永磁机构接触器合闸失压保护和分闸提高刚分速度的方法

                    具体实施方式

依照本发明的技术方案，首先将原有的交流接触器的电磁操动机构替换为永磁操动机构接触器，实现的结构如下：

1)永磁机构接触器包括：

(1)U型静铁芯一块，U型静铁芯两端设置有串联线圈一个；

(2)永久磁铁两块，分别位于U型静铁芯端面，其N、S磁极反向，永久磁铁通过低导磁性夹板同动塑壳固定；

(3)为增加电磁力，可在两永久磁铁上部固定高导磁铁块做为动铁芯；

(4)塑壳上部中央的空腔内设置有触头弹簧；塑壳的顶端周围设置有三组双断点、直动式桥式触头，每组桥式触头有动触头和静触头各两个；

2)该永磁机构接触器的合闸后失压保护方法

在闭合位置由永久磁铁提供的磁吸力小于弹簧反力，因此失压时接触器会自动分断，从而无需为接触器提供专门的失压保护装置；

正常工作时，接触器闭合后给线圈通一较小的维持电流，永久磁铁和线圈合成磁势产生的磁吸力大于弹簧反力，接触器保持在闭合位置；

3)该永磁机构接触器分闸提高刚分速度的方法

分闸时改变线圈电流方向，在动、静铁芯间产生电磁斥力，由电磁斥力和弹簧反力共同完成分闸，从而使接触器触头在超行程结束时获得高的刚分速度；

5.1技术方案总体思路

提高接触器的工作可靠性和电寿命一直是接触器研究的重要目标。到目前为止，不论是传统电磁式接触器还是目前现有的永磁式接触器，都没有圆满的解决这一命题。本发明的思想，是通过提出用于永磁机构接触器的一种合闸后失压保护和分闸提高刚分速度的方法，以提升永磁接触器的工作可靠性和电寿命，节约电能消耗，简化永磁接触器的结构，提高接触器品质。本发明使永磁机构接触器融合了电磁操动机构和永磁操动机构的优点，除具有节能、降噪、受电网电压影响小等优点外，还具有下述独特优点：①无专门失压保护装置，具有失压保护功能；②提供大的分闸力，使接触器触头获得高的刚分速度，干预分闸过程中触头的电弧侵蚀过程，降低触头材料损耗。

1)新型永磁操动机构接触器

合闸后不需专门的失压保护装置而具备失压保护功能，以及分闸时具有高的刚分速度，具有上述特征的永磁机构接触器具体结构形式不是唯一的，本发明采用的是U型螺线管和双永久磁铁结构形式，串联螺线管线圈分布于永久磁铁两端部，两永久磁铁位于U型螺线管两端面相对的位置，永久磁铁磁极和螺线管磁极在合闸过程和合闸位置相异而产生电磁吸力，在合闸位置永久磁铁吸力小于弹簧反力，线圈通维持电流保持接触器合闸状态；永久磁铁磁极和螺线管磁极在分闸过程相同而产生电磁斥力，由电磁斥力和弹簧反力共同分闸。采用双永久磁铁和U型螺线管结构形式，使可利用的磁极数为2，最大程度的利用了电磁力。为了进一步增大电磁力，改进后的永磁机构接触器两永久磁铁上端部由动铁芯(材料为电工纯铁)相连，减小工作磁路的磁阻，大大增加了电磁力。

2)用于永磁机构接触器的一种合闸后失压保护和分闸提高刚分速度的方法

(1)永磁机构接触器合闸后不需专门失压保护装置而具有失压保护功能

现有的永磁机构接触器需要专门的失压保护装置。目前现有的永磁机构接触器的主要机构特征之一，就是在闭合位置处，由永久磁铁产生的磁力大于此处的弹簧反力，因此在闭合位置处线圈不需通电流，接触器就可以保持在合闸状态。由此带来的一个问题是，接触器必须附带专门的失压保护装置，以便在停电时接触器可以及时分闸；但是现有的专门失压保护装置存在下述的缺陷：①专门的失压保护装置一般由电容进行储能，在断电时电容通过线圈反向放电使接触器分闸，但这样的电子装置其寿命和可靠性不能达到较理想的期望值；②当接触器长时间断电，由于人为等因素使接触器处于合闸状态后，因为专门的失压保护装置没有储能，所以不可能断开接触器，接触器这种状态是不被接受的；③专门的失压保护装置需占用一定的空间，耗费一定的成本，也是令人不满意的原因之一。

传统的电磁式接触器没有专门的失压保护装置，这是由它的结构特点决定的。电磁式接触器线圈电流产生的电磁吸力使接触器保持在合闸位置，失压后接触器只受到弹簧反力的作用，接触器自然回复到分闸位置。综合电磁式接触器和现有永磁机构接触器的操动机构特点，本发明提出如下思想方法：如果在合闸位置，由永久磁铁产生的磁吸力小于弹簧反力，失压后接触器自然分断而具有失压保护功能。正常工作时，在合闸位置给接触器线圈通有一定的电流，由永久磁铁和线圈电流合成磁势产生的电磁吸力大于弹簧反力，接触器保持在合闸位置。则此类型永磁机构接触器无需专门失压保护装置而有失压保护功能，即同时兼有电磁式接触器和现有永磁机构接触器的相关优点。

(2)永磁机构接触器采用电磁斥力分闸，提高刚分速度

在分闸期间，给线圈通以反向电流，使螺线管铁芯和永久磁铁间产生电磁斥力，由电磁斥力和弹簧反力共同分闸，通过提供大的分闸力，使接触器触头获得高的刚分速度，干预分闸过程中触头的电弧侵蚀过程，降低触头材料损耗。

对于工作在AC-3条件下的接触器，不需要过多考虑接触器分闸特性。但对于工作在AC-4条件下的接触器，接触器的分闸特性则是评价其性能的指标之一。目前实现接触器分闸采用的方法主要有两种。对于电磁式接触器和一部分单稳态永磁机构接触器，其分闸主要靠弹簧反力来实现，无法实时调节，可控能力差；对于现有的一部分双稳态永磁接触器，分闸主要靠触头弹簧力和电磁吸力来完成，而由于工作气隙的特点，电磁吸力在分闸初期小、分闸末期大，这样的电磁吸力特性存在以下两点不足：①在分闸初期，尤其在超行程范围内，希望电磁吸力较大，以便使触头获得高的刚分速度，但是电磁吸力的特性决定了分闸初期的电磁力较小，因此操动机构的调控能力不强；②在分闸末期，希望电磁吸力较小，以便降低操动机构的撞击，但是由于双稳态永磁操动机构此时工作气隙较小，电磁吸力反而很大，出现这种不利情况的根本原因在于双稳态永磁操动机构的先天性结构缺陷。

综合以上考虑，本发明创造性的提出了利用电磁斥力特别是触头超行程阶段的电磁斥力分闸，以提高接触器触头的刚分速度的新方法。由螺线管和永久磁铁的相互作用可知，向螺线管线圈通电，螺线管出现和永久磁铁同性磁极而产生电磁斥力，由电磁斥力的特点可知，由于分闸初期工作气隙很小，该电磁斥力在分闸初期较大，通过改变线圈电流的大小灵活改变分闸力的特性，因而使接触器获得较强的调控能力；相反，在分闸末期工作气隙达到最大，电磁力降到最低，机械撞击也将达到最小。

由开关电弧理论可知，影响触头材料电损耗的一个重要因素是触头的的刚分速度，触头刚分速度越大，则金属蒸气电弧的弧根停滞时间越短，触头材料电损耗越小。目前大部分接触器的触头刚分速度仍远小于1m/s，触头刚分速度还有很大的提高空间。本发明创造性地采用电磁斥力和弹簧反力共同分闸，大大提高接触器初期分闸力，因此可以大大提高接触器触头的刚分速度，从而可干预分闸过程中触头的电弧侵蚀，降低触头材料损耗，提高接触器电寿命。

3)节能和降噪声特性

由于本发明在合闸后，给线圈通以较小的电流(小于合闸电流的1/5)，由永久磁铁和线圈合成磁势产生的磁吸力就能克服反力，使接触器保持在合闸位置，其节能效果显而易见。由于线圈中流过较小的直流电流，其降躁效果也是显而易见的。

5.2工作原理

1)新型永磁操动机构接触器的实现

采用本发明提供的新型永磁机构接触器，可以实现合闸后无需专门的失压保护装置，但具有失压保护功能，并且分闸时可以实现高的刚分速度。

图1是新型永磁机构接触器结构简图。图1中，1为永久磁铁，2为U型静铁芯，3为串连线圈，4为反力弹簧，5为塑壳，6为触头弹簧，7静触头，8为动触头。串联线圈3固定在U型静铁芯2两端部，供给直流电压。永久磁铁1两块，分别位于U型静铁芯2端面相对的位置，其N、S磁极反向。永久磁铁1通过低导磁率固定夹片(铝、铜片等)同塑壳5固定在一起，并随塑壳5一起运动。触头弹簧6固定在塑壳5上部中央的空腔内。接触器触头部分包括三组双断点、直动式桥式触头，每组触头包括动触头8和静触头7各两个。

在分闸位置，永久磁铁1和U型静铁芯2间的工作气隙最大，串连线圈3中无电流流过，永久磁铁1和U型静铁芯2间的电磁吸力小于弹簧反力，接触器保持在分闸位置；当合闸信号到来时，串连线圈3中通正向电流，由U型静铁芯2和串联线圈3构成的螺线管磁极与永久磁铁1磁极相异，在永久磁铁1和U型静铁芯2间产生的电磁吸力大于弹簧反力，接触器开始合闸直至合闸到位；当接触器到达合闸位置后，此处由永久磁铁1产生的电磁吸力小于弹簧反力，但两者相差不多，考虑到此时工作气隙已减少到最小，减少串连线圈3中的电流到特定值(小于合闸过程中线圈电流的1/5)，由串连线圈3电流和永久磁铁1合成磁势产生的电磁吸力大于弹簧反力，接触器稳定在合闸位置；当分闸信号到来时，给串连线圈3中通反向电流，由U型静铁芯2和串联线圈3构成的螺线管磁极与永久磁铁1磁极相同，在永久磁铁1和U型静铁芯2间产生电磁斥力，在电磁斥力和弹簧反力的共同驱动下，接触器完成分闸过程。

从上述本发明永磁机构接触器的工作过程可知，该永磁机构接触器区别于其他永磁机构接触器的最大特点在于：①在保持位置，仅由永久磁铁1产生的电磁吸力小于弹簧反力，必须向串连线圈3通特定的电流，才能使接触器保持在分闸位置。由此，本发明新型永磁机构接触器无专门失压保护装置，而具有失压保护功能。②分闸时，由电磁斥力和弹簧反力共同分闸，在超行程内，分闸力较大，可使接触器触头获得高的刚分速度，降低触头材料损耗。

上述本发明永磁机构接触器的不足之处，在于操动机构产生的电磁力较小，不能同大容量接触器的弹簧反力特性相匹配。为解决此问题，改进的永磁机构接触器结构简图如图2所示。

图2中，9为动铁芯，1为永久磁铁，2为U型静铁芯，3为串连线圈，4为反力弹簧，5为塑壳，6为触头弹簧，7为静触头，8为动触头。图2所示改进的永磁机构接触器同图1所示永磁机构接触器的结构差异在于，两块永久磁铁1上端由动铁芯9(材料为电工纯铁，形状为薄片状)相连，永久磁铁1和动铁芯9通过低导磁率固定夹片(如铜片)同塑壳5固定在一起，并随塑壳5一起运动。增加动铁芯9的目的在于减小由串连线圈3、永久磁铁1、动铁芯9、U型静铁芯2构成的工作磁路的磁阻，增加电磁力。

图1所示永磁机构接触器的合闸电磁吸力和弹簧反力特性如图3所示；

图2所示改进的永磁机构接触器合闸电磁吸力和弹簧反力特性如图4所示。

比较图3和图4可知，改进后，永磁机构接触器的电磁吸力大大增加了，可以同大容量接触器的弹簧反力特性相匹配。

图2所示改进的永磁机构接触器同图1所示永磁机构接触器的工作方式和工作特点类似，同样无专门失压保护装置，具有失压保护功能。

2)用于永磁机构接触器的一种合闸后失压保护和分闸提高刚分速度的方法的实现

(1)永磁机构接触器合闸后不需专门失压保护装置而具有失压保护功能的实现

用于永磁机构接触器的无专门失压保护装置而具有失压保护功能的实现，关键在于永磁机构接触器在合闸位置由永久磁铁提供的电磁吸力小于弹簧反力。

结合图1所示的永磁机构接触器，对本发明提出的用于永磁机构接触器的一种失压保护方法进行如下的详细说明。图1是实现本发明的新型永磁机构接触器结构简图。图1中，1为永久磁铁，2为U型静铁芯，3为串连线圈，4为反力弹簧，5为塑壳，6为触头弹簧，7静触头，8为动触头。串联线圈3固定在U型静铁芯2两端部，由直流电压供电。永久磁铁1两块，分别位于U型静铁芯2端面相对的位置，其N、S磁极反向。永久磁铁1同塑壳5固定在一起，并随塑壳5一起运动。当图1所示接触器到达合闸位置后，此处由永久磁铁1产生的电磁吸力小于弹簧反力，但两者相差不多，考虑到此时工作气隙已减少到最小，减少直流线圈3中的电流到特定值(小于合闸过程中线圈电流的1/5)，由串连线圈3电流和永久磁铁1合成磁势产生的电磁吸力大于弹簧反力，接触器稳定在合闸位置；从上述永磁机构接触器的工作原理可知，当接触器失压后，串连线圈3中无电流，弹簧反力大于永久磁铁1的吸力，接触器自然完成分闸过程，从而具有失压保护功能。

因此，本发明提出的用于永磁机构接触器的无需专门失压保护装置、具有失压保护功能的方法获得了实现。

(2)永磁机构接触器分闸提高刚分速度的实现

本发明提出的减少触头材料损耗，提高刚分速度的方法，关键在于采用电磁斥力和弹簧反力共同分闸，在超行程内产生较大的分闸力。

结合图1和图5，对本发明提出的用于永磁机构接触器的分闸提高刚分速度方法进行如下的详细说明。图1是本发明提出的新型永磁机构接触器结构简图，图5是图1所示永磁机构接触器分断过程的电磁斥力特性和弹簧反力特性图。图1中，1为永久磁铁，2为U型静铁芯，3为串连线圈，4为反力弹簧，5为塑壳，6为触头弹簧，7静触头，8为动触头。结合图1和图5可知，在合闸位置，给串连线圈3通较小电流(低于合闸过程中线圈电流的1/5)，串连线圈3电流和永久磁铁1合成磁势产生的电磁吸力大于弹簧反力，接触器保持在合闸位置。当分闸信号来时，由接触器控制电路改变串连线圈3的直流电压极性和大小，进而改变串连线圈3的电流方向和大小，当串连线圈3反向电流超过特定值(如大于合闸电流的1.2倍)时，由串连线圈3和静铁芯2构成的螺线管的磁极和永久磁铁1磁极相反，永久磁铁1和静铁芯2间相互排斥力特性如图5所示，该电磁斥力在接触器分闸初期较大，而且通过改变串连线圈3中的电流大小可以灵活调节电磁斥力的大小。接触器在电磁斥力和弹簧反力的共同驱动下分闸，在超行程范围内，接触器动触头8获得较高的运动速度。因此，动触头8的刚分速度也较大，大的动触头刚分速度将大大降低金属蒸气电弧弧根停滞时间，降低触头材料损耗，提高接触器电寿命。

5.3实施例

发明人在交流接触器CDC17-265基础上，将原来的电磁操动机构替换为本发明所示的改进的永磁操动机构，同时保留原交流接触器CDC17-265的触头、灭弧结构和外壳不变，发明了不需专门失压保护装置的永磁机构接触器。该永磁机构接触器如图2所示，包括：9为动铁芯，1为永久磁铁，2为U型静铁芯，3为串连线圈，4为反力弹簧，5为塑壳，6为触头弹簧，7为静触头，8为动触头。实验表明，本发明不需专门失压保护装置的永磁机构接触器运行时，节电在60％以上，而且失压保护释放可靠性达到100％，触头刚分速度达到原接触器触头刚分速度的2倍以上，极大的提高了接触器的电寿命和工作可靠性。