本發明涉及用于磁保持螺線管致動器的柱塞，特別是但不限于用于開關接觸器致動器裝置的柱塞。本發明還涉及磁保持螺線管致動器，以及提升磁保持螺線管致動器的性能。

背景技術：

為了提高螺線管致動器的生產成本效益，在許多情況下，致動器的磁性件使用傳統的鐵氧體磁鐵代替磁性更強的稀土磁鐵。鑒于稀土元素的稀缺性，使用這種磁鐵生產磁性產品的成本在增加。

然而，與稀土磁鐵相比，鐵氧體磁鐵的磁場較弱，這對于構造致動器造成一些問題。減小磁鐵的磁場強度相應地減小了致動器施加于致動器的柱塞上的作用力，從而降低了磁保持力以及柱塞整個沖程中的線圈驅動力。這對于一些需要強勁且一致的沖程以獲得任何特殊效果的應用可能會產生有害影響。

開關接觸器裝置的致動器即屬于這樣一個沖程力至關重要的領域，因為較弱的沖程力可能會導致觸點之間產生電弧和/或觸頭顫動，任何一種都可能損毀開關接觸器并隨著時間的推移產生故障。

技術實現要素：

本發明提供一改進的柱塞裝置以解決或限制上述問題。

根據本發明的第一方面，本發明提供一用于磁保持螺線管致動器的柱塞，所述柱塞包括：一縱長的柱塞本體以及形成于柱塞本體一端的柱塞頭，所述柱塞本體包括一磁界面本體部，所述磁界面本體部在柱塞本體的相對兩側面形成第一、第二平面。

用于磁保持螺線管致動器的柱塞通常具有圓形的截面，以在柱塞與螺線管之間形成最小的摩擦配合。柱塞通過提供平面的部分與致動器的保持磁體形成磁性連接，柱塞向螺線管內的自由移動不受限制，而柱塞與保持磁體之間的保持力則明顯地增大。如此提升了致動器的效能，特別是對于使用磁性較弱的，通常是成本更低的磁鐵的場合。

較佳地，所述磁界面本體部的截面可為正方形或長方形。

正方形、立方體或基本上呈長方形的磁界面本體部可以有利地提升柱塞與保持磁體之間的磁性連接。由于保持磁體通常具有平坦的表面，在柱塞上設置平面確保形成均勻或實質上均勻的磁相互作用，從而加強兩者之間的磁相互作用。

所述磁界面本體部可與柱塞頭和/或柱塞本體與柱塞頭相反的一端間隔開。

通過將磁界面本體部設置為遠離柱塞本體的末端，在生產該柱塞時額外材料的用量可以最小化。顯然，圓柱狀柱塞和其寬度與圓柱直徑相同的方形外形柱塞相比較而言，對于形成給定長度的柱塞本體，圓柱狀柱塞需要更少的磁性材料。盡量降低柱塞重量的增加量也會導致致動器在給定的外加電壓下產生更大的加速力。

所述柱塞本體也可以構造成其至少靠近磁界面本體部的部分為圓柱狀。

柱塞具有至少一圓柱狀的尾部使其能夠用于圓柱狀的螺線管線圈，這是致動器的螺線管線圈最通常的使用形狀。

可選地，所述磁界面本體部的截面面積可以大于柱塞本體的其余部分的截面面積。

柱塞的磁界面本體部具有更大的截面積確保柱塞可以相對于螺線管線圈自由移動而不會與致動器附近的其它物體碰撞。

所述磁界面本體部可沿柱塞本體的大部分縱向長度延伸。在一實施例中，其也可沿其整個縱向長度延伸。磁界面本體部優選地可沿柱塞本體的縱向長度具有均勻或大致均勻的寬度。

沿其長度其截面全部為正方形或長方形的柱塞相對于具有混合的正方形與圓柱形本體部的柱塞在制造上更為簡單，并且可以配合具有方形繞組的螺線管線圈使用。

根據本發明的第二方面，本發明提供一磁保持螺線管致動器，包括：一螺線管線圈；一安裝于螺線管線圈內的可磁化的螺線管芯；一安裝于或靠近螺線管線圈的一端的磁性件；及一柱塞，優選地為本發明第一方面提供的柱塞，所述柱塞包括一可與磁性件磁性接合的磁界面本體部，所述柱塞可收容于螺線管線圈內以使至少部分所述磁界面本體部靠近所述磁性件，所述磁界面本體部與磁性件的形狀互補，以增加或優化兩者之間的磁性接合。

磁保持螺線管致動器所采用的柱塞具有與磁性件互補的形狀將提升柱塞與磁性件之間的磁性連接，在驅動上產生更大的沖程力，并且使得在給定的驅動電壓下致動器更為強大。

所述柱塞可被收容于所述螺線管線圈內的長度范圍為圓柱狀，所述螺線管線圈為圓柱狀線圈。所述柱塞的磁界面本體部的尺寸設計成使其不能插入至螺線管線圈內。所述磁界面本體部的截面可為正方形或長方形。可替代地，所述磁界面本體部可形成柱塞的本體的至少大部分縱向長度，所述磁界面本體部的截面為正方形或長方形。對應所述柱塞的螺線管線圈可為正方形或長方形線圈。可選地，所述螺線管芯可形成柱塞限位器。

為了防止柱塞的磁界面本體部對致動器的螺線管線圈的意外損壞，柱塞進入螺線管線圈的深度可被限制。有各種方式可實現此目的。

優選地，磁性元件可包括第一和第二條形磁鐵，其可形成為鐵氧體磁鐵。在一個優選的實施例中，磁性元件可形成為具有貫穿的方形孔的磁殼體。方形孔的尺寸設計成用以容納柱塞的磁界面本體部。

致動器的保持力的提升意味著，如果需要的話，可以使用鐵氧體磁鐵替代較貴的稀土磁鐵，不會造成致動器明顯的效率損失。這樣有利地提升了此種致動器的成本效益。另外，使用鐵氧體磁鐵，其提供較弱的保持力，如此可以使用磁性較弱的螺線管，這樣可以提升致動器制造的成本效益。

較佳地，所述磁保持螺線管致動器可以是接觸器開關致動器。

由于接觸器開關依靠強大的致動器來限制或減少觸點顫動量，因此本致動器裝置提供的增強的沖程力將非常有益于此種開關。

根據本發明的第三方面，本發明提供一種提升磁保持螺線管致動器的性能的方法，所述方法包括改善所述磁保持螺線管致動器的柱塞和磁性元件之間的磁相互作用的步驟。所述磁相互作用的改善是通過改變所述柱塞位于或靠近所述磁性件的部位的截面，使其更加方形或長方形以更好地與磁性件的形狀相匹配來實現的。

提升磁保持螺線管致動器的柱塞與保持磁體之間的磁相互作用有利地提升了致動器的沖程力，從而實現柱塞更為精準、高效的移動。

附圖說明

為更清楚地描述現有技術以及本發明各實施例的技術方案，下面簡要介紹描述現有技術以及各實施例所使用的附圖。顯然，以下附圖僅描述本發明的一部分實施例，本領域普通技術人員可以在無需付出創造性勞動前提下獲得其它圖式。

圖1是根據本發明第一方面的柱塞的第一實施例的立體圖，用于配合磁保持螺線管致動器使用。

圖2a是根據本發明第二方面的磁保持螺線管致動器的第一實施例的截面圖，使用圖1所示的柱塞，柱塞相對于螺線管芯處于伸出狀態。

圖2b是圖2a所示磁保持螺線管致動器的端面示意圖。

圖3是圖2a所示磁保持螺線管致動器的截面圖，其中柱塞相對于螺線管芯處于縮回狀態。

圖4a為現有技術中具有圓柱形柱塞的磁保持螺線管致動器的端面示意圖，其中箭頭示出致動器的磁性件與柱塞之間的磁相互作用的大小。

圖4b是圖2a所示磁保持螺線管致動器的端面示意圖，其中箭頭示出致動器的磁性件與柱塞之間的磁相互作用的大小。

圖5是柱塞在不同伸出位置的作用力的曲線圖，下方的曲線pa示出圖4a所示現有柱塞的作用力，上方的曲線sp示出本發明圖4b所示柱塞的作用力。

圖6a是根據本發明第二方面的磁保持螺線管致動器的第二實施例的截面圖，其中柱塞相對于螺線管芯處于伸出狀態。

圖6b是圖6a所示磁保持螺線管致動器的端面圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在無需付出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

首先參照圖1，示出了一用于磁保持螺線管致動器的柱塞10。所述柱塞10改進了磁保持螺線管致動器12的性能。

所述柱塞10包括一縱長的、優選地其主要部分呈圓柱狀的柱塞本體14。所述柱塞本體14的一端16形成柱塞頭18，所述柱塞頭18可以將任何使用該柱塞10的磁保持螺線管致動器12產生的力傳遞至另一裝置，例如，所述磁保持螺線管致動器12可以作為開關接觸器裝置的致動器。

除了所述柱塞本體14的磁界面本體部20之外，所示柱塞10的柱塞本體14以及柱塞頭18具有基本一致的橫向或徑向尺寸。所述磁界面本體部20將在下面詳述。盡管所述柱塞頭18的形狀將取決于磁保持螺線管致動器12的實際應用，所述柱塞本體14的尺寸將取決于磁保持螺線管致動器12的螺線管線圈24的內部尺寸，但在本實施例中，所述柱塞10還包括一柱塞頸22，所述柱塞頸22分開柱塞本體14與柱塞頭18。

所述磁界面本體部20的形成是為了提升使用柱塞10的磁保持螺線管致動器12的磁性件26與柱塞10之間的磁相互作用。所述磁界面本體部20的形成可以通過改變柱塞本體14的截面實現，如此，與磁性件26的一個或多個保持磁體28形成均勻或大致均勻的間隔。

在所述實施例中，該磁界面本體部20呈方塊狀或大致呈方塊狀，至少部分由圓柱狀的柱塞本體14向外沿垂直于柱塞10的縱軸的方向延伸而成。如此，在柱塞本體14的相對兩側形成至少第一、第二相反的平面30、32。雖然在所述實施例中，所述方塊狀的磁界面本體部20將形成四個這樣的平面，但應當注意的是，對于大部分磁保持螺線管致動器12來說，在螺線管線圈24的一端會設置兩個相對的平面磁體28，因此僅通過形成上述兩平面30、32就可以在柱塞10與磁體28之間形成適當的磁相互作用。

所述磁界面本體部20本身與柱塞頭18以及柱塞本體14的與柱塞頭18相反的一端34間隔開。柱塞本體14遠離柱塞頭18的端部36呈圓柱狀或大致呈圓柱狀。所述端部36的尺寸設計為能收容于螺線管線圈24之內。相對地，所述磁界面本體部20的尺寸可以設計為不能插入至螺線管線圈24內，這可以通過方塊狀的磁界面本體部20比螺線管線圈24的內部空間寬來實現。

圖2a至3例示了一個代表性的磁保持螺線管致動器12。圖2a是柱塞10處于伸出狀態的磁保持螺線管致動器12截面視圖，圖2b為磁保持螺線管致動器12的從圖2a的右手側觀察的端面視圖。對于磁保持螺線管致動器12，除非需要在伸出狀態與縮回狀態之間驅動柱塞10，螺線管線圈24將被斷電，因此通常設置有一個或多個與柱塞10連接的偏置彈簧37，以在柱塞10處于伸出狀態時幫助維持所述柱塞10的位置。

所示的磁保持螺線管致動器12包括螺線管線圈24，所述螺線管線圈24在其一端40設置有基板38，所述基板38位于螺線管線圈24之外，并與設置于螺線管線圈24內的可磁化螺線管芯42連接。通常，所述螺線管芯42形成螺線管的柱塞限位器。所述螺線管線圈24繞設于螺線管芯42上。

磁性件26定位在螺線管線圈24的另一端44。在此，所述磁性件26形成為一具有穿透的方孔48的磁鐵殼46。所述方孔48內設置有兩個條形磁體28，優選地為鐵氧體磁鐵28。所述兩個條形磁體28分開地設置于磁鐵殼46內的方孔48的相對兩側。

所述柱塞10插入至磁保持螺線管致動器12內，使得所述端部36至少部分位于螺線管線圈24內，而所述柱塞本體14的磁界面本體部20位于或靠近磁性件26。

圖2a中，所述磁保持螺線管致動器12未通電，柱塞10處于伸出狀態。所述偏置彈簧37可與柱塞10相連以確保在螺線管致動器12處于斷電狀態時維持柱塞10相對于致動器外殼的位置。在圖2a、3中，致動器外殼由外殼壁47示意性地表示。

在此默認狀態下，柱塞10的磁界面本體部20的大部分與磁性件26的磁體28相重疊。然而，并非整個磁界面本體部20相重疊，這由圖2a可以明顯地看出。

圖2b示出上述磁保持螺線管致動器12的端部示意圖，顯示了磁界面本體部20的第一、第二平面30、32的鄰近部分。所述第一、第二平面30、32平行于且緊鄰磁性件26的磁體28的鄰近平面50。

所述第一、第二平面30、32與鄰近的磁體28的平面50對齊并緊鄰確保了柱塞10與磁性件26之間強勁且高度均勻的磁性連接或相互作用。

所述磁保持螺線管致動器12的柱塞10的縮回狀態可參見圖3，隨著螺線管線圈24通電，使得柱塞10由其伸出狀態移回。由于螺線管線圈24通電，柱塞10縮回至螺線管線圈24內，使得磁界面本體部20基本位于磁性件26的磁體28之間并與磁體28對齊，從而相對于完全呈圓柱狀的柱塞，產生明顯增大的吸引力，如此使得施加至與柱塞頭18相連的任意器件的沖程力隨之增大。將所述柱塞10與磁性體保持在一起的保持力足以克服偏置彈簧37的作用力，因此即使螺線管線圈24隨后斷電，柱塞10仍可以維持在縮回狀態。

由于增大的吸引力，不僅柱塞10的沖程力增大，柱塞10的移動速度同樣顯著增加，如此導致磁保持螺線管致動器12更高效，特別適用于要求柱塞10快速移動的場合。

在測試柱塞10裝置時，發現通過螺線管的特別設置實現的吸引力增大帶來的優點明顯大于柱塞10的重量小幅增加帶來的缺點，其原因可以由圖4a、4b看出。

圖4a所示為現有技術中的圓柱狀柱塞10’，作為具有第一、第二條形磁體28’的磁保持螺線管致動器12’的一部分。

在靠近每一磁體28’的中心的位置，柱塞本體14’的邊緣相對緊密地靠近鄰近的磁體28’的平面50’，磁體28’與柱塞本體14’之間的磁性作用的大小在此處將相對高。相互作用的強度與鄰近磁體28’的平面50’和柱塞本體14’之間的間隔呈比例。然而，在磁體28’的邊緣位置，柱塞本體14’離鄰近磁體28’的平面50’遠很多，而其磁相互作用相應地減小。

對于本裝置，如圖4b所示，磁界面本體部20的第一、第二平面30、32平行于或大致平行于致動器12的磁性件26的磁體28的平面50延伸。如此，由于磁力在磁界面本體部20的寬度上大體是均勻的，磁界面本體部20上聚集的磁相互作用遠大于采用圓柱狀柱塞10’所獲得的磁相互作用。

所述效果可以由圖5看出，其描繪的是給定的磁保持螺線管致動器12、12’的柱塞10、10’的伸出距離(單位為毫米)對保持力(單位為牛頓)的曲線圖。下面的曲線pa示出了現有柱塞10’的作用力以及伸出的長度，而上面的曲線sp示出了圖4b的方形柱塞10在各伸出位置的作用力。

由圖示可以看出，對于絕大部分伸出距離，方形柱塞10相對于圓柱狀柱塞10’總是具有更大的作用力。特別地，關鍵行程點，對于具有磁保持螺線管致動器12，12’的開關致動器而言可能是其柱塞10作用使觸頭閉合或打開的點，其反映關鍵的作用力要求。對于本致動器裝置，本發明的柱塞10可以在關鍵行程點上將作用力提升10～20％，其提升量由現有裝置在給定的伸出量x’(這里為伸出1.5mm)的作用力與所述方形柱塞10在同樣伸出量(記為x)的作用力的差值δn表示。當然，確切的伸出距離取決于所使用的致動器裝置。

由圖5可見，在靠近最大伸出位置(本磁保持螺線管致動器裝置的最大伸出量為4.0mm)，方形柱塞10與圓柱形柱塞10’的作用力差值出現降低。這是由于磁界面本體部20移出磁鐵殼46的方孔48，此時柱塞10的磁相互作用是由其圓柱狀端部36與磁體之間產生。

所述相互作用可以通過增加磁界面本體部的長度來提升，如圖6a、6b所示實施例。第二實施例中相同或相似的元件以相似或相同的標號表示，為簡短起見，對其不再贅述。

除了螺線管線圈124必須可以容納柱塞110的非圓柱狀的端部136之外，本實施例的磁保持螺線管致動器112在很大程度上與上一實施例相同。在此情況下，螺線管線圈124的繞組為正方形或長方形。螺線管芯142的尺寸可采用類似設計。

穿過磁鐵殼146的孔148的截面仍然為正方形或長方形，使得孔148能夠收容柱塞本體114的磁界面本體部120。所述磁界面本體部120可以沿柱塞本體114的大部分長度范圍延伸，優選地沿柱塞本體114的如圖所示的整個長度范圍延伸。所述磁界面本體部120具有正方形或長方形外形(優選地，外形是均勻的)，以在柱塞本體114的大部分長度范圍內形成第一、第二平面130、132。

本實施例中，在柱塞110伸出的任何位置，磁界面本體部120位于磁性件126的磁體128內的長度保持不變。如此，無論柱塞110伸出多少距離，第一、第二平面130、132與相鄰磁體128的平面150都形成均勻的或者很大程度上不變的間隔。

應該注意的是磁介質本體部的正方形或長方形截面對于柱塞緊鄰磁保持螺線管致動器的磁性件的磁體外表面并不是嚴格必須的，僅僅是需要兩者充分匹配。例如，磁體的表面可以成型為與柱塞的形狀相匹配，或者磁介質本體部的第一、第二平面之間可以由一非線性外表面相連。例如，可以考慮使用六角形截面的磁界面本體部，而不會偏離本發明的范圍。因此，所述磁界面本體部的形狀可能由易于生產或類似約束條件所決定。

顯然，所提供的致動器可以省略偏置彈簧，通過維持其螺線管線圈的通電與斷電狀態來維持柱塞的位置。

因此，可以提供一用于磁保持螺線管致動器的柱塞，其與磁保持螺線管致動器的磁性件之間具有改進的磁性連接，從而提升沖程力并因此提升致動器的效率。這些是通過在柱塞本體上提供至少部分是平面的表面以對致動器的類似平面磁體產生更大的磁性吸引來實現的。

本發明的上述描述中，術語“包括”、“包含”“具有”是用于具體說明存在所陳述的特征、整體、步驟或者部件，但并不排除存在一個或多個其它特征、整體、步驟、部件、或者其組合。

說明書中所有的實施例以遞進的方式進行描述，每一實施例主要描述其與前述實施例的差異，而各實施例的相同或相似的部分可以相互參照。

盡管本發明是參照一個或多個實施例進行描述的，以上對于實施例的描述僅用于使本領域的技術人員能實施或使用本發明。需要說明的是，根據本發明的創造精神，本領域技術人員還可以做出其他變化，本發明并不局限于上述實施方式，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。