CN101203931B - 电磁开关设备及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电磁开关设备(1，2，3)，其具有复数个静触点(12)、磁力驱动装置(6)、触点支架(4)和用于所述触点支架(4)的止动件(14)，其中，所述触点支架(4)可在所述磁力驱动装置(6)的驱动下克服复位构件的作用发生移动，所述触点支架(4)上布置有复数个动触点(9)。设置有用于检测所述触点支架(4)的位置的传感器(32)和与所述传感器(32)相连的控制单元(25)，所述控制单元(25)在断开过程中对所述磁力驱动装置(6)进行调节和/或控制，从而在所述触点支架(4)与所述止动件(14)相撞之前对所述触点支架进行减速。此外，本发明还公开一种操作这种电磁开关设备(1，2，3)的方法。所述触点支架(4)只向所述止动件(14)传递较小的冲量，从而减小相关组件的机械负荷。因此，这种电磁开关设备(1，2，3)具有比传统开关设备更长的使用寿命。

Description

电磁开关设备及其操作方法
技术领域
本发明涉及一种电磁开关设备。本发明还涉及一种操作这种电磁开关设备的方法。 
在开篇所述类型的开关设备中，磁力驱动装置受到控制电流或辅助电流的激励，在通有控制电流的情况下，使功率电路中的动触点和静触点保持接触。这种开关设备又称为接触器。但也可在通有控制电流的情况下使电路保持断开。在此情况下，当磁力驱动装置断开时，功率电路被接通。因此，通过一个较弱的控制电流可将功率电路接通或断开。 
如果控制电流被切断，储存在复位构件中的能量会使触点支架加速朝止动件方向移动，其中，在开关设备建构为接触器的情况下，静触点与动触点之间的接触就会被断开。经加速后，触点支架会以较高的速度撞到止动件。 
触点支架与止动件之间的相撞会给开关设备的机械结构带来极大的负荷。在目前能达到好几百万次操作循环的情况下，这不仅会使直接相关的零件高度损耗，还会使开关设备的可用寿命受到限制。此外，触点支架与止动件在巨大加速度下的相撞会给周围环境造成声污染。 
此外，较高的回弹值及其所造成的触点断开能力的短时削弱，会使建构为接触器形式的开关设备的断开能力受到不利影响。这一点只有通过保持较低的断开速度才能避免，但这样就无法实现较短的开关时间。 
为克服上述问题，已知的解决方案是在止动件上布置可对撞击起到缓冲作用的缓冲材料。但其缺点在于，这类缓冲材料的寿命有限。巨大的机械负荷也不能够被充分吸收。此外，这种方法也只能在一定限度内减小噪声。 
WO 01/41174A1中公开过一种电磁开关设备，其通过磁场传感器并以磁场传感器的输出信号为依据来测量触点支架的位移/时间响应，其还对电磁系统的线圈中的电流进行控制。 
DE 10010756A1中公开了一种调节衔铁移动过程的方法，这种方法是通过一个控制回路产生用于电磁体的捕获电流，从而实现衔铁的平缓撞击。 
本发明的目的是提供一种开篇所述类型的电磁开关设备，与传统开关设备相比，这种电磁开关设备具有更长的使用寿命和更低的撞击声级。 
本发明的另一目的是提供一种操作开篇所述类型的电磁开关设备的方法，通过这种方法可使电磁开关设备具有比传统开关设备更长的使用寿命和更低的撞击声级。 
本发明所提出的第一个目的通过一种电磁开关设备而达成，这种电磁开关设备具有复数个静触点、磁力驱动装置、触点支架和用于触点支架的止动件，其中，触点支架可在磁力驱动装置的驱动下克服复位构件的作用发生移动，并且上面布置有复数个动触点；这种电磁开关设备还具有用于检测触点支架位置的传感器和与传感器相连的控制单元，控制单元在开关设备的断开过程中对磁力驱动装置进行调节和/或控制，从而在触点支架与止动件相撞之前对触点支架进行制动。 
在该情况下，本发明基于如下考虑：通过对触点支架的位置进行检测，可以跟踪触点支架的移动过程。尤其可在触点支架与止动件相撞之前对触点支架的移动进行控制。其中，对触点支架的位置检测可直接在触点支架或在与触点支架相连的零件(例如衔铁)上进行，或者也可通过固定在随触点支架一起移动的零件上的编码器而实现。 
进一步，本发明还基于如下认识：开篇所述类型的开关设备中的磁力驱动装置可使触点支架克服复位构件的作用进行加速运动。如果在接通位置上为磁力驱动装置加载一个控制电流，衔铁和触点支架就会克服复位构件的作用进行加速。如果断开磁力驱动装置，复位构件就会使触点支架加速朝止动件方向移动。第三步，本发明进一步认识到：既然磁力驱动装置可使触点支架进行加速运动，就可在开关设备的断开过程中将其用来制动朝止动件加速移动的触点支架。举例而言，这种制动可在触点支架即将与止动件相撞前通过向磁力驱动装置传输短电流脉冲而实现。 
通过向磁力驱动装置传输一个或多个电流脉冲，可使触点支架的速度在其即将与止动件相撞前下降，从而使触点支架以一个接近于零的速度撞向止动件。使用控制单元来对这个撞击速度进行控制和/或调节，所述控制单元通过位置传感器对触点支架的移动或位置进行跟踪，并以这些检测信号为依据，通过磁力驱动装置对触点支架与止动件相撞前的速度施加影响。 
可以使用光学、磁性、机械或电容式传感器。也可使用利用声音、磁效应或电容进行工作的所谓的接近开关。此外还可使用简单的滑动触点。 
通过在触点支架即将与止动件相撞前对触点支架进行制动，可大幅减小由触点支架传递到止动件上的冲量，从而显著减小相关组件的机械负荷。这会使开关设备的寿命得到延长。此外还可显著减少环境中的声污染。 
如果动触点在磁力驱动装置处于接通位置时与静触点相接触，在磁力驱动装置处于断开位置时与静触点断开，上述措施也不会对开关设备的断开延迟时间产生不利影响，这是因为触点支架的移动在其即将与止动件相撞前受到了抑制。被传输到磁力驱动装置上的电流脉冲的大小可以确定为：触点支架在止动件前方的几毫米处开始减速，并缓慢地撞向止动件。在此情况下，断开回弹可忽略不计。无需再为减小断开回弹而设置复杂的机械结构，机械结构在开关设备的使用寿命期限内也不会受到磨损。 
根据一种有利建构方案，磁力驱动装置包括电磁闭合线圈和与触点支架相连的衔铁。当闭合线圈中有电流流过时，所产生的磁场会使衔铁和触点支 架朝闭合线圈方向移动。 
除了将控制单元用于在开关设备的断开过程中驱动或调节触点支架的移动外，还将其用于触点自身的断开或闭合，即用于控制或调节磁力驱动装置的控制电流，这是非常便利的。这样就只需为开关设备设置单个控制单元，这个控制单元既可对接通或断开过程进行控制或调节，也可控制或调节触点支架在与止动件相撞前的移动。 
原则上可将磁性或电气构件用作复位构件。但使用机械复位构件(特别是复位弹簧)较为有利。复位弹簧不仅价格低廉，事实证明，其性能也很好。在此情况下，既可在压力方向上，也可在拉力方向上使用机械复位弹簧。 
在接触器中，一种对断开过程所施加的对于触点支架的撞击而言有利的影响(例如减小复位力)通常会非期望地延长开关设备的断开延迟时间。此外，在使用机械复位弹簧的情况下，开关设备断开后，复位力会减小，触点支架的加速度也会随着其与止动件之间的距离的变短而减小。因此，在传统开关设备中，开关设备断开后就无法进一步提高触点支架的加速度，因而也无法进一步缩短断开延迟时间或进一步提高断开速度。但如果通过使用一个控制单元来影响触点支架的移动特性，特别是在触点支架与止动件相撞之前对触点支架进行制动，就可有利地利用加速构件来使触点支架在断开过程中朝止动件方向加速移动。触点支架的速度会因此而提高，但在触点支架与止动件相撞之前，这个提高后的速度又会重新发生下降。如果使用这种加速构件，就可显著提高开关设备的断开速度。 
本发明的一种改进方案是将永磁体用作加速构件。通过(例如)在止动件上使用永磁体，可在磁力驱动装置断开后，使作用在触点支架上的朝止动件方向的复位力增大。借此可提高开关设备的断开速度或触点断开速度。 
也可用电磁断开线圈代替永磁体。通过对断开线圈中的电流进行控制，可用断开线圈来为触点支架加速。其中，可在(例如)衔铁上(特别是衔铁背面)布置磁极面。线圈相对于永磁体的优势在于，可对触点支架的加速进行调节或控制。 
将已经用于制动触点支架的控制单元再用来调节或控制断开线圈，这是非常便利的。 
针对本发明所提出的有关操作电磁开关设备(其具有复数个静触点、磁力驱动装置、触点支架和用于触点支架的止动件，其中，触点支架可在磁力驱动装置的驱动下克服复位构件的作用发生移动，并且上面布置有复数个动触点)的方法的目的，本发明所提供的解决方案为：检测触点支架的位置，并对磁力驱动装置进行控制或调节，使得在断开过程中，触点支架在与止动件相撞之前受到制动。 
借助这种方法可实现上文所述的优点。 
如果在对触点支架进行制动之前通过加速构件使触点支架朝止动件方向加速移动，就可实现其他优点。如上文所述，这一措施可缩短建构为接触器形式的开关设备的断开时间。如果对这些加速构件进行控制和/或调节， 就特别有利。 
附图说明
下面借助附图对本发明的实施例进行详细说明，其中： 
图1为一开关设备的示意图，所述开关设备具有针对触点支架的止动件、磁力驱动装置和与磁力驱动装置相连的用于制动触点支架的控制单元； 
图2为图1所示的开关设备的示意图，其中，开关设备断开后，用永磁体来加速触点支架； 
图3为图1所示的开关设备的示意图，其中，开关设备断开后，用电磁断开线圈来加速触点支架；以及 
图4显示了图3所示的开关设备中闭合线圈和断开线圈的控制电流的时间特性以及断开过程中触点支架的速度的时间特性。 
具体实施方式
图1显示的是开关设备1的示意图，开关设备1具有可移动的触点支架4和用于驱动触点支架4的磁力驱动装置6。触点支架4具有多个开关接触件支架8，开关接触件支架8末端上布置有动触点9。在开关设备1的前面部分的固定支座11上布置有多个静触点12。在开关设备的后面部分(图中未示出)中布置有与支座11采取相同建构方式且带有其他静触点的其他支座。前端静触点12和后端静触点整合在一个待通断的功率电路中。 
根据附图所示的情况，这个功率电路处于断开状态；动触点9并未与静触点12相接触。触点支架4靠在止动件14上。动触点9在闭合状态下与布置在开关设备前面部分中的静触点12以及此处未示出的后端静触点相接触，从而使功率电路闭合。动触点9一定程度上在功率电路中起到桥的作用。 
为了驱动触点支架4，磁力驱动装置6具有电磁闭合线圈16和一个用于使磁力线闭合的金属磁轭18。当闭合线圈16中有控制电流流过时，衔铁20和与之固定相连的触点支架4会在所产生的磁场的作用下向下朝闭合线圈16移动。触点支架4的这种移动会受到用作复位构件的机械式主接触弹簧22和机械式复位弹簧23的抑制，其中，主接触弹簧22布置在开关接触件支架8上，复位弹簧23直接安装在触点支架4上。为清楚起见，图中只显示一个主接触弹簧22和一个复位弹簧23。磁力驱动装置6被接通时，主接触弹簧22伸长，复位弹簧23收缩，从而储存下断开过程所需的弹簧势能。 
只要闭合线圈16中有控制电流通过，衔铁20和触点支架4就会被拉向下方。动触点9与静触点12电接触。功率电路闭合。如果闭合线圈16中的控制电流被切断，吸持衔铁20的磁场就会衰减，储存在主接触弹簧22和复位弹簧23中的势能就会使触点支架4加速朝止动件14方向移动。在这一移动的过程中，动触点9与静触点12之间的电接触被断开。 
为了驱动和调节磁力驱动装置6，设置有控制单元25，其包括整流器27、微控制器29和功率模块30。为了获取电能，整流器27连接至交流电压。通过功率模块30输出流入闭合线圈16的控制电流。控制单元25通过该控制 电流对开关设备1的接通和断开过程进行控制。此外，微控制器29与位置传感器32相连，位置传感器32通过传感器编码器33检测触点支架4的位置。在本实施例中，传感器编码器33固定在触点支架4上。也可将其中一个活动零件(例如触点支架4或衔铁20)用作传感器编码器。位置传感器32建构为光学传感器，通过布置在传感器编码器33上的标记对触点支架4的位置进行监测。 
如果从开关设备1的接通位置出发，当磁力驱动装置6处于接通状态时，切断闭合线圈16中的控制电流，触点支架4就会加速朝止动件14方向移动。在此过程中，微控制器29通过位置传感器32对触点支架4的位置进行监测。当触点支架4被检测到处于止动件14前方不远处的一个预定位置时，控制单元25就会向闭合线圈16发出一个或多个电流脉冲，以便对触点支架4进行制动。通过对触点支架4的移动进行持续观测，将触点支架与止动件14相撞时的撞击速度调节在一个接近于零的固定值上。与传统开关设备相比，通过这种方式不仅可降低撞击声级，也能减小在向止动件14传递冲量时所产生的机械负荷。相比于传统开关设备，开关设备1的使用寿命有所延长。通过对触点支架与止动件14相撞时的撞击速度进行下调，还能改善断开回弹值。 
与图1所示的开关设备1相比，图2所示的开关设备2还进一步具有布置在磁力驱动装置6两侧的永磁体35。为清楚起见，图2没有再对用作复位构件的主接触弹簧22和复位弹簧23进行图示。此外，永磁体35上还布置有固定的磁回路36。触点支架4进一步具有与永磁体35相互作用的磁极面38。其中，磁极面38和永磁体35所采取的排列方式使得它们之间会产生一种相斥的相互作用。传感器编码器33延伸到磁回路36之外。 
当开关设备处于接通状态时，衔铁20抵靠在磁力驱动装置6上。静触点12与动触点9相接触。磁极面38位于永磁体35的附近，彼此间只间隔很小的距离。当闭合线圈16中的控制电流被切断时，储存在主接触弹簧22和复位弹簧23中的能量会使触点支架4加速朝止动件14方向移动。此外，磁极面38与永磁体35之间相斥的磁作用会使触点支架4进一步加速。结果，与开关设备1相比，可提高触点的断开速度，并大幅缩短开关设备2的断开延迟时间。 
通过永磁体35使触点支架4朝止动件14方向的移动进一步加速，并使得开关设备的断开延迟时间缩短，还使得止动件上受到的机械负荷会有所增大，断开回弹值也会受到不利影响。但对于所示开关设备2而言，情况并非如此，因为就像开关设备1一样，控制单元25会通过位置传感器32和传感器编码器33对触点支架4的位置进行检测，并通过对闭合线圈16进行目的明确的控制来将触点支架4与止动件14相撞时的撞击速度限制在一个调整过的值上。因此，相比于传统开关设备，所示开关设备2不仅断开延迟时间有所缩短，而且断开回弹值也有所降低，此外，开关设备2的噪声比传统开关设备小，使用寿命比传统开关设备长。 
在图3所示的开关设备3中，永磁体35被围绕磁回路36布置的电磁断开线圈40代替。断开线圈40与控制单元25的功率模块30相连。 
在开关设备3采取这种设计的情况下，通过控制单元25对断开线圈40的控制，可以以可控或可调方式实现断开过程的加速。借此可进一步延长断开延迟时间或触点断开时间。同时也可对触点支架4的移动进行温和的制动。 
图4显示的是针对开关设备3的简化时序图，其中包括断开过程中闭合线圈16的电流特性曲线45、断开线圈40的电流特性曲线47和触点支架4的速度特性曲线49。 
如区段50所示，开关设备3的触点最初处于闭合状态。闭合线圈16中有控制电流通过。断开线圈40未受到驱动。触点支架4静止。 
在时间点51上，闭合线圈16中的控制电流被切断。与此同时，断开线圈40在区段52中被加载一个控制电流。触点支架4在机械复位构件和产生于断开线圈40中的磁场的共同作用下，加速朝止动件14方向移动。其速度上升。断开延迟时间由于这种附加的加速而得以缩短。为避免速度过大，逐步减小断开线圈40的控制电流。达到预先设定的速度时，断开线圈40的控制电流被切断。机械复位构件作用在触点支架4上的力随着距离的增大而变小。在所示实施例中，这个力在断开线圈40的控制电流被切断后并不足以用来保持所达到的速度。触点支架4的速度下降。 
在时间点53上，触点断开。触点断开后重新在闭合线圈16上施加一个控制电流。这个控制电流对触点支架4起制动作用。通过在区段54中不断减小闭合线圈16的控制电流，使触点支架4的速度平缓下降。 
在时间点55上，当触点支架4与止动件14相撞时，触点支架4几乎静止。在区段56中，开关设备3处于断开状态。触点支架4抵靠在止动件14上。 

Claims (10)

1.一种电磁开关设备(1，2，3)，所述电磁开关设备具有复数个静触点(12)、磁力驱动装置(6)、触点支架(4)、以及用于所述触点支架(4)的止动件(14)和用于检测所述触点支架(4)的位置的传感器(32)，其中，所述触点支架(4)可在所述磁力驱动装置(6)的驱动下克服复位构件的作用而移动，所述触点支架(4)上布置有复数个动触点(9)，
其特征在于，所述的电磁开关设备还包括用于在断开过程中使所述触点支架(4)朝所述止动件(14)方向加速移动的构件和与所述传感器(32)相连的控制单元(25)，所述控制单元(25)在断开过程中对所述磁力驱动装置(6)进行调节和/或控制，从而在所述触点支架(4)与所述止动件(14)相撞之前对所述触点支架(4)进行制动。
2.根据权利要求1所述的电磁开关设备(1，2，3)，所述磁力驱动装置(6)包括电磁闭合线圈(16)和衔铁(20)，其中所述衔铁(20)与所述触点支架(4)相连。
3.根据权利要求1或2所述的电磁开关设备(1，2，3)，其中所述磁力驱动装置(6)的接通位置和断开位置可由所述控制单元(25)进行调节和/或控制。
4.根据权利要求1或2所述的电磁开关设备(1，2，3)，其中所述复位构件是机械复位构件。
5.根据权利要求4所述的电磁开关设备(1，2，3)，其中所述复位构件是复位弹簧(22，23)。
6.根据权利要求1或2所述的电磁开关设备(1，2，3)，其中，将永磁体(35)用作加速构件。
7.根据权利要求1或2所述的电磁开关设备(1，2，3)，其中，将电磁断开线圈(40)用作加速构件。
8.根据权利要求7所述的电磁开关设备(1，2，3)，其中所述断开线圈(40)可由所述控制单元(25)控制或调节。
9.一种操作电磁开关设备(1，2，3)的方法，所述电磁开关设备(1，2，3)具有复数个静触点(12)、磁力驱动装置(6)、触点支架(4)和用于所述触点支架(4)的止动件(14)，其中所述触点支架(4)可在所述磁力驱动装置(6)的驱动下克服复位构件的作用而移动，并且所述触点支架(4)上布置有复数个动触点(9)，其中，检测所述触点支架(4)的位置，并对所述磁力驱动装置(6)进行控制和/或调节，使得在断开过程中，所述触点支架(4)在加速构件的作用下朝所述止动件(14)方向加速移动，并在与所述止动件(14)相撞之前受到制动。
10.根据权利要求9所述的操作电磁开关设备(1，2，3)的方法，其中，对所述加速构件进行控制和/或调节。
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