具有永磁体的电磁致动器和由致动器致动的机械负荷开关 |
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| 申请号 | CN201280070570.7 | 申请日 | 2012-12-20 | 公开(公告)号 | CN104137212B | 公开(公告)日 | 2016-08-24 |
| 申请人 | 阿尔斯通技术有限公司; | 发明人 | 让-皮埃尔·迪普拉; 沃尔夫冈·格里斯哈伯; 米歇尔·科莱; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种新的电磁 致动器 ，其包括 永磁体 并相对于 现有技术 具有改进的触发速度和 电机 扭矩 。所针对的主要应用是专用于实现对用于断路高压直流的机电 断路器 的切断进行操纵的电磁负荷 开关 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种永磁体致动器，包括： |
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| 说明书全文 | 具有永磁体的电磁致动器和由致动器致动的机械负荷开关技术领域[0001] 本发明涉及具有永磁体的电磁致动器。 [0002] 本发明更具体地涉及用于获得具有永磁体的致动器的方案，致动器具有很大扭矩以便在极短时间内执行小位移。 [0003] 主要应用是致动机械负荷开关，具有地用于在机电断路器中执行机械断路操作，如在与本申请同日提交并且标题为"A mechatronic circuit-breaker device,an associated triggering method,and an application to breaking high direct currents(机电断路器、相关的触发方法、及用于断路高直流的应用)"中所描述和要求保护的机电断路器。 [0006] 本发明还涉及由具有永磁体的电磁致动器致动的负荷开关。 背景技术[0007] 具有永磁体的电磁致动器被广泛知道来致动不同的机械构件。 [0009] 如在今日申请的以申请人名义的专利申请中指出的，发明人力求实现能够极快(也就是说在小于毫秒的时间)致动电磁断路开关的致动器。更具体地，力求实现以下致动器：其考虑由于移动部分的质量而引起的惯性，由于例如机械开关的断开或闭合的极限位置的锁紧系统而引起的反静力。该致动器可以负荷以下规范： [0010] －响应于控制电流的出现，建立相当大的电机扭矩，通常为2000Nm量级； [0011] －具有该电机扭矩的极小建立时间，为几微秒量级； [0012] －具有尽可能小的惯性； [0013] －保证机械负荷开关的移动部分的相对较小的位移，为几毫米量级； [0014] －机械地耐受与混合断路器设备的集中使用对应的应力和震动，通常对应于在使用寿命期间的约10000次开闭操纵，如在今日申请的以申请人名义的专利申请中描述和保护的混合断路器设备。 [0015] 因此已想到永磁体电磁致动器并且进行了该类致动器的分析。用于实现该类电磁致动器的基本物理原理是使用拉普拉斯驱动：浸入磁场中的导电材料元件在被电流流过时经受定向为与磁场和电流形成的平面垂直的方向的驱动，该驱动当磁场和电流的各自方向正交时为最大。在该环境中的导体通常被指为电枢。所建立的电机扭矩因此与电枢中流动的电流和其中浸有电枢的磁场成比例。当磁场通过永磁体产生时，其值与其中实现永磁体的材料的性质相关联。通常，在已知磁体中，钕铁芯磁体是产生最大磁场值直到1.3特斯拉的磁体。因此，存在由永磁体生成的磁场值的自然极限。换句话说，如果力求显著增加电机扭矩，则唯一可能性在于使极高电流流经电枢。然而，通常，在不考虑热约束的情况下，由电机可接受的电流值被生成拉普拉斯电磁力所需的磁场的永磁体的去磁化风险限制。因此不可能用当前已知和给定的致动器几何形状来超越与该反对因素相关的电机扭矩极限。 [0016] 本发明的目的因此是提出具有永磁体的电磁致动器，该致动器具有比现有技术的致动器更高的电机扭矩。 [0017] 一个特别目的是提出具有永磁体的电磁致动器，其能够极快地(就是说在小于毫秒的时间内)致动机械负荷开关并符合上述规范。 发明内容[0018] 为此，本发明的目的是一种永磁体电磁致动器，包括： [0019] －形成在第一基板中的第一定子部分，其至少一部分具有与至少一个形成盘的平面的旋转对称性，盘限定与盘正交的对称轴线，并且第一定子部分包括第一永磁体序列，第一永磁体序列通过沿着恒定角度间距均匀分布在第一基板的至少一个盘上而出现在所述盘上；每个永磁体呈现具有与其平坦的、彼此平行、且与盘平行的北极和南极正交的至少一个对称面的形状；永磁体与盘的接 触表面内接于与盘同心并且彼此同心的两个圆之间；每个磁体的对称面沿着这些同心圆的半径定向；彼此相邻的第一序列的两个永磁体具有相反磁化方向； [0020] －形成在第二基板中的第二定子部分，其至少一部分具有与至少一个形成盘的平面的旋转对称性，盘限定与盘正交的对称轴线，并且第二定子部分包括第二永磁体序列，第二永磁体序列通过沿着恒定角度间距均匀分布在第二基板的至少一个盘上而出现在所述盘上；每个永磁体呈现具有与其平坦的、彼此平行、且与盘平行的北极和南极正交的至少一个对称面的形状；永磁体与盘的接触表面内接于与盘同心并且彼此同心的两个圆之间；每个磁体的对称面沿着这些同心圆的半径定向；彼此相邻的第二序列的两个永磁体具有相反磁化方向；第二定子部分被布置为与第一定子部分平行以使得其盘的对称轴线重合并且使得第二序列的磁体的极(S或N)面对第一序列的磁体的相反极，以便在第一定子部分和第二定子部分之间如此构成的气隙中产生强磁场； [0021] －在第一定子部分和第二定子部分之间的气隙中彼此重叠的至少一对转子部分，每个转子部分被基于电绝缘材料基板而形成并且包括沿着与基板面平行的面设置的至少一层导电材料的至少一个轨道，该轨道包括称为驱动轨道部分的单位宽度的径向轨道部分，该宽度沿着气隙的径向方向并且与第一和第二定子部分之间的气隙的厚度方向垂直的方向小于或等于永磁体的宽度；驱动轨道部分沿着与第一和第二永磁体序列的角度间距相同的间距彼此平行的间隔开；驱动轨道部分的数量等于第一和第二定子部分的磁体数量； [0022] －在根据本发明的致动器中： [0023] －在同一转子部分中位于同一平面中并且彼此相邻的两个驱动轨道部分适于被供给彼此反向流动的电流； [0024] －分别属于同一对转子部分的第一转子部分和第二转子部分并且彼此重叠以便经受由同一对磁体产生的磁场的两个驱动轨道部分，也适于同时由彼此反向流动的电流供电以便当所有驱动轨道被供给电流时在由第一和第二永磁体序列在第一和第二定子部分之间的气隙中产生的磁场中流动的这些电流引起的拉普拉斯驱动使同一对的一个转子部分相对于另一转子部分沿着与气隙厚度正交的方向在相反的方向上位移。 [0025] 面对有永磁体产生的磁场值的固有限制问题时，本发明因此对抗所述反对因素，即提出可以由极高电流供电的致动器的转子，而没有永磁体的退磁化风 险。 [0026] 本发明的基本思想因此在于利用在上述申请中的规范中的事实，转子仅应进行几度的角度位移。发明人因此一方面想到同构选择轴向(即与导电平面垂直)磁场和径向电流并通过使磁体几何形状与适当驱动轨道的相互作用长度最大化来使拉普拉斯驱动最大化，并且另一方面物理地使同样设计但供电反向的两个转子，以使得在每个转子中产生的拉普拉斯力相反并引起相反角度的位移。由于反向的电流在磁动势交互作用区域中经过转子，该方案允许在第一级在定子部分两侧的永磁体分别看到的总电流为零。因此，永磁体的退磁化风险由于比在单个转子情况下的允许的电流值高得多的电流值而被压制。因此可以使极高强度电流通过并建立所追求的差分扭矩，而没有用于磁体的风险。换句话说，根据本发明的方案允许在同一气隙中彼此重叠的两个转子部分之间获得差分移动。该方案因此远远不是显见的，因此先验地直到目前没有想到使两个转子部分在永磁体致动器中相反反向位移。 [0027] 因此，由于本发明，可以获得可被极高电流供给并因此提供极高扭矩的永磁体致动器，这由于避免了永磁体的退磁化风险而具有较大使用寿命，并且还由于转子部分的小惯性及其驱动轨道的几何形状(见后面)而具有极短响应时间。 [0028] 根据本发明的永磁体可被直接粘在支承永磁体的基板上并在可能情况下被插入在定子部分的基板中开辟的适当沟槽中。在使用这样的沟槽的情况下，其功能主要是便于当组装上面安装有磁体的定子部分时的磁体定位。沟槽的深度被选择为相对于磁体的高度而言足够小，以便不创建磁路电流。同样适于沟槽的宽度：其被选择为相对于磁体的宽度而言足够小以便不产生磁路电流。此外，沟槽的宽度被选择为考虑磁体的尺寸的由于其制造方法、通常是模塑而导致的离散。 [0029] 根据优选实施方式，支承永磁体的基板由铁磁性材料制成，优选地由强相对磁导率系数μr的铁磁性材料制成，这允许闭合磁路场线并便于甚至在某些情况下由于永磁体施加在基板上的磁粘附性而不用粘接永磁体。 [0030] 根据本发明，有利地通过在同一定子部分的两个相邻磁体之间插入非铁磁性材料的屏蔽来保证永磁体和转子部分的机械保护，屏蔽的厚度足以阻止在磁体的暴露表面和与该表面最近的转子部分之间的任何机械接触。每个由非铁磁 性材料制成的屏蔽具有允许使可能有的摩擦力和机械损耗最小化的摩擦学属性。优选地，这些屏蔽构成被固定在与其接触的定子部分上的单个机械部件的一部分。优选地，这些屏蔽是由电绝缘材料制成的。优选地，这些屏蔽是基于含氟聚合物如聚四氟乙烯(常缩写PTFE)制成的。 [0031] 根据优选变型，每个转子部分包括单个轨道，驱动轨道的径向部分之间通过形成在转子部分正面看上去的堞形的切向部分连接。 [0032] 根据优选变型，转子部分由多层印制电路实现，轨道由多对彼此堆叠的、适于由同一方向流动的电流供电的导电材料层构成。优选地，堆叠的导电材料层的数量等于4个。 [0033] 转子部分的基板有利地是预浸渍的板，导电材料层由铜制成并且涂覆有电绝缘材料的完成层。 [0034] 根据有利的实施模式，机电断路设备包括在第一定子部分和第二定子部分之间的气隙中彼此重叠的两个转子部分的至少两个不同对。 [0035] 彼此重叠并且属于两个不同对的两个转子部分可适于当所有轨道被供给电流时在同一方向上位移。有利地，彼此重叠并且属于两个不同对的两个转子部分可适于当所有轨道被供给电流时在彼此相反的方向上位移。 [0036] 优选地，转子部分的所有轨道被相同电流电气串联供电。 [0037] 转子部分之间的电连接有利地通过挠性导线进行。 [0038] 优选地，在各对定子的序列中永磁体的数量是偶数的。 [0039] 本发明还涉及一种致动器组，包括至少两个如上所述并且彼此重叠的永磁体致动器，其中两个致动器之一的第二定子部分还构成两个致动器之中另一个的第一定子部分，称作中间定子部分，所述中间定子部分包括同一永磁体序列，该永磁体序列的每个极出现在同一基板的面上。转子部分的所有轨道被同样的电流I电气串联供电。转子部分之间的电连接通过挠性导线进行。 [0040] 两个致动器的转子部分适于在同一旋转方向上位移并且通过分别构成连接法兰的刚性法兰而在其外围部分机械连接。彼此相邻的两个刚性法兰有利地连接到适于在彼此相反的旋转方向上位移的转子盘，两个法兰中每一个机械连接到至少一个位移连杆，两个位移连杆中的每一个机械连接到同一机械元件，以使得在相反方向上的转子盘的旋转位移生成机械元件的平动位移。根据优选变型，两个相邻法兰中的每一个机械连接到两个位移连杆，这两个位移连杆自身 每一个都机械连接到不同的机械元件，以使得在径向相反方向上的转子盘的旋转位移在彼此相反的平动方向上生成两个不同的机械元件的平动位移。 [0041] 本发明还涉及一种电子装置，用于实现电流的负荷开关，包括至少一个如上所述的致动器组，其中机械元件与真空断路器的活动触点一体连接。 [0043] 根据在下面参照附图进行的详细描述，本发明的其它特性和有利方面将变得更加清楚，在附图中： [0044] －图1是根据示出本发明的具有永磁体的致动器的实施原理的剖面示意图； [0045] －图1A是示出根据以图1的致动器相同实施方式的根据实施变型的致动器； [0046] －图2A是示出根据本发明的致动器的根据一个实施方式的剖面示意图； [0047] －图2B示出根据与图2A的实施方式相同方式的根据实施变型的致动器； [0048] －图3示出根据相对于图2A和图2B的实施方式具有增大电机扭矩的实施方式的两个致动器的组件； [0049] －图4A和图4B是示出两个不同实施例的致动器的部分并且示出永磁体中的磁场方向、转子的驱动轨道中的电流方向、转子盘的旋转方向、转子的盘间排斥力并因此对永磁体的力的示意图； [0050] －图5是根据本发明的致动器的转子部分的实施变型的剖面示意图； [0051] －图6A和图6B分别是根据本发明的致动器的转子部分的正视图和透视图[0052] －图7是根据本发明的致动器的转子部分的实施变型的正视图； [0053] －图7A是根据图7的变型的转子部分的细节图； [0054] －图8是根据本发明的两个致动器组的透视图的细节表示，示出它们之间的机械连接和相对布置； [0055] －图9是在根据本发明的致动器组和要位移的机械元件之间的机械连接的正视图的细节表示； [0056] －图10A至图10C是根据本发明的致动器组和真空断路器的活动触点之间的机械连接的剖视图的细节表示，分别示出它们的闭合位置、中间位置、和断 开位置。 具体实施方式[0057] 为了清晰，在全部图中使用的相同符号具有相同的技术意义。 [0058] 刚描述的根据本发明的致动器还可以工作作为线性致动器，从图1至图3示意表示那样；或者工作为旋转致动器，如图6A、6B、7、7A和8的盘(冠)的形式。根据本发明的线性致动器因此是具有向无限远延伸半径的根据本发明的旋转致动器的受限实施方式。因此，为了清晰和简化，通过该有限情况来描述本发明并且在图1至图3中示出正交标记X、Y、Z，其中X、Y和Z分别表示轴向、切向和径向的方向，标记的轴线X与上面固定有永磁体的定子的表面的对称轴平行，标记的轴线Z在永磁体之一的对称平面中。 [0059] 换句话说，除了明确相反提及，把电流方向和转子部分的位移方向沿着这些方向提及，而不放在更加适于旋转致动器的柱状参考系统中。在这样的标记系统中，并且根据本发明，磁场平行于X方向定向。要在与磁场交互的区域中考虑的电流方向沿着与Z方向平行的径向矢量，而转子部分的位移方向沿着与Y方向平行的直辐射或切线矢量。再换句话说，在根据本发明的旋转致动器中，当提及转子部分在彼此相反的方向上位移时，这意味着在相反旋转方向上，或对转的。 [0060] 此外，如图1的图例示出的那样： [0061] -叉表示电流进入并且与XY平面正交的方向； [0062] -点表示电流离开并且与XY平面正交的方向； [0063] -箭头表示转子部分的位移方向； [0064] -虚线表示由永磁体创建的磁通量的线。 [0065] 类似地，由相同索引1或2或3或4表示本发明的意义上的同一对转子的两个转子部分，也就是说，在拉普拉斯驱动的作用下在切向方向(也就是说在如下详述的Y轴方向上)相反方向上位移。因此，在通常设计中，一对转子3i包括两个部分30i、31i。 [0066] 根据习惯，并且为了简洁，由数字0表示转子部分30朝着图上的左侧位移并且数字1表示转子部分31朝着图上的右侧位移。 [0067] 根据习惯，并且为了简洁，由标记100或200指示被定向为使得北极最接 近气隙的永磁体，而标记110或210每一个都指示被定向为使得南极最接近气隙的永磁体。因此，基板10或20包括永磁体100、110或200、210的一序列交替。还指出在两个气隙包围永磁体时由两个标记100、210或110、200表示它。 [0068] 根据习惯，通常为了简洁，由标记300或310表示其中能够流经的电流是进入的并且与XY平面正交的导电驱动轨道部分，而标记301或311每一个都表示其中能够流经的电流是离开的并且与XY平面正交的导电驱动轨道部分。不言而喻，该习惯假设固定的电流供给方向并且在方向反转的情况下，所指示的转子部分的所有的旋转方向都反转。 [0069] 在图1中示意性示出根据本发明的致动器A。 [0070] 首先致动器A包括由优选为铁磁材料的第一基板10中形成的定子1的第一部分，并且包括在第一基板的面上出现并且彼此角度规则间隔开的第一永磁体序列100、110。彼此相邻的第一序列的两个永磁体是在第一基板的厚度方向上相反定向的100、110。 [0071] 在由优选为铁磁材料形成的第二基板20中形成的第二定子部分2与第一定子部分1相面对地并行布置，并且包括在第二基板20的表面上出现并且沿着与用于第一永磁体序列相同的角度间隔而彼此角度规则间隔开的第二永磁体序列210、200。彼此相邻的第二序列的两个永磁体，在第二基板的厚度方向上是朝向相反的永磁体210、200。在第一定子部分 1和第二定子部分2之间的相对布置使得第二定子部分2的第二序列210或200的永磁体的S极或N极与第一定子部分1的第一序列100或110的永磁体的相反极N或S相面对：因此在第一定子部分和第二定子部分之间的气隙中创建强的磁场。因此形成具有与Z轴平行并因此与YZ平面正交的磁场的一组磁势交互区域。由于在定子部分的相邻两个永磁体之间的极性的反向定向，所得磁场方向反转；但是随着在同一定子部分的相邻两个驱动(驱动)轨道中流动的电流自身也反向，并且同一转子部分的同一层的驱动轨道的数量等于定子部分的磁体数量，拉普拉斯驱动对元件的驱动轨道施加附加扭矩，导致在每个转子部分处的扭矩，扭矩的值等于对驱动轨道中每一个所施加的扭矩之和。 [0072] 换句话说，彼此相对的永磁体形成彼此间隔开的磁柱，磁柱的磁场反向交替，磁柱的磁通量在相邻磁柱中通过磁体和定子部分的基板(基板包围磁通量) 而闭合。对磁力线的该闭合允许随时间保持永磁体的磁化。这就是为什么优选实施方式如下：定子部分的基板是铁磁性材料的，如软铁合金，基板的厚度因此被优化用于保证磁场线的闭合，而不会导致交互柱中的磁场强度的降级。在此指出，因为由永磁体给出的磁场本质上是连续磁场，所以不必基于之间组装的磁叠层来实现定子部分，这是由于实施根据本发明的致动器时可以出现的可能有的傅科电流是可忽略的甚至不存在。结果，在优选实施方式中，定子部分的基板基于实心部件(即整块部件)制造。 [0073] 对于需要利用非磁性材料的定子部分的特别应用，由于永磁体被具有较小磁化系数μr(通常等于1)的材料的刚性基板固定(支承)，如在绝缘塑料材料基板的情况下，磁力线的闭合变得关键，并且可用的磁场的强度比在铁磁性材料的定子部分的情况下小得多。 [0074] 优选地，并行永磁体的数量是偶数的。磁柱之间分隔开并且限定磁场的筒形总体形状。磁柱之间的间隔(也就是说相邻两个永磁体之间选择的间隔)是根据所针对的应用并且尤其是所针对的电机扭矩而被确定的。有利地可注意在永磁体价格和所针对的电机扭矩之间实现折衷。 [0075] 因此基板10或20充当永磁体100、110或200、210的机械支承，这些永磁体构成磁场的感性元件。 [0076] 优选地，第一定子部分1和第二定子部分2是相同的，其间的间距符合在两个永磁体之间恒定的角度间距，并因此彼此岔开以便实现上述的永磁体极性之间的对应关系。有利地，所有永磁体是相同的并且是钕铁芯磁体。其还可以是有机材料的，适当地涂覆有用于保护腐蚀的钝化层。更一般地，其还可以基于其它材料如钐钴、铁等来获得，或者基于具有铁磁性质的有机材料实现。 [0077] 在第一定子部分1和第二定子部分2之间的间隙中，布置有彼此重叠的两个转子部分30i、31i的一对3i。在以下将描述的优选实施方式中，每个转子部分的线圈由分布在多层印刷电路层中的金属(优选铜)导电轨道构成。电连续的该轨道主要一方面由一组驱动轨道部分形成，另一方面由一组互连轨道形成；该驱动轨道沿着正交坐标系的Z轴径向地定向，由于其几何位置经受由磁体产生的磁场，并且在被适当的电流流经时是拉普拉斯力的部位；互连轨道部分不经受由磁体产生的磁场的第一命令，并且用于保证所考虑的转子部分的线圈的电连续性。沿着径向方向Y驱动轨道部分300、301或311、310的宽度基本接 近并略小于永磁体100、200、110、210的宽度，以便在对向转子部分的相对极限位置中，驱动轨道部分300、301或311、310一方面总是在由其间有这些轨道的磁体产生的磁场影响，另一方面驱动轨道的部分300、311或301和310分别被充分地覆盖以使得它们导致的磁场中和效应是有效的，因此避免了永磁体100、200、110、210的任何去磁化风险。 [0078] 在优选实施方式中，驱动轨道部分具有介于5mm和20mm之间的宽度，并且其厚度介于25μm和100μm之间。互连轨道部分的宽度被选择为优化如此构成的线圈的内部电阻，同时实现在较小宽度(导致在高内部电阻的代价下的较小体积)和较大宽度(导致在较大体积的代价下的较小内部电阻)之间的折衷。在优选实施方式中，互连轨道部分的宽度介于5mm和20mm之间并且其厚度介于25μm和100μm之间。 [0079] 可注意驱动轨道部分根据与第一序列和第二永磁体序列相同的角度间隔而彼此角度规则间隔。 [0080] 根据本发明，同一转子部分30i、31i中的彼此相邻的两个轨道部分300、301或311、310适于被彼此相反方向上流动的电流供电。同一转子部分3i中的彼此重叠的两个轨道部分300、311或301、310适于被彼此相反方向上流动的电流同时供电。 [0081] 为了保证永磁体100、110和200、210以及转子部分30i、31i，在同一定子部分的两个相邻磁体之间插入非铁磁性材料的屏蔽120、220，如图1A所示。该屏蔽120、220具有足够阻止磁体暴露表面和磁体的最接近的转子部分之间的任何机械接触的厚度。屏蔽还具有允许使摩擦力和机械磨损最小化的摩擦学性质。优选地，这些屏蔽120、220构成固定在定子部分(与屏蔽接触)上的单个机械部件的一部分。优选地，这些屏蔽由电绝缘材料制成。优选地，这些屏蔽基于含氟聚合物(如聚四氟乙烯，缩写为PTFE)实现。 [0082] 在该图1A中，还可以看到有利变型，根据该变型，根据本发明的永磁体直接粘到支承它们的基板10、20上并还插入适当的沟槽中1000、2000。这样的沟槽1000、2000的功能主要是便于在组装定子部分(上面安装磁体)时定位磁体。 [0083] 根据本发明的优选实施方式，充当定子部分的线圈的支承体的多层印制电路自身被如同通常用于电子器件的印制电路那样实现，即通过蚀刻、由接合进行的组装、并且对于多个基板子集(预浸渍的石英纤维)加压。这些预浸渍的 材料被选择为使得其机械属性，尤其是杨氏模量，赋予其对在其平面中包含的方向上施加的脉冲式或连续的牵引力和压缩力的较大耐受性。 [0084] 如参照图5更详细描述的，根据本发明的优选实施方式，该多层印制电路由专用于驱动轨道部分和连接轨道部分的四个导电层301.1、301.2、301.3、301.4构成，并且其两侧涂覆有称作封闭层的保护层，用于一方面保证最外的轨道部分的电绝缘，另一方面在转子部分相对于邻近的另一转子部分或相对于如上所述的永磁体的保护屏蔽120、220摩擦时减小摩擦力。 [0085] 驱动轨道部分和互连轨道部分的厚度，和构成转子部分的预浸渍厚度被选择以便保证一方面从驱动轨道部分经由不同预浸渍基板向转子部分的基板的机械应力的可靠传输，另一方面为组件赋予足够小的厚度使得如此构成的多个转子部分可以被插入在两个面对的定子部分之间的同一气隙中。 [0086] 优选地，如此构成的转子部分的总厚度介于0.5mm和3.2mm之间。 [0087] 此外，被布置为彼此面对的永磁体经受由于在空间中存储的磁能导致的压力，该能量的大部分包含在由磁体限定的磁柱中。称为压力P的该压力可以通过假设磁场的称为"B"的强度在磁柱内是均匀的来计算。因此获得以下公式： [0088] P＝B2/(2.μo) [0089] 其中μo指示真空磁导率。 [0090] 每个永磁体因此经受其传送到其所固定于上面的定子部分的力，并且该力倾向于使该永磁体接近在磁柱中相对的磁体，该磁柱是由这两个磁体构成。当定子部分的磁体的数量较大时，并且当与磁体所属于的盘平行的平面内的磁柱截面也较大时，由定子部分的每个磁体施加的吸收力之和可变得相当大，约10000N的值是常见的。换句话说，可以获得极高的电机扭矩。 [0091] 为此，在本发明的优选实施方式中，借助于围绕磁体所属于的定子部分的盘的对称轴分布的非磁性材料隔板，相对的两个定子部分之间的距离被保持在为恒定。注意隔板的截面和数量足以使得两个定子部分不受到形变并且保持在期望的距离上彼此平行。 [0092] 在本发明的优选实施方式中，这些隔板位于与其中定子部分之间的吸引力被作用到的区域最接近的区域中，以便防止其基板的静态形变的风险。因此，明智地选择使转子部分具有孔、或开口，从而允许所述隔板的通过。这些孔优选地具有适当的形状和尺寸，以便允许转子部分的自由行程，而不会被隔板阻 挡，即，隔板不会变成麻烦的阻挡。 [0093] 在优选实施方式中，这些孔被精确定位并加工，以便执行转子部分在气隙中的预定位，该预定位保证在转子部分的旋转轴线和磁体固定于其上的定子部分的盘的对称轴线之间的第一同心级别。这样的预定位提供足够的机械游隙来允许转子部分到其传动链的耦合，传动链把转子部分连接到其应操纵的机械开关，而不会导致不确定状态。 [0094] 刚描述的根据本发明的致动器A的操作因此如下：当所有轨道被电流供电时，由该电流导致的拉普拉斯驱动使转子部分30i沿着切向方向Y相对于另一转子部分31i在反方向上位移，该电流在由第一和第二永磁体序列在第一定子部分1和第二定子部分2之间的气隙中产生的磁场中流动。 [0095] 根据一个变型，供电电流对于构成每个转子部分的线圈的所有导电材料轨道是相同的，并且两个转子部分彼此串联地供电。此外，有利地，两个转子部分的每一个的相对角度位置被合理选择为使得分别出现在转子部分的两侧上并且位于同一磁柱中的两个驱动轨道部分处于反方向。当然应注意也要保证驱动轨道部分、磁体、和保持两个定子部分之间距离的隔板的各自定位。 [0096] 根据本发明的这样的致动器可以被极高值的电流供电，这是因为由每个永磁体看到的总电流在由相面对的磁体100、210或110、200形成的磁柱中为零。其去磁化风险因此大大减小。使用极高电流，可对于根据本发明的致动器A获得极高的电机扭矩。 [0097] 实际上，根据本发明的致动器有利地被提供来获得转子部分的较小位移，约几毫米，或几度的角度行程。较小的位移对于使机械元件如机械开关的活动触点位移，如以下详细描述的那样。还在实际中，限定根据本发明的致动器，以便角度行程使得在每个转子部分的极限位移位置中，导电轨道部分300、310、311或301、310总是处于与永磁体面对的区域中。 [0098] 为了增大根据本发明的致动器A的电机扭矩，可以增大两个定子部分1和2之间的同一气隙中的转子部分3i的数量。有利地注意，通过进行要达到的磁场值和在气隙中的转子的数量之间的足够折衷来发现转子部分之间的最优距离。在本发明的优选实施方式中，在同一气隙内的转子部分的数量是介于4和8之间的对的数量，气隙的厚度介于4和10mm之间。 [0099] 在图2A和2B中，示出增加电机扭矩的两个不同变型，具有彼此堆叠的两 个部分301、311和302、312的两对转子31、32。 [0100] 在图2A中的变型中，当所有轨道被供电流时，彼此重叠并且出现在两个不同对31、32处的两个转子部分适于在同一方向上位移。 [0101] 或者，在图2B的变型中，当所有轨道被供电流时，彼此重叠并且并且出现在两个不同对31、32处的两个转子部分311、312适于在彼此相反的方向上位移。 [0102] 这些替代方式允许不同地解决：在一方面是转子部分之间的吸引或排斥力(这些力具有对转子部分之间根据其相对选择方向的相对摩擦的有益效果或负面效果)的管理、和对由流经每个驱动轨道部分的电流引起的磁场的自动补偿之间的折衷。 [0103] 对于供电，可以串联或并联地供给同一对31、32的两个转子部分。还可以串联或并联供给同一气隙中的两个对31、32(图2A、图2B或图3)。 [0104] 图3示出优选实施方式，其中致动器的转子分别由分布在两个气隙中的两对的四个转子部分301、302；303、304；311、312；313、314构成。在同一气隙内部的转子部分的布置是图2A的布置。位于两个气隙之间的中间定子部分主要用作磁中继，也就是说其功能不再是闭合磁力线。位于其对称面两侧的永磁体保证第一气隙的磁柱向第二气隙的磁柱的连续性，这些磁柱经由中间定子部分两侧的定子部分10或20闭合。该优选步骤具有多个优点。一方面，其由于使用等于代替在图2A的情况下的四个的八个转子部分的数量而引起电机扭矩的增加。另一方面，如图8所示，用于在同一方向上旋转的转子部分还部分地分布在每个气隙中。因此通过合理选择在每个气隙的对称平面之间的距离，并且通过使用机械地连接用于在同一方向上位移的转子部分的隔板，还可以赋予如此构成的转子部分大于在图2A和图2B的情况下可想到的硬度的硬度。因此，根据本发明的致动器不仅能够建立约几千Nm的极高扭矩，还可以向应该移动的对象传送扭矩而没有磨损或恶化的风险。 [0105] 因此，图3的方式是优选的，如以上参照图4A和图4B解释那样，图4A和图4B详细示出在具有彼此重叠的两个致动器A1和A2的同一磁柱100、210、100处的磁通分布和拉普拉斯驱动分布。当两个彼此重叠的转子部分在相反方向上位移并接触时，可以引起摩擦并因此劣化。然而，当彼此重叠的两个转子部分在其界面处封闭磁场，则磁场倾向于把它们推开。 [0106] 因此，优选的实施变型同时减小彼此重叠的转子部分之间的摩擦以及排斥 力。图4A示出这样的优选变型，其具有奇数(此处为1)对的彼此直接重叠并且在同一方向上位移的转子部分。图4B还示出这样的优选变型，但是具有两对的彼此直接重叠并且在同一方向上位移的转子部分。在此指出其中由转子部分创建的磁场是高强度(即比磁柱的其余部分更大)的区域在图4A和图4B上由深的宽线指示。还指出垂直箭头表示根据气隙高度方向作用的力。因此，由转子部分在两侧框起的转子部分或者被所述转子部分推开或者相对于所述转子部分旋转运动：因此摩擦减小到最小。与定子部分相邻的转子部分可以把力(扭矩)沿着X方向(致动器的轴线)传送到该定子。根据图4A和图4B的布置允许沿着致动器的X方向尽可能补偿有害的轴向力。事实上，无论所选择的电流方向如何，定子部分的永磁体100或 210不经受所得的磁力或不经受沿着X方向所得的扭矩：如所符号化那样在磁体100或210上的垂直箭头总体上抵消。事实上，一方面在转子部分和永磁体之间，力是较小的并且可忽略的；另一方面，在两个相邻的转子部分之间所经受的力是独立于电流方向本身的。此外，应提醒由具有良好摩擦学性质的材料制成的屏蔽120、220的存在一方面阻止转子部分与永磁体的任何直接接触，另一方面便于该转子部分在屏蔽上的相对滑动。 [0107] 这涉及不在致动器的端部(也就是说在永磁体序列的端部处)的永磁体100或200，因此这是根据本发明的致动器的所有永磁体通过使其转子部分旋转来操作的情况。相反，在线性致动器的情况下，被考虑为旋转致动器的渐进极限，端部的永磁体应该不可避免地抵抗沿着致动器的轴线方向上所得的力和所得的扭矩。如从图4A和图4B可见，彼此相邻并且在同一方向上位移的转子部分实际上没有彼此相对运动。因此，可以想到将其机械连接，甚至把其制造成单个同一部件。可指出在图4B的变型中，与定子部分(也就是说最接近的永磁体)相邻的转子部分，可以在非优选实施方式中是一体地固定到定子部分的。因此，受益于电磁排斥(支承)，通过把最近并且自由移动的转子部分排斥开，允许减小摩擦，但代价是如此损失的转子部分中的焦耳效应，这是在其不贡献于提供致动器的电机扭矩的意义上讲的。在图4B上，示出了深色框C，其符号表示在定子部分100或210和相邻的转子部分(该转子部分因此起到磁支承的作用)之间的相互固定，箭头指示其位移变得无意义。在根据本发明的优选实施方式中，该框可以被忽略，并且箭头恢复其通常含义。 [0108] 在图5中，示出转子部分的有利实施变型，其允许在使寄生电感最小化的同时获得用于电机扭矩的较大值。所示的转子部分30i因此由具有彼此重叠以形成单个轨道部分的四个导电材料层的多层印制电路构成。因此，其中进入XY平面中的电流流经的轨道部分300由彼此堆叠的四个层300.1、300.2、300.3、300.4构成。类似地，其中相反方向的电流流经的相邻层部分301由彼此堆叠的四个层301.1、301.2、301.3、301.4构成。彼此堆叠用于构成同一轨道部分300或301的多个导电层对是有利的。实际上，使用多对的情况下，给定层的返回路径因此在印制电路的另一堆叠层中进行。如此实现的导电材料轨道的所得自感可以尽可能小。换句话说，力求把同一转子部分内的电流导体材料的自感减小到最小。转子部分30i的基板优选地是预浸渍板，如环氧树脂预浸渍板，导电材料层为铜制成并且涂覆有电绝缘材料完成层302。实际上，可以实现相对粗细轮廓的导电轨道4的部分300、301来减小也称为kelvin效应的趋肤效应，根据该效应，在某个较高频率，电流倾向于仅在导电表面中流动。使用这样的粗细轮廓，还可增加基板30和导电轨道4之间的机械附着力并因此增加其间用于传输力的机械耦合。作为示例，导电轨道4可以对于70μm量级的厚度e具有12至15mm量级的宽度。举例而言，保护层302可以具有70μm量级的厚度。 [0109] 在图6A和图6B中，示出符合盘6的总体形状(更具体地为环形)的转子部分30i。转子盘30i、6包括实现成绝缘基板的单个导电材料轨道4。所示出的该模式特别有利，因为所有径向轨道部分300、301彼此之间通过形成堞形的切向部分3010连接。这允许在所有径向部分300、301之间的简单互连，径向部分300、301是与定子部分的永磁体面对的部分。换句话说，引起在根据本发明的致动器中追求的拉普拉斯驱动的径向部分300、301在此最优地互连为整体以便贡献于总扭矩。在所示示例中，径向部分300、301通过相邻两个之间15度的角度间隔来实现。为了通过软线进行电连接的简单性，用于分别实现轨道4中的电流的输入和输出端的两个输入61和输出62连接簧片并排提供在环6的内部。实际上，如上所述，由于转子部分的线性位移或角度行程太小，所以可以仅用软线实现电连接。此外，由于电连接的软线的较小重量，它不会增加转子部分的惯性。盘6在其外围包括多个孔60，每个孔60都用于固定机械连接法兰或换句话说传送如下面解释的移动。盘6还在其内部的外围包括导电轨道63，其构成能够保护控制电子器件免受可能引起容性电流的电场的屏蔽。为了实现 供电，可以具有与转子盘数量相同的受控脉冲发电机。有利地，为了简化并出于成本原因，可以减小该数量，并且可以实现所有转子部分的串联并因此对于给定致动器或对于两个致动器A1、A2组具有单个受控脉冲发电机，如下文详述。还有利地，为了实现供电，可以使同一致动器的所有转子部分串联。优选地并且实际上，通过软连接线在输入61和输出62连接法兰处来实现该目的。使用这样的软线，简单地并且此外不用加入可能使转子部分惯性更大的多余重量来保证电气串联。如图7和7A所示，转子盘6被穿有通孔64。透过每个这些孔64提供容纳未示出的隔板。该隔板由非磁性材料实现以便不干扰在气隙的有效部分中的磁通量。隔板的功能是保证气隙的厚度以避免定子部分之间的转子部分的夹紧。在此指出在隔板和其中容纳隔板的孔64之间提供运转间隙。事实上，该运转间隙应该足以允许针对每个转子盘6的预定角度行程。 [0110] 图7和7A示出根据本发明的转子盘6的实施变型。在该变型中，盘6的不包括导电轨道并且因此仅由绝缘材料制成的外围部分被穿有口600，口600在给定直径上规则岔开并且在不同直径之间也岔开，如图7A更好示出那样。因此增加能够出现在转子部分的支撑物的电绝缘表面30上的漏电流路径。换句话说，增加在转子部分上的泄漏线长度。换句话说，力求在这些孔600之间实现介电障碍。 [0111] 图8示出多个机械连接法兰7的有利固定，机械连接法兰7中每一个与另一个之间固定四个相同转子部分301、302；303、和304，这四个属于彼此重叠并且当经受有电流时在同一方向旋转的两个致动器A1、A2。每个转子部分301、302；303、和304被实现为环状盘6的形式，如图7和7A所示。因此，由中空管状部分构成的机械连接法兰7被通过螺杆/螺帽系统71透过孔60一方面从上面拧到致动器A1的两个转子部分301、302，并且另一方面通过螺杆/螺帽系统72拧到致动器A2的两个转子部分303、304。螺杆/螺帽系统71或72可以当然被任何等效的机械系统替代。固定是在一个方向上转动的转子盘301、302；303、304并且在相反方向上转动的转子盘311、312；313、314的所有外围上实现的，以使得彼此邻近的两个刚性法兰70连接到适于在彼此相反的方向上位移的转子盘。除了如下面解释的转子盘的旋转移动的机械传输功能之外，如此提出的连接法兰70允许创建某种自支承的刚性结构。与根据现有技术的旋转致动器相比，这尤其有利，因为在此移除了大量部件，尤其是支承适当地说转子部分的轴以 及支承轴的轴承。 [0112] 图9中示出在致动器的转子盘的旋转运动和要平动位移的机械元件之间的机械传输装置。在此，沿着Y方向在相反方向平动位移的两个相邻法兰7d、7g中的每一个，由于其所固定到的转子盘的反方向的旋转，而被通过在中空管状部分中的轴73铰接到两个位移连杆74.1和74.2。两个位移连杆74.1和74.2中的每一个被分别铰接到同一机械元件8.1或8.2。 因此，当转子盘在反方向转动时，两个相邻的法兰7g、7d同时沿着Y方向在彼此相反的方向上平动位移并因此产生每个机械元件8.1或8.2的沿着X方向的同时平动位移。换句话说，使用图9所示的机械连接，定义允许在转子盘和要位移的机械元件之间的最优机械传输力的分布的可变形平行四边形。 [0113] 在图10A到图10C中，最终示出其中刚描述的机械元件8.1和8.2与真空断路器的一个活动触点90一体连接的优选应用，真空断路器的另一触点是固定的。如从这些图可见，未示出的根据本发明的转子部分的极小角度行程(2-0)允许通过机械连接法兰70和位移连杆74.1、74.2而从闭合位置(图10A)过渡到两个真空断路器9的断开极限位置(图10C)。这些真空断路器8构成用于产生、中断或断开高压高电流的电气装置的一部分。在如由本申请同一天申请并且标题为"A mechatronic circuit-breaker device,an associated triggering method,and an application to breaking high direct currents(机电断路设备、相关的触发方法以及用于断路高直流的应用)"中描述的机电断路器的主切断应用中，真空断路器不必自己对该电流进行断路。 [0114] 这些真空断路器的主要应用是构成用于在极短时间内切断高压直流或交流的机电断路器设备中的电磁负荷开关组件。 [0115] 根据本发明的永磁体电磁致动器和其致动的机械负荷开关因此当它们根据以下包括使用两级模块设计的优选方式实现时有最大优势。 [0116] 第一模块设计涉及针对负荷开关的所述闭合位置而在减小插入损耗的情况下要传导的高强度恒定电流，例如3000A，并且针对该同一负荷开关的所述断开位置而在其间使高压初级电路部分绝缘的能力。该双功能化在常规电装置的情况下表现为几kg的大规模移动部件，由于用于保证较小接触电阻所需的较大接触和压靠表面；以及表现为在断开位置的触点之间的几cm的较大距离，为了承受电压。因此，根据本发明的第一模块设计包括把初级导体分为多个子支路， 每个子支路具有与单一支路相同的功能，但具有减少的约束。因此，根据本发明的该第一模块设计的优选实施方式，初级导体被分成在负荷开关的闭合位置下分布电流的十二个子支路。根据本发明的该优选方式，在负荷开关被如图10所描述那样分成十二对真空断路器的情况下，假设每个真空断路器在每对断路器处均匀分布，则每个真空断路器仅在闭合位置中传导等于总电流值的十二分之一的值。对于3000A的总初级电流的所述示例，每对串联断路器仅传递250A。因此设想在闭合位置的静态压力和触点尺寸比同样性能的单个断路器的情况小得多。然而，根据本发明的电磁致动器是基于由如图6和图7所示出的印制电路制成的转子部分实现的，并且被布置为如图3和图8所示的对转转子形式。因此其完全适于致动如图8所示并且均匀分布在根据本发明的致动器的转子周围的真空断路器对的多个模块。当真空断路器模块被恰当地固定到与致动器的定子一体的参考系时，转子部分因此通过其到真空断路器模块的耦合而被自动定位。静态不确定性风险，在该术语的机械意义上，由于适当间隙，尤其是由于在定子部分的定位隔板的通过孔中提供的间隙而避免。 [0117] 第二模块设计涉及承受断开位置的高压的能力。在常规电装置的情况下，该功能导致在极短时间内并且在相对较高的指定速度使几kg的大规模接触部件在几cm的距离上位移的需要，这需要较大控制能量。因此在高压领域中已知称为双重移动的技术，其包括同时使同一装置的相面对的两个触点以基本上等于所需差分速度的一半的速度位移。这导致把操纵所需的机械能减小一半。根据本发明的永磁体电磁致动器和机械负荷开关的第二模块设计因此包括由双重移动技术所针对的目标的一般化，即把操纵能量最小化。事实上，根据本发明的第二模块设计包括机械负荷开关的模块设计，其准许相同的多个机械负荷开关的串联。该实施假设要向不参考地而加电压的对象提供操纵能量的能力。然而，所提到的两个模块设计(其补足根据本发明的差分致动器的方案，并且考虑其中仅偶发地加载这样的装置的使用模式)的优点导致定义以下设备：其中用于断开和/或闭合操作所需的能量可因此被存储在所装载的电容体中，考虑到使用率，在操纵之后用于恢复能量所需的平均功率是足够小的，使得该能量可以通过光供给而从位于地面的光源(如一个或多个半导体激光或者一个或多个大功率电致发光二极管)传送，并被经由一个或多个光纤(优选由硅制成)导向根据本发明的致动器的芯，从光能到电能的转换已知经由一个或多个光电转换器 进行。 [0118] 刚描述的可与用于操纵断开和/或闭合所需的能量的光供给关联的两个模块设计，允许根据本发明的永磁体电磁致动器和机械负荷开关被用于如在与本申请同日申请并标题为"A mechatronic circuit-breaker device,an associated triggering method,and an application to breaking high direct currents(机电断路设备、相关触发方法、及对高直流断路的应用)"的专利申请中描述并要求保护的机电断路器中。 [0119] 多个改进可以在不脱离本发明的范围的情况下提供。 [0120] 因此，至于材料，根据本发明的任何磁体可以由稀土如钕铁芯等制成。还可以由有机材料制成。 [0121] 至于在基板上的永磁体的固定，可以简单地想到如所示那样直接站在基板上并且必要时插入基板中的沟槽中，这些沟槽主要允许便于在组装上面装有磁体的定子部分时的磁体定位。当然应注意在固定模式中尽可能小地修改磁场线。 [0122] 此外，至于永磁体的形状，可以想到平行四边形的总体形状。对于根据本发明的旋转致动器，还可以想到沿着其长度(也就是说面对定子部分)的梯形永磁体。因此，可以获得定子部分的有效导电部分，即由允许建立拉普拉斯驱动的电流经过的部分，其与永磁体面对保持在整个角度行程上。换句话说，沿着整个角度行程，有效导电部分(径向延伸的部分)可以在最有效磁场区域中保持最多。还可以想到梯形截面的磁体，也就是说，沿着其厚度，换句话说在要实现的气隙的厚度中。因此可以局部地增加在磁通密度。 [0123] 此外，至于用于在转子部分和要位移的机械元件之间传送机械力的机械连接，其可以有利地包括可变形的如图9所示那样的平行四边形。此外，连杆74.1或74.2可以是刚性的或可变形的。当其是刚性的，其可以由优选注入的塑料材料制成。连杆截面可以符合希望：因此，这些连杆可以是平的、柱状或非对称的。 |
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