带杠杆的电磁机构及采用该电磁机构驱动的机电产品

具体实施方式：

图1-13示出了本发明的电磁机构和相关应用。电磁机构包括直动式电磁铁和传动机构。所述的直动式电磁铁主要由静铁心、动铁心和电气控制部分构成，电磁铁采用低碳钢或电工钢或硅钢制造，其特征在于：所述的直动式电磁铁为短行程电磁铁；传动机构由杠杆比小于1的杠杆机构和由动铁心驱动的、位于动铁心和杠杆机构之间的过渡连接部件构成；过渡连接部件的一端与杠杆机构连接，所述的过渡连接部件用于化解动铁心的直线运动与杠杆机构弧线运动之间所发生的干涉。由过渡连接部件将动铁心的短行程位移通过杠杆机构拖动负载作长行程运动。

所述的杠杆机构由一级或一级以上的杠杆连接构成，杠杆可以是直臂杠杆也可以是弯臂杠杆；所述的杠杆机构也可以由滑轮系统或齿轮机构或液压机构构成。

所述的过渡连接部件可以是滚轮，也可以是过度活接板。

根据所述的弯臂杠杆安装朝向的不同以及弯臂杠杆夹角的不同，可以产生推力型或拉力型电磁机构，以及出力方向不同的电磁机构。

实施例1：

图1示出了本发明的一种电磁机构。图2示出了本发明使用图1电磁机构，应用于直动式开关电器，以一种大容量直动式接触器为代表例的结构示意图，接触器的上限容量可达2KA。图2中的电磁机构通过销轴、螺栓等紧固件直接安装在薄板制造的全封闭箱体内，电磁机构的安装无需缓冲件。

如图1到图4所示，动铁心12上装有顶杆13。动铁心12以滑动配合的方式套在圆筒形的静铁心11内。电磁铁线圈的引出线穿过塑料环14引出。静铁心11的底部有门形的销轴支座15，和门形的脚座16，脚座16上有安装孔。所述的杠杆为位于电磁铁两侧的改变出力方向的弯臂杠杆21；所述过度连接部件为被顶杆13直接作用的滚轮24。弯臂杠杆21的短臂端装有一根滚轮轴23，滚轮轴23上装有一个滚轮24，销轴22穿过一对弯臂杠杆21和销轴支座15，弯臂杠杆21可以绕销轴22转动，构成一级杠杆传动机构；顶杆13的输出端作用在滚轮24上；弯臂杠杆21的长臂端通过连接轴25连接连接片26。连接片26的另一端装有力输出销轴27。

图1中，电磁铁固定在电磁铁的安装基座20上。

在图2、图3示出的直动式接触器中，电磁铁是这样安装的：装有电磁铁的箱体装在绝缘底盘2的背面一侧；静铁心11的底部有门形的销轴支座15，和有安装孔的门形的脚座16；销轴22穿销轴支座15，销轴22两端攻有螺牙，销轴22和电磁铁的脚座16用螺母固定在低碳钢薄板或其他材质的薄板做成的箱壁18上；当然，电磁铁也可以改而直接安装在底板17上。箱壁18可以不开通风口，箱壁18和箱体的底板17构成一个防尘封闭体。绝缘底盘2的正面一侧安装静触头3；滑动安装架5的左侧部分与电磁机构的力输出销轴27连接，滑动安装架5的可滑动部分穿过绝缘底盘2进入静触头3及动触头4所在的空间；滑动安装架5的右侧装有作水平运动的动触头4，电磁铁动铁心11的中心轴线平行于绝缘地盘，动铁心11的运动方向平行于绝缘底盘2的平面，即动铁心11的运动方向与动触头4的运动方向相互垂直或接近相互垂直。这种垂直或相互垂直的关系是通过起改变出力方向作用的弯臂杠杆21实现的。

图1、图2和图3中的机构是这样动作的：通电吸合的电磁铁动铁心12通过推力顶杆13推动滚轮24，使得弯臂杠杆21绕销轴22做逆时针转动，从而使连接片26拉动接触器的动触头系统平动。电磁铁吸合到位后，弯臂杠杆21转动到吸合位置(见图2，吸合位置的弯臂杠杆28)，接触器完成合闸操作。

图2中的设计是以CJ40-1000(和CJ20-630)交流接触器为原型机而加以更新换代的改造，设计稳态吸力为2600Nf的小型化高性能电磁铁[现有技术]，杠杆比为0.33，主触头开距加倍，接触器的额定电流容量为1000安培。为了便于解读，图2有所变异——图2中的电磁机构和箱体，以箱体的底板17为基准面旋转了90度。以CJ20系列或CJ40系列为被改造原型机的实施例中，电磁机构应反转90度。反转后的实体，如图3立体剖释图所示。

结合图1与图2，图3表达了接触器的主要结构，图3中还画出了辅助触点盒的一个安装孔8和接触器的一个安装孔9。图3中省略了辅助触点盒及分闸弹簧。

以实施例1的直动式接触器为范例，在开关电器中，可通过改变出力方向的弯臂杠杆21，使电磁铁动铁心的运动方向和开关主触头的运动方向相互垂直或接近垂直，有利于开关性能的提高。

图2、图3中的接触器，电磁机构输出的等效出力，约为CJ40-1000总触头压力的1.5倍，但仍小于CJ20-630交流电磁铁的动态等效吸力[拖得动负载的力]，加上电控方式，不但可以快速、平稳地执行合闸操作，而且可实现了吸力反力的优化配合，圆筒形静铁心的尺寸为Φ110X85；操作频率可达(900到1800)次/小时，静态电耗小于3瓦，环境温度为55℃时，电磁机构也能频繁工作。该结构有利于提高灭弧性能和电寿命；主触头压力加足后，可彻底消除原触头温升太高的先天不足；封闭式的电磁机构，利于扩大适用范围。对电磁机构的装配，采用紧固件直接固定也能明显减轻合闸震动。此外，由于电磁系统的重量减少到原来的30％到38％，整台接触器的重心移向安装静触头系统的绝缘底盘2，所以接触器安装面可以改到绝缘底盘2的底部，图3示出了接触器的一个安装孔9。

使用该方案，可造出各种容量1到6极的高性能直动式接触器、可推出2KA的高性能产品。该技术也以用于各种容量直流接触器的更新换代。

作为动力，图1中的电磁机构还可他用，使用中可删除连接片26和销轴27。

实施例2：

如图4所示，将图1、图2中的电磁铁连同弯臂杠杆21一起翻转180°，成为图4的布局，就变化成一种推力型电磁机构了。

同样，本发明的电磁机构用作牵引电磁铁时，易于通过变通传动机构的形状、结构而改变出力方向，将在实施例8、9中进一步描述。

实施例3：

如图5所示，作为传动方式的等效替代，可以将实施例1中的滚轮24，改成本实施例的一端连接动铁心的过渡活接板19来驱使弯臂杠杆21转动：将电磁铁的出力改由动铁心12直接拉动。如图5所示，动铁心12下端的端部连接过渡活接板19的一端[图中的上端]，在过渡活接板19的另一端连接弯臂杠杆21的短臂端，其它结构与实施例1相同。

将图5中弯臂杠杆21的销轴22通过紧固件安装在箱体上；本实施例通过动铁心端部的过渡活接板19使弯臂杠杆21也可以绕销轴22转动；并且用牵引片29取代图1到图3中的连接片26，拉动接触器动触头系统的滑动安装架5，如此操作接触器。在图1到图5中，电磁铁动作时，顶杆作往复运动、运动轨迹是直线，而弯臂杠杆21上滚轮24中心轴线的运动轨迹是弧线，正是通过滚轮24的转动化解了直线轨迹和弧线轨迹之间的位移干涉；同理，在图5中，则通过过渡活接板19两根轴化解相应的位移干涉。图1或图5的方式都可以用于新型空气开关的设计制造，其他实施例中，也可以采用所述的等效替代。

本发明的电磁机构可取代多种阀用电磁铁，或多种电磁阀的更新换代。

本发明的电磁机构的控制电源皆可交直流两用。

为了有效提高过电压和电磁兼容的性能，本发明可以采用新的控制电路构成本发明的电控部分。

实施例4：

图6为采用液压传动机构的电磁机构的结构示意图。电磁铁动铁心的顶杆13与大液压缸31内的大活塞32相连，大液压缸31与小液压缸34相连通，小液压缸34内的小活塞35与输出动力的小活塞推杆36连接。电磁铁通过顶杆13推动大活塞32，大活塞32通过液压介质33推动小活塞35，最后由小活塞推杆36输出力和行程。大小活塞的面积比是n，，杠杆比是1/n小活塞推杆36的输出行程就是电磁铁行程的n倍。液压传动的优点在于结构紧凑，隐患在于一旦漏油就不能正常工作。

实施例5：

图7是本发明电气控制部分的一种电路原理图，它采用两组三管整流的控制电路，每只线圈都配有三只整流管，简称三管电路。如图7所示，围绕第一只线圈W1的接线，交流控制电源Uac的进线端001和002之间先后串联常闭的位移切换开关QK[Qk后的节点编号003]、正半波整流管D1[D1后的节点编号005]、电磁铁线圈W1[W1后的节点编号006]、起快速释放作用的继电器触点Jr1[Jr1后的节点编号004]和整流管D2。电源线001和002之间还接有起快速释放作用的继电器Jr，Jr1和Jr2是其常开触点。继电器Jr和电磁铁的控制电源同步通断。切换开关QK两端并联连着起降压限流作用的电容C1和高阻值的放电电阻Rcf，必要时，还可以在电容C1支路中加串一只低阻值的电阻。根据需要，Rcf和C1的RC时间常数可取0.05到0.5秒。继电器触点Jr1两端并联连着一只电阻Rf1，电阻值是线圈直流电阻值的5到10倍。在两只整流管D1、D2之间还反并联有一只整流管D3，Jr1处于闭合状态时，D3是起线圈电流的续流通道，续流电流可提高电磁铁的激磁和吸合效率。负半波时，D1和D2皆起阻断反向电流的作用。面对电网可能出现的浪涌，即使D1、D2出现电击穿现象，由于W1夹在其间，不可能产生短路电流或过流，也不容易产生热击穿，所以D1、D2就不容易损坏；D3在每个操作循环的累计通电时间不超过一、二百毫秒，本身不容易发热。三管电路的可靠性明显高于常规的半波整流或桥式整流电路；

如图7所示，围绕第二只线圈W2的接线，整流管D5、D6、D4以及电阻Rf2，继电器触点Jr2的连接与W1的相仿。不同在于：对应的整流管都按照对偶的原则，颠倒了接线极性。总体特征是，W1、W2两只线圈的叠加等效于一只全波整流的线圈，两组三管整流管电路构成相当于“双半波整流”的激磁电路。

为了提高电磁兼容性能，可在控制电源中并联上过电压保护环节OVP。

电路工作原理介绍于下：

电磁铁开始通电吸合时，切换开关QK处于闭合状态，008节点和006节点也被Jr1短路，整流管D1和D2只允许正半波的电流流过线圈W1；负半波电流则只能流过W2。由于QK闭合，线圈W1可得到足够的强励，使电磁铁吸合；

电磁铁完成吸合运动前夕，QK断开。QK断开后，在D3和W1、D6和W2中的续流电流确保电磁铁仍有足够的激磁电流，使电磁铁快速完成吸合运动；QK断开后，电容C1才投入工作，C1起降压限流作用，大部分压降都落在C1上。这样，线圈的激磁电流很快跌落，可降低到起动时强励电流的10％以下。在控制电压为380/220V时，电容电流取值一般介于几十毫安到几百毫安，该电流相当于电磁铁线圈的等效激磁电流。流过电容的正半波电流进入线圈W1，负半波电流进入W2。由于线圈维持吸合的激磁电流很小，线圈W1与W2的压降往往只有十几伏到几十伏，电磁铁的静态电耗甚少；

控制电源断电后，继电器的触点Jr1与Jr2及时断开，使电磁铁快速释放。

实施例6

图8为电磁机构采用直流电源操作时的控制电路。在图8中，选择带冷却风扇的电动机MD作为降压限流元件，其电流容量与电磁铁线圈Wd的稳态电流匹配。该措施抗干扰、抗过电压冲击和电磁兼容方面优于采用电子开关电源的降压模式。冷却风扇可用于开关触头或其他发热部件的通风冷却。电路接线如下：

直流控制电源Udc的两根进线端2001[正极]和2002[负极]之间先后串联常闭的位移切换开关QKd[QKd后的节点编号2003]、电磁铁线圈Wd[Wd后的节点编号2004]和起快速释放作用的继电器触点Jrd。电源线2001和2002之间接有继电器Jrd；

切换开关QKd两端并联连着起降压限流作用的电动机MD和阻容吸收环节RC。必要时，也可以在MD支路中加串一只低阻值电阻。继电器触点Jrd两端并联连着一只电阻Rfd，电阻值是线圈直流电阻值的5到10倍。在切换开关QKd的右端[节点编号2003]和电源负极[节点编号2002]之间反并联有一只整流管Dd。电磁铁完成吸合运动前夕，QKd断开后，Dd提供线圈电流的续流通道。为了提高电磁兼容性能，可在控制电源中并联上直流的过电压保护环节OVPd。这种使用风扇电动机降压限流的方式，也可以用于交流控制电路——用带冷却风扇的电机MD取代电容C1。

电路的工作原理与采用交流控制电源的电路相似。不同于交流控制的是该直流控制电路的电源极性不能倒接。如果无需快速释放功能，撤消图7、图8中相应的继电器和放电电阻。

实施例7

图9示出了一种采用本发明电磁机构的转动式开关电器，以转动式交流接触器为代表例。本例以CJ12系列为原型机加以改造。主要结构是，由带杠杆传动机构的电弧罩五组部件构成。动触头系统以转动的方式进行合、分闸。

与CJ12结构相同的是：本发明接触器的进线端41、出线端44和静触头49统也都安装在绝缘架42上[A、B、C三相三个绝缘架都相同，都装在安装条座43上]；动触头48的系统装在转动条座45上。

与CJ12结构不同的是：电磁铁的静铁心11通过安装接口底板55和安装筋板56装到安装条座43上。电磁铁的安装接口底板55和安装筋板56可用焊接方式与电磁铁的静铁心11构成一个部件。电气接线通过电控接插件53接到电气控制部分；静铁心11的底部加有分闸限位胶垫54。静铁心11之外镶套有塑料环14，塑料环14上装有密封外罩52，对电磁铁实施全封闭防护。带有推力顶杆13的动铁心12以滑动配合的方式套装在静铁心11中；

另外，在设计上，以转动条座45的轴线为转动坐标原点，由于直臂杠杆46与动触头48的夹角约为90度，这样，电磁铁上下运动的方向与动触头48接近水平运动的方向呈相互垂直或接近相互垂直的关系，有利于提高开关电器的电性能和电寿命。

在接触器的转动条座45上装有直臂杠杆46；直臂杠杆46上装有滚轮轴23和滚轮24。滚轮24在电磁铁的推力顶杆13的推动下，可使直臂杠杆46驱动转动条座45转动。此外，可改用薄板弯折成型的、形如贯穿有开口槽的矩形型钢的安装条座43代替原实心钢条座。

电磁铁通电后，动铁心12的吸合力通过推力顶杆13作用于滚轮24和直臂杠杆46，如此驱使转动条座45转动，使动触头48与静触头49接通，完成接触器的合闸操作。电磁铁断电后，在反力作用下接触器分闸，分闸后，滚轮24的位移幅度受分闸限位胶垫54的限位，从而限制并保证接触器的分闸到位。

本实施例，以CJ12-600交流接触器为改造对象的原型机，设计稳态吸力为1130Nf的小型化高性能电磁铁，杠杆比为0.45。电磁铁静铁心11的尺寸为Φ(75到80)X(82到90)mm，主触头的开距加倍，电磁机构的装配，都采用紧固件直接固定而无需传统产品的缓冲部件；每小时的操作频率设计值可在900次到1800次之间设定，静态电耗不到3瓦，电磁机构在环境温度为55℃时也能频繁工作。效果类似于前述直动式接触器。若与直流电磁机构操作的CJ12Z-600比对，线圈的用铜量不到6％，电磁机构的用铁量可节约75％。使用该方案，可造出各种容量1到-6极高性能的转动式接触器，还可推出1KA、2KA的高性能产品。它们都具有高倍节材节能耐用的效果。

通过实施例7和实施例1还可说明由于本发明的电磁机构具有操作快速性，开关电器的触头开距还有加倍的实力，这两种基本结构方式可用于开发包括全自动空气开关和低压断路器在内的多种新型的开关电器。

实施例8

图10是采用二级杠杆做传动机构的电磁机构实施例，用作拉力型长行程牵引电磁铁。电磁铁由静铁心11、带推力顶杆13的动铁心12构成；由直臂杆杆61、弯臂杠杆65、连接板63、销轴支座15和二级杠杆支座67构成两级杠杆的传动机构；电磁铁装在电磁铁的安装基座20上；电磁铁的安装基座20和静铁心11上装有销轴支座15，静铁心11的上部装有二级杠杆支座67；直臂杠杆61上装有滚轮24，推力顶杆13作用于滚轮24上；直臂杠杆61通过销轴22安装在销轴支座15上。直臂杠杆61的上端通过一级连接销轴62与连接片63相连。连接片63通过二级连接销轴64连接二级弯臂杠杆65。二级弯臂杠杆65通过二级杠杆销轴66装在二级杠杆支座67上。二级弯臂杠杆65的上端通过上销轴68连接带动负载的接口69。整个机构可加上外罩[图中缺省]。

电磁铁通电吸合后，直臂杠杆61、二级弯臂杠杆65带动负载的接口69移位到相应的、用同形状的虚线块表达的位置；断电后，在反力作用下，回归到原来的实线位置上。

本实施例两级杠杆的杠杆比是0.068，杠杆比的下限范围还可向下延伸。如果需要，可以增加到三级杠杆传动。

实施例9

如图11所示，本实施例是用作推力型长行程牵引电磁铁的电磁机构，它与图10在结构上的主要区别只在于：改变二级杠杆支座67的安装方式及改变连接板63的长度。具体说明如下：

改变二级杠杆支座67的安装朝向，将图10中的连接板63换成图11的长连接板70，就成为推力型牵引电磁铁的电磁机构了。该电磁机构可用作一些高压开关的合闸动力

图11中，可使用一台15000Nf推力的电磁铁，圆筒型静铁心71的外径是200到210mm，输出的力x行程是1000Nfx100mm；在操作电源是直流220V时，电磁铁的起动吸合电流不到30A。如果将杠杆比变成0.117，输出的力x行程是1500Nfx60mm，出力大于现有用于高压开关合闸操作的CD系列合闸电磁铁，所需功率少于原来的25％；该电磁铁的触动时间短，具有很好快速性。本发明电磁机构的起动电流小、操作频率[可设计参数]可达600到1200次/小时，还具有静态耗电省、体积小、寿命长、适用范围大等优点。

图10、图11的电磁机构，可用于多种牵引电磁铁的更新换代。改变电磁铁参数、改变杠杆参数，还可推出不同出力、不同行程用途更广泛的牵引电磁铁：[几牛顿到几千牛顿]出力X行程[几十mm到(100～200)mm]。

实施例10

图12是用本发明的电磁机构驱动的起重机制动器，有关结构如下：

电磁机构由电磁铁和带滚轮的弯臂杠杆21等构成。电磁铁主要由静铁心11，动铁心12，推力顶杆13。电磁铁装在制动器的顶部：制动器的左制动臂部件81上接有电磁机构的安装框架82，电磁铁装在该框架82上；该框架82上装有弯臂杠杆21转动的销轴22，此外还通过轴销71连接安装制动弹簧的框架87。弯臂杠杆21的长臂端作用于使制动器松闸的松闸推杆87。必要时，可在弯臂杠杆21的下方装上推杆滚轮72，通过滚轮72再推动松闸推杆87。制动器靠制动弹簧89的压力，通过一对制动瓦83抱紧制动轮84[松闸推杆87的右端被螺母固定在右制动臂85上，制动弹簧89的右端顶推制动弹簧的框架86右端的底板，弹簧89的左端顶推通过螺纹装在松闸推杆87上的压力调整板88。最终效果相当于左侧制动臂81和右制动臂85之间被弹簧89拉紧，抱紧制动轮。]。

电磁铁的控制电路装在电控盒73内，控制盒73可就近装在制动器附近。

图13示出了实施例10中电磁机构的等效变化，在图13中，用直臂杆74代替弯臂杠杆21。直臂杆74的上端可推动松闸推杆87，制动弹簧的框架86套在焊接在静铁心12上的带螺纹头的轴销75上。其他特征与图12相似。

这种制动器机构紧凑、快速性优于液压制动器，不会溜钩，还有利于制动瓦调整周期的延长或加倍。此外，由于电磁铁的控制都是电量的控制，更容易实施优化的自动控制[适时刹车、适时松闸]。

本发明的电磁机构还可用于开关电器的跳闸电磁铁和电磁阀等。