专利名称：节能快速电磁铁的制作方法
技术领域：
本发明提出了一种新的电磁铁技术。
传统电磁铁无论是直流还是交流都毫无例外地采用释放点作为设计点，其理由是电磁铁能工作的起码条件是必须能触动并克服反力和惯性力使衔铁达到吸合位置。这样的设计原则得到的磁垫几乎毫无例外地造成陡峭的吸力曲线。为平坦吸力曲线或减小吸合吸力、加大启动吸力，传统设计中直流电磁铁不得不采取加大吸合点磁阻减小释放点磁阻的各种措施，例如后端盖开口、增设常截面(台阶结构)和变截面(锥形结构)磁分路以及设极帽等;交流电磁铁虽有自动加大启动功率平坦吸力曲线的性能，但有时也不得不用增加去磁气隙的办法来调节陡度(如MQ1-5141去磁隙是5毫米)。这些设计措施尽管是充分地利用了启动时电能与磁能但却严重地浪费吸合时电能与磁能。吸合时间总是远远大于启动时间，其结果是使传统电磁铁浪费能源严重。传统电磁铁设计中“吸合时吸收功率越小越好”与“可靠触动和快速性”之间存在不可调和的矛盾。
吸合时浪费的能源是以发热方式耗散的，所以这同时又恶化了电磁铁工作环境和增加散热措施的成本。温升严重还直接限制了电磁铁工作频率的提高。为限制过高温升，不得不适当减小安匝值，这反过来又制约了快速性。
现行交流电磁铁功率因数极低，吸合时无功功率高达97～99%。这一缺点不仅降低了能源利用率而且造成无功功率损耗。不仅如此，交流电磁铁电流差不多与气隙大小成正比的特性还导致当衔铁被机械箝卡或反力过载时烧毁线圈。交流电磁铁的涡流与磁滞损耗(铁损)以及单相交流电磁铁分磁环损耗和脉动力最小值(有效值)低于平均值的损耗都是不容忽视的能源浪费。
《低压电器》85年第2期16页文章[交流制动电磁铁改为直流运行]、申请号为90200692.4的中国实用新型专利和公开号为CN1038543A的发明专利提出了一种把交流电磁铁改为直流电磁铁并以双电源分别为启动和吸合两种状态供电的节能途径。但是它们分别存在如下技术缺陷1、[交流制动电磁铁改为直流运行]一文和CNI038543A专利的技术方案中启运电源采用半波晶闸管整流和二极管续流，交流分量比全波整流大得多，仍存在无功功率损耗，对电源的利用率低，不利于快速性实现。续流二极管有延缓断流失磁的作用，不利于电磁铁的快速响应。
2、上述文章和90200692.4申请中晶闸管触发采用同源并联方式，不可能保证晶闸管过零立即导通，又进一步加大了整流后的交流分量。为防止反向电压破坏触发电容充电，还必须加二极管，增加了电路复杂性。
3、上述文章和CN1038543A专利提出阻容降压方案，阻容本身能耗较大，甚至比电磁铁吸合时能耗还大，不利于节能。无论阻容降压还是变压器降压都采用了续流整流法，不利于节能和快速性。上述文章中启动电源中的R1也影响了节能。
4、90200692.4申请及CN1038543A专利采用有触点的继电机械开关控制电源切换缺乏可靠性。一旦开关失灵或电磁铁过载或电磁铁衔铁被机械箝卡就会导致切换失效，使电磁铁线圈始终处于启动电源供电状态，必须导致线圈烧毁。
5、CN1038543A专利还存在下述技术缺陷① 移相半波整流加大了启动电源的交流分量;
② 触动到吸合全过程启动电源始终以等电流导通，使衔铁在触动时电流嫌不足，难以快速;而吸合时电流又嫌大，必产生冲击。这不仅是因为相同磁势(匝数不变，电流相等)，气隙越小吸力越大，而是因为衔铁在越来越大的吸力情况下，加速度越来越大，冲量也就越来越大。这样的技术方案使启动电源的能量主要地不是产生快速触动与启动，而是产生冲量并消耗于吸合瞬间的撞击上。要避免撞击就必然要牺牲快速性或甚至不能触动。这样的技术特性反而不如交流供电自动增加触动功率，气隙越小电流越小的技术特性。
③ 移相控制及触发电路过于复杂，降低了性能价格比。
6、上述文章及专利申请共同存在的问题还有节能技术只限于供电方法，而没有触及电磁铁本身的结构。在降低有功功率来节能的问题上，电磁铁铜铁结构潜力比供电方法要大得多，而降低无功功率节能，传统技术的电容电感平衡法已能解决。
本发明的目的是提供一种新的电磁铁技术，使上述的一系列问题得到解决，保证电磁铁节能、快速并兼。
本发明提出的电磁铁技术是1、将传统电磁铁的设计点从释放位置移至吸合位置，最大限度地降低新设计点位置的磁路磁阻，努力使在相同吸合点吸合力条件下所需磁势值最小，因而在工艺条件允许情况下使去磁隙为零，摒弃传统的减小吸力曲线陡度的前述的一切措施。对螺管式或甲壳式电磁铁而言，在保证导向情况下，尽量加大封闭平底尾端止座的高度;对拍合式电磁铁而言，取消增加启动力但减小吸合力的磁极帽(极靴);对所有结构类型电磁铁，取消使吸合力减小的各种结构磁分路。
2、本发明启动和吸合两电源均采用全桥整流，经电磁铁电感滤波可获得理想的直流供电。目前整流桥集成块价格低廉(1只集成器件价格与一只同样功率的整流二极管价格相当)体积小，总成本不会高于半波整流续流系统。因无续流二极管，可使电磁铁断电响应速度提高，克服控制滞后现象。
3、选用双向晶闸管作为启动电源开关。双向晶闸管与单向晶闸管比较有下述优点①承受过电压的能力比单向管高，可以不用电压保护装置，降低成本。
②正负脉冲均可触发，触发电路选择余地大。
③相同规格、功率、电流的器件价格与单向管相同。
④不存在不过零不能可靠截止问题。
4、触发有效期间使晶闸管有360°导通角，也即不用移相触发。它使触动和启动初期有最大可能的磁势(电流最大)，因而使电磁铁启动响应迅速并在瞬间使衔铁获得极大的加速度，这是单向晶闸管半波整流加续流供电方案不能比拟的，而小于180°导通角的移相触发技术方案(CN1038543A)更是无法比拟。
5、本发明特别强调启动电源供电时间从合闸开始，先于吸合结束。这就是说，双向晶闸管导通时间比电磁铁启动时间短(启动时间是从触动到吸合的一段时间)并始于控制合闸。其优点是
①与前述文章和两个专利申请中合闸不能立即供电相比，电磁铁触动早，响应快，利于快速。
②在启动电源停止供电到电磁铁吸合之间只有小功率的吸合电源供电，衔铁运动主要依靠的是惯性，只要晶闸管导通时间选择得当，既可避免吸合冲击，又可获得理想的快速性。这样的技术显然优于CN1038543A专利触动到吸合始终导通晶闸管的技术方案。
③晶闸管及整流桥工作时间短，允许这两个器件大倍数电流过载，例如0.02秒允许过载4倍，这就使供电电路中成本最高的两个器件参数大为下降，从而大幅度降低成本和体积，提高了性能价格比。
6、为了实现上述技术方案，可使用可调宽脉冲去触发晶闸管，而这两个脉冲宽度就是晶闸管的导通时间。这个脉冲可以由任何一种方法产生，尤其是利用微分电路产生为最简洁。
7、现对上述供电技术的最佳实施方案加以说明如本说明书后的附图
所示，当控制电磁铁工作的开关1合闸后，单相交流电压(220/380伏)通过接线端2和3引进电路。变压器4将单相电压变为上述吸合时低电压，这一低压被整流桥5和6分别整为直流电压。整流桥6输出的合闸直流阶跃电压经由电容8、电阻9及双向晶闸管10的触发极电阻构成的微分电路，产生触发尖脉冲。尖脉冲又经稳压管11削峰以保护触发极。二极管12则是防止开闸断电时，负尖脉冲损坏触发极。稳压管亦可用箝位二极管代替，当6输出电压小于等于最大触发电压时，可省去11和12。
电容8电阻9用于调整RC时间常数以便调整晶闸管10导通时间(亦即启动供电时间)。整流桥7是单相交流源直流整流的，极大的启动安匝值产生的启动力生成极大的衔铁加速度，辅以精密可调的通电时间，几乎可以满足工程上需求的任意快速性指标。另外13是放电电阻，14是电磁铁线圈。因本方案微分电路的输入是合闸阶跃电压，所以可使晶闸管10合闸即导通。
本发明实施后可使现有各种型号和用途的电磁铁更新换代，并可将现行交流电磁铁改造成节能快速电磁铁。
实施例1MQ1-5131牵引电磁铁(使用的额定功率是130瓦)，按本发明技术将其改造为节能快速电磁铁并保持吸力与行程不变。按上述方案实施，交流电源选为220伏，变压器付边选为1.5伏，省去稳压管11和二极管12，晶闸管通电时间选为0.04秒。因线圈电阻是22欧，故启动电源电流是10安，又因0.04秒使双向晶闸管10及桥7的电流允许超载分别为3倍和5倍，故10和7的额定电流可分别选为3.5安和2安。修锉衔铁和铁芯使去磁隙为零，不改变线圈。经实验测试，获得8公斤吸合力需电流0.06安。考虑到安全系数，2.5伏电源电压产生0.068安电流可得最大吸力9公斤(线圈压降1.5伏)。由此可算得变压器功率0.17瓦，选0.3瓦变压器。这样，供电系统总成本不足12元。
这里应指出的是，微分电路产生的是尖脉冲，当脉冲高度降到0.4伏以下时不能触发晶闸管，故在计算RC时间常数的基础上应适当使用可变电阻9将时间常数调大，以保证所需的启动电源供电时间。本实施例实施结果节能视在功率计为764倍，有功功率计为14倍(原吸合时电流0.342安)，快速性提高至少一倍，频率提高15倍(原频率200次/小时)实施例2用本发明方法设计节能快速电磁铁，吸力8公斤，行程25毫米。
采用甲壳式结构，与MQ1-5131相比，耗铁耗铜量减半。衔铁直径26毫米，止座高度14毫米，线圈内外径分别为28和46毫米、高度49毫米。外壳直径及高度都是60毫米，黄铜导套。电路与实施例1完全相同，但线圈匝数比MQ1-5131多一倍，导线直径减小使吸合电流下降为0.035安，最大吸合力不大于9.5公斤最小力为8公斤。实施结果与MQ1-5131相比节能视在功率计为1470倍，有功功率计为28倍，快速性能提高2倍，频率提高20倍。因铁铜用量减半且不用硅钢片而用整体电工钢(DT3E)，总成本可降低40%。
如果各力级交流电磁铁平均使用功率是110瓦，我国总共有各种电磁铁(包括接触器、继电器及其他类开关中的电磁铁)约4亿而只按1亿计算，从视在功率看，本发明实施将相当于我国电力系统多发出1千多万千瓦电，相当于3.7个葛州坝水电工程的发电量。现行交流电磁铁若每年平均烧毁2次线圈(据调查比这个估计还严重)，每次损失平均30元，本发明实施每年将为我国减少60个亿人民币的损失。
权利要求
1.一种节能快速电磁铁，它包括铁芯、线圈、供电系统三部分，其特征在于吸合时摒弃传统电磁铁结构中有可能增加磁阻，使吸力曲线变平缓的一切措施，使相同吸合吸力条件下，所需磁势最小，借以节能；启动时采用双向晶闸管为开关且时间可控的短时直流源供电，借以保证快速性指标。
2.按权利要求1所述的电磁铁技术，其特征在于使用可调宽脉冲触发双向晶闸管，脉宽即为晶闸管导通时间，这个脉冲可使用任何一种方法产生，尤其是利用微分电路产生。
3.根据权利要求1所述电磁铁，其特征是取消铁芯与衔铁之间的去磁隙(或去磁隙为零)，对螺管式(或甲壳式)电磁铁而言采用封闭的平底高止座尾端结构，对拍合式电磁铁而言取消极帽，对所有结构类型电磁铁取消使吸合吸力减小的各种结构磁分路。
4.按权利1和2所述技术，其特征还有取消续流二极管，借以避免由此增加的断电后不能立即断磁的控制滞后现象。
5.按权利2所述技术，其特征还在于所述双向晶闸管的导通时间应短于启动时间并从合闸送电开始，双向晶闸管关闭后衔铁依靠惯性和吸合电源产生的磁力运行，以避免启动快速性可能导致的冲击，而所述晶闸管又是360°导通角(非移相导通)以产生最大可能的电流去实现快速性。
全文摘要
本发明提出了一种新的节能快速电磁铁，其技术方法是将节能与快速两大问题分开处理吸合时彻底消除气隙，克服传统电磁铁因去磁气隙而造成的巨大磁压降，并辅以减小吸合时磁路磁阻的其它措施，用直流低电压供电；启动时则采用可调供电时间的瞬时直流大电流激励，以满足快速指标的要求，并用微分电路产生的阶跃电压微分尖脉冲触发双向可控硅来实现双电源的自动切换。
文档编号H01F7/08GK1050283SQ9010831
公开日1991年3月27日 申请日期1990年10月22日 优先权日1990年10月22日
发明者蔡礼君, 王学明, 邓警玲 申请人:中国机械工程学会, 蔡礼君