專利名稱：電磁致動器和使用了該致動器的斷路器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于電力系統(tǒng)的致動器及斷路器，更詳細而言，涉及小型、輕量且可以實現(xiàn)操作速度和操作力最大化的、使用電磁推斥力的致動器，以及斷路器，該斷路器通過使用該致動器而發(fā)揮優(yōu)良的切斷功能，由此可以特別有效地應(yīng)用于高壓及超高壓斷路器，并可容易地應(yīng)用于低壓用斷路器。
背景技術(shù)：
斷路器主要是配置在供電線路的供電端或受電端，對電力系統(tǒng)無故障時的正常電流進行開閉自不用說，在發(fā)生短路等故障時，通過切斷故障電流來保護系統(tǒng)及各種電力設(shè)備(負荷)。
這種斷路器根據(jù)滅弧/絕緣介質(zhì)可以分為真空斷路器(VCBVacuum Circuit Breaker)、油斷路器(OCBOil Circuit Breaker)、氣體斷路器(GCBGas Circuit Breaker)等。
在斷路器切斷故障電流時，需要對兩觸點之間所產(chǎn)生的弧光進行滅弧。上述氣體斷路器按對電弧進行滅弧的方式，可以進一步分為氣吹滅弧型(Puffer type)、旋轉(zhuǎn)滅弧型(Rotating arc type)、熱膨脹滅弧型(Thermal expansion type)、復(fù)合滅弧型(Hybrid extinction type)等。
在后附的圖1及圖2中，作為斷路器的一個例子示出了上述斷路器中的氣吹滅弧型氣體斷路器。
氣吹滅弧型氣體斷路器將SF6氣體(六氟化硫黃，以下稱為“滅弧氣體”)作為滅弧/絕緣介質(zhì)，主要是用于超高壓級別(通常為大于或等于72.5kV級)的斷路器。
如圖1及圖2所示，氣吹滅弧型氣體斷路器大體包括用于切斷故障電流的切斷部10；以及用于操作切斷部10的致動器50。
上述切斷部10由固定部和可動部構(gòu)成，并被設(shè)置在內(nèi)部填充有SF6氣體的容器2內(nèi)。
上述切斷部10的固定部具有固定電弧觸頭11和固定主觸頭12，并且具有絕緣筒13、固定活塞14、支承臺15、以及支承絕緣子16等。
上述切斷部10的可動部具有可動電弧觸頭21、可動主觸頭22、絕緣噴嘴23、吹氣汽缸24、以及絕緣操作桿25。
上述致動器50的動作桿51與上述絕緣操作桿25連接。并且，上述可動電弧觸頭21、可動主觸頭22、絕緣噴嘴23、以及吹氣汽缸24與上述絕緣操作桿25連接成一體。
因此，當(dāng)上述致動器50被驅(qū)動時，通過上述動作桿51使上述絕緣操作桿25移動。隨著上述絕緣操作桿25的移動，上述可動電弧觸頭21、可動主觸頭22、絕緣噴嘴23、以及吹氣汽缸24一體地移動，由此進行閉合(導(dǎo)通電流)動作和斷開(切斷電流)動作。
具體而言，如圖1所示，在正常狀態(tài)下邊保持閉合狀態(tài)邊使正常電流流過。
然而，一旦電力系統(tǒng)發(fā)生異常，而流過達到正常電流數(shù)倍(例如，約10倍)的故障電流時，該故障電流使致動器50動作。如圖2所示，其結(jié)果是上述致動器50牽引上述動作桿51，而動作桿51對絕緣操作桿25進行牽引。因此，可動電弧觸頭21脫離固定電弧觸頭11，可動主觸頭22脫離固定主觸頭12。
與此同時，將吹氣汽缸24向與固定活塞14相對的方向牽引，由此壓縮吹氣汽缸24內(nèi)部的滅弧氣體。被壓縮的滅弧氣體從吸氣口17和流道18通過，并吹向圖2所示的箭頭方向，迅速削減固定電弧觸頭11與可動電弧觸頭21之間產(chǎn)生的電弧等離子體，其結(jié)果是電流被切斷(斷開狀態(tài))。
在該種斷路器中，為了切斷故障電流并迅速恢復(fù)觸點間的絕緣，必須高速進行斷開動作。然而，由于形成有電弧等離子體，僅形成斷開的間隙并不能完全進行電弧滅弧，所以有必要如上所述吹入滅弧氣體。因此，致動器50必須承擔(dān)用于壓縮滅弧氣體的力，即用于抵抗固定活塞14而使吹氣汽缸24移動的力。即，為了提高斷開速度必須增大操作力，因此需要致動器50具有更大的力和更高速度。
例如，供電用高壓/超高壓(通常，大于或等于365kv)用斷路器的斷開間隙(SLStroke Length)為250mm左右，從而需要能以45ms這樣的極短時間動作的較大的力和高速度。
現(xiàn)在，高壓/超高壓用斷路器主要是使用油壓致動器或氣壓致動器。然而，存在以下問題該種致動器占斷路器整體價格的1/3左右，非常昂貴，在我國多半依賴進口。另外，該種油壓或氣壓致動器存在由于周圍溫度的變化而使動作液體泄露的危險。并且，該種致動器是由很多部件組成，因此，即使是這些部件中的一個發(fā)生故障，也有可能導(dǎo)致致動器整體不能動作。
因此，為了開發(fā)出能夠取代上述油壓或氣壓致動器的致動器，在全世界展開了開發(fā)研究。作為研究結(jié)果，有代表性的包括彈簧式致動器(螺旋形彈簧)、電機致動器(利用電機使旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的系統(tǒng))、以及PMA致動器(Permanent Magnetic Actuator永久磁鐵式致動器)。
但是，由于上述彈簧式致動器是根據(jù)需要從彈簧的壓縮狀態(tài)解除其壓縮力而得到動力的系統(tǒng)，因此制造成本低廉，但由于彈簧的彈力不是恒定的，因此存在動作狀態(tài)的可靠性較低的缺點。因此，不僅不適合用于需要吹入滅弧氣體的高壓/超高壓用斷路器，而且如果應(yīng)用了該致動器，則切斷失敗概率會大大增加。
雖然上述電機致動器與氣壓或油壓致動器相比制造成本低廉，但也價格偏高，并存在難以輸出較大的力的問題，雖然可以用作低壓用，但在高壓/超高壓中則難以充分發(fā)揮性能。
上述PMA致動器為通過永久磁鐵產(chǎn)生的磁力、和由在線圈中流動電流而產(chǎn)生的磁場所生成的電磁力使可動部件動作的構(gòu)造。因此，具有非常簡單的構(gòu)造，且操作效率也很高，并且具有能夠?qū)崿F(xiàn)動作穩(wěn)定、均勻的優(yōu)點，所以最近被廣泛用作低壓斷路器用致動器。
然而，由于上述PMA致動器是用永久磁鐵產(chǎn)生的磁力和在線圈中流動電流而產(chǎn)生的磁力進行驅(qū)動的系統(tǒng)，因此需要用磁體(鐵芯)制作磁場經(jīng)過的路徑，并且可動的可動部件也需要由磁體組成。因此，在由于切斷容量增大而需要致動器輸出更大力的場合下，需要產(chǎn)生很多的磁場，為了使該磁場不會達到飽和(磁飽和狀態(tài)磁體進行了某種程度的磁化后，即使進一步加大電流，磁化也不會繼續(xù)進行，即、達到“磁飽和狀態(tài)”，在磁飽和狀態(tài)下，即使繼續(xù)增大電流，也得不到大于或等于一定限度的力)，磁體也需要相應(yīng)地增大，因此致動器的尺寸負擔(dān)也會增大，但被永久磁鐵和線圈所勵磁的磁通密度與空隙長度的平方成反比，因此向切斷部的觸點間隙大的高壓/超高壓用斷路器的應(yīng)用受到限制。例如，在將PMA用作斷開間隙為20mm左右的低壓用斷路器的致動器的場合下，由于最優(yōu)的模型大小(寬×長×厚)為200×250×100mm，因此僅其重量就大于或等于10kg。因此，當(dāng)將上述PMA致動器應(yīng)用于超高壓用斷路器時，斷路器會變得非常大，這是難以避免的，并且與使用油壓或氣壓致動器的場合相比重量增大，制造成本也增大。但是，實際上，至今還未發(fā)現(xiàn)將PMA致動器應(yīng)用于高壓/超高壓用斷路器的合適的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是為了解決上述以往技術(shù)的問題點而做出的，其目的在于提供一種不僅小型、輕量而且能實現(xiàn)操作速度和操作力最大化的、使用電磁力的致動器，以及斷路器，該斷路器通過使用該致動器可發(fā)揮優(yōu)良的切斷性能，由此特別是可以有效地用作超高壓及高壓用斷路器，而且可以用作低壓用斷路器。
為達成上述目的，本發(fā)明的第一實施方式涉及的致動器，其特征在于，包括空心的內(nèi)筒體，由磁體構(gòu)成；外筒體，由磁體構(gòu)成，與上述內(nèi)筒體呈同心狀且與上述內(nèi)筒體保持一定間隔地設(shè)置在半徑方向的外側(cè)；內(nèi)、外側(cè)永久磁鐵，分別與上述內(nèi)筒體的外表面和上述外筒體的內(nèi)表面相接觸、且相互保持一定間隔地配置；線圈，可沿軸向自由進行直線移動地設(shè)置在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵之間；非磁體的可動部件，上述線圈設(shè)置于其一端部，在向上述線圈供電時，通過由上述內(nèi)、外側(cè)永久磁鐵的磁場和上述線圈的電流密度所產(chǎn)生的電磁推斥力，在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵之間沿軸向進行直線運動。
本發(fā)明的第一實施方式涉及的致動器是利用由基于永久磁鐵的磁場和基于線圈電流的電場所產(chǎn)生的力使可動部件動作的構(gòu)造，因此，即使小型、輕量也能產(chǎn)生較大的操作力和操作速度。
在上述本發(fā)明的第一實施方式的致動器中，上述非磁體的可動部件可以包括可動環(huán)狀部件，可沿軸向自由進行直線運動地設(shè)置在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵之間，上述線圈設(shè)置于其一端部；可動軸，可自由進行直線移動地設(shè)置在上述內(nèi)筒體的內(nèi)側(cè)，且其一端部連接于上述可動環(huán)狀部件，通過該可動環(huán)狀部件沿軸向進行直線運動。
在上述本發(fā)明的第一實施方式的致動器中，上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵與外側(cè)永久磁鐵可以由超導(dǎo)磁鐵構(gòu)成。
在上述本發(fā)明的第一實施方式的致動器中，優(yōu)選包括第一、第二端部板，其由磁體構(gòu)成，通過堵塞上述內(nèi)筒體和外筒體的兩端部而感應(yīng)圓滑的磁場路徑。
另一方面，本發(fā)明的斷路器，其特征在于，包括空心的內(nèi)筒體，由磁體構(gòu)成；外筒體，由磁體構(gòu)成，與上述內(nèi)筒體呈同心狀且與上述內(nèi)筒體保持一定間隔地設(shè)置在半徑方向的外側(cè)；內(nèi)、外側(cè)永久磁鐵，分別與上述內(nèi)筒體的外表面和上述外筒體的內(nèi)表面相接觸、且相互保持一定間隔地配置；線圈，可沿軸向自由進行直線移動地設(shè)置在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵之間；非磁體的可動部件，上述線圈設(shè)置于其一端部，在向上述線圈供電時，利用由上述內(nèi)、外側(cè)永久磁鐵的磁場和上述線圈的電流密度所產(chǎn)生的電磁推斥力，在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵之間沿軸向進行直線運動；以及絕緣操作桿，連接于上述可動部件的另一端部，通過上述可動部件進行直線運動來進行閉合動作和斷開動作。
在上述本發(fā)明的斷路器中，上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵可以由超導(dǎo)磁鐵構(gòu)成。
在上述本發(fā)明的斷路器中，上述非磁體的可動部件可以包括可動環(huán)狀部件，可沿軸向自由進行直線運動地設(shè)置在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵之間，上述線圈設(shè)置于其一端部；可動軸，可自由進行直線移動地設(shè)置在上述內(nèi)筒體的內(nèi)側(cè)，其一端部連接于上述可動環(huán)狀部件，且其另一端部連接于上述絕緣操作桿，通過上述可動環(huán)狀部件沿軸向進行直線運動，使上述絕緣操作桿移動。
在上述本發(fā)明的斷路器中，可以包括第一、第二端部板，其由磁體構(gòu)成，通過堵塞上述內(nèi)筒體和外筒體的兩端部而感應(yīng)圓滑的磁場路徑。
在上述本發(fā)明的斷路器中，可以包括緩沖裝置，設(shè)置在成為上述可動部件在斷開方向的移動末端的部位，吸收沖擊力。
這里，上述緩沖裝置可以由壓縮螺旋彈簧構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式的致動器，其特征在于，包括由磁體構(gòu)成的殼體，在內(nèi)部形成有環(huán)狀的腔室；環(huán)狀的內(nèi)側(cè)永久磁鐵及外側(cè)永久磁鐵，在半徑方向保持一定間隔且同心狀地設(shè)置在上述殼體的腔室內(nèi)部；以及可動部件，具有環(huán)狀的線圈，可沿軸向自由進行直線移動地設(shè)置在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵之間，在向上述線圈供電時，通過由上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和上述外側(cè)永久磁鐵的磁場與上述線圈的電流密度所產(chǎn)生的電磁推斥力，在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵之間沿軸向進行直線運動。
在上述本發(fā)明的第二實施方式的致動器中，在上述內(nèi)、外側(cè)永久磁鐵的兩端部分別設(shè)置有環(huán)狀的第一內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵和第二內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵，上述可動部件可以是在該線圈的兩端部分別配置環(huán)狀的第一磁體環(huán)和第二磁體環(huán)而與上述線圈形成一體的形式。
在此，優(yōu)選上述第一內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵和第二內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵的極性與上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵的極性配置成相反方向。
并且，上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵可以由超導(dǎo)磁鐵構(gòu)成。
在上述本發(fā)明的第二實施方式的致動器中，優(yōu)選上述線圈與第一、第二磁體環(huán)是被埋入絕緣體外殼中而形成一體的。
這里，優(yōu)選上述絕緣體外殼由塑料材料構(gòu)成。
在上述本發(fā)明的第二實施方式的致動器中，可以在上述可動部件的兩端部側(cè)設(shè)置第一、第二緩沖裝置，以便防止上述可動部件的端部在上述可動部件的軸向移動末端沖撞殼體。
這里，上述第一、第二緩沖裝置可以由壓縮螺旋彈簧構(gòu)成。
并且，上述第一、第二緩沖裝置可以由壓縮螺旋彈簧構(gòu)成，配置在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵之間。
在上述本發(fā)明的第二實施方式的致動器中，上述可動部件的一端部可以連接有多根非磁體桿，在上述多根非磁體桿的端部設(shè)置有用于連接到被動部的支承臺。
本發(fā)明的其它實施方式的斷路器，其特征在于，包括本發(fā)明第二實施方式涉及的致動器；以及絕緣操作桿，連接于上述可動部件，以便通過上述致動器的可動部件進行直線運動，進行斷開動作和閉合動作。
本發(fā)明的第三實施方式的致動器，其特征在于，在由磁體構(gòu)成的一個殼體的內(nèi)部設(shè)置有多個電磁操作部，上述多個操作部分別包括環(huán)狀的內(nèi)側(cè)永久磁鐵及外側(cè)永久磁鐵，在半徑方向保持一定間隔且同心狀地設(shè)置；可動部件，具有環(huán)狀的線圈，可沿軸向自由進行直線移動地設(shè)置在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵之間，在向上述線圈供電時，通過由上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和上述外側(cè)永久磁鐵的磁場與上述線圈的電流密度所產(chǎn)生的電磁推斥力，在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵之間沿軸向進行直線運動；多根桿，連接于上述多個可動部件；以及支承臺，一起連接上述多根桿的端部。
在上述本發(fā)明的第三實施方式的致動器中，在上述內(nèi)、外側(cè)永久磁鐵的兩端部分別設(shè)置有環(huán)狀的第一內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵和第二內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵，上述可動部件是在該線圈的兩端部分別配置環(huán)狀的第一磁體環(huán)和第二磁體環(huán)而與上述線圈形成一體的形式。
這里，上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵可以由超導(dǎo)磁鐵構(gòu)成。
本發(fā)明的其它實施方式的斷路器的特征在于，包括絕緣操作桿，連接于上述支承臺，以便通過上述本發(fā)明的第三實施方式的致動器及上述致動器的多個可動部件進行直線運動來進行閉合動作和斷開動作。
由于以上說明的本發(fā)明的致動器具有由永久磁鐵的磁場和線圈的電流密度所產(chǎn)生的電磁推斥力使可動部件動作的構(gòu)造，因此具有即使是小型、輕量也能形成較大的操作力和操作速度的優(yōu)點。
并且，在本發(fā)明的斷路器中，由于以較大的力和較高的速度進行切斷動作，因此，具有以下優(yōu)點可以特別有效地適用于超高壓及高壓斷路器，也可以容易地用作低壓用斷路器。


圖1是例示以往的斷路器中的氣吹滅弧型斷路器的閉合狀態(tài)的截面圖。
圖2是表示圖1所示的斷路器的詳細滅弧狀態(tài)的放大圖。
圖3是表示本發(fā)明的優(yōu)選的第一實施方式涉及的致動器結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖4是沿圖3的A-A線的截面圖。
圖5至圖7是表示設(shè)置有本發(fā)明第一實施方式的致動器的斷路器的結(jié)構(gòu)的圖，是表示斷路器從閉合狀態(tài)變化為滅弧狀態(tài)、斷開狀態(tài)的截面圖。
圖8是表示本發(fā)明的優(yōu)選的第二實施方式涉及的致動器結(jié)構(gòu)的立體截面圖。
圖9及圖10分別是詳細表示本發(fā)明的第二實施方式的致動器的結(jié)構(gòu)要素的圖。
圖11是表示設(shè)置有本發(fā)明第二實施方式的致動器的斷路器的截面圖。
圖12至圖15是依次表示本發(fā)明第二實施方式涉及的致動器的動作過程的截面圖。
圖16及圖17是表示在本發(fā)明第二實施方式的致動器中，不具有第一、第二磁體環(huán)和輔助永久磁鐵，而只具有內(nèi)、外側(cè)永久磁鐵時的使可動部件移動的力和電流特性的曲線圖。
圖18及圖19是表示本發(fā)明第二實施方式的致動器還具有第一、第二磁體環(huán)和輔助永久磁鐵時的力和電流特性的曲線圖。
圖20及圖21分別是表示本發(fā)明的第三實施方式涉及的電磁致動器結(jié)構(gòu)的俯視圖及立體截面圖。
附圖符號說明100致動器，110內(nèi)筒體，120外筒體，130內(nèi)側(cè)永久磁鐵，132外側(cè)永久磁鐵，140線圈，142供電線，150可動部件，152可動環(huán)狀部件，154可動軸，156連接軸，158連接板具體實施方式
以下參照附圖，詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。
實施例1后附的圖3及圖4是表示本發(fā)明的優(yōu)選的第一實施方式涉及的致動器的圖。圖3是表示致動器結(jié)構(gòu)的截面圖，圖4是沿圖3的A-A線的截面圖。
圖3中的右圖是表示致動器動作前的狀態(tài)(閉合狀態(tài))，左圖是表示致動器動作后的狀態(tài)(斷開狀態(tài))。
如圖3及圖4所示，本發(fā)明涉及的致動器100是電磁致動器(Electro-Magnetic Force driving ActuatorEMFA)，包括內(nèi)筒體110，外筒體120，內(nèi)、外側(cè)永久磁鐵130、132，線圈140，以及可動部件150。
上述內(nèi)筒體110和外筒體120由磁體構(gòu)成，在半徑方向相互保持一定間隔且同心狀地配置。
上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵130設(shè)置成與上述內(nèi)筒體110的外表面相接觸，且上述外側(cè)永久磁鐵132設(shè)置成與上述外筒體120的內(nèi)表面相接觸。因此，上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵130和外側(cè)永久磁鐵132在半徑方向保持一定間隔。
上述線圈140被設(shè)置在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵130和外側(cè)永久磁鐵132之間，可沿軸向自由進行直線移動。通過供電線142向該線圈140供電。
上述可動部件150由非磁體構(gòu)成，上述線圈140設(shè)置于其一端部。因此，在向上述線圈140供電時，由上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵130和上述外側(cè)永久磁鐵132的“磁場”與基于上述線圈140的電流的“電場”所產(chǎn)生的力，使上述可動部件150在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵130和外側(cè)永久磁鐵132之間沿軸向進行直線運動。
在附圖所示的具體實施方式
中，上述可動部件150包括可動環(huán)狀部件152和可動軸154。
具體而言，上述可動環(huán)狀部件152被設(shè)置在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵130和外側(cè)永久磁鐵132之間，可在軸向自由進行直線運動。上述線圈140設(shè)置在上述可動環(huán)狀部件152的一端部。因此，在向上述線圈140供電時，上述可動環(huán)狀部件152與線圈140一起沿軸向進行直線運動。
上述可動軸154被可自由進行直線移動地設(shè)置在上述內(nèi)筒體110的中心。并且，上述可動軸154的一端部連接于上述可動環(huán)狀部件152。因此，上述可動軸154與上述可動環(huán)狀部件152一體地沿軸向進行直線移動。
在圖3所示的實施方式中，上述可動環(huán)狀部件152和可動軸154具有通過連接軸156和連接板158形成一體的構(gòu)造。
上述連接軸156從上述可動環(huán)狀部件152延伸出多根，上述連接板158連接在該多根連接軸156的端部。
上述可動軸154從上述連接板158的中央延伸，以可自由進行直線移動的狀態(tài)穿插在上述內(nèi)筒體110的內(nèi)側(cè)中心。
另一方面，在上述內(nèi)筒體110和外筒體120的兩端部具有第一、第二端部板160、162。
上述第一、第二端部板160、162是由磁體構(gòu)成，通過堵塞上述內(nèi)筒體110和外筒體120的兩端部，起到引導(dǎo)磁場，使得在內(nèi)筒體110和外筒體120之間建立圓滑的磁場的作用。此時，上述連接軸156穿過上述第二端部板162，與上述連接板158連接。
本發(fā)明的致動器是一種電磁致動器(EMFA)，其應(yīng)用弗來明左手定則，由上述永久磁鐵130、132的磁場和基于上述線圈140的電流的電場所產(chǎn)生的力，使上述可動部件150直線移動。
如圖3中的左圖所示，對上述致動器100的線圈140施加電流后，上述永久磁鐵130、132的磁場和線圈140的電場使線圈140沿軸向移動的力發(fā)揮作用。其結(jié)果是上述線圈140與上述可動部件150一起沿軸向移動。
具體而言，當(dāng)在上述線圈140中流過圖3中的左圖所示的方向的電流時，線圈140受到向附圖中的下方移動的力的作用，其結(jié)果是線圈140及可動環(huán)狀部件152向下方移動。
這樣，當(dāng)與上述可動環(huán)狀部件152連接的可動軸154隨著可動環(huán)狀部件152向下方的移動而向下方移動時，保持圖3中的右圖所示的狀態(tài)。
如上所述的本發(fā)明的致動器100具有以下原理即，使設(shè)置于形成永久磁鐵130、132的磁場的空間內(nèi)的線圈140，在與磁場垂直的方向流過電流，由此得到沿軸向移動的力。
如在上述以往技術(shù)中的說明所示，由于一般的PMA致動器是通過永久磁鐵產(chǎn)生的磁場的力和線圈流過電流產(chǎn)生的磁場的力來使可動部件運動的系統(tǒng)，因此需要用磁體制作磁場經(jīng)過的路徑，并且可動的可動部件也需要由磁體構(gòu)成。
因此，為了得到更大的操作力，需要在線圈中流動更大的電流，但由于磁體的飽和問題，因此，即使繼續(xù)增大電流也不能得到大于或等于一定限度的操作力。另外，為了解決該問題，需要加大磁體的尺寸，因此產(chǎn)生了致動器大型化的問題，由于被永久磁鐵和線圈電流勵磁的磁通密度與空隙距離的平方成反比，因此向切斷部的觸點間隙大的高壓及超高壓用斷路器的應(yīng)用受到限制。
然而，本發(fā)明的致動器具有以下原理在應(yīng)用弗來明左手定則形成了磁場的空間內(nèi)流動垂直方向的電流，由此使可動部件受力，即，F(xiàn)＝INT(J TIMES B)d upsilon(J電流強度，B磁場強度)。
如上所述，以往的永久磁鐵的磁場會發(fā)生磁體飽和的問題，空隙距離對磁通密度影響很大。然而，本發(fā)明的致動器100，在永久磁鐵在線圈140部分形成磁場的狀態(tài)下，在該磁場的垂直方向形成了基于線圈140的電流的電流密度，并利用了基于弗來明左手定則的電磁推斥力，所以是使線圈140中流動的電流量直接轉(zhuǎn)換成力的系統(tǒng)。因此，當(dāng)線圈140中流過大量電流時，可以得到與此相應(yīng)的較大的力。
因此，在本發(fā)明的致動器100中，通過基于線圈140區(qū)域的外部磁通密度和電流密度的電磁推斥力來動作，而不使用由被線圈140的電流勵磁的磁場產(chǎn)生的電磁力波及到空隙的力，因此無需考慮電磁力波及的區(qū)域的磁體飽和問題，而只要增加線圈140的匝數(shù)，并增加電流強度，即可得到更大的操作力，因此可以大幅度降低致動器的尺寸和重量。換言之，與尺寸和重量相比，可以得到非常大的操作力。
另一方面，以往的PMA致動器需要在可動部件和鐵芯(固定部件)之間的間隙內(nèi)形成足夠的磁通密度。由于這樣的磁通密度與空隙間距離的平方成反比，因此為了形成足夠的磁通密度，需要流過大量的線圈電流。因此，反應(yīng)性，即初始動作速度會不可避免地減緩。然而，本發(fā)明的致動器在向線圈140供電的同時，會產(chǎn)生與外部磁場的電磁推斥力，因此呈現(xiàn)出非常快且強有力的初始速度。
后附的圖5、圖6及圖7是表示使用了上述致動器的本發(fā)明優(yōu)選實施方式的斷路器的結(jié)構(gòu)的圖，圖5是表示斷路器為閉合狀態(tài)時的圖，圖6是表示滅弧狀態(tài)時的圖，圖7是表示斷開結(jié)束狀態(tài)時的圖。
對與圖1至圖4所示的結(jié)構(gòu)要素相同的結(jié)構(gòu)要素附加相同符號，并省略其反復(fù)說明。
如圖5、圖6及圖7所示，在本發(fā)明的斷路器中，絕緣操作桿25連接于上述致動器100的可動部件150的端部。因此，上述絕緣操作桿25因上述可動部件150的運動而在軸向移動，由此進行閉合動作和斷開動作。
具體就是上述絕緣操作桿25的一端部通過銷170連接到上述可動部件150的可動軸154的端部。
在本實施方式的斷路器中，如圖5、圖6及圖7所示，上述絕緣操作桿25與上述可動部件150的可動軸154的端部可以相互直接連接，也可以在其之間安裝規(guī)定的連接構(gòu)件等進行連接。
并且，在本實施方式的斷路器中，優(yōu)選在成為上述可動部件150在斷開方向的移動末端的部位設(shè)置緩沖裝置180。上述緩沖裝置180起到以下作用即，其吸收或衰減在上述可動部件150向斷開方向移動時可動部件150的可動環(huán)狀部件152撞到第二端部板162的撞擊。如附圖所示的實施方式所示，上述緩沖裝置180可以由壓縮螺旋彈簧構(gòu)成。
對于如上所述的斷路器而言，其致動器100是由本發(fā)明第一實施方式的致動器100構(gòu)成。關(guān)于斷路器的具體切斷動作，已經(jīng)參照圖1及圖2進行了說明，關(guān)于致動器100的動作，已經(jīng)參照圖3及圖4進行了說明，因此以下為了避免重復(fù)的說明，而僅做簡要說明。
首先，當(dāng)在圖5所示的閉合狀態(tài)下，電力系統(tǒng)發(fā)生異常，流過達到正常電流數(shù)倍的故障電流時，向致動器100的線圈140供電。這樣，如圖6所示，線圈140與可動部件150邊移動邊牽引絕緣操作桿25。因此，可動電弧觸頭21脫離固定電弧觸頭11，固定主觸頭12脫離可動主觸頭22。于是，吹氣汽缸24被向與固定活塞14相對的方向牽引，從而壓縮吹氣汽缸24內(nèi)部的滅弧氣體。其結(jié)果是被壓縮的滅弧氣體從吸氣口17和流道18噴出，消滅在固定電弧觸頭11和可動電弧觸頭21之間產(chǎn)生的電弧等離子體。
接著，當(dāng)可動部件150進一步后退從而進一步牽引絕緣操作桿25時，如圖7所示，達到完全的斷開狀態(tài)。
此時，在上述可動部件150的移動末端，可動部件150的端部撞擊緩沖裝置180，沖擊力被吸收。因此，在斷開的最后階段，可動部件150的移動速度減緩，由此可動部件150的可動環(huán)狀部件152不會與第二端部板162發(fā)生沖突。
如上所述，為了斷路器切斷故障電流并迅速恢復(fù)觸點間的絕緣，需要能夠在極短時間內(nèi)完成動作的極大的力和高速。特別是在切斷容量較大的高壓/超高壓斷路器中，需要采用操作力非常大的致動器。
在本發(fā)明的斷路器中，由于具有通過電磁推斥力來動作的致動器100，因此無需考慮磁體飽和的問題。因此，只要增加線圈140的匝數(shù)，并增加電流的強度，即可得到更大的操作力，所以與其尺寸和重量的增大相比，也可以得到非常大的操作力的增大。其結(jié)果是本發(fā)明的致動器的初始速度非?？?。
為此，使用了如上所述的致動器100的本發(fā)明的斷路器，能夠在以往的斷路器難以適用的大于或等于365kv的供電用高壓/超高壓斷路器中，發(fā)揮非常優(yōu)良的性能。特別是在致動器必須承擔(dān)用于壓縮滅弧氣體的力的氣體滅弧型斷路器、以及氣吹滅弧式氣體滅弧型斷路器中，也可以發(fā)揮非常優(yōu)良的性能。
另外，由于本發(fā)明的斷路器可以通過調(diào)整線圈的匝數(shù)等來增減尺寸和操作力，因此不僅能適用于上述高壓/超高壓用斷路器，也當(dāng)然能適用于低壓用斷路器，而且由于小型、輕量，因此容易應(yīng)用。
在以上的說明中，舉例說明了附圖所示的氣吹滅弧型斷路器，但可以說本發(fā)明的致動器能容易地應(yīng)用于真空斷路器、油斷路器、以及旋轉(zhuǎn)滅弧型的斷路器、熱膨脹滅弧型的斷路器、復(fù)合滅弧型的斷路器等需要較大的力和高速度的多數(shù)的斷路器中，其效率也非常高。
實施例2在后附的圖8、圖9及圖10中，示出了本發(fā)明第二實施方式的致動器。第二實施方式的致動器具有對上述第一實施方式的電磁致動器(EMFA)進行了變形的形式。
如圖8所示，本發(fā)明第二實施方式的致動器200包括磁體構(gòu)成的殼體210，在內(nèi)部形成有環(huán)狀的腔室211；環(huán)狀的內(nèi)側(cè)永久磁鐵220及外側(cè)永久磁鐵230，在半徑方向保持一定間隔且同心狀地設(shè)置在該殼體210的腔室211內(nèi)部；以及環(huán)狀的可動部件240，具有環(huán)狀的線圈241，設(shè)置成在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵220和內(nèi)側(cè)永久磁鐵230之間可沿軸向自由地進行直線移動。
具有上述線圈241的可動部件240，在該線圈241被供電時，通過由基于上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵220和上述外側(cè)永久磁鐵230的磁場與基于上述線圈241的電流的電場所產(chǎn)生的力，在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵220和外側(cè)永久磁鐵230之間沿軸向進行直線運動。
為了設(shè)置上述內(nèi)、外側(cè)永久磁鐵220、230和可動部件240，上述殼體210優(yōu)選由劃分為第一殼體210a和第二殼體210b并相互結(jié)合的形式構(gòu)成。
在本實施方式中，在上述可動部件240的線圈241的兩端部，也可以分別與上述線圈241一體地設(shè)置環(huán)狀的第一磁體環(huán)242和第二磁體環(huán)243。將上述線圈241與第一、第二磁體環(huán)242、243形成一體，可以通過將該線圈241和第一、第二磁體環(huán)242、243埋入絕緣體外殼244中來實現(xiàn)。上述第一、第二磁體環(huán)242、243的尺寸(長度)可以根據(jù)被驅(qū)動物的保持力設(shè)置成彼此不同。例如，可以根據(jù)持續(xù)保持斷路器的閉合狀態(tài)所需的保持力與持續(xù)保持斷開狀態(tài)所需要的保持力之差進行變化。
也可以根據(jù)上述第一、第二磁體環(huán)242、243，在上述內(nèi)、外側(cè)永久磁鐵220、230的兩端部分別設(shè)置環(huán)狀的第一內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵251、252和第二內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵255、256。
使上述第一內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵251、252和第二內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵255、256的極性與上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵220和外側(cè)永久磁鐵230的極性成相反方向。這樣，第一內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵251、252之間產(chǎn)生的磁力線以及上述第二內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵255、256之間產(chǎn)生的磁力線的方向，與上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵220和外側(cè)永久磁鐵230之間產(chǎn)生的磁力線的方向相反。其結(jié)果是，當(dāng)上述可動部件240在圖8中向上方移動時，上述第一磁體環(huán)242被上述第一內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵251、252的磁力所保持，即使切斷向上述線圈241的供電，也可以繼續(xù)保持可動部件240向上方移動的狀態(tài)。同樣，當(dāng)上述可動部件240在圖8中向下方移動時，上述第二磁體環(huán)243被上述第二內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵255、256的磁力所保持，即使切斷向上述線圈241的供電，也可以保持可動部件240向下方移動的狀態(tài)。
上述可動部件240的一端部(圖中的上端部)連接有多根非磁體桿272。并且，在上述多根非磁體桿271的端部也可以具有支承臺281。上述支承臺281形成有連接部281a，該連接部281a形成有孔281b。上述連接部281a從上述孔281b連接到斷路器這樣的被動部。
在上述可動部件240的另一端部(圖中的下端部)也可以連接多根非磁體桿271。并且，上述多根非磁體桿272的端部也可以具有支承臺282。
在上述可動部件240的軸向移動末端，為了防止該可動部件的端部沖撞殼體210，可以在可動部件240的兩端部側(cè)設(shè)置第一、第二緩沖裝置261、262。在本實施方式中，上述第一、第二緩沖裝置261、262是由壓縮螺旋彈簧構(gòu)成，配置在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵220和外側(cè)永久磁鐵230之間。上述第一、第二緩沖裝置261、262并不局限于圖示的方式。例如，也可以在致動器100的外側(cè)設(shè)置油壓或氣壓緩沖器。另外，也可以設(shè)在殼體210的外側(cè)，而不像本實施方式這樣設(shè)在上述殼體210的內(nèi)部。
在圖9及圖10中，詳細地示出了圖8所示的結(jié)構(gòu)要素。
首先，在圖9中，表示了以下部件的具體形狀上述殼體210，內(nèi)、外側(cè)永久磁鐵220、230，第一內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵251、252，以及第二內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵255、256。在殼體210的內(nèi)部形成有環(huán)狀的腔室211。因此，上述腔室211具有內(nèi)壁面211a和外壁面211b。為了在上述殼體210的內(nèi)部形成環(huán)狀的腔室211以及組裝上述內(nèi)、外側(cè)永久磁鐵220、230和可動部件240，也可以將上述殼體210分為第一殼體210a和第二殼體210b。另外，在上述第二殼體210b的下側(cè)，可以形成用于設(shè)置上述第二緩沖裝置262的延長槽212。上述延長槽212在上述緩沖裝置262較長的情況下形成。形成在上述殼體210的兩端部的多個通孔213是用于通過上述桿271的孔。
上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵220和外側(cè)永久磁鐵230的極性設(shè)置成磁力線指向箭頭方向，即指向半徑方向的內(nèi)側(cè)。并且，第一內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵251、252和第二內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵255、256的極性配置成與上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵220和外側(cè)永久磁鐵230的極性為相反方向。雖然這樣的內(nèi)、外側(cè)永久磁鐵220、230和第一內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵251、252以及第二內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵255、256是以連續(xù)的環(huán)狀示出的，但也可以是在半徑方向分割成多個的方式。
在圖10中，表示了可動部件240和第一、第二緩沖裝置261的具體形狀。如上所述，上述可動部件240具有以下形式即，將第一、第二磁體環(huán)242、243和線圈241埋入絕緣體外殼244中而形成一體。上述絕緣體外殼244可以是由塑料材料構(gòu)成。此時，上述線圈241與第一、第二磁體環(huán)242、243通過利用插入法對外殼244進行注塑成形，可以簡單地進行埋入。并且，在上述可動部件240的兩端部形成有用于結(jié)合上述桿271的多個槽245。上述桿271可以通過螺栓固定方式連接到上述槽245。另一方面，在上述第一、第二緩沖裝置261、262是由壓縮彈簧構(gòu)成，并設(shè)置在殼體210內(nèi)部的情況下，上述壓縮彈簧261、262可以以環(huán)繞上述多根非磁體桿271、272的外側(cè)的方式來設(shè)置。固定在上述桿271的端部的支承臺281形成有連接部281a。通過孔281b和軸291的連接，將動作桿280連接到上述連接部281a。上述動作桿290連接到斷路器這樣的被動部，并通過上述可動部件240的軸向運動來驅(qū)動被動部。
在后附的圖11中，表示了具有上述第二實施方式的致動器200的斷路器。同圖所示的斷路器，與在前面參照圖5、圖6及圖7說明的斷路器相比，僅致動器部分不同，其余部分是由相同構(gòu)造構(gòu)成。在圖11中，表示的是斷路器保持在閉合狀態(tài)。
如圖11所示，在本實施方式的斷路器中，動作桿290通過銷170連接到斷路器的絕緣操作桿25，上述動作桿290連接到上述致動器200的支承臺281。因此，上述絕緣操作桿25因上述支承臺281的運動而在軸向移動，由此進行閉合動作和斷開動作。上述支承臺281連接于上述可動部件240，通過可動部件240的軸向運動來驅(qū)動。具體而言，上述絕緣操作桿25的一端部通過軸291連接到上述支承臺281的連接部281a。
圖12、圖13、圖14及圖15依次表示了本發(fā)明第二實施方式的致動器200的動作過程。假設(shè)上述致動器200應(yīng)用于圖11所示的斷路器來進行說明。
圖12表示了可動部件240最大限度地移動到圖中上方，即第一內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵251、252側(cè)的狀態(tài)。因此，支承臺281也最大限度地移動到上方，向上推動作桿290(未圖示)，使得斷路器保持閉合狀態(tài)。內(nèi)、外側(cè)永久磁鐵220、230的磁力線方向由箭頭(m1)示出，第二內(nèi)、外輔助永久磁鐵255、256的磁力線方向由箭頭(m2)示出，第一內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵251、252的磁力線方向由箭頭(m3)示出。在上述可動部件240向上方移動而使斷路器保持在閉合狀態(tài)的期間，不向上述可動部件240的線圈241供電。上述可動部件240的第一磁體環(huán)242起到作為由上述內(nèi)、外側(cè)永久磁鐵220、230和第一內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵251、252所產(chǎn)生的磁力線的經(jīng)過路徑的作用。與此同時，上述第一磁體環(huán)242已靠向第一內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵251、252，因此，上述第一內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵251、252的磁場的力(磁力)可以作用到上述第一磁體環(huán)242。該力作為保持上述第一磁體環(huán)242的保持力起作用，可以持續(xù)保持可動部件240向上方移動的狀態(tài)。因此，斷路器可以持續(xù)保持閉合狀態(tài)。此時，上述可動部件240由于第一緩沖裝置261而不會上升到一定限度以上，停止在上述第一內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵251、252所產(chǎn)生的保持力與第一緩沖裝置261所具有的彈性回復(fù)力達到平衡的位置。
在電力系統(tǒng)發(fā)生異常時，為了使斷路器斷開而向線圈241供電。于是，由于在內(nèi)、外側(cè)永久磁鐵220、230之間產(chǎn)生的磁通密度與線圈241產(chǎn)生的電流密度的關(guān)系，所以推斥力(軸向力)起作用，其結(jié)果是線圈241向下方移動。即，可動部件240向下方移動。此時，向上述線圈241提供的電流，以能充分克服在閉合狀態(tài)下由第一內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵251、252保持第一磁體環(huán)242的保持力的程度的值來提供。
可動部件240下降到圖13所示的位置時，由于作用于線圈241的推斥力與基于可動部件240移動的慣力的軸向移動力之和，遠遠大于將第一磁體環(huán)242向上方牽引的力，因此，可動部件240可以繼續(xù)向下方行進。并且，此時，第二磁體環(huán)243進入第二內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵255、256，起到上述內(nèi)、外側(cè)永久磁鐵220、230和第二內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵255、256產(chǎn)生的磁力線的經(jīng)過路徑的作用。因此，由第二內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵255、256產(chǎn)生的使第二磁體環(huán)243移向下方的牽引力逐漸增大，可動部件240在下方受到更大的力而加速。此時致動器200輸出最大的力。因此，優(yōu)選將此時設(shè)計成與在斷路器觸點部氣體推斥力(在圖6中，在與固定活塞14相對的方向牽引吹氣汽缸24的力)達到最大的時刻一致。
這樣，可動部件240的速度繼續(xù)增加，當(dāng)通過圖13所示的位置時，快速切斷提供給線圈241的電流。于是，上述可動部件240僅通過慣力和上述第二內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵255、256將第二磁體環(huán)243向下方牽引的力來移動。
可動部件240下降到圖14的位置時，第二內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵255、256將第二磁體環(huán)243向與移動方向相反的方向(上方)推。即，從可動部件240的第二磁體環(huán)243通過第二內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵255、256的軸向中間位置的時刻開始，在與可動部件240的移動方向相反的方向產(chǎn)生力，對可動部件240進行制動。在該時刻，斷路器的觸點已經(jīng)處于斷開動作結(jié)束的狀態(tài)，因此制動力越大，可動部件240的下端部越不易與殼體210沖撞而受到?jīng)_擊，從而能得到機械穩(wěn)定性。然而，實際上可動部件240以大于或等于6m/s的非?？斓乃俣冗M行移動，因此，可動部件240可能通過第二內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵255、256而與殼體210產(chǎn)生沖撞。此時，可以通過第二緩沖裝置262使可動部件240穩(wěn)定地減速。
在可動部件240向下方移動的動作末端，通常，由上述第二緩沖裝置262和第二內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵255、256將可動部件240向與移動方向相反的方向推的力，必定大于第二內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵255、256保持第二磁體環(huán)243的保持力。
于是，如圖15所示，可動部件240因上述第二緩沖裝置262的回復(fù)力而向上方上升。其結(jié)果是上述可動部件240停止在上述第二緩沖裝置262的回復(fù)力與第二內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵255、256產(chǎn)生的對第二磁體環(huán)230的保持力達到平衡的位置。此時，斷路器處于斷開結(jié)束的狀態(tài)。
在后附的圖16～圖21中，表示了將本發(fā)明第二實施方式的電磁致動器200應(yīng)用于斷路器的場合的模擬試驗結(jié)果。
圖16及圖17是表示在本發(fā)明的第二實施方式的致動器中，在不具有第一、第二磁體環(huán)242、243和輔助永久磁鐵251、252、255、256而只具有內(nèi)、外側(cè)永久磁鐵220、230時，使可動部件240移動的力和電流特性。雖然持續(xù)增加電流，但使可動部件240移動的力僅在初始時增加，其后急劇減小。但是，斷路器的氣體推斥力在可動部件的動作幾乎結(jié)束的位置達到最大。因此，可以說不具有第一、第二磁體環(huán)242、243和輔助永久磁鐵251、252、255、256的致動器模型有些不適合用作超高壓用斷路器。
后附的圖18和圖19表示致動器具有第一、第二磁體環(huán)242、243和輔助永久磁鐵251、252、255、256時的力和電流特性。即，表示在內(nèi)、外側(cè)永久磁鐵220、230的上下設(shè)置輔助永久磁鐵251、252、255、256，在線圈241的上下設(shè)置第一、第二磁體環(huán)242、243時的特性。此時，可以消除在圖16及圖17中成為問題的、力隨著可動部件240的移動而減小的現(xiàn)象。
在圖18中，由四邊形的點連接成的曲線表示斷路器的氣體推斥力，由三角形的點連接成的曲線表示僅由致動器產(chǎn)生的電磁力(致動器的推力)，由菱形點連接成的曲線表示克服上述斷路器的氣體推斥力而動作的致動器的合力(Net force)。在僅由致動器產(chǎn)生的電磁力大于氣體推斥力時，可動部件的速度加快。如前面參照圖16及圖17的說明那樣，這樣的電磁力在可動部件的移動初始區(qū)間增加，其后則減少。但是，根據(jù)本曲線圖可知，可動部件通過移動初始區(qū)間時稍稍減少，以后力再次增加。即，力再次增加的時刻是可動部件的磁體環(huán)接近輔助永久磁鐵的時刻。因此，作用到可動部件的力增大，可動部件的整體速度繼續(xù)增加，而不會減少。
在圖18中，在“K區(qū)間”，電磁力的力小于氣體推斥力。但是，此時，由于可動部件的慣力處于非常大的狀態(tài)，因此，如圖19所示的“位移”曲線所示，可動部件的速度不會減少很多，可依舊輸出高速度。例如，所謂斷路器的優(yōu)選設(shè)計，就是使氣體推斥力不大于僅由致動器產(chǎn)生的電磁力，但由于氣體推斥力的最大值每次都會改變，因此如果可動部件的慣力不足夠大，則該問題并不嚴重。
實施例3后附的圖20及圖21表示本發(fā)明第三實施方式的電磁致動器300。第三實施方式的致動器300是將第二實施方式的致動器在一個殼體310內(nèi)部設(shè)置多個(圖中是四個)的方式。即，可在由磁體構(gòu)成的一個殼體310內(nèi)部設(shè)置多個操作部300a、300b、300c、300d。上述各操作部300a、300b、300c、300d與上述第二實施方式的致動器相同，具有內(nèi)、外側(cè)永久磁鐵220、230；具有線圈和第一、第二磁體環(huán)的可動部件240；第一、第二內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵251、252、255、256；以及第一、第二緩沖裝置261、262。上述多個可動部件240分別連接有多根桿271、272，上述多根桿271、272連接于一個支承臺321、322。上述上支承臺321具有用于與斷路器連接的連接部321a。本發(fā)明的第三實施方式的致動器300表示根據(jù)斷路器的切斷容量的增加而增加致動器個數(shù)時的優(yōu)選結(jié)構(gòu)例。
另一方面，在上述第一至第三實施方式涉及的致動器及使用該致動器的斷路器中，通過利用超導(dǎo)磁鐵(或者超導(dǎo)體磁鐵)來增加磁通密度，可使致動器的效率達到最大化。在本發(fā)明中所提出的各種致動器是通過由永久磁鐵的磁通密度和線圈的電流密度所產(chǎn)生的電磁推斥力來動作的致動器，因此如果使用超導(dǎo)磁鐵來替代以往的永久磁鐵，則磁通密度增大，從而可以得到更大的力和高速度。
E＝1/2(BH)＝B2/2μ由上式可知，能量與磁通密度的平方成正比。并且，一般的永久磁鐵中磁通密度相對較高的Nd系(釹系)永久磁鐵的磁通密度通常是1.2特斯拉(T)左右，而現(xiàn)在開發(fā)出的超導(dǎo)磁鐵(或者超導(dǎo)體磁鐵)的磁通密度為3T～12T左右，具有遠遠超出一般的永久磁鐵的高磁通密度。假設(shè)應(yīng)用了具有約3特斯拉(T)的磁通密度的超導(dǎo)磁鐵，與具有約1特斯拉(T)的磁通密度的一般永久磁鐵相比，磁通密度約為其3倍，而能量約為其9倍。因此，此時，當(dāng)施加同量的電流密度時，可知其力增大為其9倍。這樣，通過應(yīng)用超導(dǎo)磁鐵來取代一般的永久磁鐵，可以提高其效率。在實施例1的致動器的場合下，僅通過使用超導(dǎo)磁鐵來取代一般的永久磁鐵，即可提高其效率。但是，如實施例3的致動器所示，考慮到氣體推斥力，為了抵抗該氣體推斥力而利用主永久磁鐵(內(nèi)、外側(cè)永久磁鐵)和輔助永久磁鐵(第一、第二內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵)之間產(chǎn)生的力時，如果主永久磁鐵和輔助永久磁鐵均使用超導(dǎo)磁鐵，則會發(fā)生問題。超導(dǎo)磁鐵的特征在于，雖然與一般永久磁鐵一樣呈現(xiàn)一定的磁通密度，但從外部產(chǎn)生的磁場由于超導(dǎo)的性質(zhì)而不會進入超導(dǎo)磁鐵。因此，在本發(fā)明中，作為永久磁鐵使用超導(dǎo)磁鐵，而作為輔助永久磁鐵使用一般永久磁鐵，超導(dǎo)磁鐵產(chǎn)生的磁場從一般永久磁鐵中通過，其結(jié)果是操作部的環(huán)狀磁體在位于超導(dǎo)磁鐵和一般永久磁鐵的邊界部時，可以作用較大的力。
以上，對附圖所示的本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行了詳細說明，但這些不過是本發(fā)明的一個示例，本發(fā)明的保護范圍并不局限于此。并且，如上所述的本發(fā)明的實施方式，在本發(fā)明的技術(shù)思想的范圍內(nèi)，可以由本領(lǐng)域內(nèi)具有通常知識的人進行多種變形或其它等同的實施，這樣的變形及等同的其它實施方式當(dāng)然屬于本發(fā)明的權(quán)利保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種電磁致動器，其特征在于，包括空心的內(nèi)筒體，由磁體構(gòu)成；外筒體，由磁體構(gòu)成，與上述內(nèi)筒體呈同心狀且與上述內(nèi)筒體保持一定間隔地設(shè)置在半徑方向的外側(cè)；內(nèi)、外側(cè)永久磁鐵，分別與上述內(nèi)筒體的外表面和上述外筒體的內(nèi)表面相接觸、且相互保持一定間隔地配置；線圈，可沿軸向自由進行直線移動地設(shè)置在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵之間；以及非磁體的可動部件，上述線圈設(shè)置于其一端部，在向上述線圈供電時，通過由上述內(nèi)、外側(cè)永久磁鐵的磁場和上述線圈的電流密度所產(chǎn)生的電磁推斥力，在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵之間沿軸向進行直線運動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁致動器，其特征在于，上述非磁體的可動部件包括可動環(huán)狀部件，可沿軸向自由進行直線運動地設(shè)置在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵之間，上述線圈設(shè)置于其一端部；以及可動軸，可自由進行直線移動地設(shè)置在上述內(nèi)筒體的內(nèi)側(cè)，且其一端部連接于上述可動環(huán)狀部件，通過該可動環(huán)狀部件沿軸向進行直線運動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁致動器，其特征在于，上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵由超導(dǎo)磁鐵構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁致動器，其特征在于，包括第一、第二端部板，由磁體構(gòu)成，通過堵塞上述內(nèi)筒體和外筒體的兩端部而感應(yīng)圓滑的磁場路徑。
5.一種斷路器，其特征在于，包括空心的內(nèi)筒體，由磁體構(gòu)成；外筒體，由磁體構(gòu)成，與上述內(nèi)筒體呈同心狀且與上述內(nèi)筒體保持一定間隔地設(shè)置在半徑方向的外側(cè)；內(nèi)、外側(cè)永久磁鐵，分別與上述內(nèi)筒體的外表面和上述外筒體的內(nèi)表面相接觸、且相互保持一定間隔地配置；線圈，可沿軸向自由進行直線移動地設(shè)置在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵之間；非磁體的可動部件，上述線圈設(shè)置于其一端部，在向上述線圈供電時，通過由上述內(nèi)、外側(cè)永久磁鐵的磁場和上述線圈的電流密度所產(chǎn)生的電磁推斥力，在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵之間沿軸向進行直線運動；以及絕緣操作桿，連接于上述可動部件的另一端部，通過上述可動部件進行直線運動來進行閉合動作和斷開動作。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的斷路器，其特征在于，上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵由超導(dǎo)磁鐵構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的斷路器，其特征在于，上述非磁體的可動部件包括可動環(huán)狀部件，可沿軸向自由進行直線運動地設(shè)置在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵之間，上述線圈設(shè)置于其一端部；以及可動軸，可自由進行直線移動地設(shè)置在上述內(nèi)筒體的內(nèi)側(cè)，其一端部連接于上述可動環(huán)狀部件，且其另一端部連接于上述絕緣操作桿，通過上述可動環(huán)狀部件沿軸向進行直線運動，使上述絕緣操作桿移動。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的斷路器，其特征在于，包括第一、第二端部板，由磁體構(gòu)成，通過堵塞上述內(nèi)筒體和外筒體的兩端部而感應(yīng)圓滑的磁場路徑。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的斷路器，其特征在于，包括緩沖裝置，設(shè)置在成為上述可動部件在斷開方向的移動末端的部位，吸收沖擊力。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的斷路器，其特征在于，上述緩沖裝置由壓縮螺旋彈簧構(gòu)成。
11.一種電磁致動器，其特征在于，包括由磁體構(gòu)成的殼體，在內(nèi)部形成有環(huán)狀的腔室；環(huán)狀的內(nèi)側(cè)永久磁鐵及外側(cè)永久磁鐵，在半徑方向保持一定間隔且同心狀地設(shè)置在上述殼體的腔室內(nèi)部；以及可動部件，具有環(huán)狀的線圈，可沿軸向自由進行直線移動地設(shè)置在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵之間，在向上述線圈供電時，通過由上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和上述外側(cè)永久磁鐵的磁場與上述線圈的電流密度所產(chǎn)生的電磁推斥力，在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵之間沿軸向進行直線運動。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電磁致動器，其特征在于，上述內(nèi)、外側(cè)永久磁體的兩端部分別設(shè)置有環(huán)狀的第一內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵和第二內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵，上述可動部件是在其線圈的兩端部分別配置環(huán)狀的第一磁體環(huán)和第二磁體環(huán)而與上述線圈形成一體的形式。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電磁致動器，其特征在于，上述第一內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵和第二內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵的極性，與上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵的極性是相反方向。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的電磁致動器，其特征在于，上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵由超導(dǎo)磁鐵構(gòu)成。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電磁致動器，其特征在于，上述線圈與第一、第二磁體環(huán)是被埋入到絕緣體外殼中而形成一體的。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電磁致動器，其特征在于，上述絕緣體外殼由塑料材料構(gòu)成。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電磁致動器，其特征在于，在上述可動部件的兩端部側(cè)設(shè)置有第一、第二緩沖裝置，以便防止上述可動部件的端部在上述可動部件的軸向移動末端沖撞殼體。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電磁致動器，其特征在于，上述第一、第二緩沖裝置由壓縮螺旋彈簧構(gòu)成。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電磁致動器，其特征在于，上述第一、第二緩沖裝置由壓縮螺旋彈簧構(gòu)成，配置在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵之間。
20.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電磁致動器，其特征在于，上述可動部件的一端部連接有多根非磁體桿，在上述多根非磁體桿的端部設(shè)置有用于連接到被動部的支承臺。
21.一種斷路器，其特征在于，包括由磁體構(gòu)成的殼體，在內(nèi)部形成有環(huán)狀的腔室；環(huán)狀的內(nèi)側(cè)永久磁鐵及外側(cè)永久磁鐵，在半徑方向保持一定間隔且同心狀地設(shè)置在上述殼體的腔室內(nèi)部；可動部件，具有環(huán)狀的線圈，可沿軸向自由進行直線移動地設(shè)置在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵之間，在向上述線圈供電時，通過由上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和上述外側(cè)永久磁鐵的磁場與上述線圈的電流密度所產(chǎn)生的電磁推斥力，在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵之間沿軸向進行直線運動；以及絕緣操作桿，連接于上述可動部件，以便通過上述可動部件進行直線運動來進行閉合動作和斷開動作。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的斷路器，其特征在于，在上述內(nèi)、外側(cè)永久磁體的兩端部分別設(shè)置有環(huán)狀的第一內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵和第二內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵，上述可動部件是在其線圈的兩端部分別配置環(huán)狀的第一磁體環(huán)和第二磁體環(huán)而與上述線圈形成一體的形式。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的斷路器，其特征在于，上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵由超導(dǎo)磁鐵構(gòu)成。
24.一種電磁致動器，其特征在于，在由磁體構(gòu)成的一個殼體內(nèi)部設(shè)置有多個電磁操作部，上述多個操作部分別包括環(huán)狀的內(nèi)側(cè)永久磁鐵及外側(cè)永久磁鐵，在半徑方向保持一定間隔且同心狀地設(shè)置；可動部件，具有環(huán)狀的線圈，可沿軸向自由進行直線移動地設(shè)置在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵之間，在向上述線圈供電時，通過由上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和上述外側(cè)永久磁鐵的磁場與上述線圈的電流密度所產(chǎn)生的電磁推斥力，在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵之間沿軸向進行直線運動；多根桿，連接于上述多個可動部件；以及支承臺，連接上述多根桿的端部。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的電磁致動器，其特征在于，在上述內(nèi)、外側(cè)永久磁鐵的兩端部分別設(shè)置有環(huán)狀的第一內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵和第二內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵，上述可動部件是在其線圈的兩端部分別配置環(huán)狀的第一磁體環(huán)和第二磁體環(huán)而與上述線圈形成一體的形式。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的電磁致動器，其特征在于，上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵由超導(dǎo)磁鐵構(gòu)成。
27.一種斷路器，其特征在于，在由磁體構(gòu)成的一個殼體內(nèi)部設(shè)置有多個電磁操作部，上述多個操作部分別包括環(huán)狀的內(nèi)側(cè)永久磁鐵及外側(cè)永久磁鐵，在半徑方向保持一定間隔且同心狀地設(shè)置；可動部件，具有環(huán)狀的線圈，可沿軸向自由進行直線移動地設(shè)置在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵之間，在向上述線圈供電時，通過由上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和上述外側(cè)永久磁鐵的磁場與上述線圈的電流密度所產(chǎn)生的電磁推斥力，在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵之間沿軸向進行直線運動；多根桿，連接于上述多個可動部件；以及支承臺，連接上述多根桿的端部，還包括絕緣操作桿，連接于上述支承臺，以便通過上述多個可動部件進行直線運動來進行閉合動作和斷開動作。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的斷路器，其特征在于，在上述內(nèi)、外側(cè)永久磁體的兩端部分別設(shè)置有環(huán)狀的第一內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵和第二內(nèi)、外側(cè)輔助永久磁鐵，上述可動部件是在其線圈的兩端部分別配置環(huán)狀的第一磁體環(huán)和第二磁體環(huán)而與上述線圈形成一體的形式。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的斷路器，其特征在于，上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵由超導(dǎo)磁鐵構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種致動器，包括空心的內(nèi)筒體，由磁體構(gòu)成；外筒體，由磁體構(gòu)成，與上述內(nèi)筒體呈同心狀且與上述內(nèi)筒體保持一定間隔地設(shè)置在半徑方向的外側(cè)；內(nèi)、外側(cè)永久磁鐵，分別與上述內(nèi)筒體的外表面和上述外筒體的內(nèi)表面相接觸、且相互保持一定間隔地配置；線圈，可沿軸向自由進行直線移動地設(shè)置在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵之間；非磁體的可動部件，上述線圈設(shè)置于其一端部，在向上述線圈供電時，通過由上述內(nèi)、外側(cè)永久磁鐵的磁場和上述線圈的電流密度所產(chǎn)生的電磁推斥力，在上述內(nèi)側(cè)永久磁鐵和外側(cè)永久磁鐵之間沿軸向進行直線運動；并提供一種斷路器，包括絕緣操作桿，該操作桿與上述可動部件的另一端部連接，通過上述可動部件進行直線運動來進行閉合動作和斷開動作。
文檔編號H01H33/28GK1918682SQ200580004760
公開日2007年2月21日 申請日期2005年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月11日
發(fā)明者姜鐘皓, 鄭炫教 申請人:財團法人首爾大學(xué)校產(chǎn)學(xué)協(xié)力財團