CN104838464A - 电磁开关 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电磁开关，即使在电磁螺线管产生的磁场较弱的情况下，也能够使起动电动机(电动机)前段的电磁开关的触点闭合。电磁开关包括：电阻体，其抑制从蓄电池流动至使发动机起动的起动电动机的电流；副触点，其包括与电阻体并联地配置的固定触点和可动触点；螺线管线圈，其通过从蓄电池通电而产生第一磁场；和可动铁芯，其被螺线管线圈包围，电阻体具有线圈部，该线圈部配置在螺线管线圈的磁路内且成形为包围可动铁芯的线圈状，使得流过电流时在与第一磁场相同的方向上产生用于使可动触点与固定触点接触的第二磁场。

Description

电磁开关

技术领域

本发明涉及内置有用于抑制对起动电动机的通电电流的电阻体的电磁开关。

背景技术

为了抑制电子部件的瞬间停电的产生，公开了内置有用于抑制在使起动电动机起动时通电的电流的电阻体的电磁开关(例如参考专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-224315号公报

发明内容

发明要解决的课题

因为发热量或者体积(线圈的匝数)的限制的原因，存在电磁螺线管产生的磁场较弱、不能够使起动电动机(电动机)前段的专利文献1中公开的电磁开关的触点闭合的情况。

用于解决课题的技术方案

权利要求1中记载的电磁开关，包括：电阻体，其抑制从蓄电池流动至使发动机起动的起动电动机的电流；副触点，其包括与电阻体并联地配置的固定触点和可动触点；螺线管线圈，其通过从蓄电池通电而产生第一磁场；和可动铁芯，其被螺线管线圈包围，电阻体具有线圈部，该线圈部配置在螺线管线圈的磁路内且成形为包围可动铁芯的线圈状，使得流过电流时在与第一磁场相同的方向上产生用于使可动触点与固定触点接触的第二磁场。

发明效果

根据本发明，即使在电磁螺线管产生的磁场较弱的情况下，也能够使起动电动机(电动机)前段的电磁开关的触点闭合。

附图说明

图1是电磁开关的截面图。

图2是连接了电磁开关的起动电动机系统的电路图。

图3是表示电磁开关的电阻体的形状的图。

图4是连接了本实施方式中的电磁开关的起动电动机系统的工作时的时序图。

图5是表示电磁开关的副触点工作时的吸引力与弹簧弹力的关系的图。

图6是表示电磁开关的电阻体的形状的图。

图7是表示电磁开关的电阻体的形状的图。

具体实施方式

以下对于本发明的一个实施方式中的电磁开关，用附图说明其详情。图1是本实施方式中的电磁开关10的截面图，图2是起动电动机系统1的电路图。起动电动机系统1如图2所示，由电动机(起动电动机)2、小齿轮4、拨齿杆(Shift Lever)5、主触点7和电磁开关3等构成。电动机2产生使发动机起动所需的旋转力。小齿轮4对发动机侧环形齿轮6传递自身的旋转力。拨齿杆5以小齿轮4与环形齿轮6啮合的方式将小齿轮4向环形齿轮6方向推出。主触点7控制对电动机2的通电和拨齿杆5的动作。电磁开关3通过通电来使主触点7开闭。

电磁开关10被插入从蓄电池9到起动电动机系统1的主触点7的电路，由电阻体30、副触点20和电磁螺线管11等构成。电阻体30抑制从蓄电池9对电动机2流过的电流。副触点20包括与电阻体30并联地配置的固定触点22a和22b以及可动触点21，在闭合状态时使电阻体30短路而从蓄电池9直接对电动机2通电。电磁螺线管11进行副触点20的开闭控制。

电磁螺线管11由线圈外壳18、螺线管线圈12以及被螺线管线圈12包围的可动铁芯16和固定铁芯17等构成。线圈外壳18仅在与轴方向的一方交叉的面上具有开口。螺线管线圈12在线圈外壳18的内侧以被树脂制的线轴13支承的状态配置。线圈外壳18与可动铁芯16和固定铁芯17构成磁路19。螺线管线圈12的一方的端部与连接到控制装置8的外部端子14结线。螺线管线圈12的另一方的端部与固定铁芯17结线。固定铁芯17经由线圈外壳18与接地电路15连接。

副触点20隔着固定铁芯17配置在与磁路19相反的一侧，由可动触点21、固定触点22a和22b以及触点外壳23构成。可动触点21与可动铁芯16同步地移动。触点外壳23保持固定触点22a和22b。可动触点21被触点按压弹簧24保持在离开固定铁芯17的方向上的初始位置。可动铁芯16被复位弹簧25保持在离开固定铁芯17的方向上的初始位置。

因从蓄电池9对螺线管线圈12通电而产生的第一磁场和因从蓄电池9对电动机2流过的电流在电阻体30中流过而产生的第二磁场在相同方向上产生。通过第一磁场和第二磁场，固定铁芯17和可动铁芯16磁化，将可动铁芯16吸引至固定铁芯17的吸引力超过复位弹簧25的弹簧弹力，所以可动铁芯16被吸引至固定铁芯17。与可动铁芯16同步地移动的可动触点21与固定触点22a和22b接触，从而副触点20闭合。副触点20闭合时，在电阻体30中流过的从蓄电池9向电动机2流过的电流经由副触点20被短路，所以电阻体30对于从蓄电池9对电动机2流过的电流的抑制被解除。之后，从蓄电池9对电动机2流过的电流停止、并且对螺线管线圈12的通电切断时，可动触点21因触点按压弹簧24的弹力而返回初始位置，可动铁芯16因复位弹簧25的弹力而返回初始位置，从而副触点20开放。

图3表示了本实施方式中的电磁开关10的电阻体30的形状。电阻体30如图1所示，配置在电磁螺线管11的磁路19内的被螺线管线圈12的外周与线圈外壳18包围的气隙(空间)中。电阻体30的周围被管状的绝缘部件覆盖。该气隙与该绝缘部件构成绝缘层。电阻体30具有成形为线圈状的线圈部31，隔着该绝缘层包围螺线管外壳12和可动铁芯16。电阻体30的两端部32a和32b分别与固定触点22a和22b连接。对电阻体30通电时因电阻体30的线圈部31中流过的电流而产生的第二磁场的方向，与因对螺线管线圈12通电而产生的第一磁场的方向一致。

为了使从电阻体30对线圈外壳18的导热量大于从电阻体30对螺线管线圈12的导热量，电阻体30在上述气隙中靠线圈外壳18配置。通过这样配置，螺线管线圈12及其周边的部件(例如线轴13)难以受到热损伤。此外，在不能够使副触点20闭合、驱动电动机2的大电流连续地对电阻体30通电时，存在电磁螺线管11因电阻体30的发热而不能工作的可能性。为了防止该情况，以从电阻体30的通电开始到熔断的时间T_R[s]和除电阻体30以外的电磁螺线管11的构成部件中的任意一个受到不能工作的热损伤的时间T_S[s]满足T_R<T_S的方式，设定电阻体30。流过平均通电电流I[A]的电阻体30的电阻率ρ[Ωm]、体积比热容c[J/(m³K)]、截面积A[m²]、表示散热量占发热量的比例的散热率α、通电前的温度θ₀[℃]和熔断温度θ_R[℃]和电阻体30从通电开始到熔断的时间T_R[s]，满足式(1)

{ρ×I²×(1-α)/(c×A²)}×T_R＝θ_R-θ₀    (1)

举例说明。设电阻体30中流过平均电流I＝200[A]，螺线管线圈12周边的构成部件在T_S＝5[s]受到热损伤。该情况下，用钢线构成电阻体30，电阻体30的温度达到熔断温度θ_R＝1500[℃]时电阻体30熔断。根据式(1)，如果构成电阻体30的钢线的线径是3.1[mm]，则连读通电时在电磁螺线管11不能工作之前电阻体30熔断，从而通电被切断。

即，以即使电阻体30中发生长时间通电也在螺线管线圈12和螺线管线圈12周边的构成部件产生热损伤之前电阻体30熔断的方式，设定电阻体30的材质和截面积。即使在电阻体30因对电阻体30的长时间通电而熔断的情况下，电磁开关10也保持电阻体30以外的电路，能够通过因从蓄电池9对螺线管线圈12的通电而产生的第一磁场使可动触点21与固定触点22a和22b接触。从而，来自蓄电池9的电流经由闭合的副触点20对电动机2流动，所以能够进行发动机起动。

在连接了具有上述结构的电磁开关10的起动电动机系统1中，对发动机起动时的电动机2的动作进行说明。发生发动机起动请求时，控制装置8对电磁开关3进行通电，主触点7闭合。因为主触点7闭合，小齿轮4被推出而与环形齿轮6啮合，同时从蓄电池9经由电阻体30开始对电动机2通电。此时，对电动机2的通电电流被电阻体30限制，电动机2低速旋转，同时开始发动机的曲柄起动。

在时刻T1，电动机2因为主触点7闭合而开始旋转之后，在经过规定的时间后的时刻T2，控制装置8开始对电磁开关10的螺线管线圈12进行基于蓄电池9的通电，从而副触点20闭合。副触点20闭合时，形成使电阻体30短路的电路，所以蓄电池9的电压完全对电动机2施加，电动机2以高速旋转开始发动机的曲柄起动。图4表示了此时的主触点7和副触点20各自的开闭状态、蓄电池9的电压和电动机2中流过的电流的时间变化。

如图4所示，上述时刻T1表示使起动电动机系统1的主触点闭合的时刻，上述时刻T2表示副触点20闭合的时刻。通过起动电动机系统1的主触点闭合而起动发动机时的时刻T1的蓄电池9的电压，因为用电阻体30抑制对电动机2的电流而保持在电压V1。即，电阻体30对电动机2的电流抑制，防止了蓄电池9的电压降低至低于电压V1的电压。此外，在时刻T2，电动机2低速旋转，蓄电池9的电压因为利用因电动机2的旋转而产生的反向电动势而保持在电压V2。即，因电动机2旋转而产生的反向电动势，防止了蓄电池9的电压降低至低于电压V2的电压。因此，能够抑制电子部件的瞬间停电的产生。

图5表示了对电磁开关10的螺线管线圈12施加电压、副触点20工作时的对可动铁芯16在朝向固定铁芯17的方向上作用的吸引力，与在离开固定铁芯17的方向按压可动铁芯16的弹簧弹力的关系。在离开固定铁芯17的方向按压可动铁芯16的弹簧弹力，是触点按压弹簧24和复位弹簧25的合力。复位弹簧25对可动铁芯16总是施加弹力。触点按压弹簧24从与可动铁芯16同步地移动的可动触点21与固定触点22a和22b接触的时刻起开始弯曲。从而，触点按压弹簧24在副触点20闭合之后起到产生弹簧弹力的弹簧的作用。

随着驱动可动铁芯16使其移动，副触点20闭合所需的对可动铁芯16的吸引力反比于可动铁芯16与固定铁芯17之间的间隙量。因此，随着驱动可动铁芯16使其移动，副触点20闭合所需的第一磁场和第二磁场的强度根据可动铁芯16的位置而变化，在可动铁芯16位于初始位置时最大。

可动铁芯16开始从初始位置移动之前，从蓄电池9对电动机2的电流经由电阻体30流过，所以在需要最大磁场强度的从可动铁芯16的移动开始到副触点20闭合之间，能够将电阻体30中流过的电流生成的第二磁场利用于产生对可动铁芯16的吸引力。直到副触点20闭合之间，现有的电磁开关中仅用螺线管线圈产生的第一磁场驱动可动铁芯。与此相比，本实施方式中的电磁开关中，直到副触点20闭合之间，能够降低对可动铁芯16产生吸引力的第一磁场通过螺线管线圈12产生所需的电压。从而，能够使副触点20工作的蓄电池电压向低电压侧扩大，能够提高起动电动机系统1的可靠性。

现有的电磁螺线管中，通过螺线管线圈中流过电流时产生的磁场，可动铁芯被吸引至固定铁芯，从而副触点闭合。驱动可动铁芯的吸引力反比于可动铁芯与固定铁芯之间的间隙量。因此，驱动初始状态的可动铁芯而使副触点闭合所需的磁场强度，大于维持副触点的闭合状态所需的磁场强度。电磁螺线管的线圈设计依赖于副触点在开放状态时能够吸引可动铁芯的磁场大小而决定。

为了使现有的电磁螺线管在低电压下工作、提高电磁开关的可靠性，考虑通过减小螺线管线圈的电阻值而增大螺线管线圈中流过的电流，来增大螺线管线圈产生的磁场。增加螺线管线圈中流过的电流时，发热量增加，产生用于应对发热的成本上升、和消耗电力增加等问题。通过增加螺线管线圈的匝数也能够增大螺线管线圈产生的磁场。螺线管线圈的匝数增加时，螺线管线圈的材料使用量增加引起的成本上升、螺线管线圈的体积增加(重量增加)引起的电磁螺线管的外形增大成为问题。

现有的电磁开关中，电磁螺线管在蓄电池因为从蓄电池经由电阻体对电动机流过的电流而电压降低的状态下，产生磁场使副触点开闭。因为蓄电池劣化等原因，电动机通电时的蓄电池的电压降低较大时，存在电磁螺线管产生的磁场减弱而不能够使副触点闭合的情况。该情况下，从蓄电池对电动机流过的电流被电阻体持续限制的状态持续时，发动机的起动时间延长。

因为蓄电池劣化等原因而不能够使副触点闭合的状态下，现有的电磁开关的电阻体中长时间流过驱动电动机的大电流时，存在产生电阻体熔断的情况和电阻体周围的电磁螺线管或者线轴等部件中产生热损伤的情况。这样的情况下，存在失去从蓄电池到电动机的通电通路、陷入不能够起动发动机的状态的可能性。

本实施方式中的电磁开关10，包括电阻体30、副触点20、螺线管线圈12和可动铁芯16。电阻体30抑制从蓄电池9对使发动机起动的电动机2流过的电流。副触点20包括与电阻体30并联地配置的固定触点22a和22b以及可动触点21。螺线管线圈12因为蓄电池9的通电而产生第一磁场。可动铁芯16被螺线管线圈12包围。电阻体30具有线圈部31，配置在螺线管线圈12的磁路19内。电阻体30的线圈部31，以流过电流时在与第一磁场相同的方向上产生用于使可动触点21与固定触点22a和22b接触的第二磁场的方式成形为包围可动铁芯16的线圈状。

本实施方式中的电磁开关10具有上述结构，在电磁螺线管11位于初始位置因此需要最大磁场的副触点20的闭合动作开始时，能够将因电磁开关10内置的电阻体30中流过的电动机电流而产生的第二磁场用作对可动铁芯16的吸引力。因为螺线管线圈12需要产生的第一磁场可以减小，所以无需增加重量或提高成本，就能够降低电磁螺线管11的最低工作电压，能够提高发动机起动时的电磁开关11的可靠性和安全性。

(变形例)

(1)通过电阻体30中流过的电动机电流产生的第二磁场对可动铁芯16产生的吸引力，优选不超过触点按压弹簧25和复位弹簧24的合力即弹簧弹力，小于可动触点21与固定触点22a和22b接触而使副触点20闭合所需的吸引力。即，优选在时刻T1主触点7闭合而开始对电阻体30流过电流时，副触点20不是立刻闭合，而是如图4所示在时刻T1之后的时刻T2副触点20闭合。以为了使副触点20闭合需要控制装置8进行从蓄电池9对螺线管线圈12的通电控制的方式设定电阻体30。由此，从开始从蓄电池9对起动电动机系统1通电的时刻T1到使对电阻体30的通电短路的时刻T2的时间，能够不受电阻体30的设计影响而任意设定。

(2)图6表示了电阻体30的变形例。电阻体30具有的线圈部31，产生对可动触点16的吸引力，和电阻体30的两端部32a和32b各自与线圈部31之间的边界部34a和34b一起成形为单重圆环线圈状。该线圈部31具有的单重圆环形状，与360度相差相当于电阻体30的管状的两端部32a和32b各自的宽度部分。对于电阻体30，基于由电阻体30的材质决定的电阻体30的电阻率ρ[Ωm]、电阻体30的全长L[m]和电阻体30的截面积A[m²]，根据式(2)，设定为具有要求的电阻体30的电阻值R[Ω]。

R＝ρ×(L/A)       (2)

例如，要求的电阻体30的电阻值R＝10[mΩ]，电阻体30由钢线构成的情况下的电阻率ρ＝15.4×10^-7[Ωm]时，根据式(2)，决定电阻体30的全长L[m]和电阻体30的截面积A[m²]。这样，以得到电阻体30中所需的电阻值的方式，设定电阻体30的材质和截面积。

图3所示的电阻体30中，为了使电阻体30的两端部32a和32b与副触点20连接，电阻体30的端部32b向电阻体30的线圈部31所具有的多重圆环中的包括电阻体30的端部32a与线圈部31的边界部34a的圆环的外侧伸出。即，包括电阻体30的端部32b与线圈部31的边界部34b的圆环，与包括边界部34a的圆环不同。图6所示的电阻体30中，电阻体30的线圈部所31具有的圆环形状是单重的，所以不需要使电阻体30的两端部32a和32b的任一者通过电阻体30的线圈部31所具有的圆环形状的外侧或者内侧。因此，能够减小电阻体30的外径，结果能够使电磁开关10的外形构成为较小。

作用于可动铁芯16的吸引力，由线圈的匝数n与电流I的积nI决定。例如，设螺线管线圈12的匝数n＝200、且对螺线管线圈12通电的电流I＝10[A]时，作用于可动铁芯16的吸引力超过复位弹簧25的弹簧弹力，可动铁芯16向固定铁芯17移动。即，螺线管线圈12的匝数n＝200与电流I＝10[A]的积nl＝2000时，可动铁芯16向固定铁芯17移动。设电阻体30中，流过电动机2的驱动所需的大电流I＝500[A]。即使在电阻体30的匝数n＝1的情况下，电阻体30的匝数n＝1与电流I＝500[A]的积nl＝500，所以电阻体30能够生成可动铁芯16向固定铁芯17移动所需的线圈匝数n与电流I的积nl＝2000中的25％。

(3)图7表示了电阻体30的其他变形例。电阻体30的线圈部31具有折回部33，并且具有折回部33前后的2个部分线圈。这2个部分线圈卷绕方向相互相反，这2个部分线圈的线圈匝数各自不同。2个部分线圈因电动机通电时电流在电阻体30的线圈部31中流过而分别产生的磁场强度与2个部分线圈各自的匝数成正比。2个部分线圈中的一方产生的磁场的方向，与2个部分线圈中的另一方产生的磁场的方向正相反，所以2个部分线圈各自产生的磁场强度相互抵消。通过改变2个部分线圈的匝数的差，能够不改变电阻值而调节第二磁场的强度。

上述实施方式和变形例也可以分别组合。

附图标记说明

1：起动电动机系统

2：电动机

3：电磁开关

4：小齿轮

5：拨齿杆

6：环形齿轮

7：主触点

8：控制装置

9：蓄电池

10：电磁开关

11：电磁螺线管

12：螺线管线圈

13：线轴

14：外部端子

15：接地电路

16：可动铁芯

17：固定铁芯

18：线圈外壳

19：磁路

20：副触点

21：可动触点

22：固定触点

23：触点外壳

24：触点按压弹簧

25：复位弹簧

30：电阻体

31：线圈部

32：端部

33：折回部

34：边界部。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.(修改后)一种电磁开关，其特征在于，包括：

电阻体，其抑制从蓄电池流动至使发动机起动的起动电动机的电流；

副触点，其包括与所述电阻体并联地配置的固定触点和可动触点；

螺线管线圈，其通过从所述蓄电池通电而产生第一磁场；和

可动铁芯，其被所述螺线管线圈包围，

所述电阻体具有线圈部，该线圈部配置在所述螺线管线圈的磁路内且成形为包围所述可动铁芯的线圈状，使得流过所述电流时在与所述第一磁场相同的方向上产生用于使所述可动触点与所述固定触点接触的第二磁场，

通过所述第二磁场产生的对所述可动铁芯的吸引力小于所述可动触点与所述固定触点接触所需的吸引力，

在所述螺线管线圈的外周还包括由绝缘部件和气隙构成的绝缘层，

所述电阻体隔着所述绝缘层包围所述螺线管线圈。

2.(删除)

3.(删除)

4.(修改后)如权利要求1所述的电磁开关，其特征在于：

所述电阻体的材质和截面积按以下方式设定：

在通电时，在所述螺线管线圈和所述螺线管线圈周边的部件产生热损伤之前所述电阻体熔断。

5.(修改后)如权利要求1或4所述的电磁开关，其特征在于：

所述电阻体包括所述线圈部和端部，

所述线圈部和所述端部与所述线圈部之间的边界部一起成形为单重圆环线圈状。

6.(修改后)如权利要求1或4所述的电磁开关，其特征在于：

所述电阻体具有2个部分线圈，

所述2个部分线圈卷绕的方向相互相反，

所述第二磁场的强度由所述2个部分线圈的匝数的差决定。

Claims (6)

1.一种电磁开关，其特征在于，包括：

电阻体，其抑制从蓄电池流动至使发动机起动的起动电动机的电流；

副触点，其包括与所述电阻体并联地配置的固定触点和可动触点；

螺线管线圈，其通过从所述蓄电池通电而产生第一磁场；和

可动铁芯，其被所述螺线管线圈包围，

所述电阻体具有线圈部，该线圈部配置在所述螺线管线圈的磁路内且成形为包围所述可动铁芯的线圈状，使得流过所述电流时在与所述第一磁场相同的方向上产生用于使所述可动触点与所述固定触点接触的第二磁场。

2.如权利要求1所述的电磁开关，其特征在于：

通过所述第二磁场产生的对所述可动铁芯的吸引力小于所述可动触点与所述固定触点接触所需的吸引力。

3.如权利要求2所述的电磁开关，其特征在于：

在所述螺线管线圈的外周还包括由绝缘部件和气隙构成的绝缘层，

所述电阻体隔着所述绝缘层包围所述螺线管线圈。

4.如权利要求3所述的电磁开关，其特征在于：

所述电阻体的材质和截面积按以下方式设定：

在通电时，在所述螺线管线圈和所述螺线管线圈周边的部件产生热损伤之前所述电阻体熔断。

5.如权利要求1～4中任一项所述的电磁开关，其特征在于：

所述电阻体包括所述线圈部和端部，

所述线圈部和所述端部与所述线圈部之间的边界部一起成形为单重圆环线圈状。

6.如权利要求1～4中任一项所述的电磁开关，其特征在于：

所述电阻体具有2个部分线圈，

所述2个部分线圈卷绕的方向相互相反，

所述第二磁场的强度由所述2个部分线圈的匝数的差决定。