沖與磁活化部分(3)的起動位置無關地使其朝線圈中心方向加速。
文檔編號H01H3/28GK1357166SQ00809282
公開日2002年7月3日 申請日期2000年6月20日 優(yōu)先權日1999年6月22日
發(fā)明者卡爾·馬施爾, 克勞斯·舒勒, 安德烈亞斯·阿恩特, 霍爾格·G·威斯坎, 沃爾夫·R·坎德斯, 哈多·梅, 赫伯特·韋 申請人:西門子公司