CN104733232A - 一种基于双线圈结构的具有电磁可控反力的智能交流接触器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双线圈结构的具有电磁可控反力的智能交流接触器，包括机械系统与电控系统，机械系统包括动铁心（U型或E型）、静铁心（U型或E型）、主线圈、辅线圈、上绝缘壳体、下绝缘壳体、动铁心连接件、触头弹簧、动触头部件、静触头部件以及两个反力弹簧；电控系统与所述主线圈以及辅线圈连接；电控系统包括CPU控制模块以及与其相连的分合闸控制模块与运行指示电路，用以实现所述交流接触器的分合闸控制；其中动铁心、静铁心为半硬磁合金或无剩磁材料制成的铁心。本发明采用交流整流的脉动直流高压选相合闸、自保持或者直流低压吸持、应用电磁可控反力实现微电弧能量快速分闸的控制策略，节省损耗功率、降低或消除噪音、降低线圈温升。

Description

一种基于双线圈结构的具有电磁可控反力的智能交流接触器

技术领域

本发明涉及高低压开关电器智能控制领域，具体涉及一种基于双线圈结构的具有电磁可控反力的智能交流接触器。

背景技术

刘玉书等发表在《金属材料研究》1989年12月第15卷第6期的“半硬磁材料在磁保持型接触器中应用”一文介绍了磁保持接触器是利用半硬磁材料具有较高的剩磁和矫顽力能控制在一定范围内的特点，在加电流后铁心有剩磁，在接触器工作时不需要通电。而且，由于在工作时间时接触器的吸合状态是靠半硬磁材料的剩磁，因此不会受到电压波动的影响。汪先兵等发表在《低压电器》2009年第7期“永磁接触器的发展与研究综述”一文介绍了永磁机构通过将永磁体与现有的电磁铁相结合实现了传统机械或电磁机构的全部功能。由于永磁体的存在使得接触器的分闸反力为永磁磁力和弹簧反力，这显然比电磁式接触器反力大的多。永久磁铁能提供稳定的磁场，这是个优点，但是常态下也是缺点，会使接触器在没有电的情况下分不开，因此本发明为了解决这一个问题，采用两组线圈施加反向电流产生反向磁场产生电磁斥力的解决办法。通过半硬磁剩磁材料铁心或者通过在线圈中加入低压直流产生的磁场实现接触器的可靠无声节电吸持。为使吸持可靠同时用低压间歇加磁。利用CPU控制系统和整流/变压回路接通两组线圈，使它们产生磁力相当但磁场方向相反，利用同极磁场间的斥力来使接触器快速分闸。

发明内容

    有鉴于此，本发明的目的是提供一种新型的基于双线圈结构的具有电磁可控反力的智能交流接触器，包括机械系统与电控系统两部分，采用交流整流的脉动直流高压选相合闸、自保持或者低压吸持、应用电磁可控反力实现微电弧能量快速分闸的控制策略，节省铁心和线圈中绝大部分的损耗功率，同时降低或消除噪音，降低线圈的温升，延长智能交流接触器的寿命。

    本发明采用以下方案实现：一种基于双线圈结构的具有电磁可控反力的智能交流接触器，包括机械系统与电控系统，所述机械系统包括动铁心、静铁心、主线圈、辅线圈、上绝缘壳体、下绝缘壳体、动铁心连接件、触头弹簧、动触头部件、静触头部件以及两个反力弹簧；所述动铁心连接件为横向长方体结构，所述动铁心连接件中部上表面设有垂直向上的触头弹簧，所述触头弹簧的上端连接有所述的动触头部件，所述动触头部件下方一段距离处设有静触头部件，所述静触头部件固定在所述上绝缘壳体上，在合闸状态下所述动触头部件与静触头部件接触；所述动铁心连接件中部下表面设有所述的动铁心，所述辅线圈缠绕于所述动铁心，在合闸和分闸过程中所述动铁心连接件可在所述下绝缘壳体的导槽内滑动，所述动铁心下方一段距离处对应设有静铁心用以形成双U型对顶结构或双E型对顶结构，所述静铁心固定在所述下绝缘壳体上，所述主线圈缠绕于所述静铁心；所述动铁心连接件两端下表面分别设有一垂直向下的反力弹簧，所述反力弹簧的下端连接至所述下绝缘壳体；所述电控系统与所述主线圈以及辅线圈连接；所述的电控系统包括一CPU控制模块以及与其相连的一分合闸控制模块与一运行指示电路，用以实现所述交流接触器的分合闸控制，其中所述CPU控制模块为单片机，包括一数据存储单元、一数据处理单元以及一控制单元。

    进一步地，所述的分合闸控制模块包括第一整流回路、第二整流回路、电压变换回路、加/去磁控制回路、第一强激磁启动元件、第二强激磁启动元件，用以控制第一强激磁启动元件通断的第一控制回路、用以控制第二强激磁启动元件通断的第二控制回路以及用以控制加/去磁控制回路开闭的第三控制回路；所述第一控制回路、第二控制回路以及第三控制回路的输入端与CPU的控制单元相连，所述第一整流回路、所述第二整流回路以及所述电压变换回路的输入端还与一单相电源连接；所述第一控制回路、第一整流回路的输出端与所述第一强激磁启动元件的一端相连，所述第一强激磁启动元件的另一端与所述主线圈相连；所述第二控制回路、第二整流回路的输出端与所述第一强激磁启动元件的一端相连，所述第二强激磁启动元件的另一端与所述辅线圈相连；所述第三控制回路的输出端与所述加/去磁控制回路的输入端相连，所述加/去磁控制回路的输出端与所述主线圈或副线圈相连。

    进一步地，所述的动铁心、静铁心为半硬磁合金或无剩磁材料制成的铁心。

    进一步地，当动铁心、静铁心为半硬磁合金制成的铁心时，所述的加/去磁控制回路为低压间歇加磁回路与突然断电去磁回路。

    进一步地，当动铁心、静铁心为无剩磁材料制成的铁心时，所述的加/去磁控制回路为低压吸持回路。

进一步地，所述的电控系统还包括A/D采集模块、电压传感器以及电流传感器；所述电压传感器的输入端连接至所述单相电源，所述电流传感器的输入端连接与一负载端相连，用以采集所述单相电源的电压值与所述负载端的电流值；所述电压传感器的输出端与所述电流传感器的输出端与所述A/D采集模块相连，所述A/D采集模块连接至所述的CPU控制模块。

进一步地，当所述动铁心的结构为U型时，所述静铁心的结构也为U型；当所述动铁心的结构为E型时，所述静铁心的结构也为E型。

进一步地，所述控制单元还与一运行指示电路连接，用以显示当前所述交流接触器的运行状态。

进一步地，所述动铁心连接件为绝缘材料制成。

较佳的，当动铁心、静铁心为半硬磁合金制成的铁心时，CPU控制模块能够实现智能交流接触器的智能选相合闸控制和智能微电弧能量分断控制。在接触器合闸时，先通过第一控制回路控制第一强激磁启动元件导通，单相电源电压经过第一整流回路后，直接施加在智能交流接触器主线圈上，使智能交流接触器在直流强激磁方式下快速可靠吸合。同时，也给半硬磁合金材料制成的具有剩磁功能的动铁心、静铁心上磁和失压、欠压分断储能电容充电。当吸合过程完成以后，CPU控制模块通过第一控制回路控制断开第一强激磁启动元件，使智能交流接触器的主线圈断开强激磁，智能交流接触器转入自保持吸持阶段，并每隔一段时间通过第三控制回路导通低压间歇加磁回路，给剩磁铁心刷新，防止磁场随着时间减小而失去磁性，保证接触器可靠吸持。当智能接触器在运行过程中，突然欠压或者失压时依靠突然断电去磁回路消磁来达到跳闸之目的。在接触器分闸时，先通过第三控制回路断开低压间歇加磁回路，然后利用反向磁场间体现相斥的特性，通过第一控制回路和第二控制回路同时开通第一强激磁启动元件和第二强激磁启动元件，使两个线圈产生的磁场方向是相反的。此时，在对顶的动静铁心的磁场分布上，由于铁心磁阻小绝大部分磁力线通过铁心柱内形成回路，但由于两组线圈激磁均为强激磁，就算动静铁心完全闭合的情况下，动静铁心各自均有相当部分磁力线通过铁心的左右两个撞击面之间的空气自成回路，形成较大漏磁通。在动静铁心之间接触面的铁心柱内，由于磁力线方向相反且磁力相当而互相抵消，不呈现电磁力的特征；但在动静铁心左右撞击面之间的周围空气中，有自成回路且较大的漏磁通，呈现螺线管磁场特征，产生很大的电磁反力，对双线圈磁保持智能接触器而言呈现斥力的特征，依靠这种同极磁场间的斥力和弹簧的弹力来使双线圈磁保持智能接触器完成快速分闸。

特别地，当动铁心、静铁心为无剩磁材料制成的铁心时，CPU控制模块能够实现高压直流强激磁智能选相合闸、高压直流强激磁智能微电弧分闸以及低压吸持回路的控制。在接触器合闸时，先通过第一控制回路控制第一强激磁启动元件导通，单相电源电压经过第一整流回路以后，直接施加在智能交流接触器主线圈上，使智能交流接触器在直流强激磁方式下快速可靠吸合。当吸合过程完成以后，CPU控制模块通过第一控制回路切断第一强激磁启动元件，使智能交流接触器的主线圈断开强激磁，并通过第三控制回路导通低压吸持回路使智能交流接触器转入低压吸持阶段。在接触器分闸时，先通过第三控制回路断开低压吸持回路，然后利用反向磁场间体现相斥的特性，通过第一控制回路和第二控制回路同时开通第一强激磁启动元件和第二强激磁启动元件，使两个线圈产生的磁场方向是相反的。此时，在对顶的动静铁心的磁场分布上，由于铁心磁阻小绝大部分磁力线通过铁心柱内形成回路，但由于两组线圈激磁均为强激磁，就算动静铁心完全闭合的情况下，动静铁心各自均有相当部分磁力线通过铁心的左右两个撞击面之间的空气自成回路，形成较大漏磁通。在动静铁心之间接触面的铁心柱内，由于磁力线方向相反且磁力相当而互相抵消，不呈现电磁力的特征；但在动静铁心左右撞击面之间的周围空气中，有自成回路且较大的漏磁通，呈现螺线管磁场特征，产生很大的电磁反力，对双线圈无剩磁智能接触器而言呈现斥力的特征，依靠这种同极磁场间的斥力和弹簧的弹力来使双线圈无剩磁智能接触器完成快速分闸。

本发明具有以下优点：（1）采用节能的控制技术，使其吸持状态由交流吸持改为直流吸持；（2）分闸时采用施加两路反向电流使主辅线圈产生互为反向的磁场，依靠同极磁场间的斥力和弹簧反力来使接触器快速分闸（由于有可控电磁斥力分闸，反力弹簧的刚度可以较小，只要能保证接触器在常态下处于分闸状态即可，因此不影响其可靠合闸），减少动静触头间的电弧；（3）具有失压、欠压状态下绝对保证双线圈智能接触器处于分闸状态；（4）当动铁心、静铁心为半硬磁合金制成的铁心时，在断开强激磁启动元件后，可依靠半硬磁合金材料的剩磁进行吸持，以及间歇加磁进行铁心磁场的刷新，保证接触器可靠吸合；（5）当动铁心、静铁心为无剩磁材料制成的铁心时，断开强激磁启动元件后，可依靠低压吸持原理使接触器可靠吸合。因此，本发明提供的一种新的智能交流接触器在接触工作时，能够具备耗能低、噪声低、受电网影响小和动静触头间少电弧的优点。

附图说明

图1为本发明中当动铁心、静铁心为U型结构的结构示意图（主线圈与辅线圈均由两线圈串联而成）。

图2为本发明中当动铁心、静铁心为E型结构的结构示意图。

图3为本发明中当动铁心、静铁心为半硬磁合金制成的铁心时的电路框图。

图4为本发明中当动铁心、静铁心为无剩磁材料制成的铁心时的电路框图。

[主要组件符号说明]

图中：1为动触头部件；2为静触头部件；3为动铁心连接件；4为反力弹簧；5为主线圈；6为静铁心；7为电控系统；8为辅线圈；9为动铁心；10为触头弹簧；11为导槽；12为下绝缘壳体；13为上绝缘壳体。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

    本实施例提供一种基于双线圈结构的具有电磁可控反力的智能交流接触器，如图1、图2所示，包括机械系统与电控系统，所述机械系统包括动铁心、静铁心、主线圈、辅线圈、上绝缘壳体、下绝缘壳体、动铁心连接件、触头弹簧、动触头部件、静触头部件以及两个反力弹簧；所述动铁心连接件为横向长方体结构，所述动铁心连接件中部上表面设有垂直向上的触头弹簧，所述触头弹簧的上端连接有所述的动触头部件，所述动触头部件下方一段距离处设有静触头部件，所述静触头部件固定在所述上绝缘壳体上，在合闸状态下所述动触头部件与静触头部件接触；所述动铁心连接件中部下表面设有所述的动铁心，所述辅线圈缠绕于所述动铁心，在合闸和分闸过程中所述动铁心连接件可在所述下绝缘壳体的导槽内滑动，所述动铁心下方一段距离处对应设有静铁心用以形成双U型对顶结构或双E型对顶结构，所述静铁心固定在所述下绝缘壳体上，所述主线圈缠绕于所述静铁心；所述动铁心连接件两端下表面分别设有一垂直向下的反力弹簧，所述反力弹簧的下端连接至所述下绝缘壳体；所述电控系统与所述主线圈以及辅线圈连接；所述的电控系统包括一CPU控制模块以及与其相连的一分合闸控制模块与一运行指示电路，用以实现所述交流接触器的分合闸控制，其中所述CPU控制模块为单片机，包括一数据存储单元、一数据处理单元以及一控制单元。

    在本实施例中，如图3和图4所示， 进一步地，所述的分合闸控制模块包括第一整流回路、第二整流回路、电压变换回路、加/去磁控制回路、第一强激磁启动元件、第二强激磁启动元件，用以控制第一强激磁启动元件通断的第一控制回路、用以控制第二强激磁启动元件通断的第二控制回路以及用以控制加/去磁控制回路开闭的第三控制回路；所述第一控制回路、第二控制回路以及第三控制回路的输入端与CPU的控制单元相连，所述第一整流回路、所述第二整流回路以及所述电压变换回路的输入端还与一单相电源连接；所述第一控制回路、第一整流回路的输出端与所述第一强激磁启动元件的一端相连，所述第一强激磁启动元件的另一端与所述主线圈相连；所述第二控制回路、第二整流回路的输出端与所述第一强激磁启动元件的一端相连，所述第二强激磁启动元件的另一端与所述辅线圈相连；所述第三控制回路的输出端与所述加/去磁控制回路的输入端相连，所述加/去磁控制回路的输出端与所述主线圈或副线圈相连。

    在本实施例中，所述的动铁心、静铁心为半硬磁合金或无剩磁材料制成的铁心。

在本实施例中，当动铁心、静铁心为半硬磁合金制成的铁心时，所述的加/去磁控制回路为低压间歇加磁回路与突然断电去磁回路。

在本实施例中，当动铁心、静铁心为无剩磁材料制成的铁心时，所述的加/去磁控制回路为低压吸持回路。

在本实施例中，所述的电控系统还包括A/D采集模块、电压传感器以及电流传感器；所述电压传感器的输入端连接至所述单相电源，所述电流传感器的输入端连接与一负载端相连，用以采集所述单相电源的电压值与所述负载端的电流值；所述电压传感器的输出端与所述电流传感器的输出端与所述A/D采集模块相连，所述A/D采集模块连接至所述的CPU控制模块。

在本实施例中，当所述动铁心的结构为U型时，所述静铁心的结构也为U型；当所述动铁心的结构为E型时，所述静铁心的结构也为E型。

在本实施例中，所述控制单元还与一运行指示电路连接，用以显示当前所述交流接触器的运行状态。

在本实施例中，所述动铁心连接件为绝缘材料制成。

在本实施例中，较佳的，当动铁心、静铁心为半硬磁合金制成的铁心时，CPU控制模块能够实现智能交流接触器的智能选相合闸控制和智能微电弧能量分断控制。在接触器合闸时，先通过第一控制回路控制第一强激磁启动元件导通，单相电源电压经过第一整流回路后，直接施加在智能交流接触器主线圈上，使智能交流接触器在直流强激磁方式下快速可靠吸合。同时，也给半硬磁合金材料制成的具有剩磁功能的动铁心、静铁心上磁和失压、欠压分断储能电容充电。当吸合过程完成以后，CPU控制模块通过第一控制回路控制断开第一强激磁启动元件，使智能交流接触器的主线圈断开强激磁，智能交流接触器转入自保持吸持阶段，并每隔一段时间通过第三控制回路导通低压间歇加磁回路，给剩磁铁心刷新，防止磁场随着时间减小而失去磁性，保证接触器可靠吸持。当智能接触器在运行过程中，突然欠压或者失压时依靠突然断电去磁回路消磁来达到跳闸之目的。在接触器分闸时，先通过第三控制回路断开低压间歇加磁回路，然后利用反向磁场间体现相斥的特性，通过第一控制回路和第二控制回路同时开通第一强激磁启动元件和第二强激磁启动元件，使两个线圈产生的磁场方向是相反的。此时，在对顶的动静铁心的磁场分布上，由于铁心磁阻小绝大部分磁力线通过铁心柱内形成回路，但由于两组线圈激磁均为强激磁，就算动静铁心完全闭合的情况下，动静铁心各自均有相当部分磁力线通过铁心的左右两个撞击面之间的空气自成回路，形成较大漏磁通。在动静铁心之间接触面的铁心柱内，由于磁力线方向相反且磁力相当而互相抵消，不呈现电磁力的特征；但在动静铁心左右撞击面之间的周围空气中，有自成回路且较大的漏磁通，呈现螺线管磁场特征，产生很大的电磁反力，对双线圈磁保持智能接触器而言呈现斥力的特征，依靠这种同极磁场间的斥力和弹簧的弹力来使双线圈磁保持智能接触器完成快速分闸。

在本实施例中，特别地，当动铁心、静铁心为无剩磁材料制成的铁心时，CPU控制模块能够实现高压直流强激磁智能选相合闸、高压直流强激磁智能微电弧分闸以及低压吸持回路的控制。在接触器合闸时，先通过第一控制回路控制第一强激磁启动元件导通，单相电源电压经过第一整流回路以后，直接施加在智能交流接触器主线圈上，使智能交流接触器在直流强激磁方式下快速可靠吸合。当吸合过程完成以后，CPU控制模块通过第一控制回路切断第一强激磁启动元件，使智能交流接触器的主线圈断开强激磁，并通过第三控制回路导通低压吸持回路使智能交流接触器转入低压吸持阶段。在接触器分闸时，先通过第三控制回路断开低压吸持回路，然后利用反向磁场间体现相斥的特性，通过第一控制回路和第二控制回路同时开通第一强激磁启动元件和第二强激磁启动元件，使两个线圈产生的磁场方向是相反的。此时，在对顶的动静铁心的磁场分布上，由于铁心磁阻小绝大部分磁力线通过铁心柱内形成回路，但由于两组线圈激磁均为强激磁，就算动静铁心完全闭合的情况下，动静铁心各自均有相当部分磁力线通过铁心的左右两个撞击面之间的空气自成回路，形成较大漏磁通。在动静铁心之间接触面的铁心柱内，由于磁力线方向相反且磁力相当而互相抵消，不呈现电磁力的特征；但在动静铁心左右撞击面之间的周围空气中，有自成回路且较大的漏磁通，呈现螺线管磁场特征，产生很大的电磁反力，对双线圈无剩磁智能接触器而言呈现斥力的特征，依靠这种同极磁场间的斥力和弹簧的弹力来使双线圈无剩磁智能接触器完成快速分闸。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种基于双线圈结构的具有电磁可控反力的智能交流接触器，其特征在于：包括机械系统与电控系统，所述机械系统包括动铁心、静铁心、主线圈、辅线圈、上绝缘壳体、下绝缘壳体、动铁心连接件、触头弹簧、动触头部件、静触头部件以及两个反力弹簧；所述动铁心连接件为横向长方体结构，所述动铁心连接件中部上表面设有垂直向上的触头弹簧，所述触头弹簧的上端连接有所述的动触头部件，所述动触头部件下方一段距离处设有静触头部件，所述静触头部件固定在所述上绝缘壳体上，在合闸状态下所述动触头部件与静触头部件接触；所述动铁心连接件中部下表面设有所述的动铁心，在合闸和分闸过程中所述动铁心连接件可在所述下绝缘壳体的导槽内滑动，所述辅线圈缠绕于所述动铁心，所述动铁心下方一段距离处对应设有静铁心用以形成双U型对顶结构或双E型对顶结构，所述静铁心固定在所述下绝缘壳体上，所述主线圈缠绕于所述静铁心；所述动铁心连接件两端下表面分别设有一垂直向下的反力弹簧，所述反力弹簧的下端连接至所述下绝缘壳体；所述电控系统与所述主线圈以及辅线圈连接；所述的电控系统包括一CPU控制模块以及与其相连的一分合闸控制模块与一运行指示电路，用以实现所述交流接触器的分合闸控制，其中所述CPU控制模块为单片机，包括一数据存储单元、一数据处理单元以及一控制单元。

2.根据权利要求1所述的一种基于双线圈结构的具有电磁可控反力的智能交流接触器，其特征在于：所述的分合闸控制模块包括第一整流回路、第二整流回路、电压变换回路、加/去磁控制回路、第一强激磁启动元件、第二强激磁启动元件，用以控制第一强激磁启动元件通断的第一控制回路、用以控制第二强激磁启动元件通断的第二控制回路以及用以控制加/去磁控制回路开闭的第三控制回路；所述第一控制回路、第二控制回路以及第三控制回路的输入端与CPU的控制单元相连，所述第一整流回路、所述第二整流回路以及所述电压变换回路的输入端还与一单相电源连接；所述第一控制回路、第一整流回路的输出端与所述第一强激磁启动元件的一端相连，所述第一强激磁启动元件的另一端与所述主线圈相连；所述第二控制回路、第二整流回路的输出端与所述第一强激磁启动元件的一端相连，所述第二强激磁启动元件的另一端与所述辅线圈相连；所述第三控制回路的输出端与所述加/去磁控制回路的输入端相连，所述加/去磁控制回路的输出端与所述主线圈或副线圈相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于双线圈结构的具有电磁可控反力的智能交流接触器，其特征在于：所述的动铁心、静铁心为半硬磁合金或无剩磁材料制成的铁心。

4.根据权利要求2所述的一种基于双线圈结构的具有电磁可控反力的智能交流接触器，其特征在于：当动铁心、静铁心为半硬磁合金制成的铁心时，所述的加/去磁控制回路为低压间歇加磁回路与突然断电去磁回路。

5.根据权利要求2所述的一种基于双线圈结构的具有电磁可控反力的智能交流接触器，其特征在于：当动铁心、静铁心为无剩磁材料制成的铁心时，所述的加/去磁控制回路为低压吸持回路。

6.根据权利要求1所述的一种基于双线圈结构的具有电磁可控反力的智能交流接触器，其特征在于：所述的电控系统还包括A/D采集模块、电压传感器以及电流传感器；所述电压传感器的输入端连接至所述单相电源，所述电流传感器的输入端连接与一负载端相连，用以采集所述单相电源的电压值与所述负载端的电流值；所述电压传感器的输出端与所述电流传感器的输出端与所述A/D采集模块相连，所述A/D采集模块连接至所述的CPU控制模块。

7.根据权利要求1所述的一种基于双线圈结构的具有电磁可控反力的智能交流接触器，其特征在于：当所述动铁心的结构为U型时，所述静铁心的结构也为U型；当所述动铁心的结构为E型时，所述静铁心的结构也为E型。

8.根据权利要求1所述的一种基于双线圈结构的具有电磁可控反力的智能交流接触器，其特征在于：所述CPU的控制模块的控制单元还与一运行指示电路连接，用以显示当前所述交流接触器的运行状态。