CN111640613A

CN111640613A - 一种双线圈斥力操动机构

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Publication number: CN111640613A
Application number: CN202010619239.2A
Authority: CN
Inventors: 刘晓明; 姜文涛; 陈海
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-07-02
Filing date: 2020-07-02
Publication date: 2020-09-08

Abstract

本发明涉及一种双线圈斥力操动机构，属于断路器快速操动机构领域，由永磁机构单元、连接杆和电磁斥力推动单元组成。本装置通过对反向串联的双线圈盘放电产生斥力，动线圈盘、连接杆与H型铁芯受到此斥力与分闸弹簧弹力的共同作用下快速向下运动，实现断路器的分闸操作。通过对合闸线圈通电产生向上的电磁力带动动线圈盘、连接杆与H型铁芯快速向上运动，实现断路器的合闸操作。永磁体、H型铁芯与保持单元外壳间的吸力为断路器灭弧室提供一定的分合闸保持力。本发明可以实现断路器操动机构的小型化和集约化，可以有效提高开关分合闸速度，缩短燃弧时间，减轻触头烧蚀，提高断路器开断能力。

Description

一种双线圈斥力操动机构

技术领域

本发明涉及操动机构技术领域，尤其涉及一种双线圈斥力操动机构。

背景技术

近年来，随着分布式电源和储能装置的大规模接入、电力电子技术的快速发展以及直流负荷的增长，直流配电越来越受到关注。特别是某些特定场合，如大型船舶供电系统、光伏直流微网系统、城市轨道交通供电系统等直流系统得到了长足发展。随着直流系统容量的持续增长和电压等级的不断提高，直流断路器的短路电流峰值和开断时间的指标也在不断提高。传统的机械断路器虽然具有带负载能力强，导通稳定的优点，但是响应速度慢，一般在5～20ms左右，不能满足一些需要快速开断动作场合的要求；电力电子开关响应速度快，但其通态损耗过大，耐压能力低。

混合式直流断路器要求快速机械开关能够实现触点高速分离，便于电流向转移支路转移，同时要求快速机械开关能够获得尽量大的初始速度尽快形成绝缘间隙，抵抗之后机械断路器断口间出现的一个很高的瞬态恢复电压。现阶段快速机械开关大多使用永磁机构，机构和驱动回路体积较大，成本高，不利于断路器小型化、集约化。目前现阶段的电磁斥力快速机械开关多处于理论研究和原理样机阶段，尚无可靠的工程应用案例，严重影响了混合式直流断路器的发展和使用。

发明内容

本发明实施例提供了一种双线圈斥力操动机构，能实现断路器快速分断和快速闭合，能够在几毫秒内完成开断与闭合过程。同时独特的H型铁芯结构可提供足够的分合闸保持力，保证了断路器操动机构的高可靠性。

技术方案

第一方面，本发明实施例提供了一种双线圈斥力操动机构，包括永磁机构单元、连接杆、电磁斥力推动单元；所述电磁斥力推动单元与所述永磁机构单元通过所述连接杆连接；所述连接杆在电磁斥力推动单元与永磁机构单元驱动下快速向下运动；所述连接杆在永磁机构单元驱动下快速向上运动；在所述连接杆向上或向下运动到一定位置时，所述永磁机构单元对所述连接杆的上、下固定位置状态施加保持力；所述永磁机构单元包括合闸线圈、永磁体、导磁环、H型铁芯、缓冲垫、保持单元外壳、分闸弹簧；所述H型铁芯固定于所述连接杆上，所述缓冲垫置于所述保持单元外壳底部；所述永磁体放置于所述保持单元外壳的内部，并吸附于保持单元外壳内侧面上；所述导磁环吸附于所述永磁体内侧面上；所述保持单元外壳、所述永磁体与所述导磁环三者同轴；所述合闸线圈置于所述永磁体的上面，所述合闸线圈靠近所述保持单元外壳上部；所述分闸弹簧置于所述H型铁芯上部凹槽内，所述分闸弹簧穿过连接杆。

进一步而言，所述电磁斥力推动单元包括静线圈斥力盘与动线圈斥力盘。

进一步而言，所述静线圈斥力盘与所述动线圈斥力盘二者同轴；所述静线圈斥力盘与所述保持单元外壳通过第一金属支撑件隔离紧固并保持第一间距；所述动线圈斥力盘通过紧固件与所述连接杆固定在一起；所述静线圈斥力盘与所述动线圈斥力盘均为方形结构；所述静线圈斥力盘与所述动线圈斥力盘内部均放置有包括至少一个方形设置的导线圈；相邻所述导线圈间填充有绝缘胶，所述导线圈引线通过所述线圈盘的出线槽与外部电路连接，所述动线圈斥力盘与所述静线圈斥力盘通过导线串联。

进一步而言，所述H型铁芯与所述连接杆固定在一起，所述永磁体与所述导磁环并排放置，所述导磁环与所述H型铁芯保持第二间距，所述保持单元外壳的底座和所述保持单元外壳的上端盖通过第二金属支撑件隔离紧固并保持第三间距，所述H型铁芯、所述连接杆、所述导磁环、所述合闸线圈、所述分闸弹簧、所述缓冲垫与所述永磁体置于所述保持单元外壳内部。

进一步而言，所述永磁体由具有一定磁吸附力的材料组成，所述永磁体为整体环形，或者间隔第四间距的弧形拼接组成。

进一步而言，所述保持单元外壳由金属材料制成，所述保持单元外壳的上端盖为方形，中间留有圆形孔，所述保持单元外壳的底座为方形，中间留有圆形孔。

进一步而言，所述缓冲垫为圆柱形，所述缓冲垫材料为绝缘橡胶材料。

本发明实施例中永磁机构单元、连接杆、电磁斥力推动单元三者有效结合，提供了一种结构简单、动作速度快、可靠性高的一种断路器用的双线圈斥力操动机构，可以有效提高开关分合闸速度，缩短燃弧时间，减轻触头烧蚀，提高断路器开断能力。另外非接触式的环形永磁体保持部分设计，通过H型铁芯产生足够大的合闸保持力可保证操动机构的可靠性，成为实现断路器免维护的关键一步。

附图说明

图1为一种双线圈斥力操动机构基本结构图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1是本发明实施例一中的一种断路器用的双线圈斥力操动机构基本结构图，如图1所示，该双线圈斥力操动机构包括连接杆100、永磁机构单元300和电磁斥力推动单元200；其中，电磁斥力推动单元200与永磁机构单元300中间开有圆孔，二者通过连接杆100连接；电磁斥力推动单元200与永磁机构单元300位置是上下布置，优选是电磁斥力推动单元200在上面，永磁机构单元300在下面，本申请对二者相对位置不做限定；连接杆100在电磁斥力推动单元200驱动下快速向下运动；连接杆100在永磁机构单元300驱动下快速向上运动；在连接杆100向上或向下运动到一定位置时，永磁机构单元300对连接杆100的上、下固定位置状态施加保持力；其中，永磁机构单元300包括合闸线圈301、永磁体302、导磁环303、H型铁芯304、缓冲垫305、保持单元外壳306、分闸弹簧307；H型铁芯304固定于连接杆100上，缓冲垫305置于保持单元外壳306底部；永磁体302放置于保持单元外壳306的内部，并吸附于保持单元外壳306内侧面；导磁环303吸附于永磁体302内侧面；保持单元外壳306、永磁体302与导磁环303三者同轴；合闸线圈301置于永磁体302的上面，合闸线圈301靠近保持单元外壳306上部；分闸弹簧307置于H型铁芯304上部凹槽内，连接杆100穿过分闸弹簧307。

该方案的优点是操动机构合闸速度快，H型铁芯在断路器合闸位置可提供足够的保持力，不会由于受到振动或短路电流电动力作用使触头分离，避免了断路器耐受短路电流时触头的烧蚀。

进一步地，继续参见图1，电磁斥力推动单元200包括静线圈斥力盘201、动线圈斥力盘202、支撑件203及紧固件204；其中，静线圈斥力盘201与保持单元外壳306通过支撑件203连接；动线圈斥力盘202与保持单元外壳306间隔第一距离，第一距离需要根据断路器灭弧室开距要求确定，例如断路器是10kV，则该距离为19mm，本申请对第一距离的大小不做限定；动线圈斥力盘202通过紧固件204固定于连接杆100上，紧固件204是金属螺母，本申请对紧固件的材料和形状不做限定，只要能将动线圈斥力盘202固定在连接杆100上即可；静线圈斥力盘201、动线圈斥力盘202二者同轴，二者同轴可以减小摩擦力使断路器运动过程中受力均匀；与本机构相连的断路器分闸时，H型铁芯304与保持单元外壳306的上端盖紧挨一起，通过对静线圈斥力盘201与动线圈斥力盘202通电，静线圈斥力盘201与动线圈斥力盘202之间产生涡流效应，二者之间产生向下斥力，连接杆100与动线圈斥力盘202受到静线圈斥力盘201与动线圈斥力盘202之间向下的斥力及分闸弹簧307向下的作用力共同作用，连接杆100、动线圈斥力盘202与H型铁芯304一起向下运动，当碰到缓冲垫305时开始减速，直至达到断路器分闸位置，此时保持单元外壳306的底座、H型铁芯304、导磁环303与永磁体302形成磁路，保持单元外壳306的底座与H型铁芯304吸附在一起，以保证断路器成功分闸，并且永磁体为断路器提供了一定的分闸保持力。。

该方案的优点是双线圈斥力盘方式可提供足够的向下斥力，操动机构分闸速度快，缓冲垫的设计减小了分闸弹跳，避免了断路器开断短路电流时触头的烧蚀。

进一步地，继续参见图1，H型铁芯304与连接杆100固定在一起，永磁体302与导磁环303并排放置，导磁环303与H型铁芯304保持第二距离，第二距离需要根据断路器保持力要求确定，例如断路器是10kV，则该距离为1mm，本申请对第二距离的大小不做限定，保持单元外壳306的底座和保持单元外壳306的上端盖通过第二金属支撑件隔离紧固并保持第三距离，第三距离需要根据断路器机构尺寸要求确定，例如断路器是10kV，则该距离为100mm，本申请对第三距离的大小不做限定，H型铁芯304、连接杆100、导磁环303、合闸线圈301、分闸弹簧307、缓冲垫305与永磁体302置于保持单元外壳306内部；与本机构相连的断路器合闸时，H型铁芯304与保持单元外壳306的底座紧挨一起，通过对合闸线圈301通电，线圈中的电流在空间中产生快速变化的磁场与磁力，当合闸线圈301产生的磁场力大于永磁体302提供的分闸保持力时，H型铁芯304开始快速向上运动，从而带动动线圈斥力盘202、连接杆100与断路器动触头向上运动，触碰分闸弹簧307后开始减速并继续向上至保持单元外壳306的上端盖位置时，受到阻力而停止运动，此时保持单元外壳306的上端盖、H型铁芯304、导磁环303与永磁体302形成磁路，保持单元外壳306的上端盖与H型铁芯304吸附在一起，实现断路器的合闸操作，并且永磁体为断路器提供了一定的合闸保持力。

进一步地，继续参见图1，静线圈斥力盘201与动线圈斥力盘202均为方形结构；线圈盘为方形易与永磁机构单元300固定；其中，静线圈斥力盘201与动线圈斥力盘202外壳均为绝缘材料制成，绝缘材料优选为环氧树脂，本申请对绝缘材料类型不做限定；静线圈斥力盘201与动线圈斥力盘202内部均放置至少一个方形的导线圈，导线圈优选的材料为铜扁线，本申请对导线圈类型不做限定；其中，每两圈导线圈间填充有绝缘胶，绝缘胶起到相邻导线间绝缘的作用，优选为黄蜡，本申请对绝缘胶类型不做限定；静线圈斥力盘201与动线圈斥力盘202二者通过导线串联，静线圈斥力盘201与动线圈斥力盘202的外圈引线通过静线圈斥力盘201与动线圈斥力盘202的出线槽与外部电路连接；其中，断路器分闸时，通过外部电路对静线圈斥力盘201与动线圈斥力盘202通电。

进一步地，继续参见图1，永磁体302由具有一定磁吸附力的材料组成，永磁体302的材料优选为钕铁硼，本申请对永磁体302材料类型不做限定；永磁体302为整体环形，或者间隔第四距离的弧形拼接组成，第四距离需要根据断路器分合闸保持力大小确定，例如断路器是10kV，则该距离为5mm，本申请对第四距离的大小不做限定。

进一步地，继续参见图1，保持单元外壳306由金属材料制成，保持单元外壳306的上端盖为方形，中间留有圆形孔，保持单元外壳306的底座为方形，中间留有圆形孔。

进一步地，继续参见图1，缓冲垫305为圆柱形，所述缓冲垫305材料为绝缘橡胶材料，缓冲垫305材料优选为聚氨酯，本申请对缓冲垫305材料类型不做限定。

本发明实施例中连接杆、永磁机构单元、电磁斥力推动单元三者有效结合，可以提高开关分合闸速度，缩短燃弧时间，减轻触头烧蚀，提高断路器开断能力。另外同时独特的H型铁芯结构可提供足够的分合闸保持力，保证了断路器操动机构的高可靠性，成为实现断路器免维护的关键一步。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims

1.一种双线圈斥力操动机构，其特征在于，包括永磁机构单元、连接杆、电磁斥力推动单元；所述电磁斥力推动单元与所述永磁机构单元通过所述连接杆连接；所述连接杆在电磁斥力推动单元驱动下快速向下运动；所述连接杆在永磁机构单元驱动下快速向上运动；在所述连接杆向上或向下运动到一定位置时，所述永磁机构单元对所述连接杆的上、下固定位置状态施加保持力；所述永磁机构单元包括合闸线圈、永磁体、导磁环、H型铁芯、缓冲垫、保持单元外壳、分闸弹簧；所述H型铁芯固定于所述连接杆上，所述缓冲垫置于所述保持单元外壳底部；所述永磁体放置于所述保持单元外壳的内部，并吸附于保持单元外壳内侧面；所述导磁环吸附于所述永磁体内侧面；所述保持单元外壳、所述永磁体与所述导磁环三者同轴；所述合闸线圈置于所述永磁体的上面，所述合闸线圈靠近所述保持单元外壳上部；所述分闸弹簧置于所述H型铁芯上部凹槽内，所述连接杆穿过所述分闸弹簧。

2.根据权利要求1所述的一种双线圈斥力操动机构，其特征在于，所述电磁斥力推动单元包括静线圈斥力盘与动线圈斥力盘。

3.根据权利要求2所述的一种双线圈斥力操动机构，其特征在于，所述静线圈斥力盘与所述动线圈斥力盘二者同轴；所述静线圈斥力盘与所述保持单元外壳通过第一金属支撑件隔离紧固并保持第一距离；所述动线圈斥力盘通过紧固件与所述连接杆固定在一起；所述静线圈斥力盘与所述动线圈斥力盘均为方形结构；所述静线圈斥力盘与所述动线圈斥力盘内部均放置有包括至少一个方形设置的导线圈；所述静线圈斥力盘与所述动线圈斥力盘外壳均为绝缘材料制成；相邻所述导线圈间填充有绝缘胶，所述导线圈引线通过所述线圈盘的出线槽与外部电路连接，所述动线圈斥力盘与所述静线圈斥力盘通过导线串联。

4.根据权利要求1所述的一种双线圈斥力操动机构，其特征在于，所述H型铁芯与所述连接杆固定在一起，所述永磁体与所述导磁环并排放置，所述导磁环与所述H型铁芯保持第二距离，所述保持单元外壳的底座和所述保持单元外壳的上端盖通过第二金属支撑件隔离紧固并保持第三距离，所述H型铁芯、所述连接杆、所述导磁环、所述合闸线圈、所述分闸弹簧、所述缓冲垫与所述永磁体置于所述保持单元外壳内部。

5.根据权利要求4所述的一种双线圈斥力操动机构，其特征在于，所述永磁体由具有一定磁吸附力的材料组成，所述永磁体为整体环形，或者间隔第四距离的弧形拼接组成。

6.根据权利要求1所述的一种双线圈斥力操动机构，其特征在于，所述保持单元外壳由金属材料制成，所述保持单元外壳的上端盖为方形，中间留有圆形孔，所述保持单元外壳的底座为方形，中间留有圆形孔。

7.根据权利要求3所述的一种双线圈斥力操动机构，其特征在于，所述缓冲垫为圆柱形，所述缓冲垫材料为绝缘橡胶材料。