CN104851664B - 电子开关总成 - Google Patents

Abstract

一种用于具有诸如电动机(20)之类的电负载的电器的电子开关总成(10)，包括：带有开口(121)的外壳(100)、开关端子(T1‑T4)以及通断机械开关模块200。这其中还包含了电子控制模块(300)，能与诸如TRIAC(350)之类的半导体开关设备操作，以便控制电动机(20)的运行，并包含通过与TRIAC(350)热接触来为其散热的散热器(400)。该散热器(400)是导电的，并且与TRIAC(350)的第一端子以及开关端子之一(T4)形成电路连接。此外，该散热器(400)还闭合了开口(121)，并且形成了壳体(100)的一部分。

Description

电子开关总成

技术领域

本发明涉及一种用于控制电器操作的电子开关总成。

背景技术

包括电动工具在内的电器是由电动机驱动的，除了电子通断开关之外，往往还包含了用于控制电动机运行的电子控制模块，并且需要相对较大的内部空间来收容电子控制模块。如果空间有限而要满足小型电器或超薄手持电动工具所需，在产品设计方面将会构成一个挑战。此外，以电线连接电子控制模块与通断开关会耗费大量的劳力和时间，并且不可避免地提升了制造成本，在空间有限的情况下尤其如此。

通常，在采用超薄设计且具有机械通断开关的电器(如电动工具)内部很难找到额外的空间来收容附加电子控制模块，以作引入用于产品升级的新特征或增值特征之用。

本发明试图通过提供一种包含控制特征且尺寸仍旧紧凑的全新或者另有改进的电子开关总成，来减轻或者至少缓解此类问题或缺陷。

发明内容

根据本发明，所提供的是一种用于包含了电负载的电器的电子开关总成，包括：壳体，所述壳体具有一个带有开口的外壁；多个开关端子，其中包括用于连接到电源的两个输入端子，以及用于连接到所述电负载的两个输出端子；开关模块，包括至少一个固定接触器和一个移动接触器，该移动接触器由壳体支撑，以便在第一(接通)位置与第二(切断)位置之间移动，其中在所述第一位置，该移动接触器与所述至少一个固定接触器相接触，以便接通所述电负载以便运行，在所述第二位置，所述移动接触器脱离所述至少一个固定接触器，以便切断所述电负载；电子控制模块，可以与半导体开关设备操作，以便控制所述电负载的运行；以及与半导体开关设备热接触的散热器，用于为所述半导体开关设备散热。所述散热器是导电的，并且与半导体开关设备的第一端子以及开关端子之一形成电路连接。所述散热器封闭外壁的开口并且形成了壳体的一部分。

优选地，所述开关端子之一是所述输入端子或输出端子。

优选地，半导体开关设备的第一端子与散热器电接触。

优选地，该散热器具有能提供或充当所述开关端子之一的一体成型部分。

优选地，半导体开关设备的第一端子是借助钎焊、焊接或铆接途径连接到散热器的。

优选地，该壳体大体上是立方形的，并且具有多个侧面，这其中包括一个具有开口的带孔侧面，并且散热器占据了带孔侧面的一大部分。

优选地，该散热器的至少一部分横跨并闭合了外壁的开口。

更为优选的是，具有开口的外壁是借助注塑嵌入成型工艺而在散热器上塑型的。

更为优选的是，散热器和外壁在其交合处具有大致相同的厚度。

优选地，该壳体包括至少两个不同的第一和第二壳体部分，并且散热器以机械方式与具有开口的第二壳体部分啮合或整合，由此共同形成一个一体的结构。

优选地，该壳体包括至少两个不同的第一和第二壳体部分，其中第一壳体部分保持的是开关模块，第二壳体部分具有开口，并且保持的是散热器和电子控制模块。

更为优选的是，该壳体包括一个介于第一与第二壳体部分之间的分区。

更为优选的是，该分区构成了一个不同的第三壳体部分，并且具有分别与第一和第二壳体部分相连的相对的第一和第二侧面。

更为优选的而是，该分区的第一侧面包括闩锁构件，所述闩锁构件与在第一壳体部分上提供的协作闩锁构件相啮合，由此共同形成了开关模块的外壳。

更为优选的是，该分区的第二侧面包括闩锁构件，所述闩锁构件与在第二壳体部分上提供的协作闩锁构件啮合，以便在后续将第二壳体部分连接到所述外壳。

非常便利的是，该电子控制模块是在电路板上提供的。

在一个优选实施例中，电子控制模块是在电路板上提供的，并且该电路板位于第二壳体部分中与散热器相对的半导体开关设备的一侧。

更为优选的是，该电路板包括多个电连接器，用于在组装壳体的过程中，在将第二壳体部分直接或间接地与第一壳体部分啮合的时候将电子控制模块与开关模块相连。

更为优选的是，该电连接器包括弹簧和弹性构件之一。

优选地，电子控制模块包括一个在移动接触器处于第一(接通)位置而闭合开关模块时，连接在输入端上的电容器，并且该壳体包括一个保持该电容器的夹持器。

更为优选的是，该夹持器具有位于壳体旁边的空腔。

更为优选的是，该夹持器包括一个袋状区域(pocket)。

优选地，半导体开关设备是用于AC电源的TRIAC和IGBT或是用于DC电源的MOSFET之一。

附图说明

现在将参考附图并借助示例来对本发明进行更详细的描述，其中：

图1是根据本发明的电子开关总成的实施例的前视图；

图2是图1中的电子开关总成的后部透视图；

图3是图1中的电子开关总成的底部透视图；

图4是图1中的电子开关总成的分解前部透视图，其中显示了该总成的大多数部分和组件；

图5是图4的电子开关总成的左侧部分的透视图；

图6是与图5相对应的分解透视图，其显示了一个散热器，左壳体部分以及半导体开关设备；以及

图7是图4的电子开关总成的示意性电路图。

具体实施方式

参考附图，所显示的是一种用于实施本发明且用于电器的电子开关总成10，其中作为示例，该电器可以是包含电负载、也就是电动机20的电动手持工具。电子开关总成10具有壳体100和多个开关端子，其中包括用于连接到AC电源30的两个输入端子T1和T2，以及用于连接到电动机20的两个输出端子T3和T4。壳体100大体上是长方体形或盒状的，并具有六个通常是矩形的侧面，即前面、后面、左面、右面、顶面以及底面(图1和2)。输入和输出端子T1/T2以及T3/T4位于壳体100中的相对的后面和前面上。

电子开关总成10包括以机械方式将电动机20与电源30连接和断连的开关模块200、可以用TRIAC(即三端双向可控硅元件)350这个半导体开关设备操作以控制电动机20运行的电子控制模块300，以及在操作过程中通过与TRIAC 350进行热接触来为TRIAC 350散热的散热器400。

壳体100具有至少两个第一(左侧)和第二(右侧)壳体部分110和120，并且包括第三(中间)壳体部分130，所有这些壳体部分都是不同或单独的部分，并且全都连接或组装在一起以形成壳体100。第三壳体部分130充当了一个分区，具有分别于第一和第二壳体部分110和120啮合的相对的第一(右侧)和第二(左侧)侧面131和132，其中分区130与第一和第二壳体部分110和120相连或者夹在这二者之间。该分区130将壳体100分成了两个隔室。

通常大体上，开关模块200由第一壳体部分110保持或是保持在所述第一壳体部分110中，所述第一壳体部分110基本上即为第一隔室。带有散热器400的电子控制模块300则由第二壳体部分120保持或保持在第二壳体部分120中，所述第二壳体部分120基本上即为第二隔室。

该分区的第一侧面131包括一个闩锁构件，采用了与协作闩锁构件啮合的环路131L的形式，并且所述协作闩锁构件是在第一壳体110上提供的挂钩110L，由此，这两个壳体部分110和130被组装在了一起，并且形成了开关模块200的外壳。所述开关模块200被收容在外壳200E中，并且端子T1和T3位于其相对侧面，所述开关模块200单独是或者可被看作是一个独立的机械开关。

该分区的第二侧面132包括由挂钩132L提供的闩锁构件，所述挂钩132L与在第二壳体部分120上提供、以环路120L为形式的协作闩锁构件相啮合，以便后续将第二壳体部分120连接到外壳200E。然后，所述壳体100将变得完整，其中电子控制模块300与机械开关模块200相偶合，以便实施更复杂的电子控制。

如果发生故障(例如未能通过质量检查)或者要进行升级，那么电子控制模块300是很容易更换的。对于制造企业来说，这种灵活性是非常有益的。

开关模块200包括至少一个固定接触器210以及由壳体100支撑而在第一(接通)位置与第二(切断)之间移动的移动接触器220，其中在第一位置，移动接触器与固定接触器210接触，以便通过将电动机20连接到电源30来启动电动机20运行，而在第二位置，移动接触器会脱离固定接触器210，以便通过将电动机20与电源30断开来关闭电动机。

固定接触器210沿水平方向延伸，其具有一个装配了接触柱211的上翘前端以及一个充当输入端子T1的上翘后端，并且在固定接触器210提供了一个用于连接来自电源30的电缆的螺丝。移动接触器220是一个配备了接触柱221的接触杆220，并且其以倒J形固定支撑条板230的上端为轴心转动，以便在经由接触柱221和211而与固定接触器210接触的第一(接通)位置以及中断接触的第二(切断)位置之间进行枢转运动。

支撑条板230是用铜或铜合金制成的，或者大体上是用导电材料制成的。其下端分成两部分，以便形成电连接到接触杆220的输出端子T3，以及用于连接电容器500的附加端子T5。

开关模块200包含了一个在朝上或朝下移动时以枢转接触杆220的操作构件250。该操作构件250具有一个弹状物251，在水平弹簧252的作用下会抵住接触杆220，以便在支点、也就是导电条板230的两端翻转接触杆220。该操作构件250被其下方的垂直弹簧向上偏置，并且包括一个直立轴杆254，用于下压以闭合通常为打开的开关模块200。轴杆254的上端是用一个橡皮帽255保护的，该橡皮帽由外壳200E的上孔密封，以便防止进灰。

壳体100具有位于左侧(具体参见图1和2)的外壁100W，所述外壁具有开口121或者是一个带孔的侧面。更具体地说，第二壳体部分120是带孔的，并具有一个作为开口121的矩形通孔，并且除了四个边缘之外，该通孔占据了第二壳体部分120的几乎整个主侧面。此外，在第二壳体部分120的顶面与较大开口121相邻的位置还有一个较小的长形第二开口122。

至于散热器400，通常是矩形的，并且闭合了外壁100W的开口121和另一开口122，以及形成了壳体100的一部分。在构造方面，散热器400是用垂直显示的铜板制成的，其中该铜板沿着其上边缘向下折叠90。，以便形成具有水平窄凸缘420的主面板410，所述凸缘420具有延长的凸出自由端，该自由端向下被折叠90。，以便在主面板410的旁边形成一个下垂翼片430。面板410、凸缘420以及翼片430全都是散热器400的一体成型部分。

对于具有开口121的外壁100W、事实上是整个第二壳体部分120，是借助注塑嵌入成型(或包覆成型)工艺而被模塑在散热器400上的。在该过程中，热塑材料会在预置于注塑模具型腔中的散热器400周围而塑型，由此产生粘合性很强的单个整合结构，其中除了翼片420之外，散热器400会沿着其周边上而被该结构完全包围。

在该模制结构中，散热器400的主面板410在内部延伸并封闭外壁100W的开口121，并且其凸缘420同样会封闭另一个开口122。散热器400以及外壁100W在其交会处或是至少在沿着其交会处的方向上具有大致相同的厚度。散热器400以机械方式与具有开口121的第二壳体部分120相啮合或整合，由此共同形成了一个一体的结构。

形成凸缘420的原因有两个：为散热器400整体提供L形或角形剖面，并且大体上提供的是非平面剖面，以便与第二壳体部分120刚性整合，此外，它还为翼片430提供了一个基座。作为散热器400的一体成型部分，翼片430提供或充当了另一个输出端子T4。

散热器400是用导热和导电材料制成的。例如铜或铜合金。由于开口121几乎占据了第二壳体部分120中(即壳体外壁100W)处于其四个边缘以内的整个主侧面，因此，带孔侧面的一大部分会被开口121中的散热器400所占据。借助该设计，暴露在外的散热器400面积、即主面板410，将会处于将散热效率最大化的最有利的位置。

TRIAC 350是一个双向三级晶闸管或双边三级晶闸管，在电子控制模块300的控制下提供用于电负载/电动机20的附加电流切换途径。TRIAC 350具有一对端子A1和A2以及栅极电极G，并且(第一)端子A2采用的形式是处于TRIAC 350背面的大接触层。TRIAC 350的背面即端子A2附着并靠在散热器400的主面板410上，以及处于在第二壳体部分120内部的散热器400的内侧面上。由此，端子A2与散热器400电接触。为了实现稳固附着，TRIAC 350的端子A2是借助钎焊、焊接和铆接途径之一连接到散热器400的。

基于以上描述，散热器400与TRIAC 350的端子A2形成电路连接，此外还与一个开关端子、即输出端子T4形成电路连接。

可以想到的是，作为双向设备，相比于图7所示的连接，TRIAC 350可以在电子控制模块300中反向连接，由此，其端子A2以及与之接触的散热器400是与输入端子T2而不是输出端子T4相连。

在第二壳体部分120内部还放置了一个分成三部分的固定导电条板450，该条板在TRIAC 350的旁边横跨壳体部分120，并且会在其长度方向上折叠数次，由此大体上呈现出S形。该导电条板450的一端充当了输入端子T2，其中在该输入端子T2上提供了一个螺丝452，用以连接到来自电源30的电缆。其对端形成了用于连接电容器500的第二附加端子T6。在大概所述导电条板450长度中间的位置，提供了一个用于直接连接到电子控制模块300的插脚451。

现在描述电子控制模块300，其中该模块是由以下的主要功能电路组成的：

-电源控制电路310，其两个输入311和312分别与输入端子T1和T2相连

-开关接通检测电路，其输入321连接到固定接触器210，以便检测开关模块200的闭合

-控制单元330，用于在与电源30相连时，在开关模块200处于闭合位置的时候禁止电源输出，其具有可选的软启动功能(即涌流限制器)以及附加控制功能(例如间歇性或定时的开关接通控制，以及带具有反馈的交互式控制)

-固态控制电路340，其具有与TRIAC 350的栅极电极G相连来控制器其操作的输出341，例如控制用于开启TRIAC 350的相位角。

这些功能电路301-340在本领域中都是众所周知的，在这里不再为清楚起见而对其进行详细描述。

电子控制模块300是在印刷电路板390上提供或是安装在印刷电路板390上的，所述印刷电路板则位于第二壳体部分120中与TRIAC 350相对的导电条板450的一侧。通过将(附着于散热器400的)TRIAC 350和导电条板450放置在第二壳体部分120的内部，所述电路板390只在壳体部分120中与散热器400相对的原本开放的内侧延伸，并横跨所述内侧。借助该布置，电路板390朝向分区130的第二壳体部分120的内侧是暴露的。

在安装电路板390之前，首先会用电缆来将TRIAC 350的栅极电极G连接到电路板390，以及将端子A1连接到导电条板450。然后，该导电条板450的插脚451被焊接到电路板390上，以便用机械方式来定位该插脚，以及将其电连接到电子控制模块300中的供电控制电路310的一个输入312上。

如果要将电子控制模块300偶合到机械开关总成200，更具体地说是连接到其固定和移动接触器210和220，那么至少需要有两个电连接。该连接是用一对电连接器实施的，该电连接器采用的形式是两个弹簧391和392，其中所述弹簧被焊接在电路板390以及电子控制模块300上。

为了进行偶合，电路板390包含了两个弹簧391和392，其中在壳体100的组装过程中，一旦将第二壳体部分120(间接地借助分区130)与第一壳体部分110相啮合，则所述弹簧自身会将电子控制模块300连接到开关模块200。

在图7所示的控制模块300的电路中，第一弹簧与供电控制电路310的一个输入311相连或者是在该输入上提供的，并且第二弹簧392与开关接通检测电路320的输入321相连或者是在该输入上提供的。弹簧391和392都被焊接在电路板390上的恰当位置，由此从该电路板上以直角凸起。

固定接触器210的部分以及与移动接触器220啮合的支撑条板230，借助穿过分区130的相应的小通孔，分别暴露在其与弹簧392和391相对齐的位置。由此，在壳体100的组装过程中，一旦借助分区130而将第二壳体部分120与第一壳体部分110相啮合，那么电子控制模块300会通过弹簧392和391各自与固定和移动接触器210和220的暴露部分的物理接触，而自行连接到开关模块200。

这种机械/电子连接设计不但能够非常方便地将电子控制模块300偶合到开关模块200，而且在必要时还能够非常便利地将这两个模块200和300去偶合，例如在生产阶段以及此后的维修过程中需要进行更换的时候。

为了帮助减小辐射以及提升无线电抗扰性，电子控制模块300包含了以供横跨电源30而使用的电容器500，其中该电容器是一个EMI电磁干扰抑制薄膜电容器。电容器500跨接在输入端子T1和T2以及开关模块200上，由此，在闭合开关模块200时(也就是在移动接触器220处于第一(接通)位置的情况下)，电容器500将会跨接在电源30上，从而滤除原本会导致产生辐射无线电干扰的不利噪声。

电容器500通常会很庞大并且是矩形形状的。优选地，壳体100包括一个用于保持电容器500的夹持器510。该夹持器510是一个拍合配合壳体100的前面的塑料盖件(具体参见图1和4)，夹持器510在该壳体100的旁边具有一个侧袋形式且下端511开口的空腔。

考虑到根据本发明的电子开关总成10包含有电子控制模块300，电子开关总成10在尺寸大小方面是非常紧凑的，并且大体是在50mm x 50mm x 50mm以内。

依照性能需求，虽然TRIAC实施的是半导体开关设备(350)，但是它也可以是一个用于AC电源30的IGBT晶体管(即绝缘栅双极晶体管)或是用于DC电源的MOSFET晶体管(即金属氧化物半导体场效应晶体管)。大体上，电子控制模块(300)可以包含MCU或ASIC之类的数字控制器来控制半导体开关设备(350)的操作，由此替换以上描述的所使用的模拟分立元件。

可以想到的是，电子开关总成10所要控制的电负载可以是一个电阻负载(例如加热器)，而不是电感负载，也就是如上所述的电动机20。输入和输出端子T1-T6可以部分由翼片来实施，以便快速连接或使用螺丝或焊接连接等等。在开关模块200或接触系统总成中，可以安装一个可选的后座弹簧，以便在释放致动轴杆254的时候提供反弹力。

此外还可以想到的是，端子T1-T6中的任一端子，都可以包括或者预先连接线路或电缆，以利连接。电子控制模块300可以在其他任何适当类型的电路板上提供，或是安装在该电路板上，例如非印刷电路板、陶瓷、铜基底或铝基底板。所描述的实施例中的铜制弹簧391和392，可以用弹性导电途径或构建来替换，例如导电橡胶条。

总的来说，本发明涉及一种整合了包括半导体开关设备在内的控制电子设备的电子开关总成，并且所述控制电子设备的外部尺寸可以与现有机械开关的尺寸相兼容。该电子开关总成的尺寸很小，并且包含了与现有开关相当的输入/输出端子，由此有助于满足新的市场需求所面临的挑战。如果想要包含新的特征，那么可以避免在机械结构方面对电器或手持电动工具重新进行设计，或者至少可以简化这种设计。

本发明仅仅是作为示例给出，在不脱离本发明的范围的情况下，本领域技术人员可以对所描述的实施例进行其他各种修改和/或变更。

Claims (16)

1.一种用于包含了电负载的电器的电子开关总成，包括：

壳体，所述壳体具有一个带有开口的外壁和具有多个侧面，所述多个侧面中包括一个带孔侧面，所述带孔侧面的孔为所述开口；

多个开关端子，包括用于连接到电源的两个输入端子，以及用于连接到所述电负载的两个输出端子；

开关模块，包括至少一个固定接触器和一个移动接触器，该移动接触器由壳体支撑，以便在第一(接通)位置与第二(切断)位置之间移动，其中在所述第一位置，该移动接触器与所述至少一个固定接触器相接触，以便接通所述电负载以便运行，在所述第二位置，所述移动接触器脱离所述至少一个固定接触器，以便切断所述电负载；

电子控制模块，所述电子控制模块与半导体开关设备操作，以便控制所述电负载的运行；以及

与半导体开关设备热接触的散热器，用于为所述半导体开关设备散热；

其中所述散热器是导电的，并且与半导体开关设备的第一端子以及开关端子之一形成电路连接，所述开关端子之一是所述输入端子或输出端子；以及

所述散热器封闭外壁的开口并且形成了壳体的一部分，且所述散热器占据了所述带孔侧面的一大部分。

2.如权利要求1所述的电子开关总成，其中半导体开关设备的第一端子与散热器电接触，并且是借助钎焊、焊接或铆接途径连接到散热器的。

3.如权利要求1所述的电子开关总成，其中该散热器具有能提供或充当所述开关端子之一的一体成型部分。

4.如权利要求1所述的电子开关总成，其中该散热器的至少一部分横跨并闭合了外壁的开口。

5.如权利要求4所述的电子开关总成，其中具有开口的外壁是借助注塑嵌入成型工艺而在散热器上塑型的。

6.如权利要求4所述的电子开关总成，其中散热器和外壁在其交合处具有大致相同的厚度。

7.如权利要求1-6中任一权利要求所述的电子开关总成，其中该壳体包括至少两个不同的第一和第二壳体部分，并且散热器以机械方式与具有开口的第二壳体部分啮合或整合，由此共同形成一个一体的结构。

8.如权利要求1-6中任一权利要求所述的电子开关总成，其中该壳体包括至少两个不同的第一和第二壳体部分，其中第一壳体部分保持的是开关模块，第二壳体部分具有开口，并且保持的是散热器和电子控制模块。

9.如权利要求8所述的电子开关总成，其中该壳体包括一个介于第一与第二壳体部分之间的分区，并且该分区构成了一个不同的第三壳体部分，并且具有分别与第一和第二壳体部分相连的相对的第一和第二侧面。

10.如权利要求9所述的电子开关总成，其中该分区的第一侧面包括闩锁构件，所述闩锁构件与在第一壳体部分上提供的协作闩锁构件相啮合，由此共同形成了开关模块的外壳，以及该分区的第二侧面包括闩锁构件，所述闩锁构件与在第二壳体部分上提供的协作闩锁构件啮合，以便在后续将第二壳体部分连接到所述外壳。

11.如权利要求1-6中任一权利要求所述的电子开关总成，其中该电子控制模块是在电路板上提供的。

12.如权利要求8所述的电子开关总成，其中该电子控制模块是在电路板上提供的，并且该电路板位于第二壳体部分中与散热器相对的半导体开关设备的一侧，以及该电路板包括多个电连接器，用于在组装壳体的过程中，在将第二壳体部分直接或间接地与第一壳体部分啮合的时候将电子控制模块与开关模块相连，以及该电连接器包括弹性构件。

13.如权利要求12所述的电子开关总成，其中，该弹性构件包括弹簧。

14.如权利要求1-6中任一权利要求所述的电子开关总成，其中电子控制模块包括一个在移动接触器处于第一(接通)位置而闭合开关模块时，连接在输入端上的电容器，并且该壳体包括一个保持该电容器的夹持器，该夹持器具有位于壳体旁边的空腔，并且该夹持器包括一个袋状区域。

15.如权利要求1-6中任一权利要求所述的电子开关总成，其中半导体开关设备是用于AC电源的TRIAC和IGBT两者之一。

16.如权利要求1-6中任一权利要求所述的电子开关总成，其中半导体开关设备是用于DC电源的MOSFET。