专利名称：磁保持电磁铁及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种磁保持电磁铁及其制备方法，属于低压电器的电磁铁领域。电磁铁主要由一个电磁线圈、铁心、永磁体、电子元件构成的控制电路等组成。它的制备方法主要包括以廉价的普通钢材或铁氧体陶瓷低成本大批量生产电磁铁铁心以及确保由此制成的磁保持电磁铁具有优良的磁性能、开关特性以及频繁的操作频率和低的温升等数个部份。
在已有技术中，CN89213176.5虽然提供了一种实施效果较佳的磁保持电磁铁新技术方案，它的不足处在于所述的电磁铁铁心回路由二个元件组合成封闭式磁路，增加了磁阻和生产工艺的精度要求。CN92108199.5在该专利的基础上对电磁铁的控制原理作出了创新改进，它的不足处在于只能适用于储能电容器与电磁线圈串接的控制电路，释放操作时限流元件温升较高，造成能量浪费并使工作环境不尽理想。CN89103048.4提供了一种熔铸碳钢经淬火处理制作半硬性磁性材料制作接触器铁心的新技术方案，它的不足处在于接触器的磁保持电磁铁开关特性不理想，易发生时滞现象，操作频率不高，制造工艺不适合大规模流水生产。
本发明的目的是避免上述已有技术的不足处而提供一种以廉价的普通钢铁或铁氧体陶瓷取代传统硅钢片或电工纯铁制作磁保持电磁铁的新技术方案，它具有全封闭结构的电磁回路铁心，磁性能优良，有极高的控制灵敏度和特殊的动铁心吸合阻尼抗冲击特性，适宜低成本大批量流水线生产。
本发明的第二个目的是提供一种可以频繁操作的可以具有欠电压保护功能的磁保持电磁铁，交流励磁时它的工作频率可以超过每小时18000周。
本发明的第三个目的是对上述磁保持电磁铁的某些结构部件和它们的组合要求作出必要的约束规定，以确保所述电磁铁充分体现其应有的技术特征。
本发明的第四个目的是提供若干种低成本大批量生产上述磁保持电磁铁的制备方法。
本发明的目的可以通过以下措施来实现一种磁保持电磁铁，由永磁体、铁心、电磁线圈、电子元件等构成，在一个铁心回路的中央部位处有不少于一个线圈架被围裹在内，以线圈架的中央轴线为对称轴，在靠近线圈架轴向端部的某一侧铁心的外极面上设有不少于一个永磁体，其上下极面的极性彼此相反，一个条状或块状的永磁轭把永磁体的外侧极面连接在一起，在永磁轭内侧极面的中央部位处设有一个固定磁心，它穿进上述电磁铁的铁心回路并伸进线圈架，而在靠近线圈架另一个轴向端部的上述铁心回路的中央部位处设有一个导轨轴承，一个动铁心插入导轨轴承作往复的直线运动，以动铁心和线圈架的中央轴线为对称轴，形成在几何形状、安装位置、磁性能方面左右对称的工作磁路，其中，一个独立的电磁磁路是整个永磁磁路的有机组成部份，优先使用碳素钢、合金结构钢、铸铁、铸钢等普通钢铁或铁氧体陶瓷等导磁材料制作而成的具有全封闭结构形状的电磁铁铁心(140)，它在上下两个磁轭(141)及(142)的中央部位处分别设有穿透孔(24)及(25)；所述的导轨轴承(26)是一个由法兰盘(27)和极靴(28)构成的以铁磁材料制作而成的独立部件。它具有规则化的横截面轴孔(30)和规则化的垂直滑配面(31)，后者与插入滑动的动铁心(8)之间形成滑配间隙(23)，其最小值为数微米，常规值在数十微米至200微米范围内选用；所述的线圈架(7)由同轴安装的线圈架主体(701)和定位圈(702)镶嵌组成，前者从电磁铁铁心(140)的侧面空间推入并依靠从穿透孔(24)推入的导轨轴承(26)以及从穿透孔(25)推入的定位圈(702)的嵌进线圈架轴孔的垂直结构部份予以定位；所述的固定磁心(2)是一个在轴向高度上含有两个以上不相等横截面积的柱状体，凸状体(501)的横截面积较小，与磁心主体(502)之间设有一个水平的环形台面(503)，借助加压配合使凸状体(501)锲入永磁轭(5)的中央轴孔(505)内，再利用设置在凸状体(501)外侧的中央轴孔(504)将固定磁心(2)胀铆在永磁轭(5)上；所述的固定磁心(2)的主体(502)从定位圈(702)的中央轴孔处穿过，它与电磁铁铁心的下磁轭(142)的穿透孔(25)的内缘之间设有一个周边匀称的环形间隙(125)，此间隙过小造成极化磁路漏磁通增加并引起电磁铁磁保持力下降，但电磁控制灵敏度相对提高，反之则电磁控制灵敏度下降，而磁保持力提高，其最佳值可在0.2毫米至2毫米范围内选用；一个抗冲击弹簧(901)套装在同轴的固定磁心主体(502)的外侧，它可以是螺旋状、碟状、套筒状的一个压缩弹簧，弹簧在自由伸展时的水平承压面(902)比固定磁心主体(502)的主极面高出1～3毫米；在所述的线圈架(7)上可以绕制一个单独的辅助线圈(601)，一个止逆二极管(602)并接在它的两端，选择线圈的绕向和二极管的连接方向，使动铁心(8)在吸合运动过程中进入到磁路的某一极化区域时能够感应到足够大的感生电势，从而在电磁铁的主磁路中产生一个反向磁通，对动铁心(8)的极化加速度起到一种电气阻尼抗震作用；在所述的线圈架(7)上也可以设置一个单独的辅助线圈(611)，一个止逆二极管(613)和一个电子开关(612)串联接入辅助线圈电路，然后并接在直流电源(616)上，电子开关(612)是一种半导体开关器件，如晶间管、三极管、VMOS场效应管等，也可以是一种电磁的或光电的接近开关，动铁心(6)在吸台过程中进入到磁路的某一极化区域时，位置传感器(614)发出指令信号，启动单稳触发器(615)使电子开关(612)开通，直流电源(616)向辅助线圈(611)提供一个足够大的反向励磁电势，从而在电磁铁的主磁路中产生一个反向磁通，对动铁心(8)的极化加速度起到一种电气阻尼抗震作用；导轨轴承(26)也可以是一个以良导磁铁基性材料为主料、二硫化钼等固体润滑材料为辅料的采用常规粉末冶金工艺烧结而成的含油轴承。导轨轴承(26)上还可以设有一道截断环形涡电流和防止摩擦产生热变形的狭缝(29)。导轨轴承(26)的法兰盘(27)的内侧面(271)和极靴(28)的内外侧垂直面(31)及(281)，都是一个粗糙度小于1.6微米的光滑面，法兰盘(27)上设有均布的孔洞(272)，依靠螺钉(273)使法兰盘的内侧面(271)与上磁轭(141)的极面实现良好的静压配合，依靠控制极靴外侧垂直面(281)与穿透孔(24)的配合间隙大小和调节法兰盘(27)与极靴(28)的配合面积，使相关磁路的磁阻尽可能减小。定位圈(702)也可以和抗冲击垫块(43)做成一体，后者的轴向高度比永磁体(3)的轴向高度多一个空气间隙(301)，其最佳值在0.03毫米至0.06毫米间选用。
一种磁保持电磁铁，其铁心回路首先由普通钢铁、铸铁、铸钢、铁铸体陶瓷导磁材料组成，它设有一个电磁线圈，一个合闸电子开关和一个电容器并联后再与此一电磁线圈串联，一个限流元件和一个分闸电子开关串联后再与上述串联电路并接在直流励磁电源上，在上述电路的直流电源的进线侧的任意一个主电路中，串联一个止逆二极管，在它的进线侧又并接一个励磁电压取样器，一个合闸脉冲触发电路在接通交流电源后使合闸电子开关导通一个予定的时延后又自动分断，电磁线圈被正向励磁脉冲电流起动，电磁铁吸合，电容器进入储能工作状态，当交流电源失电时，励磁电压取样器推动分闸电子开关导通，电容器向电磁线圈反放电，电磁铁自动释放。
一个滤波电容器(117)和合闸脉冲触发电路(106)设置在逆二极管(105)的进线侧。后者的输出端是一个或门电路(111)的输入端之一，一个分压电路(112)和电容器(107)并联。其设定的分压器输出端是或门电路(111)的输入端之二.选择合适的分压电路分压比和适当减小滤波电容器(117)的容量，可以使交流供电的磁保持电磁铁的操作频率超过18000C/h；也可以在励磁电压取样器(102)的正极或负极电路中串联一个齐纳二极管(115)，磁保持电磁铁可以受齐纳电压控制而具备欠电压保护功能。励磁电压取样器(102)和齐纳二极管(115)可以被一个常规的电压比较器或电压门限鉴幅器(118)所取代。
使用廉价的普通钢材和铁氧体陶瓷取代传统的硅钢片和电工纯铁且能以大规模流水线的方式生产磁性能和开关特性优良的磁保持电磁铁的制备方法；将碳素钢或合金钢钢管管段按设计要求的铁心横截面尺寸轧制成矩形、方形、椭圆形等规则化的异型钢管，经常规热处理后切割成型，然后平磨加工上下磁轭(141)和(142)的两个外侧极面，再利用标准夹具镗制穿透孔(24)和(25)，最后对铁心的外表面作常规电镀或喷镀等耐蚀工艺处理；接设计要求制作型模，将铸铁、铸钢等铁磁性物质加热熔化后灌注或压铸进型模，待冷却至室温后再对上磁轭(141)、下磁轭(142)、旁磁轭(4)、穿透孔(24)和(25)机加工，最后对铁心外表面作常规的电镀或喷镀等耐蚀工艺处理；将廉价的低碳钢型材按设计要求的几何尺寸轧制或卷制成有缝的矩形、方形、椭圆形等规则化横截面的异型钢管管段，经高频焊接后切割成型，平磨加工上下磁轭(141)和(142)的两个外侧极面，再利用标准夹具镗制穿透孔(24)和(25)，最后对铁心的外表面作常规电镀或喷镀等耐蚀工艺处理；按设计要求制作型模，把适用的铁氧体材料配合混匀后按常规方法烧结成型及进行热处理，必要时可进行时效处理；
所述封闭式电磁铁铁心(140)的高宽比最佳值在电磁铁主行程δ小于4毫米时为0.5至1.0，δ大于4毫小时为0.8至1.6，δ大于20毫米时可达2.0以上；所述电磁铁在释放过程中，若储能电容器(107)并接在合闸电子开关(109)上，则限流元件(104)按如下原则制备，使电磁线圈(6)中有一个负尖脉冲出现，且在衰减至零点后又出现一个幅值较小的正尖脉冲并不再允许出现振荡波形，若储能电容器(6)串接在电磁线圈(6)的主电路中，则限流元件既可以按上述原则制备，也可以使负尖脉冲的积分面积足够大且幅值足够高，在衰减至零点后不再出现正尖脉冲和振荡波形；所述电磁铁在释放操作过程中，不论储能电容器(107)或(6)如何联接。在它的主回路中安入一个降压器件使此一电容器极板上的充满电压降低到一定限度。就可以取消限流元件(104)，使储能电容器经分闸电子开关对电磁线圈直接反放电，其出现的负尖脉冲幅值足够高，衰减至零点后有正尖脉冲的出现并不发生振荡现象。
以下将结合磁保持电磁铁的结构示意图、控制原理图和实施例对本发明作详尽的阐述。
附图的图面说明如下
图1为组合封闭式磁保持电磁铁结构示意图。
图2为全封闭结构式磁保持电磁铁结构示意图。
图3为全封闭结构式电磁铁铁心纵剖示意图。
图4为全封闭结构式电磁铁铁心俯视示意图。
图5为镶嵌式线圈架结构示意图。
图6为导轨轴承实施例A。
图7为导轨轴承实施例B。
图8为导轨轴承实施例C。
图9为导轨轴承实施例D。
图10为固定磁心示意图。
图11为永磁轭示意图。
图12为定位圈与抗冲击垫块结构示意图。
图13为全封闭结构式磁保持电磁铁实施例A。
图14为全封闭结构式磁保持电磁铁实施例B。
图15为无源电气阻尼原理图。
图16为有源电气阻尼原理图。
图17为磁保持电磁铁控制原理框图A。
图18为磁保持电磁铁控制电路实施例A。
图19为磁保持电磁铁控制原理框图B。
图20为磁保持电磁铁控制电路实施例B。
图21为全封闭结构式电磁铁心制备方法A。
图22为全封闭结构式电磁铁心制备方法B。
图23为全封闭结构式电磁铁心制备方法C。
图24为全封闭结构式电磁铁心制备方法D。
图25为磁保持电磁铁释放控制电路原理示意图A。
图26为磁保持电磁铁释放控制电路原理示意图B。
图27为磁保持电磁铁吸合和释放控制波形图A。
图28为磁保持电磁铁吸合和释放控制波形图B。
图1是CN891059490所规定的一种磁保持电磁铁。旁磁轭(4)的中央部位处设有一个动铁心(8)插入运动的导轨轴承，在上磁轭(1)的中央部位处安装固定磁心(2)，以动铁心(8)和固定磁心(2)的中央轴线为对称轴，永磁体(3)吸持就位在旁磁轭(4)与上磁轭(1)的左右两侧平面上，下磁轭(5)和旁磁轭(4)组合成一个封闭的电磁磁路，线圈架(7)的下端部插入固定在固定磁心(2)和永磁体(3)的空隙内，一个平绕的电磁线圈(6)被围裹在所述的电磁磁路中央，复位弹簧(9)为动铁心(8)提供一个反作用力矩。详细的说明可参阅CN89105949.0专利文献。
图2是在CN89105949.0基础上经进一步改进后由本发明提供的一种磁保持电磁铁的新结构方案示意图。与图1不同的是由下磁轭(5)和旁磁轭(4)组合而成的电磁铁铁心被一个具有全封闭结构形状的电磁铁铁心所置代一个上磁轭(141)和一个下磁轭(142)以及左右两侧的旁磁轭(4)构成一个具有矩形、方形、椭圆形等规则化横截面的电磁铁铁心(140)，如图3、图4所示。在上、下磁轭(141)和(142)的中央部位处分别开设穿透孔(24)和(25)，在穿透孔(24)的周边又设有均布的螺孔(143)，一个平绕的电磁线圈(6)的线圈架主体(701)从电磁铁铁心(140)的侧面空间推入就位，一个独立的导轨轴承(26)从穿透孔(24)的外侧方向推入，它穿过上磁轭(141)并将其垂直结构部分即图5-图9的极靴(28)的一部份嵌入线圈架主体(701)上端的轴孔(703)内，定位圈(702)从穿透孔(25)的外侧方向推入，它的外廓横截面与穿透孔(25)的横截面彼此吻合并略有微小的装配间隙，定位圈(702)的上端部嵌入线圈架主体(701)下端的轴孔(704)内，一对或一对以上的永磁体(3)吸持定位在下磁轭(142)的外极面上并尽量远离电磁铁的中央对称轴，一个非导磁材料制成的抗冲击垫块(43)上设有一对以上的定位孔(311)，它略大于永磁体(3)的水平投影面积并与永磁体(3)的平面安装位置吻合，如图12所示。永磁轭(5)是一块条状的或块状的水平磁极，其中央部位处设有中央轴孔(505)，固定磁心(2)借助此孔与永磁轭(5)组成一体结构后从外侧推入抗冲击垫块和定位圈(702)的中央轴孔(700)和(706)内，在永磁体(3)的吸持作用和定位圈(702)、抗冲击垫(43)的定位作用下，永磁轭(5)和固定磁心(2)被安装到位，此时，永磁轭(5)的内侧极面和下磁轭(142)的外侧极面的轴向间隙即为抗冲击垫块(43)的轴向高度H6。它比永磁体(3)的轴向高度H2多出一个微小的空气间隙(301)，它的最佳值在0.03毫米至0.06毫米间选用。一个外表而十分光滑的柱状体动铁心(8)插入导轨轴承(26)的轴孔(30)内。由复位弹黄(9)或电磁铁的被驱动装置提供一个必需的反作用力矩并使自动定位，它与固定磁心(2)的极面间隙δ形成磁保持电磁铁的主工作气隙。
在结构特征方面，电磁铁铁心(140)、固定磁心(2)、永磁轭(5)、动铁心(8)、导轨轴承(26)均优先采用廉价的碳钢、铸铁、铸钢、合金结构钢、普通钢铁和铁氧体陶瓷制成。定位圈(702)实质上是一个薄壁管，它位于固定磁心(2)与下磁轭(142)的穿透孔(25)的内缘(181)之间形成的一个周边匀称的环形间隙(125)内，此间隙过小时永磁轭(5)、下磁轭(142)、永磁体(3)构成的极化磁路漏磁通太大，电磁铁的磁保持力会大幅度下降，当然电磁操作磁保持电磁铁吸合或释放的电磁控制灵敏度会相对提高，反之，磁保持力增大但电磁控制灵敏度下降，所以环形间隙(125)的最佳值一般设定在0.2毫米至2毫米间选用，因此。定位圈(702)的壁厚有时会很薄，但对它的刚度要求很高，必要时可以选用非导磁金属材料轧制而成。
图6～图9示出了异轨轴承(26)的4种实施例。它具有规则化的园形、方形等几何表状的横截面轴孔(30)和规则化的垂直滑配面(31)，动铁心(8)插入轴孔(30)作往复的直线运动时两者之间形式一个微小的滑配间隙(23)，在制作电磁铁时对此一间隙进行严格的控制，其最小值可以做到几微来，例如对电磁吸力约数十克、主行程1至4毫米范围的超小型磁保持电磁铁而言其磁保持力和控制灵敏度将会得到极大的提高，起到传统电磁铁意想不到的效果。通常情况下滑配间隙(23)还要考虑大批产装配时的工艺要求，故在数十微米至200微米范围内选用。导轨轴承的法兰盘(27)上，对应穿透孔(24)的周边螺孔(143)亦设有均布的孔洞(272)，依靠螺钉(273)将法兰盘(27)的内侧极面(271)与上磁轭(141)的外侧极面实现良好的静压配合。与此同时，还可以通过控制极靴的光滑的外侧垂直面(281)和穿透孔(24)的内侧配合面(181)之间形成的微小间隙以及增大法兰盘内侧面(271)和极靴垂直滑配面(31)的配合面积来减小电磁铁铁心——导轨轴承——动铁心配合处的磁阻，从而使所述电磁铁获得最良好的磁性能。
当所述电磁铁是一种大型电磁铁时，例如磁保持力有时会超过1000N，采用普通钢铁制作的整体的动铁心(8)具有很大的横截面积，在电磁控制的瞬间有可能在导轨轴承(28)内感生较大的涡电流或发生摩擦热变形，为此在导轨轴承上增设一条通长的狭缝(29)，切断无效的涡电流同时为元件的热变应提供一个开放间隙。
当所述电磁铁需要获得频繁吸合、释放的操作功能时，导轨轴承(26)也可以采用具备良导磁特性的铁基性材料如铁鳞等为主料，配合二硫化钼等固体润滑材料为辅料，以常规粉末冶金工艺烧结而成的含油轴承。在条件适宜的场合下，还可以在结构钢、合金钢或高碳钢制作的导轨轴承的垂直滑配面(31)上，以离子喷涂的方式被覆一层具备低摩擦系数的固态金属或非金属薄膜，例如聚四氟乙烯薄膜等，同样可以改善动铁心与导轨轴承轴孔间的摩擦发热和金属表层剥离现象。
为了进一步改善永磁轭(5)和固定磁心(2)组合过程中的磁性能，如图10、图11所示。固定磁心是一个在轴向高度上含有二个以上不相等横截面积的柱状体，凸状体(501)的横截面积较小，与磁心主体(502)之间设有一个水平的环形台面(503)。它的表面粗糙度通常小于1.6微米。永磁轭的中央轴孔(505)的水平投影面积略小于凸状体(501)的水平横截面积。借助加压配合工艺使凸状体(501)锲入孔内，并利用设置在凸状体外侧的中央轴孔(504)将固定磁心(2)胀铆在永磁轭(5)上，如图13所示出的那样。
众所周知的事实是由于极化磁路的存在，磁保持电磁铁可以获得超高速的吸合特性，例如CN89105949.0就提供了一个主行程8毫米吸合时间不到2毫秒的电磁铁实施例。但是，当涉及的磁保持力很大时，永磁体有极大的磁能积，动铁心在起动电磁力的作用下进入到某一极化区域时，运动中的动铁心因极化力的作用骤然增强而加速冲击固定磁心(2)，一方面使动铁心反弹并引起弹跳的机械振荡，同时使固定磁心受到了不必要的机械冲击，为了克服此一弊端，把一个抗冲击弹簧(901)套装到同轴的磁心主体(502)的外侧，它可以是一个螺旋状、碟状、筒状的压缩弹簧，在自由伸展状态时的水平承压面(902)比磁心主体(502)的轴向高度高出1～3毫米。
图15和图16分别展示了一种无源的和一种有源的动铁心电气阻尼抗冲击的电路，它是所述电磁铁的一个有机组成部份。在线圈架上设有一个电磁线圈(6)，它的工作原理已经由CN89105949.0和CN91108305.7进行了充分的闸述，本发明只是在上述已有技术方案上作出补充更新而已。在所述的线圈架(7)上可以再加绕一个单独的辅助线圈(601)，一个止逆二极管(602)并接在辅助线圈(601)的两端，辅助线圈的绕向和二极管(602)的连接方向按如下原则选择当电磁铁起动工作且动铁心(8)进入到电磁铁的某一极化区域时，在辅助线圈(601)内可以感应到一个幅值足够大的感生电势，从而在电磁铁的主磁路中产生一个反向磁通，其向量与电磁正向劢磁磁通和极化磁通的向量相反，从而起到必要的电气阻尼抗冲击作用。反之，当所述电磁铁释放操作时，由于二极管(602)的止逆作用，辅助线圈(601)不会对电磁铁的分闸速度产生副作用。
图16中有一个独立的辅助线圈(611)，一个止逆二极管(613)和一个电子开关(612)串联接入辅助线圈的主电路中并与一个直流电源(616)并联连接，一个位置传感器可以是一个电磁的或光电的或磁电的接近开关，当动铁心(8)进入到设定的极化区域时传感器发送一个指令信号，推动一个单稳触发器(615)工作，电子开关(612)导通一个时段，直流电流为辅助线圈(611)提供一个反向劢磁电势，从而对动铁心的加速运动起到了必要的电气阻尼抗冲击作用。由图16可见，这是一种典型的有源的动铁心电气阻尼电路，选择某些组合器件，可以把若干个元件的功能合并在一起，但其工作原理均无法越出此方框原理图。
图17是CN91108305.7提供的一种将电容器(107)并接在一个合闸电子开关(109)上的磁保持电磁铁控制电路原理框图。图18是此种控制电路的一个实施例，同样记载在CN91108305.7的文献中。本发明在此基础上作出了创造性的改进，其原理框图和实施例分别在图19和图20中示出。由图可见，本发明实质性改进方案的要点在于将一个合闸脉冲触发电路(106)从止逆二极管(105)的出线侧移至进线侧，同时新增了一个分压电路(112)，使其与电容器(107)和合闸电子开关(109)并联，新增的或门电路(111)串入合闸脉冲触发电路(106)与合闸电子开关(109)之间，它具有二个或门输入端，分别来自触发电路(106)和分压电路(112)的分压输出端。接通交流电源(100)时，整流电路(101)输出的脉动直流电压被一个容量较小的滤波电容器(117)枚平，合闸脉冲触发电路106)输出一个高电平，经或门电路(111)使合闸电子开关(109)导通，电磁线圈(6)被正向劢磁，合闸电流IH的流向为K+→G—，经过一个设定的时段后，合闸脉冲触发电路(106)输出一个低电平，或门电路(111)和台闸电子开关(109)自动分断，电子磁铁吸合过程结束，电容器(107)经电磁线圈(6)充电储能。由于分压电路(112)是并接在电容器上的，它的分压输出端经或门电路(111)将合闸电子开关(109)锁定在第一次分断状态，后者的开关特性得到明显的改进，它决不会因脉动直流的接近过零点而误动。图20所示的实施例是应用本发明新技术方案的结果，它在交流220伏劢磁时，最高操作频率可以超过每小时18000周。较CN911108305.7方案的图18实施例电磁铁的操作频率，提高了12000周左右。
除此之外，在图19的方框原理图中还新增了一个齐纳二极管(115)。使磁保持电磁铁可以得到必要的欠电压保护。
图12示出了一种将定位圈(702)与抗冲击垫块(43)做成一体的替代方案。它以ABS工程塑料热压注塑成型。工艺简单，精度较高。
图13示出了本发明的一个实施例。它具有动铁心机械阻尼抗冲击特性。
图14示出了本发明的另一个实施例，这是一台磁保持接触器的纵剖面图。其中的导轨轴承(26)是一个铁氧体含油轴承。电磁磁路是一个具有全封闭结构形状的以普通钢材制作的电磁铁铁心(140)，其高宽比在1.0左右，导轨轴承轴孔(30)的内侧垂直面(31)与动铁心(8)之间的滑配间隙为(23)，下磁轭(142)与固定磁心(2)柱状体之间的环形间隙(125)取值为1.2毫米，电路印制板(230)，电磁铁的控制电路储能电容器(10)与电磁线圈(6)串联连接接触器的最高工作频率，超过每小时7200周，额定劢磁电压为AC380V，起动工作电压为AC240V，磁性能和开关特性优良，机械寿命试验和电气寿命试验均符合国际标准。
图21～24示出了本发明所述电磁铁铁心部分的若干种制备方法。与传统的以电工纯铁或以硅钢片制备电磁铁铁心的方法截然不同，其主要特点是以低廉的普遍钢铁或铁氧体陶瓷作铁心材料，以十份简单的工艺、低成本、大批量流水生产磁保持电磁铁的铁心。为拨冗起见，其具体方法可参见本发明说明书已有的专门叙述。
图25示出了一种磁保持电磁铁释放控制的等效方框原理图。这是一种电容器“并联”式的控制电路，有些元件省略未绘。整流电路(101)输出一个直流励磁电源，合闸电子开关(109)导通一个规定的时段合闸电流IH+→G-，电磁铁吸合动作，电容器(107)在电子开关(109)分断后充电储能。当励磁电源失电或欠压保护动作时，电容器(107)经限流元件(104)和分闸电子开关(103)的串联回路对电磁线圈(6)反向放电，分闸电流IFG+→K-，根据电容器的容量，充电储能电压的幅值和电磁线圈的直流电阻及电感分量值，对限流元件(104)按以下原则制备使电磁线圈(6)的电压波形具有图27—1)的波形特征。
图26示出了一种磁保持电磁铁控制电路等效方框原理图。这是一种电容器“串联”式的控制电路，有一些元件省略未绘。开关(12)如图示的位置为电磁铁的起动位置，整流电路(16)输出一个直流励磁电源，合闸电流IH从K+→G-，电磁铁吸合动作，电容器(10)充满隔直。当开关(12)置于虚线位置时，电容器(10)经开关(12)、限流元件(104)对电磁线圈(6)反放电，分闸电流IF从G+→K-，限流元件(104)按以下原则制备使电磁线圈(6)的电压波形具有图28—II)、III)所示的波形特征。
不论采用图26或图25的控制方框原理图，只要电磁线圈有足够高的内阻，限流元件(104)有时可取最小值为零值。
总之，只有按照上述原则制备限流元件及规定的祛磁波形，才能使普通钢材或铁氧体陶瓷制作的磁保持电磁铁同时具备优良的磁性能和开并特性，并以最小的发热量获得尽可能高的操作频率。
为拨冗起见，有关制备限流元件及规定祛磁电压波形的具体要求请参见说明书的已有叙述。
综上所述，本发明与已有技术相比具有如下优点1、以廉价的普通钢材或铁氧体陶瓷取代昂贵的硅钢片和电工纯铁制作电磁铁的铁心。
2、电磁铁的磁生能和开并特性优良，电磁控制灵敏度高。
3、适宜频繁操作，交流励磁时电磁铁的最高工作切换频率可以超过每小时18000周。
4、有良好的动铁心机械阻尼和电气阻尼抗冲击特性。
5、机械寿命长，可以超过1000万次。
权利要求
1.一种磁保持电磁铁，由永磁体、铁心、电磁线圈、电子元件等构成，在一个铁心回路的中央部位处有不少于一个线圈架被围裹在内，以线圈架的中央轴线为对称轴，在靠近线圈架轴向端部的某一侧铁心的外极面上设有不少于一个永磁体，其上下极面的极性彼此相反，一个条状或块状的永磁轭把永磁体的外侧极面连接在一起，在永磁轭内侧极面的中央部位处设有一个固定磁心，它穿进上述电磁铁的铁心回路的中央部位处设有一个导轨轴承，一个动铁心插入导轨轴承作往复的直线运动，以动铁心和线圈架的中央轴线为对称轴，形成在几何形状、安装位置、磁性能方面左右对称的工作磁路，其中一个独立的电磁磁路是整个永磁磁路的有机面组成部份，其特征在于a)所述的铁心回路是一个优先使用碳素钢、合金结构钢、铸铁、铸钢等普通钢铁或铁氧体陶瓷等导磁材料制作而成的具有全封闭结构形状的电磁铁铁心(140)，它在上下两个磁轭(141)及(142)的中央部位处分别设有穿透孔(24)及(25)；b)所述的导轨轴承(26)是一个由法兰盘(27)和极靴(28)构成的铁磁材料制作而成的独立部件，它具有规则化的横截面轴孔(30)和规则化的垂直滑配而(31)，后者与插入滑动的动铁心(8)之间形成滑配间隙(23)，其最小值为数微米，常规值在数十微米至200微米范围内选用；c)所述的线圈架(70)由同轴安装的线圈架主体(701)和定位圈(702)镶嵌组成，前者从电磁铁铁心(140)的侧面空间推入并依靠从穿透孔(24)推入的导轨轴承(26)以及从穿透孔(25)推入的定位圈(702)的嵌进线圈架轴孔的垂直结构部份予以定位；d)所述的固定磁心(2)是一个在轴向高度上含有两个以上不相等横截面积的柱状体，凸状体(501)的横截面积较小，与磁心主体(502)之间设有一个水平的环形台面(503)，借助加压配合，使凸状体(501)锲入永磁轭(5)(505)内，再利用设置在凸状体(501)外侧的中央轴孔将固定磁心(2)胀铆在永磁轭(5)上；e)所述的固定磁心(2)的主体(502)从定位圈(702)的中央轴孔处穿过它与电磁铁铁心的下磁轭(142)的穿透孔(25)的内缘之间设有一个周边匀称的环形间隙(125)；此间隙过小造成极化磁路漏磁通增加并引起电磁铁磁保持力下降，但电磁控制灵敏度相对提高，反之则电磁控制灵敏度下降而磁保持力提高，其最佳值可在0.2毫米到2毫米范围内选用；f)一个抗冲击弹簧(901)套装在同轴的固定磁心主体(502)的外侧，它可以是螺旋状、碟状、套筒状的一个压缩弹簧，弹簧在自由伸展时的水平承压面(902)比固定磁心主体(502)的主极面高出1到3毫米；g)在所述的线圈架(7)上可以绕制一个单独的辅助线圈(601)，一个止逆二极管(602)并接在它的两端，选择线圈的绕向和二级管的连接方向，使动铁心(8)在吸合运动过程中进入到磁路的某一极化区域时能够感应到足够大的感生电势，从而在电磁铁的主磁路中产生一个反向磁通，对动铁心(8)的极化加速度起到一种电气阻尼抗震作用；h)在所述的线圈架(7)上也可以设置一个单独的辅助线圈(611)，一个止逆二级管(613)和一个电子开头(612)串联接入辅助线圈电路然后并接在直流电源(616)上，电子开头(612)是一种半导体开头器件，如晶闸管、三极管、VMOS场效应管等，也可以是一种电磁的或光电的接近开关，动铁心(6)在吸合过程中进入到磁路的某一极化区域时，位置传感器(614)发出指令信号，启动单稳触发器，(615)使电子开头(612)开通，直流电电源(616)向辅助线圈(611)提供一个点头够大的反励磁电势，从而在电磁铁的主磁路中产生一个反向磁通，对动心(8)的极化加速度起到一种电气阻尼抗震作用；
2.按权利要求规定的磁保持电磁铁，其特征在于所述的导轨轴承(26)也可以是一个以良导磁铁基性材料为主料、二硫化钼等固体润滑材料为辅料的采用常规粉末冶金工艺烧结而成的含油轴承。
3.按权利要求1规定的磁保持电磁铁，其特征在于所述的导轨轴承(26)上还可以设有一道截断环形涡电流和防止摩擦产生热变形的狭缝(29)。
4.按权利要求1规定的磁保持电磁铁，其特征在于所述的导轨轴承(26)的法兰盘(27)的侧面(271)和极靴(28)的内外侧垂直面(31)及(281)都是一个粗糙度小于1.6微米的光滑面，法兰盘(27)上设有均布的孔洞(272)，依靠螺钉(273)使法兰盘的内侧面(271)与上磁轭(141)的极面实现良好的静压配合，依靠控制极靴外侧垂直面(281)与穿透孔(24)的配合间隙大小和调节法兰盘(27)与极靴(28)的配合面积，使相关磁路的磁阻尽可能减小。
5.按权利要求1规定的磁保持电磁铁，其特征在于所述的定位圈(702)也可以和抗冲击垫(43)做成一体，后者的轴向高度比永磁体(3)的轴向高度多一个空气间隙(301)，其最佳值在0.03毫米到0.06毫米间选用。
6.一种磁保持电磁铁，其铁心回路首先由普通钢铁、铸铁、铸钢、铁氧体陶瓷等异磁材料组成，它设有一个电磁线圈，一个合闸电子开头和一个电容器并联后再与此一电磁线圈串联，一个限流元件和一个分闸电子开关串联后再与上述串联电路并接在直流励磁电源上，在上述电路的直流电源的进线侧的任意一个主电路中，串联一个止逆二级管，在它的进线侧又并接一个励磁电压取样器，一个合闸脉冲触发电路在接通交流电源后使合闸电子开头导通一个子定的时延后又自动分断，电磁线圈被正向励磁脉冲电流起动，电磁铁吸合，电容器进入储能工作状态，当交流电源失电时，励磁电压取样器推动分闸电子开头导通，电容器向电磁线圈反放电，电磁铁自动释放，其特征在于a)一个滤波电容器(117)和合闸脉冲触发电路(106)设置在止逆二极管(105)的进线侧，后者的输出端是一个或电路(111)的输入端之一，一个分压电路(112)和电容器(107)并联，其设定的分压器输出端是或门电路(111)的输入端之二，选择合适的分压电路分压比和适当减小滤波电容器(117)的容量，可以使交流供电磁保持电磁铁的操作频率超过18000c/h；b)也可以在励磁电压取样器(102)的正极或负极电路中串联一个齐纳二级管(115)，磁保持电磁铁可以受齐纳电压控制而具备欠电压保持功能。
7.按权利要求6规定的磁保持电磁铁，所述的励磁电压取样器(102)和齐纳二级管(115)可以被一个常规的电压比较器或电压门限鉴幅器(118)所取代。
8.一种按权利要求1规定磁保持电磁铁，使用廉价的普通钢材和铁氧体陶瓷取代传统的硅钢片和电工纯铁且能以规模流水线的方式生产磁性能和开关特性优良的电磁铁的制备方法，其特征在于a)将碳素钢或合金钢管管段按设计要求的铁心横截面尺寸轧制成矩形、方形、椭圆形等规则化的导型钢管，经常规热处理后切割成型，然后平磨加工上下磁轭(141)和(142)的两个外侧极面，再利用标准夹具制穿透孔(24)和(25)，最后对铁心的外表面作常规电镀或喷镀等耐蚀处理；b)按设计要求制作型模，将铸铁、铸钢等铁磁性物质加热熔化后灌注或压铸进型模，待冷却至室温后再对上磁轭(141)、下磁轭(142)、旁磁轭(4)穿透孔(24)和(25)机加工，最后对铁心外表面作常规的电镀或喷镀等耐融工艺处理；c)将廉价的低碳钢型材按设计要求的几何尺寸轧制或卷制成有缝的矩形、方形、椭圆形等规则化横截面的异型钢管管段，经高频焊接后切割成型，平磨加工上下磁轭(141)和(142)的两个外侧极面，再利用标准夹具镗制穿透孔(24)和(25)，最后对铁心的外表面作常规电镀或喷镀等耐蚀工艺处理；d)按设计要求制作型模，把适用的铁氧体材料配合混匀后按常规方法烧结成型及进行热处理，必要时可进行时效处理；e)所述封闭式电磁铁铁心(140)的高宽比最佳值在电磁铁主行程δ小于4毫米时为0.5—1.0，δ大于4毫米时为0.8到1.6，δ大于20毫米时可达2.0以上；f)所述电磁铁在释放操作过程中，若储能电容器(107)并接在合闸电子开头(109)上，则限流元件(104)按如下原则制备，使电磁线圈(6)中有一个负尖脉冲出现，且在衰减至零点后又出现一个幅值较小的正尖脉冲并不再允许出现振荡波形，若储能电容器(6)串接在电磁线圈(6)的主电路中，则限流元件既可以按上述原则制备，也可以使负尖脉冲的积分面积足够大且幅值足够高，在衰减至零点后不再出现正尖脉冲和振荡波形；g)所述电磁铁在释放操作过程中，不论储能电容器(107)或(6)如何联接，在它的主回路中串入一个降压器件使此一电容器极板上的充满电压降低到一定限度，就可以取消限流元件(104)，使储能电容器经分闸电子开关对电磁线圈直接反放电，其出现的负类脉冲幅值足够高，衰减到零点后有正尖脉冲出现并不发生振荡现象。
全文摘要
磁保持电磁铁及其制备方法，属于低压电器的电磁铁领域。以廉价的普通钢铁或铁氧体陶瓷取代硅钢片或电工纯铁，它具有全封闭结构的电磁铁铁心，磁性能和开关特性优良，有极高的控制灵敏度和动铁心阻尼抗冲击特性，最高操作切换频率超过18000C/h；同时提供了一种新的、低成本、大批量流水线生产电磁铁的制备方法。高效节电、节材、机电一体化，运行中不发热、无振动、无噪声、无电磁场辐射，应用领域涉及接触器、继电器、电磁阀、制动器等数千种更新换代产品，机械寿命试验已超过1000万次。
文档编号H01F7/122GK1123453SQ9411198
公开日1996年5月29日 申请日期1994年11月19日 优先权日1994年11月19日
发明者张凡 申请人:张凡