CN101356613B - 电磁接触器 - Google Patents
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Abstract
一种电磁接触器，其包括：用来产生磁场的线圈(6)、具有固定部(7)和活动部(8)的磁路、以及电子电路板(11)，所述电子电路板(11)包括控制向所述线圈(6)供电的装置，该电子电路板(11)水平置于所述磁路的固定部(7)的上方。所述活动部(8)经由所述电子电路板(11)内的开口(12)穿过所述电子电路板(11)，并滑入所述线圈(6)内，所述接触器还包括绝缘壳，此绝缘壳包括用来固定至支撑件的后部。
Description
本发明涉及一种电磁接触器。特别而言，本发明涉及一种固定至支撑轨道以与其它电气设备相接触的电磁接触器。
众所周知，电磁接触器包括：
--用来产生磁场的线圈；以及
--具有固定部和活动部的磁路。
在未对线圈供电的情况下，设置弹性装置用来保持所述固定部和所述活动部相分离。
总体而言，接触器的电操作可以两个分开的阶段进行描述。
在第一阶段——起动(inrush)阶段中，在线圈通电情况下，磁路趋向闭合，所述活动部朝所述固定部活动，直到这两个部分接触。此阶段期间，需要大量的功率来克服初始间隙，并使得所述活动部抵抗弹性装置的作用而活动。此种功率——称作起动功率——由线圈的安培匝数的数量来确定，亦即，线圈匝数的数量乘以线圈内的电流强度。
在第二阶段——保持阶段期间，在线圈通电情况下，磁路则必须保持在闭合状态。在此第二阶段中，由于间隙为零，所需的安培匝数远小于起动阶段的安培匝数，且磁力处于最大值。
总体上而言，接触器可被供以直流电或交流电。
在起动阶段和/或保持阶段期间减少接触器必要的功率及因此的能耗的专业电磁技术已经存在多年。对于直流驱动的接触器而言，使用带有交流驱动的接触器叠片的电路或固态电路是众所周知的，其中所述接触器叠片设置有由两组绕组所组成的线圈、或可以配设或者不配设永磁体的固态电路。与交流驱动型相比，这些技术的使用通常导致这些直流驱动型的接触器的尺寸增大。
人们还已知——尤其从文献EP 0 789 378中——交流叠片式电路接触器配备电子电路板以控制向线圈的供电。
不论电源电压是交流电还是直流电，此电路板被特别用来向所述线圈供应直流电。此电路板还能够增大接触器所采用的电源电压范围。此外，此电路板使得在起动阶段中能够减少震动，并使得在保持阶段中能够减少能耗。由于该电子电路板的额外成本，这种解决方案专门用于50A的中高额定电流的装置中。
利用带有电子电路板的叠片式磁路也是已知的，所述电子电路板相对于线圈而侧向安装在接触器的壳内，并垂直于安装平面，其目的特别是为了限制起动时的能耗，并使此能耗与控制器的输出相一致。
然而，这种方案的结果是：此方案加强了电路板的供应端子的特定的和限制性的结构，因此当这种方案应用于各种不同额定电流的接触器时，会再次导致装置的尺寸增大。
对于所有的接触器而言，人们希望满足以下的标准：
--在起动时能耗低，如果可能的话，该能耗与控制器输出功率相一致；
--在保持阶段期间能耗低；
--接收宽直流或交流电源电压范围的能力；
--与相同额定电流的交流电装置的尺寸相同；
--与传统交流装置的制造成本相同。
然而，很难协调所有这些标准。
文献EP 0 751 545公开了一种电磁接触器，该接触器包括：
--线圈，该线圈用来产生磁场；
--磁路，该磁路包括固定部和活动部；以及
--电子电路板，该电子电路板包括用来控制向所述线圈供电的装置，所述电子电路板水平置于所述磁路的固定部的顶部上。
然而，这种接触器用于汽车应用当中，其中接触器可以沿着电枢的活动部的位移轴线具有大尺寸。因此，这种接触器具有活动电枢，该活动电枢穿过固定电枢，并相对于所述线圈而朝着接触器的后部延伸。
对于意在通过置于线圈后部的固定装置设置在支撑轨道上的接触器而言，上述接触器的结构是无法考虑的。
因此，本发明的一个目的在于提供一种固定至支撑件的接触器，且该接触器的尺寸很小。
本发明的另外一个目的在于提供一种更好地满足上述标准的接触器。
为此，本发明的主题是一种上述类型的电磁接触器，其特征在于，所述接触器包括绝缘壳，该绝缘壳包括固定至支撑件上的后部；且其特征还在于，活动部经由电子电路板中的开口穿过该电子电路板，并滑入线圈内。
按照本发明的构造使得接触器的尺寸减小。
这种接触器还能够受益于由于具有电子电路板而带来的上述优点。
优选地，所述接触器包括用来连接线圈的端子，这些端子位于所述电子电路板的平面中。
连接端子的这种设置使得，能够一方面保留与传统接触器相同方式的、用于向接触器供电的连接——即在所述线圈之上，同时另一方面进一步限制接触器的尺寸。
按照一个具体实施例，所述磁路的固定部和活动部均具有大致轴对称的形状。
磁性元件的轴对称结构与传统的平面结构相比提供了更优的效能。
有利地，所述固定部和所还活动部分别具有彼此相对的圆锥形部分，且其中一个凸起，另一个凹进。
电子电路板能够在起动阶段期间对振动进行限制，并因此显著减少两个电枢的接触面积，而使磁路不会过早磨损，并且不会增加连接时间。
由于有效的间隙小于活动铁心(moving core)的实际行程，因此能够利用圆锥形的“渐进式间隙”的形状，该形状减少起动时所需的安培匝数。
因此，以上特征的结合可以获得起动功率较低和整体体积较小的接触器，所述整体体积与范围相同、但不具有低起动功率的接触器相当。
按照本发明的接触器的起动阶段的持续时间与范围相同、但不具有低起动功率的接触器的持续时间处于相同等级。
按照一个具体实施例，所述固定部和所述活动部由实心元件制成。
磁性元件的实心结构能够使形状和材料选择最优化，并能够使用大规模生产流程，特别例如深度拉伸、冷冲压、或切割。因此，这些构造使得制造成本和复杂程度降低。
有利地，所述固定部形成罩体，所述线圈容纳于所述罩体中。
按照一个具体实施例，所述磁路的固定部包括至少一个侧向开口。
所述开口的存在允许线圈连接装置——特别是导线或导体部分——穿到主体的外部。通过制造这种开口，使得限制接触器的竖向尺寸成为可能，这是由于线圈连接装置的通道设在固定电枢的主体的侧壁上，而不是位于所述固定电枢的上方。
按照一个具体实施例，所述磁路的固定部包括：
--圆柱形部分；
--底部，该底部位于所述圆柱形部分的第一端；
--壁，该壁具有用作活动部通道的开口，所述壁位于所述圆柱形部分的第二端。
有利地，所述侧向开口由所述圆柱形部分边缘处的凹槽形成，所述圆柱形部分的边缘形成了所述圆柱形部分的第二端。
有利地，所述磁路的固定部包括：
--主体，该主体形成所述圆柱形部分和所述底部；以及
--盖子，该盖子形成具有用作通道的开口的所述壁。
这种结构使得能够由两个简单的、易于制造的形状来形成磁路的固定部。此外，这种结构使得把线圈安装在电枢的固定部的操作变得更加容易。它使得零部件的制造更加容易，并能够实现零部件的大规模生产。
有利地，所述接触器的元件是可叠放的。
这种结构使得组装接触器更加容易。特别而言，可以利用简化的自动生产过程来进行叠放。
按照一个具体实施例，不论所述接触器的电源电压是交流电还是直流电，用于控制向所述线圈供电的装置设计为向所述线圈提供直流电。
有利地，用于控制向所述线圈供电的装置包括：确定用来闭合所述接触器或用来保持所述接触器闭合的电流值的装置，和用来将供至线圈的电流的平均值限制在确定值的装置。
在任何情况下，参考附后的示意图，本发明在以下描述中能够被更好地理解，其中所述示意图通过非限定的例子显示了按照本发明的接触器的一个具体实施例。
图1显示了按照本发明的接触器的立体分解图；
图2显示了图1中的接触器的立体分解图，其中省略了壳的组成部件；
图3显示了磁路的部分截面的立体图；
图4显示了图1中的接触器的电子电路板的电路图；
图5显示了控制装置的操作流程图，其中所述控制装置由电子电路板形成；
图6显示了按照本发明的第二接触器的局部立体图；
图7显示了图6中的接触器的在第二观测角度观测的另一局部立体图；
图8显示了图6中的接触器的磁路的固定部的详细立体图；
如图1至图4所示，按照一个具体实施例，按照本发明的电磁接触器包括具有后部2和前部3的绝缘壳，所述后部2用来固定至支撑件，所述前部3用来固定至所述后部2。固定的接触装置(图中未示)被固定至所述绝缘壳的前部3。所述绝缘壳还包括接线盒4，该接线盒4固定至所述前部3的上方，且接线盒4包括用来连接固定接触装置的连接端子5。
绝缘壳的上述多个部分形成了罩体，所述罩体中容纳了以下部件：
--用于产生磁场的线圈6，所述线圈6被固定至所述绝缘壳；以及
--磁路，所述磁路具有相对于所述绝缘壳的固定部7和活动部8。
装配活动接触架9，使其能够被固定至所述磁路的活动部8。
所述活动接触架9包括活动接触装置，根据活动部8的位置，所述活动接触装置与所述固定接触装置相接触，或与这些固定接触装置相分离，以使电源电路闭合或者打开。
弹性装置由两个弹簧10构成，提供该弹性装置的目的是当线圈6未通电时，保持固定部7和活动部8相分离。
所述接触器包括用于控制向所述线圈6供应交流或直流电压的装置，所述装置由电子电路板11构成。
文献EP 0 789 378中描述的类型的电子电路板11置于外部电源和接触器线圈的电源之间的接口处。该电子电路板11水平设置在磁路的固定部7之上，活动部8经由所述电子电路板内的开口12穿过所述电子电路板，并滑入所述线圈和固定部7内。
应当注意到，接线盒5的线圈连接端子位于所述电子电路板的平面内。
如图1至图4所示，按照本发明的一个特征，所述磁路的固定部7和活动部8均相对于轴线A具有轴对称的形状，该轴线A与线圈6的轴线重合。
特别而言，所述磁路的固定部7包括：
--主体13，该主体13形成：
°圆柱形部分14，和
°底部15，该底部15位于所述圆柱形部分14的第一端；以及
--盖子16，该盖子16形成壁，此壁具有用作活动部8的通道的通道开口17。所述壁设置在圆柱形部分14的第二端。
所述主体和盖子定义了容纳线圈6的罩体。围绕轴线A设置的通道开口17允许活动部穿入到线圈6当中。
活动部8自身包括圆柱形部分，该圆柱形部分用来***到所述通道开口17中。
如图3所示，固定部7和活动部8具有相向的圆锥形部分。特别而言，所述固定部7具有凸起的圆锥形部分18，该凸起的圆锥形部分18设置在主体13的底部15上。活动部8具有凹进的圆锥形部分19。当然，所述凹进部分可以设置在固定部上，而所述凸起部分可以设置在活动部上。
所述两个圆锥形部分18、19具有的形状适于在两部分(固定部和活动部)彼此接触时能够在二者之间留有间隙。具体而言，当所述固定部和移动部互相接触的时候，所述两个锥形部分的平面终端20、22不会接触。
仅仅是边缘23抵靠在主体13的底部15上，该边缘23定义了活动部8的凹进的圆锥形部分19。
所述固定部7和活动部8由实心元件制成。
所述磁路的固定部7的主体13包括位于其上边缘处的凹槽24，盖子16设置在主体13的上边缘上。这些凹槽24允许线圈连接装置——具体而言是导线或者其它导体部分——穿至主体的外部。
此外，这些凹槽有助于改善线圈的冷却。
按照图6至图8所示的第二具体实施例，该接触器与第一实施例中的接触器所包含的元件大致相同。然而，与第一具体实施例不同的是，本实施例存在单个回动弹簧10以在静止位置将电枢分离，该弹簧设在活动电枢周围。在该第二具体实施例当中，电子电路板11具有开口，该开口由切口12组成，该切口12通向电子电路板11的边缘，所述磁路的活动部8通过该切口12而横穿电子电路板的平面。如前所述，接线盒5的线圈连接端子位于所述电子电路板的平面内。该接线盒5是可移动的接线盒，其包括金属突出部26，该金属突出部26被用来容纳到弹性音叉(tuning-fork)接触装置27当中，该弹性音叉接触装置27安装在电路板11之上以提供电连接。
图8显示了位于所述电枢的固定部的上边缘处的凹槽24的结构，该凹槽24允许线圈连接装置通过，所述线圈连接装置包括柔性导线或刚性导体部分25。
如图4所示，上述两种接触器所使用的电子电路板包括用来将交流电压转换为直流电压的滤波器部件F和整流器部件Rd。特别而言，所述整流器部件Rd可包括二级管电桥。
不论接触器的电源电压是交流电还是直流电，这些部件使得线圈能够被供以直流电。
所述电子电路板包括：确定用来闭合所述接触器或保持所述接触器闭合的电流值的装置，和用来将供至线圈的电流的平均值限制在确定值的装置。
特别而言，所述接触器的线圈6由降压斩波器来供电，该斩波器由功率晶体管TR组成，双极晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)是否在“开/关”模式下工作是由PWM(脉宽调制)信号来控制的，该PWM信号由控制设备生成，此处所述的控制设备由微控制器μC构成。该控制设备还可以由其它任何特定的逻辑电路组成。设定所述信号的频率，并且由微控制器μC来调节占空比(duty cycle)——即传导时间与信号周期的比例。
线圈6串联至功率晶体管TR，以及串联至用来测量电流的电阻器R1。
微控制器μC由供电元件(supply component)UR供电，该供电元件UR传送受控的电压。
微控制器μC将以下信号作为输入(inputs)而进行接收：
--用于测量电阻器R1的端子间电压的信号，这是对线圈中的电流的测量；以及
--与所述接触器的电源电压成比例的信号，该信号由分压器来传送，所述分压器由两个电阻器R2、R3形成。
根据降压斩波器的操作，所述接触器的线圈端子间的平均电压等于电源电压乘以占空比。
通过根据输入电压电平改变降压斩波器的占空比，则不论接触器的电源电压值为何，皆能够向线圈供以确定的恒定平均值的电压。该值在起动阶段中可以设定为最小起动阈值，而在保持阶段中可以设定为最小保持阈值。
按照一个具体实施例，在起动阶段中，在所述接触器的操作范围内，达到了电源电压的最小值的100％最大占空比。在保持阶段中，根据待控制的电流，自动调整占空比。
所述线圈还与续流二极管D(freewheeling diode)进行反并联连接。
续流二极管能够维持存储在线圈内的磁能，并且能够限制由切断接触器的控制而引起的过电压。因此，在电压不足(brownouts)或者电压突跌(voltage dips)的情况下，能够保持接触器闭合，并且可以使得接触器能够充当电压限制器。这些结构允许供电不足得到补偿。
图5显示了当所述接触器端子间的电源电压产生时，所述电路板的操作。
如果没有产生电压，则所述电路板不通电，这在步骤E0和E0’中示出。
如果产生电源电压，在第一步骤E1中，该电源电压由滤波器部件12滤波，接着由整流器部件13进行整流。
在第二步骤E2中，对电源电压的性质和电平进行检测。
在第三步骤E3中，计算最小起动阈值。该最小起动阈值是足够引起磁路断开和闭合的、线圈6端子间的最小电压电平。利用该电压电平，控制所述活动接触装置的行程的动力足够在恰当的情形下闭合电源电路，其中该恰当的情形由标准化约束条件所定义。
在第四步骤E4中，产生了用来控制以最小起动阈值向线圈供电的PWM信号。
在第五步骤E5中，进行测试来识别斜率(slope)是否改变，以及线圈内是否达到最大电流值。如果不存在这样的情况，则进程保持在步骤E4。
如果所述测试为肯定，那么在第六步骤E6中，将电流调至最小保持阈值。考虑到接触器的装设位置、接触器承受震动和振荡的能力、以及相关的辅助接触装置的数量(即机械负载)，该最小保持阈值是恰好足够保持所述电磁接触器闭合的电流水平。
进行这种调节，直至收到阻断接触器的控制信号为止，即直到电压低于接触器的最小电源电压为止，如步骤E7中示出。
控制逻辑在起动阶段控制电压和电流，从而能够减少机械部件的震动以及机械部件的摩擦，所述控制逻辑还在接触器的保持阶段对电流进行控制。这具有减少功率耗散的优点。
电子电路板11使接触器能够在宽的交流或直流电源电压范围内工作。电源电压的端子间的最大电压与最小电压的比值范围为1.5～3。
不言而喻，本发明并不局限于以上通过非限定性示例方式所描述的优选实施例，相反，它涵盖了所有上述优选实施例的变型。
Claims (13)
1.一种电磁接触器，其包括：
--线圈(6)，该线圈(6)用来产生磁场；
--磁路，该磁路包括固定部(7)和活动部(8)；及
--电子电路板(11)，该电子电路板(11)包括用于控制向所述线圈(6)供电的装置，所述电子电路板(11)水平地置于所述磁路的所述固定部(7)的顶部上，
其特征在于，所述接触器包括绝缘壳，该绝缘壳包括后部(2)，该后部(2)用来固定至支撑件；
其特征还在于，所述活动部(8)经由所述电子电路板(11)内的开口(12)穿过所述电子电路板，并滑入所述线圈内。
2.如权利要求1所述的接触器，其包括用来连接所述线圈(6)的端子，这些端子位于所述电子电路板的平面中。
3.如权利要求1或2所述的接触器，其特征在于，所述磁路的所述固定部(7)和所述活动部(8)均具有大致轴对称的形状。
4.如权利要求1或2所述的接触器，其特征在于，所述固定部(7)和所述活动部(8)分别具有圆锥形部分(18、19)，所述圆锥形部分(18、19)彼此相对，且其中一个凸起，另一个凹进。
5.如权利要求1或2所述的接触器，其特征在于，所述固定部(7)和所述活动部(8)由实心元件制成。
6.如权利要求1或2所述的接触器，其特征在于，所述固定部(7)形成罩体，所述线圈(6)容纳于所述罩体中。
7.如权利要求1或2所述的接触器，其特征在于，所述磁路的所述固定部(7)包括至少一个侧向开口(24)。
8.如权利要求1或2所述的接触器，其特征在于，所述磁路的所述固定部(7)包括：
--圆柱形部分(14)；
--底部(15)，该底部(15)位于所述圆柱形部分(14)的第一端；及
--壁(16)，该壁(16)具有用做所述活动部(8)的通道的开口(17)，所述壁(16)位于所述圆柱形部分(14)的第二端。
9.如权利要求8所述的接触器，其特征在于，所述磁路的所述固定部(7)包括至少一个侧向开口(24)，所述侧向开口由所述圆柱形部分(14)的边缘处的凹槽(24)构成，所述圆柱形部分(14)的边缘形成了所述圆柱形部分(14)的第二端。
10.如权利要求8所述的接触器，其特征在于，所述磁路的所述固定部(7)包括：
--主体(13)，该主体(13)形成所述圆柱形部分(14)和所述底部(15)；及
--盖子(16)，该盖子(16)形成了具有通道开口(17)的壁。
11.如权利要求1或2所述的接触器，其特征在于，所述接触器的元件能够被叠放。
12.如权利要求1或2所述的接触器，其特征在于，控制向所述线圈(6)供电的所述装置设计为：无论所述接触器的电源电压是交流电还是直流电，所述装置向所述线圈(6)提供直流电。
13.如权利要求1或2所述的接触器，其特征在于，用于控制向所述线圈(6)供电的所述装置包括：确定用来闭合所述接触器(7)或者用来保持所述接触器(7)闭合的电流值的装置，和用来将供至所述线圈(6)的电流的平均值限制在确定值的装置。
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