專利名稱：節(jié)能快速電磁鐵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出了一種新的電磁鐵技術(shù)。
傳統(tǒng)電磁鐵無(wú)論是直流還是交流都毫無(wú)例外地采用釋放點(diǎn)作為設(shè)計(jì)點(diǎn)，其理由是電磁鐵能工作的起碼條件是必須能觸動(dòng)并克服反力和慣性力使銜鐵達(dá)到吸合位置。這樣的設(shè)計(jì)原則得到的磁墊幾乎毫無(wú)例外地造成陡峭的吸力曲線。為平坦吸力曲線或減小吸合吸力、加大啟動(dòng)吸力，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中直流電磁鐵不得不采取加大吸合點(diǎn)磁阻減小釋放點(diǎn)磁阻的各種措施，例如后端蓋開口、增設(shè)常截面(臺(tái)階結(jié)構(gòu))和變截面(錐形結(jié)構(gòu))磁分路以及設(shè)極帽等;交流電磁鐵雖有自動(dòng)加大啟動(dòng)功率平坦吸力曲線的性能，但有時(shí)也不得不用增加去磁氣隙的辦法來(lái)調(diào)節(jié)陡度(如MQ1-5141去磁隙是5毫米)。這些設(shè)計(jì)措施盡管是充分地利用了啟動(dòng)時(shí)電能與磁能但卻嚴(yán)重地浪費(fèi)吸合時(shí)電能與磁能。吸合時(shí)間總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于啟動(dòng)時(shí)間，其結(jié)果是使傳統(tǒng)電磁鐵浪費(fèi)能源嚴(yán)重。傳統(tǒng)電磁鐵設(shè)計(jì)中“吸合時(shí)吸收功率越小越好”與“可靠觸動(dòng)和快速性”之間存在不可調(diào)和的矛盾。
吸合時(shí)浪費(fèi)的能源是以發(fā)熱方式耗散的，所以這同時(shí)又惡化了電磁鐵工作環(huán)境和增加散熱措施的成本。溫升嚴(yán)重還直接限制了電磁鐵工作頻率的提高。為限制過高溫升，不得不適當(dāng)減小安匝值，這反過來(lái)又制約了快速性。
現(xiàn)行交流電磁鐵功率因數(shù)極低，吸合時(shí)無(wú)功功率高達(dá)97～99%。這一缺點(diǎn)不僅降低了能源利用率而且造成無(wú)功功率損耗。不僅如此，交流電磁鐵電流差不多與氣隙大小成正比的特性還導(dǎo)致當(dāng)銜鐵被機(jī)械箝卡或反力過載時(shí)燒毀線圈。交流電磁鐵的渦流與磁滯損耗(鐵損)以及單相交流電磁鐵分磁環(huán)損耗和脈動(dòng)力最小值(有效值)低于平均值的損耗都是不容忽視的能源浪費(fèi)。
《低壓電器》85年第2期16頁(yè)文章[交流制動(dòng)電磁鐵改為直流運(yùn)行]、申請(qǐng)?zhí)枮?0200692.4的中國(guó)實(shí)用新型專利和公開號(hào)為CN1038543A的發(fā)明專利提出了一種把交流電磁鐵改為直流電磁鐵并以雙電源分別為啟動(dòng)和吸合兩種狀態(tài)供電的節(jié)能途徑。但是它們分別存在如下技術(shù)缺陷1、[交流制動(dòng)電磁鐵改為直流運(yùn)行]一文和CNI038543A專利的技術(shù)方案中啟運(yùn)電源采用半波晶閘管整流和二極管續(xù)流，交流分量比全波整流大得多，仍存在無(wú)功功率損耗，對(duì)電源的利用率低，不利于快速性實(shí)現(xiàn)。續(xù)流二極管有延緩斷流失磁的作用，不利于電磁鐵的快速響應(yīng)。
2、上述文章和90200692.4申請(qǐng)中晶閘管觸發(fā)采用同源并聯(lián)方式，不可能保證晶閘管過零立即導(dǎo)通，又進(jìn)一步加大了整流后的交流分量。為防止反向電壓破壞觸發(fā)電容充電，還必須加二極管，增加了電路復(fù)雜性。
3、上述文章和CN1038543A專利提出阻容降壓方案，阻容本身能耗較大，甚至比電磁鐵吸合時(shí)能耗還大，不利于節(jié)能。無(wú)論阻容降壓還是變壓器降壓都采用了續(xù)流整流法，不利于節(jié)能和快速性。上述文章中啟動(dòng)電源中的R1也影響了節(jié)能。
4、90200692.4申請(qǐng)及CN1038543A專利采用有觸點(diǎn)的繼電機(jī)械開關(guān)控制電源切換缺乏可靠性。一旦開關(guān)失靈或電磁鐵過載或電磁鐵銜鐵被機(jī)械箝卡就會(huì)導(dǎo)致切換失效，使電磁鐵線圈始終處于啟動(dòng)電源供電狀態(tài)，必須導(dǎo)致線圈燒毀。
5、CN1038543A專利還存在下述技術(shù)缺陷① 移相半波整流加大了啟動(dòng)電源的交流分量;
② 觸動(dòng)到吸合全過程啟動(dòng)電源始終以等電流導(dǎo)通，使銜鐵在觸動(dòng)時(shí)電流嫌不足，難以快速;而吸合時(shí)電流又嫌大，必產(chǎn)生沖擊。這不僅是因?yàn)橄嗤艅?shì)(匝數(shù)不變，電流相等)，氣隙越小吸力越大，而是因?yàn)殂曡F在越來(lái)越大的吸力情況下，加速度越來(lái)越大，沖量也就越來(lái)越大。這樣的技術(shù)方案使啟動(dòng)電源的能量主要地不是產(chǎn)生快速觸動(dòng)與啟動(dòng)，而是產(chǎn)生沖量并消耗于吸合瞬間的撞擊上。要避免撞擊就必然要犧牲快速性或甚至不能觸動(dòng)。這樣的技術(shù)特性反而不如交流供電自動(dòng)增加觸動(dòng)功率，氣隙越小電流越小的技術(shù)特性。
③ 移相控制及觸發(fā)電路過于復(fù)雜，降低了性能價(jià)格比。
6、上述文章及專利申請(qǐng)共同存在的問題還有節(jié)能技術(shù)只限于供電方法，而沒有觸及電磁鐵本身的結(jié)構(gòu)。在降低有功功率來(lái)節(jié)能的問題上，電磁鐵銅鐵結(jié)構(gòu)潛力比供電方法要大得多，而降低無(wú)功功率節(jié)能，傳統(tǒng)技術(shù)的電容電感平衡法已能解決。
本發(fā)明的目的是提供一種新的電磁鐵技術(shù)，使上述的一系列問題得到解決，保證電磁鐵節(jié)能、快速并兼。
本發(fā)明提出的電磁鐵技術(shù)是1、將傳統(tǒng)電磁鐵的設(shè)計(jì)點(diǎn)從釋放位置移至吸合位置，最大限度地降低新設(shè)計(jì)點(diǎn)位置的磁路磁阻，努力使在相同吸合點(diǎn)吸合力條件下所需磁勢(shì)值最小，因而在工藝條件允許情況下使去磁隙為零，摒棄傳統(tǒng)的減小吸力曲線陡度的前述的一切措施。對(duì)螺管式或甲殼式電磁鐵而言，在保證導(dǎo)向情況下，盡量加大封閉平底尾端止座的高度;對(duì)拍合式電磁鐵而言，取消增加啟動(dòng)力但減小吸合力的磁極帽(極靴);對(duì)所有結(jié)構(gòu)類型電磁鐵，取消使吸合力減小的各種結(jié)構(gòu)磁分路。
2、本發(fā)明啟動(dòng)和吸合兩電源均采用全橋整流，經(jīng)電磁鐵電感濾波可獲得理想的直流供電。目前整流橋集成塊價(jià)格低廉(1只集成器件價(jià)格與一只同樣功率的整流二極管價(jià)格相當(dāng))體積小，總成本不會(huì)高于半波整流續(xù)流系統(tǒng)。因無(wú)續(xù)流二極管，可使電磁鐵斷電響應(yīng)速度提高，克服控制滯后現(xiàn)象。
3、選用雙向晶閘管作為啟動(dòng)電源開關(guān)。雙向晶閘管與單向晶閘管比較有下述優(yōu)點(diǎn)①承受過電壓的能力比單向管高，可以不用電壓保護(hù)裝置，降低成本。
②正負(fù)脈沖均可觸發(fā)，觸發(fā)電路選擇余地大。
③相同規(guī)格、功率、電流的器件價(jià)格與單向管相同。
④不存在不過零不能可靠截止問題。
4、觸發(fā)有效期間使晶閘管有360°導(dǎo)通角，也即不用移相觸發(fā)。它使觸動(dòng)和啟動(dòng)初期有最大可能的磁勢(shì)(電流最大)，因而使電磁鐵啟動(dòng)響應(yīng)迅速并在瞬間使銜鐵獲得極大的加速度，這是單向晶閘管半波整流加續(xù)流供電方案不能比擬的，而小于180°導(dǎo)通角的移相觸發(fā)技術(shù)方案(CN1038543A)更是無(wú)法比擬。
5、本發(fā)明特別強(qiáng)調(diào)啟動(dòng)電源供電時(shí)間從合閘開始，先于吸合結(jié)束。這就是說，雙向晶閘管導(dǎo)通時(shí)間比電磁鐵啟動(dòng)時(shí)間短(啟動(dòng)時(shí)間是從觸動(dòng)到吸合的一段時(shí)間)并始于控制合閘。其優(yōu)點(diǎn)是
①與前述文章和兩個(gè)專利申請(qǐng)中合閘不能立即供電相比，電磁鐵觸動(dòng)早，響應(yīng)快，利于快速。
②在啟動(dòng)電源停止供電到電磁鐵吸合之間只有小功率的吸合電源供電，銜鐵運(yùn)動(dòng)主要依靠的是慣性，只要晶閘管導(dǎo)通時(shí)間選擇得當(dāng)，既可避免吸合沖擊，又可獲得理想的快速性。這樣的技術(shù)顯然優(yōu)于CN1038543A專利觸動(dòng)到吸合始終導(dǎo)通晶閘管的技術(shù)方案。
③晶閘管及整流橋工作時(shí)間短，允許這兩個(gè)器件大倍數(shù)電流過載，例如0.02秒允許過載4倍，這就使供電電路中成本最高的兩個(gè)器件參數(shù)大為下降，從而大幅度降低成本和體積，提高了性能價(jià)格比。
6、為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)方案，可使用可調(diào)寬脈沖去觸發(fā)晶閘管，而這兩個(gè)脈沖寬度就是晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間。這個(gè)脈沖可以由任何一種方法產(chǎn)生，尤其是利用微分電路產(chǎn)生為最簡(jiǎn)潔。
7、現(xiàn)對(duì)上述供電技術(shù)的最佳實(shí)施方案加以說明如本說明書后的附圖
所示，當(dāng)控制電磁鐵工作的開關(guān)1合閘后，單相交流電壓(220/380伏)通過接線端2和3引進(jìn)電路。變壓器4將單相電壓變?yōu)樯鲜鑫蠒r(shí)低電壓，這一低壓被整流橋5和6分別整為直流電壓。整流橋6輸出的合閘直流階躍電壓經(jīng)由電容8、電阻9及雙向晶閘管10的觸發(fā)極電阻構(gòu)成的微分電路，產(chǎn)生觸發(fā)尖脈沖。尖脈沖又經(jīng)穩(wěn)壓管11削峰以保護(hù)觸發(fā)極。二極管12則是防止開閘斷電時(shí)，負(fù)尖脈沖損壞觸發(fā)極。穩(wěn)壓管亦可用箝位二極管代替，當(dāng)6輸出電壓小于等于最大觸發(fā)電壓時(shí)，可省去11和12。
電容8電阻9用于調(diào)整RC時(shí)間常數(shù)以便調(diào)整晶閘管10導(dǎo)通時(shí)間(亦即啟動(dòng)供電時(shí)間)。整流橋7是單相交流源直流整流的，極大的啟動(dòng)安匝值產(chǎn)生的啟動(dòng)力生成極大的銜鐵加速度，輔以精密可調(diào)的通電時(shí)間，幾乎可以滿足工程上需求的任意快速性指標(biāo)。另外13是放電電阻，14是電磁鐵線圈。因本方案微分電路的輸入是合閘階躍電壓，所以可使晶閘管10合閘即導(dǎo)通。
本發(fā)明實(shí)施后可使現(xiàn)有各種型號(hào)和用途的電磁鐵更新?lián)Q代，并可將現(xiàn)行交流電磁鐵改造成節(jié)能快速電磁鐵。
實(shí)施例1MQ1-5131牽引電磁鐵(使用的額定功率是130瓦)，按本發(fā)明技術(shù)將其改造為節(jié)能快速電磁鐵并保持吸力與行程不變。按上述方案實(shí)施，交流電源選為220伏，變壓器付邊選為1.5伏，省去穩(wěn)壓管11和二極管12，晶閘管通電時(shí)間選為0.04秒。因線圈電阻是22歐，故啟動(dòng)電源電流是10安，又因0.04秒使雙向晶閘管10及橋7的電流允許超載分別為3倍和5倍，故10和7的額定電流可分別選為3.5安和2安。修銼銜鐵和鐵芯使去磁隙為零，不改變線圈。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，獲得8公斤吸合力需電流0.06安。考慮到安全系數(shù)，2.5伏電源電壓產(chǎn)生0.068安電流可得最大吸力9公斤(線圈壓降1.5伏)。由此可算得變壓器功率0.17瓦，選0.3瓦變壓器。這樣，供電系統(tǒng)總成本不足12元。
這里應(yīng)指出的是，微分電路產(chǎn)生的是尖脈沖，當(dāng)脈沖高度降到0.4伏以下時(shí)不能觸發(fā)晶閘管，故在計(jì)算RC時(shí)間常數(shù)的基礎(chǔ)上應(yīng)適當(dāng)使用可變電阻9將時(shí)間常數(shù)調(diào)大，以保證所需的啟動(dòng)電源供電時(shí)間。本實(shí)施例實(shí)施結(jié)果節(jié)能視在功率計(jì)為764倍，有功功率計(jì)為14倍(原吸合時(shí)電流0.342安)，快速性提高至少一倍，頻率提高15倍(原頻率200次/小時(shí))實(shí)施例2用本發(fā)明方法設(shè)計(jì)節(jié)能快速電磁鐵，吸力8公斤，行程25毫米。
采用甲殼式結(jié)構(gòu)，與MQ1-5131相比，耗鐵耗銅量減半。銜鐵直徑26毫米，止座高度14毫米，線圈內(nèi)外徑分別為28和46毫米、高度49毫米。外殼直徑及高度都是60毫米，黃銅導(dǎo)套。電路與實(shí)施例1完全相同，但線圈匝數(shù)比MQ1-5131多一倍，導(dǎo)線直徑減小使吸合電流下降為0.035安，最大吸合力不大于9.5公斤最小力為8公斤。實(shí)施結(jié)果與MQ1-5131相比節(jié)能視在功率計(jì)為1470倍，有功功率計(jì)為28倍，快速性能提高2倍，頻率提高20倍。因鐵銅用量減半且不用硅鋼片而用整體電工鋼(DT3E)，總成本可降低40%。
如果各力級(jí)交流電磁鐵平均使用功率是110瓦，我國(guó)總共有各種電磁鐵(包括接觸器、繼電器及其他類開關(guān)中的電磁鐵)約4億而只按1億計(jì)算，從視在功率看，本發(fā)明實(shí)施將相當(dāng)于我國(guó)電力系統(tǒng)多發(fā)出1千多萬(wàn)千瓦電，相當(dāng)于3.7個(gè)葛州壩水電工程的發(fā)電量?，F(xiàn)行交流電磁鐵若每年平均燒毀2次線圈(據(jù)調(diào)查比這個(gè)估計(jì)還嚴(yán)重)，每次損失平均30元，本發(fā)明實(shí)施每年將為我國(guó)減少60個(gè)億人民幣的損失。
權(quán)利要求
1.一種節(jié)能快速電磁鐵，它包括鐵芯、線圈、供電系統(tǒng)三部分，其特征在于吸合時(shí)摒棄傳統(tǒng)電磁鐵結(jié)構(gòu)中有可能增加磁阻，使吸力曲線變平緩的一切措施，使相同吸合吸力條件下，所需磁勢(shì)最小，借以節(jié)能；啟動(dòng)時(shí)采用雙向晶閘管為開關(guān)且時(shí)間可控的短時(shí)直流源供電，借以保證快速性指標(biāo)。
2.按權(quán)利要求1所述的電磁鐵技術(shù)，其特征在于使用可調(diào)寬脈沖觸發(fā)雙向晶閘管，脈寬即為晶閘管導(dǎo)通時(shí)間，這個(gè)脈沖可使用任何一種方法產(chǎn)生，尤其是利用微分電路產(chǎn)生。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述電磁鐵，其特征是取消鐵芯與銜鐵之間的去磁隙(或去磁隙為零)，對(duì)螺管式(或甲殼式)電磁鐵而言采用封閉的平底高止座尾端結(jié)構(gòu)，對(duì)拍合式電磁鐵而言取消極帽，對(duì)所有結(jié)構(gòu)類型電磁鐵取消使吸合吸力減小的各種結(jié)構(gòu)磁分路。
4.按權(quán)利1和2所述技術(shù)，其特征還有取消續(xù)流二極管，借以避免由此增加的斷電后不能立即斷磁的控制滯后現(xiàn)象。
5.按權(quán)利2所述技術(shù)，其特征還在于所述雙向晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間應(yīng)短于啟動(dòng)時(shí)間并從合閘送電開始，雙向晶閘管關(guān)閉后銜鐵依靠慣性和吸合電源產(chǎn)生的磁力運(yùn)行，以避免啟動(dòng)快速性可能導(dǎo)致的沖擊，而所述晶閘管又是360°導(dǎo)通角(非移相導(dǎo)通)以產(chǎn)生最大可能的電流去實(shí)現(xiàn)快速性。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種新的節(jié)能快速電磁鐵，其技術(shù)方法是將節(jié)能與快速兩大問題分開處理吸合時(shí)徹底消除氣隙，克服傳統(tǒng)電磁鐵因去磁氣隙而造成的巨大磁壓降，并輔以減小吸合時(shí)磁路磁阻的其它措施，用直流低電壓供電；啟動(dòng)時(shí)則采用可調(diào)供電時(shí)間的瞬時(shí)直流大電流激勵(lì)，以滿足快速指標(biāo)的要求，并用微分電路產(chǎn)生的階躍電壓微分尖脈沖觸發(fā)雙向可控硅來(lái)實(shí)現(xiàn)雙電源的自動(dòng)切換。
文檔編號(hào)H01F7/08GK1050283SQ9010831
公開日1991年3月27日 申請(qǐng)日期1990年10月22日 優(yōu)先權(quán)日1990年10月22日
發(fā)明者蔡禮君, 王學(xué)明, 鄧警玲 申請(qǐng)人:中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì), 蔡禮君