CN101252059B - 具有快速充放电控制特性的双稳态永磁交流接触器 - Google Patents

Abstract

具有快速充放电控制特性的双稳态永磁交流接触器主要包括触头联动轴、垂直联动轴、超程弹簧、动触头、静触头、导电板、接线触头端子、上部支架、基座、上磁轭衔铁、永磁体、下磁轭衔铁、线圈。拓扑电路包括低通滤波电路、电源过压保护、整流电路、储能电压监控电路、欠压判断电路、合闸信号发生电路、合闸线圈过压保护、负反馈环节、合闸执行机构、储能电容、储能电容过压保护、分闸信号发生电路、分闸线圈过压保护和分闸执行机构。本发明引入负反馈环节和使用分合闸线圈分离的方式实现快速的充放电过程，提高分合闸电气速度，提高控制单元的稳定性，同时动触头与操动机构分离，便于试验和检测，具有很强的实用价值。

Description

具有快速充放电控制特性的双稳态永磁交流接触器

技术领域

本发明为具有快速充放电控制特性的双稳态永磁交流接触器，涉及永磁式交流接触器及其控制电路的设计，属于开关控制器件技术领域。

背景技术

永磁式交流接触器噪音小，受电网电压波动影响小，节能效果显著，因而对于永磁式交流接触器的研究使用已经引起广泛的关注。

现有永磁式交流接触器的典型结构为：永磁体、动铁心、磁轭、线圈及为线圈提供脉冲电流的拓扑电路，其中动铁心、磁轭和永磁体是磁路的主要部分，永磁体置于动铁心或磁轭上，线圈中通以脉冲电流使磁轭中产生不同方向的电磁场，实现接触器的分合闸。经检索，专利号为91111785.7的专利“极化式稀土永磁接触器及其脉冲工作制式电器控制系统”的中国专利和专利号为200620044255.9的专利“永磁接触器”的中国专利均公开了上述内容。

现有为线圈提供脉冲电流的拓扑电路主要包括分合闸线圈、储能机构、线圈过压保护、储能机构过压保护、电源过压保护、整流、欠压判断、合闸执行器件以及分闸执行器件。其中合闸执行器件以及分闸执行器件一般均采用功率器件，现有的拓扑电路基本能实现欠压或断电状况下的分闸和在电源电压在一定范围内波动可以保证接触器正常运行的功能。检索发现，专利号为200520044326.0的专利“永磁接触器控制电路”的中国专利和专利号为00204601.6的专利“永磁吸合式无功耗交流接触器”的中国专利均公开了上述内容。

虽然永磁交流接触器优点颇多，然而据申请人市场调查，现有的永磁式交流接触器的还未大面积推广开来，经研究分析后发现，原有电磁交流接触器结构简单，合闸和分闸过程短，性能稳定。现有技术存在的问题是：由于永磁式交流接触器操动机构的合闸和分闸是依靠拓扑电路提供的充电脉冲电流和放电脉冲电流来实现的，相比于机械合分闸时间，充电脉冲电流流通时间和放电脉冲电流流通时间构成的电气分合闸时间长，影响了永磁交流接触器控制单元的稳定性。

发明内容

技术问题：本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点，提供一种具有快速充放电控制特性的双稳态永磁交流接触器，用于永磁交流接触器所需要的脉冲电流的拓扑电路，通过使用滤波电路、负反馈、储能电容电压控制等结构，使永磁交流接触器控制单元实现快速充放电，同时合分闸性能变得稳定；使用合闸线圈和分闸线圈分离、动触头与永磁操动机构分离的设计，同时配合线圈结构的变化，设计出结构合理的双稳态永磁交流接触器。

技术方案：本发明的具有快速充放电控制特性的双稳态永磁交流接触器包括机械部分和电控部分，其中机械部分的基座位于最下方，在基座上的中间自下至上依次为垂直联动轴、超程弹簧和触头联动轴，在垂直联动轴的外部自下至上设有下磁轭衔铁、永磁体、上磁轭衔铁、上部支架、导电板，在下磁轭衔铁的外部设有第三线圈和第四线圈，在上磁轭衔铁的外部设有第一线圈、第二线圈；在垂直联动轴上部的导电板的静触头上方设有动触头，动触头与触头联动轴相连，超程弹簧位于触头联动轴和垂直联动轴之间，接线触头端子位于导电板的外端；

电控部分的拓扑电路包括低通滤波电路、电源过压保护、整流电路、储能电压监控电路、欠压判断电路、合闸信号发生电路、合闸线圈过压保护、负反馈环节、合闸执行机构、储能电容、储能电容过压保护、分闸信号发生电路、分闸线圈过压保护和分闸执行机构；储能电容和合闸信号发生电路之间连有可以控制充电时间的负反馈环节；整流电路输出端并联有用于监控储能电容的储能电压以及在接触器合闸状态下稳定运行时，为储能电容的能量损耗提供补偿的储能电压监控电路；220V交流输入侧并联有低通滤波电路。

所述第一线圈、第二线圈、第三线圈、第四线圈均为同向绕制，第一线圈反向串联第三线圈构成合闸线圈，第四线圈反向串联第二线圈构成分闸线圈。

永磁体与垂直联动轴固定，位于上磁轭衔铁和下磁轭衔铁之间；垂直联动轴在永磁体上下两端均设有固定永磁体和防止永磁体与上磁轭衔铁和下磁轭衔铁的直接碰撞的凸起；上磁轭衔铁和下磁轭衔铁均为圆环形，垂直联动轴从中间穿过；动触头与触头联动轴相连，与操动机构中的垂直联动轴间通过超程弹簧隔离，便于试验和检测。

充电回路由合闸线圈、合闸执行机构和储能电容构成，放电回路由分闸线圈、分闸执行机构和储能电容构成；合闸执行机构和分闸执行机构均使用单向可控硅；合闸执行机构的单向可控硅的阳极接合闸线圈，阴极接储能电容；分闸执行机构的单向可控硅的阳极接分闸线圈，阴极接整流桥BD负极。

第二线圈、第四线圈与第一线圈、第三线圈相比，匝数较少，线径较大。

动铁心和磁轭均采用普通电工纯铁，永磁体使用钕铁硼材料，合闸线圈和分闸线圈均采用铜漆包线绕制于线圈骨架上。

拓扑电路的特点有：合闸线圈和分闸线圈分离，分闸线圈匝数较少，线径较大，电阻和电感较小，使放电回路的放电速度加快；充电信号触发电路含有负反馈环节，使充电回路的充电速度加快，充电速度加快和放电速度加快可以增加接触器的开关频率；储能电压监控电路可以监控储能电容电压，同时接触器合闸状态下稳定运行时，储能电容的能量损耗由储能电压监控电路提供补偿；增加低通滤波电路，使合闸性能变得稳定。

拓扑电路进一步说明：低通滤波电路由电阻和电容串联后并联于电源输入侧，整流电路采用全波整流桥形式，电源过压保护、合闸线圈过压保护、分闸线圈过压保护和储能电容过压保护均使用压敏电阻串接电阻后与被保护器件并联的形式，合闸执行机构和分闸执行机构均使用单向可控硅，负反馈环节使用二极管将储能电容电压反馈回合闸信号发生电路，合闸信号发生电路使用压敏电阻与电阻串联的形式，欠压判断电路的信号采用压敏电阻与电阻串联及电容保持的形式，分闸信号发生电路使用三极管反相电路将欠压判断电路的采样信号反相。

工作时，交流电源经整流桥整流后变成直流，如果该直流电压大于欠压判断电路中压敏电阻的导通电压，欠压判断电路的输出高电平采样信号，经过分闸信号发生电路的三极管反相后输出低电平，使分闸执行机构断开。如果该直流电压大于合闸信号发生电路中的压敏电阻的导通电压，合闸信号发生电路输出高电平使合闸执行机构导通，合闸线圈有电流脉冲流过，接触器合闸，当储能电容电压达到设定的值时，由负反馈环节反馈给合闸信号发生电路的控制极一个低电平，使合闸执行机构断开，此后，合闸执行机构和分闸执行机构均断开，储能电压监控电路为储能电容提供损耗补偿，如果此时直流电压小于欠压判断电路中压敏电阻的导通电压，或电源断电，欠压判断电路输出低电平采样信号，经过分闸信号发生电路的三极管反相后输出高电平，使分闸执行机构导通，分闸线圈有电流脉冲流过，接触器分闸。

有益效果：在上述工作过程中，由于负反馈的引入，充电时间可以控制，使充电过程很短。由于分闸线圈电阻和电感较小，放电过程也较快，充放电过程的加快使永磁接触器电气合分闸时间明显减少，使电气合分闸时间接近机械合分闸时间，提高永磁接触器开关频率。同时，低通滤波环节提高合闸过程的稳定性。

附图说明

图1为所述第一种双稳态永磁交流接触器结构剖面示意图：0、触头联动轴，1、垂直联动轴，2、超程弹簧，3、动触头，4、静触头，5、导电板，6、接线触头端子，7、上部支架，8、基座，9、上磁轭衔铁，10、永磁体，11、下磁轭衔铁，L1、第一线圈，L2、第二线圈，L3、第三线圈，L4、第四线圈；

图2为所述第一种双稳态永磁交流接触器垂直联动轴1、上磁轭衔铁9、永磁体10及下磁轭衔铁11组合的结构示意图；

图3为所述第一种双稳态永磁交流接触器磁路结构示意图；

图4为所述第一种双稳态永磁交流接触器拓扑电路结构形式示意图：801、低通滤波电路，802、电源过压保护，803、整流电路，804、储能电压监控电路，805、欠压判断电路，806、合闸信号发生电路，807、合闸线圈过压保护，808、负反馈环节，809、合闸执行机构，810、储能电容，811、储能电容过压保护，812、分闸信号发生电路，813、分闸线圈过压保护，814、分闸执行机构；另含有合闸线圈和分闸线圈，组成方式见拓扑电路图；

图5为所述第一种双稳态永磁交流接触器拓扑电路图；

图6为所述第一种双稳态永磁交流接触器拓扑电路充电实验波形；

图7为所述第一种双稳态永磁交流接触器拓扑电路放电实验波形；

图8为所述第二种双稳态永磁交流接触器磁路结构示意图：与第一种双稳态永磁交流接触器磁路结构不同之处在于取消第二线圈L2和第四线圈L4；

图9为所述第二种双稳态永磁交流接触器拓扑电路图：与第一种双稳态永磁交流接触器拓扑电路图不同之处在于，取消压敏电阻RV4和电阻R8，分闸过压保护813兼作合闸过压保护；

图10为所述第三种双稳态永磁交流接触器磁路结构示意图：与第二种双稳态永磁交流接触器磁路结构不同之处在，增加反力弹簧15；

图11为所述第三种双稳态永磁交流接触器拓扑电路图；

具体实施方式：

如图1所示，具有快速充放电控制特性的双稳态永磁交流接触器第一种结构中，主要包括触头联动轴0、垂直联动轴1、超程弹簧2、动触头3、静触头4、导电板5、接线触头端子6、上部支架(7、基座8、上磁轭衔铁9、永磁体10、下磁轭衔铁11、第一线圈L1、第二线圈L2、第三线圈L3和第四线圈L4。所述线圈均为同向绕制，第一线圈L1反向串联第三线圈L3构成合闸线圈，第四线圈L4反向串联第二线圈L2构成分闸线圈。永磁体10与垂直联动轴1固定，位于上磁轭衔铁9和下磁轭衔铁11之间。垂直联动轴1在永磁体10上下两端均设置凸起，固定永磁体10，和防止永磁体10与磁轭衔铁永磁体的直接碰撞。上磁轭衔铁9和下磁轭衔铁永磁体11均为圆环形，垂直联动轴1从圆环中间穿过。

如图4所示，第一种拓扑电路包括低通滤波电路801、电源过压保护802、整流电路803、储能电压监控电路804、欠压判断电路805、合闸信号发生电路806、合闸线圈过压保护807、负反馈环节808、合闸执行机构809、储能电容810、储能电容过压保护811、分闸信号发生电路812、分闸线圈过压保护813和分闸执行机构814。

如图5所示，第一种拓扑电路电路图中，电源端包含交流源AC、启动按钮QA和停止按钮TA，低通滤波电路801包括电容C1和电阻R1，电源过压保护802包括压敏电阻RV1和电阻R2，整流电路803包含整流桥BD，储能电压监控电路804包含二极管D1、电阻R3和电阻R4，欠压判断电路805包含二极管D2、压敏电阻VR2、电容C2和电阻R5，合闸信号发生电路806包含二极管D3、压敏电阻VR3、电阻R6和电阻R7，合闸线圈过压保护807包含压敏电阻RV4和电阻R8，合闸执行机构809包含单向可控硅MCR1，负反馈环节808包含二极管D4，储能电容810包含电解电容C3，储能电容过压保护811包含压敏电阻RV5和电阻R9，分闸信号发生电路812包含电阻R10和三极管G、分闸线圈过压保护813包含压敏电阻RV6和电阻R11和分闸执行机构814包含单向可控硅MCR2。线圈均为同向绕制，第一线圈L1反向串联第三线圈L3构成合闸线圈，第四线圈L4反向串联第二线圈L2构成分闸线圈。

如图5所示，电容C1和电阻R1串联后并联于电源输入端，压敏电阻RV1和电阻R2串联后并联于电源输入端；电源经过整流桥BD，整流桥BD正极分别与二极管D1、D2和D3正极相连；二极管D1负极与电阻R3一端相连，电阻R3另一端分别与电阻R4和电解电容C3正极相连后，电阻R4和电容C3负极均再连入整流桥BD负极；二极管D2负极与压敏电阻RV2一端相连，压敏电阻RV2另一端分别与电阻R5和电容C2相连后，电容C3再连入整流桥BD负极，电阻R5连入三极管G基极；压敏电阻RV3两端分别与二极管D3负极与电阻R6相连，电阻R6另一端分别与单向可控硅MCR1门极和电阻R7相连，电阻R7再连入整流桥BD负极；合闸线圈两端分别与整流桥BD正极和单向可控硅MCR1正极相连；压敏电阻RV4和电阻R8串联后并联于合闸线圈两端；单向可控硅MCR1负极与电解电容C3正极相连；二极管D4正极接电解电容C3正极，二极管D4负极接单向可控硅MCR1门极；压敏电阻RV5和电阻R9串联后并联于电解电容C3两侧；电阻R10两端分别接电解电容C3正极和三极管G集电极，三极管G发射极再连入整流桥BD负极；分闸线圈两端分别与电解电容C3正极和单向可控硅MCR2正极相连；压敏电阻RV6和电阻R11串联后并联于分闸线圈两端；单向可控硅MCR2门极接三极管G集电极，单向可控硅MCR2负极再连入整流桥BD负极。按下启动按钮QA，电流分四路：第一路通过D1、电阻R3和电阻R4，通过电阻R3和电阻R4的分压设定储能电解电容C3的储能电压；第二路通过D2、压敏电阻RV2和电阻R5流入三极管G基极，使三极管G导通，电容C2保持，三极管G导通拉低三极管G集电极电位，使单向可控硅MCR2可靠截止；第三路通过D3、压敏电阻RV3、电阻R6和电阻R7，当电源电压大于合闸信号发生电路中的压敏电阻RV3的导通电压，第三路有电流流过，电阻R6和电阻R7连接处输出高电平，使单向可控硅MCR1导通。第四路是充电回路，在第三路导通时，电流通过合闸线圈、单向可控硅MCR1向储能电解电容C3充电，合闸线圈有电流脉冲流过，产生与永磁体10反向的磁场，永磁体10受到向下的电磁力，垂直联动轴1向下运动，带动与超程弹簧2相连的触头联动轴0向下运动，动触头3与静触头4接触，接触器合闸；当储能电容电压达到第一路设定的储能电压值时，由D4反馈给单向可控硅MCR1门极一个低电平，使单向可控硅MCR1关断，充电过程结束；此后，单向可控硅MCR1和单向可控硅MCR2均关断，由第一路为储能电容C3提供损耗补偿。按下停止按钮TA或者电源电压小于欠压判断电路804中压敏电阻RV2的导通电压，欠压判断电路804的输出低电平信号使三极管G集电极输出高电平给单向可控硅MCR2门极，单向可控硅MCR2导通，储能电容C3通过分闸线圈和单向可控硅MCR2放电，分闸线圈中有电流脉冲流过，产生与永磁体10反向的磁场，永磁体10受到向上的电磁力，垂直联动轴1向上运动，带动与超程弹簧2相连的触头联动轴0向上运动，动触头3与静触头4分离，接触器分闸。图6为该拓扑电路充电实验波形，图7为该拓扑电路放电实验波形。

图8为第二种双稳态永磁交流接触器磁路结构示意图，与第一种不同之处在于：取消第二线圈L2和第四线圈L4，第一线圈L1反向串联第三线圈L3同时作为分合闸线圈使用。图9为第二种双稳态永磁交流接触器拓扑电路图，与第一种拓扑电路图不同之处在于：取消压敏电阻RV4和电阻R8，分闸过压保护813兼作合闸过压保护，合闸线圈两端分别接储能电解电容C3和单向可控硅MCR1的负极。其他部件及实施过程均与第一种形式同，此处不再赘述。

图10为第三种双稳态永磁交流接触器磁路结构示意图，与第二种不同之处在于：增加反力弹簧15；合闸时第一线圈L1反向串联第三线圈L3共同作用，分闸时第三线圈L3单独作用。图11为第三种双稳态永磁交流接触器拓扑电路图，与第一种不同之处在于：第三线圈L3两端分别接储能电解电容C3和单向可控硅MCR1的负极。其他部件及实施过程均与第一种形式同，此处不再赘述。

Claims (5)

1.一种具有充放电控制特性的双稳态永磁交流接触器，其特征在于该接触器包括机械部分和电控部分，其中机械部分的基座(8)位于最下方，在基座(8)上的中间自下至上依次为垂直联动轴(1)、超程弹簧(2)和触头联动轴(0)，在垂直联动轴(1)的外部自下至上设有下磁轭衔铁(11)、永磁体(10)、上磁轭衔铁(9)、上部支架(7)、导电板(5)，在下磁轭衔铁(11)的外部设有第三线圈(L3)和第四线圈(L4)，在上磁轭衔铁(9)的外部设有第一线圈(L1)、第二线圈(L2)；在垂直联动轴(1)上部的导电板(5)的静触头(4)上方设有动触头(3)，动触头(3)与触头联动轴(0)相连，超程弹簧(2)位于触头联动轴(0)和垂直联动轴(1)之间，接线触头端子(6)位于导电板(5)的外端；

电控部分的拓扑电路中，低通滤波电路(801)、电源过压保护(802)、整流电路(803)、储能电压监控电路(804)、欠压判断电路(805)、合闸信号发生电路(806)、储能电容(810)、储能电容过压保护(811)、分闸信号发生电路(812)彼此顺序连接，储能电容(810)和合闸信号发生电路(806)之间连有合闸线圈过压保护(807)、负反馈环节(808)、合闸执行机构(809)，分闸信号发生电路(812)、分闸线圈过压保护(813)和分闸执行机构(814)彼此顺序连接，低通滤波电路(801)输入侧为220V交流电源；

低通滤波电路由电阻和电容串联后并联于电源输入侧，整流电路采用全波整流桥形式，电源过压保护、合闸线圈过压保护、分闸线圈过压保护和储能电容过压保护均使用压敏电阻串接电阻后与被保护器件并联的形式，合闸执行机构和分闸执行机构均使用单向可控硅，负反馈环节使用二极管将储能电容电压反馈回合闸信号发生电路，合闸信号发生电路使用压敏电阻与电阻串联的形式，欠压判断电路的信号采用压敏电阻与电阻串联及电容保持的形式，分闸信号发生电路使用三极管反相电路将欠压判断电路的采样信号反相。

2.根据权利要求1所述具有充放电控制特性的双稳态永磁交流接触器，其特征在于：所述第一线圈(L1)、第二线圈(L2)、第三线圈(L3)、第四线圈(L4)均为同向绕制，第一线圈(L1)反向串联第三线圈(L3)构成合闸线圈，第四线圈(L4)反向串联第二线圈(L2)构成分闸线圈。

3.根据权利要求1所述具有充放电控制特性的双稳态永磁交流接触器，其特征在于：永磁体(10)与垂直联动轴(1)固定，位于上磁轭衔铁(9)和下磁轭衔铁(11)之间；垂直联动轴(1)在永磁体(10)上下两端均设有固定永磁体(10)和防止永磁体(10)与上磁轭衔铁(9)和下磁轭衔铁(11)的直接碰撞的凸起；上磁轭衔铁(9)和下磁轭衔铁(11)均为圆环形，垂直联动轴(1)从中间穿过；动触头(3)与触头联动轴(0)相连，触头联动轴(0)与操动机构中的垂直联动轴(1)间通过超程弹簧(2)隔离，便于试验和检测。

4.根据权利要求1所述具有充放电控制特性的双稳态永磁交流接触器，其特征在于：充电回路由合闸线圈、合闸执行机构(809)和储能电容(810)构成，放电回路由分闸线圈、分闸执行机构(814)和储能电容(810)构成；合闸执行机构(809)和分闸执行机构(814)均使用单向可控硅；合闸执行机构(809)的单向可控硅的阳极接合闸线圈，阴极接储能电容(810)；分闸执行机构(814)的单向可控硅的阳极接分闸线圈，阴极接构成整流电路(803)的整流桥(BD)的负极。

5.根据权利要求2所述具有充放电控制特性的双稳态永磁交流接触器，其特征在于：第二线圈(L2)、第四线圈(L4)与第一线圈(L1)、第三线圈(L3)相比，匝数较少，线径较大。

Images