CN105225860A - 自动转换操作装置和使用其的自动转换开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动转换操作装置和使用其的自动转换开关。该自动转换操作装置包括凸轮，凸轮外缘设置有突起，电机限位开关由突起触发，凸轮在其侧面上设置有轨道，凸轮随着电机的转动带动该自动转换操作装置的第一曲柄和第二区柄的随动销在轨道中运动，分别经由第一曲柄和第二曲柄以互锁方式控制第一和第二开关的合闸、分闸的状态和次序。该装置无需单独的机械联锁装置，使用零件数量少，尺寸链短。其凸轮轨道具有超程设计，可降低限位开关的位置精度。其轨道设计可实现第一开关分闸后第二开关再合闸以及第一开关分闸同时第二开关合闸两种分闸、合闸次序。轨道形状可进一步根据合闸力大小优化，由此能够充分利用电机所能够提供的功率。

Description

自动转换操作装置和使用其的自动转换开关

技术领域

本发明涉及自动转换操作装置，更具体地，涉及用于双电源设备的自动转换开关以及包括其的双电源设备。

背景技术

一些重要场合(最常见为消防、电梯、监控、生产)通常需要双电源来确保连续供电。双电源需要一种由微处理器控制，用于电网系统中网电与网电或网电与发电机电源启动转换的装置，即转换开关，以确保电源连续供电。转换开关主要分为PC级双电源(整体式)和CB级双电源(双断路器式)两种，PC级双电源能够接通双电源，承载电流，但不用于分断短路的双电源，其不具备保护功能，但具备较高的耐受和接通能力，能够确保开关自身的安全，不因过载或短路等故障而损坏，CB级双电源为配备过电流脱扣器的双电源，它的主触头能够接通并用于分断短路电流，具备选择性的保护功能，能对下端的负荷和电缆提供短路和过载保护，接通和分断能力远大于使用接触器和继电器等其他元器件。

转换开关可手动操作，也可以是自动的，即自动转换开关(ATS)。ATS是一种能在两路电源之间进行自动可靠切换双电源的装置。目前的ATS通常采用电机带动开放式凸轮，由凸轮驱动曲柄围绕枢转旋转摆动，并借助限位开关定位来拨动断路器的开关手柄，实现断路器开关手柄的自动合闸和分闸。但是典型的双电源转换机构需要对限位开关的位置进行精确控制，限位开关大多需要人工不断地调节来保持正确的操作。如果限位开关定位不精确，自动转换开关可能会折断手柄或损坏驱动电机。

而且，双电源需要避免同时处于合闸状态，因此自动转换开关需要设置机械联锁装置，以在一个电源在合闸状态时，将另一个电源锁定在分闸状态，反之亦然。由此造成结构繁琐，尺寸链长，最终精度很难保证。

因此需要更经济更可靠结构更简单的自动转换开关，其能够不需要依靠精确的限位开关位置来确定操作位置，也无需附加的机械联锁装置。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的上述缺陷。

本发明的一方面是提供一种新型自动转换开关的自动转换操作装置。该自动转换操作装置包括：支撑件；电机，安装在支撑件上；凸轮，由电机枢转驱动，所述凸轮外缘设置有突起；电机限位开关，由所述突起触发，以控制电机的运行状态；第一曲柄和第二曲柄，对称设置在电机两侧，位于凸轮和电机之间，其靠近电机侧的端部可由电机经由凸轮驱动绕各自的旋转轴线旋转，以由此使其远离电机侧的端部摆动；第一和第二开关，相对于电机对称设置在支撑件上，可分别通过第一曲柄和第二曲柄的远离电机侧的端部的摆动进行合闸和分闸；其中，所述第一曲柄和第二曲柄每一个在其靠近电机侧的端部还设置有随动销，凸轮在其侧面上设置有轨道，所述凸轮随着电机的转动带动所述随动销在所述轨道中运动，以分别经由第一曲柄和第二曲柄以互锁方式控制第一和第二开关的合闸、分闸的状态和次序。

本发明的核心为单轨道或者双轨道的凸轮机构。凸轮可仅在其一个侧面上设置有轨道，也可在两个侧面上都设置有轨道。凸轮仅在一个侧面上设置有轨道时，轨道可以是对称的单条封闭轨道，不对称的单条非封闭轨道，也可以是两条不对称的分开的轨道。两个曲柄的销可在对称的或不对称的单条封闭轨道中运动，或可分别在两条分开的轨道中运动。

当凸轮仅在一个侧面上设置有对称的单条封闭轨道时，电机无需反向旋转即可经由曲柄实现第一和第二开关的合闸、分闸状态以及次序。

当凸轮仅在一个侧面上设置有不对称的单条或两条非封闭轨道时，电机需先正转，然后反转，以经由曲柄实现第一和第二开关的多种合闸、分闸状态以及次序。

凸轮的轨道形状根据操作第一和第二开关的行程、第一和第二曲柄的形状以及第一和第二曲柄的枢转中心和销的位置以及相对于凸轮旋转中心的位置确定。

所述轨道形状设计为当所述销在轨道中运动时，使得第一曲柄和第二曲柄使第一开关和第二开关不同时合闸。由此可见，凸轮本身的驱动槽为双电源转换开关提供了互锁功能，使得两边的开关不会同时处于合闸位置，因此不需要为互锁功能再单独增加零件。

所述轨道形状可进一步根据开关的合闸力大小进行优化，具体为所需合闸力大时曲率小，所需合闸力小时曲率大，由此能够充分利用电机所能够提供的功率。

所述轨道形状可进一步根据开关熔焊时的操作力进行优化，通过其形状、电机功率，开关操作力，以及控制软件的相互配合，在断路器熔焊时给出指示信号，防止发生开关手柄折断或电机损坏等故障。

所述轨道设计为可实现第一和第二开关的以下合闸、分闸状态和次序：第一开关合闸-第二开关分闸、第一开关分闸-第二开关分闸和第一开关分闸-第二开关合闸的次序，因此可提供明显的双方位置，实现第一开关分闸之后，第二开关再合闸的次序。所述轨道还可设计为实现第一和第二开关的以下合闸或分闸次序：第一开关合闸-第二开关分闸和第一开关分闸-第二开关合闸的次序，因此可实现第一开关分闸和第二开关合闸同时进行。

本发明的凸轮轨道还可在所述圆弧附近设置有弹性装置，弹性装置可进一步对随动销施加力，以确保经由第一和第二曲柄使第一和第二开关分闸或合闸，避免由于加工公差造成的第一和第二开关没有动作的现象。

所述轨道设计为可使得在使第一曲柄和第二曲柄到达最大摆动幅值的位置后增加一段圆弧。本发明的凸轮外缘上可设置有突起，所述突起定位为当随动销到达所述圆弧附近时，所述突起触碰电机限位开关。当随动销在该圆弧部分中运动过程中，曲柄到达其最远行程，且保持该最远行程不变，由此可见，只要随动销在该圆弧部分中运动过程期间凸轮的突起触碰限位开关，就可实现曲柄使开关合闸或分闸，因此该凸轮的轨道能够提供一定的超程，降低了电机限位开关的位置精度要求。

本发明的另一方面是提供一种自动转换开关，包括第一断路器和第二断路器，以及根据上面所述的自动转换操作装置，其中第一和第二开关分别为第一和第二断路器的开关手柄。

本发明的凸轮的旋转式第一和第二曲柄相对于目前典型的滑动式曲柄，具有更小的间隙及更短的尺寸链。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施例的自动转换开关的示意性俯视图；

图2是根据本发明的第一实施例的自动转换开关的侧视分解立体视图；

图3是根据本发明的第一实施例的自动转换开关的凸轮的正视图和立体视图，显示出所述凸轮具有对称的单封闭轨道；

图4是显示图3的凸轮的对称的单封闭轨道的设计原理图；

图5是显示图3的凸轮的对称的单封闭轨道的优化原理图；

图6是显示根据本发明的第一实施例的自动转换开关的凸轮在第一和第二开关的不同的分闸、合闸状态下的位置关系图；

图7是根据本发明的第二实施例的自动转换开关的示意性立体视图；

图8是根据本发明的第二实施例的自动转换开关的示意性分解立体视图；

图9是根据本发明的第二实施例的自动转换开关的凸轮正视图，显示出所述凸轮具有两条不对称的非封闭轨道，并且显示出凸轮在第一和第二开关的不同的分闸、合闸状态下的位置关系；

图10是根据本发明的第二实施例的自动转换开关的凸轮的两条不对称非封闭轨道的设计原理图；

图11是根据本发明的第三实施例的自动转换开关的凸轮，显示出所述凸轮具有一条不对称非封闭轨道，并且显示出凸轮在第一和第二开关的不同的分闸、合闸状态下的位置关系。

具体实施方式

下面将根据本发明的优选实施例更详细地说明本发明。在所有附图中，相同的附图标记指代相同的元件。

本发明的自动转换操作装置可应用于任何需要自动转换的设备中。这里仅出于说明目的，以双电源自动转换开关的实施例进行说明。本发明的保护范围不限于所描述的实施例。

图1和图2是根据本发明的第一实施例的双电源自动转换开关的俯视图和立体视图。图中为了简明，没有显示自动转换开关的外壳体以及与本发明不直接相关的其他部件。

该自动转换开关总体以100表示，包括布置在底板上相对两侧的两个断路器11，布置在两个断路器11之间的电机1，电机1安装在支撑框架2上，凸轮6经由通过凸轮转轴3安装到电机1，两个曲柄5经由曲柄支撑板4安装在凸轮6和电机1之间。曲柄5具有枢转轴9，并且在曲柄5的靠近电机的端部处设置有随动销8(还可参见图8)。在该实施例中，凸轮6在其一侧设置有轨道15(参见图3和6)，随动销8在该轨道15中随着凸轮6的运动而运动。两个曲柄5的远离电机的端部分别与断路器11的开关手柄连接。

当电机1转动时，其带动凸轮6旋转，随动销8随着凸轮6的旋转的轨道15中运动，随动销8的运动使曲柄5围绕其枢转轴9上下摆动，从而使曲柄5的与断路器的开关手柄连接的端部上下摆动，由此实现开关手柄的合闸或分闸。

在该第一实施例中，凸轮6中的轨道15示出在图3中，为对称的单封闭轨道，该轨道设计和优化原理图显示在图4和图5中。

进行轨道设计时，首先确定开关手柄的行程，即图4中所示的开关合闸位置13’和分闸位置13之间的距离，确定开关手柄的行程和凸轮旋转中心、曲柄枢转轴的位置关系，由此确定轨道的基圆半径R1和最大圆半径R2，R1对应于曲柄处于分闸位置13时随动销8相对于凸轮旋转中心的距离，R2对应于曲柄处于合闸位置13’时随动销8相对于凸轮旋转中心的距离。假设当曲柄的远离电机的端部处于分闸位置时，随动销8处于图5中所示的最大圆的最下端F处，则当凸轮顺时针旋转90度时，随动销8处于图5中基圆的最左端H处。由此可见，随动销8旋转90度的运动轨迹(即凸轮的对应于90度的轨道形状)可以是连接图5中F点和H点的任何曲线。

接下来，可根据开关本身的合闸力及分闸力来对轨道的形状进行优化，使得合闸力大时凸轮的曲率小，合闸力小时凸轮的曲率大，由此能够充分利用电机的功率。

轨道形状也可进一步根据开关熔焊时的操作力进行优化，通过其形状、电机功率，开关操作力，以及控制软件的相互配合，在断路器熔焊时给出指示信号，防止发生开关手柄折断或电机损坏等故障。

具体地，参照图5中所示，可将开关手柄的行程分成六等份，根据每一份上开关手柄的力的大小来设计随动销8旋转90度过程中轨道曲率的大小，由此可得到图3中所示的凸轮的对称的单封闭式轨道。

图3中得到的凸轮的轨道在转动360度的过程中，可分别实现图中所示的分闸、合闸状态和次序，所述分闸、合闸状态即常用电源(N)分闸，备用电源(R)分闸；常用电源合闸，备用电源分闸；常用电源分闸，备用电源分闸；和常用电源分闸，备用电源合闸，所述分闸、合闸次序包括常用电源分闸后，备用电源再合闸，以及常用电源分闸同时备用电源合闸。由此可见，当常用电源出现故障，需要切换到备用电源，然后常用电源排除故障后，切换回常用电源这一过程中，由于轨道是对称的，因此电机仅沿顺时针旋转即可实现上述转换过程，而无需电机反转。

值得注意的是，在上述过程中，由于随着电机的单向旋转，在N-ONR-OFF和N-OFFR-ON过程之间存在N-OFFR-OFF，因此该第一实施例的凸轮轨道能够提供明显的双分位置，即N-OFFR-OFF之后，再进行N-OFFR-ON。而且，正常电源和备用电源不存在同时合闸的可能，由此该凸轮轨道还可提供互锁功能，而无需附加单独的机械联锁装置。

由于该第一实施例中凸轮轨道为对称单封闭式轨道，轨道占据的凸轮侧面的面积较小，因此凸轮的外形可根据轨道的形状减小为图3和6中所示的由大扇面和小扇面形成，以节省凸轮的材料。

从图3和图6中还可见，凸轮的大扇面的外缘上还设置有突起，所述突起可与电机限位开关配合，以使电机在曲柄到达使开关手柄合闸的最大行程处时停止电机的旋转，以避免手柄折断或电机损坏等故障。

还应注意的是，如图6中所示，当突起从图6(a)中所示位置转动到图6(b)中所示位置时，随动销8运动到凸轮轨道部分aa’中，该部分aa’为圆弧，随动销8在该圆弧部分中运动过程中，曲柄到达其最远行程，且保持该最远行程不变，由此可见，突起只要在随动销8在该圆弧部分内的任意点处时与电机限位开关接触，就可保证曲柄达到其最远行程，也即可使开关手柄到达其合闸位置，因此该凸轮的轨道能够提供一定的超程，降低了电机限位开关的位置精度要求。

下面将描述根据本发明的双电源自动转换开关的第二实施例。图7和图8分别示出了根据本发明的第二实施例的自动转换开关的示意性立体视图和示意性分解立体视图。

该第二实施例与第一实施例的结构大致相同，不同之处仅在于凸轮的外形和凸轮中的轨道形状。从图7和8中可见，该第二实施例中的凸轮为大致圆形。该第二实施例中的凸轮的轨道也设置在凸轮的一个侧面中，包括两条非对称的不封闭轨道。

图9是根据本发明的第二实施例的自动转换开关的凸轮正视图，显示出所述凸轮具有两条不对称的非封闭轨道，并且显示出凸轮在第一和第二开关的不同的分闸、合闸状态下的位置关系。

具体地，图9中第一行为两条轨道的一种形状设置，第二行为第一行的两条轨道形状的镜像设置。第一行中，中间的视图为初始状态，常用电源(N)和备用电源(R)处于分闸位置，即凸轮处于N-OFFR-OFF位置。图9中的轨道中还设置有弹性橡胶垫14，在该实施例中，弹性橡胶垫14设置在随动销的对应于使开关手柄合闸的位置附近。当电机逆时针旋转90度时，凸轮位于使正常电源分闸，备用电源合闸的位置处，即凸轮处于N-OFFR-ON位置，如图9中第一行的左侧视图，然后电机反转180度，凸轮位于使正常电源合闸，备用电源分闸的位置处，即凸轮处于N-ONR-OFF位置，如图9中第一行的右侧视图。由于凸轮从N-OFFR-ON到N-ONR-OFF需经过N-OFFR-OFF，因此凸轮的该轨道设计可提供明显的双分位置，而且该轨道设计不会使正常电源和备用电源同时处于合闸位置，由此该凸轮轨道还可提供互锁功能，而无需附加单独的机械联锁装置。

图9中第二行的凸轮的镜像轨道的运转方式与第一行的相似，在此不再详述。

图10是根据本发明的第二实施例的自动转换开关的凸轮的两条不对称非封闭轨道的设计原理图。

其设计原理与第一实施例图3中所示的原理相似，首先给出开关手柄的分闸、合闸运行行程，再确定曲柄枢转轴的位置、曲柄形状和凸轮枢转轴的关系，将开关手柄的运动行程与随动销的运动行程对应，接下来，可根据开关本身的合闸力及分闸力来对轨道的形状进行优化，以能够充分利用电机的功率，最后选择两条分开的不封闭的轨道。该凸轮轨道可基于不同的运动功能具有不同的轨道形状。

从图9和图10中还可见，凸轮的外缘上也设置有突起，所述突起可与电机限位开关配合，以使电机在曲柄到达使开关手柄合闸的最大行程处时停止电机的旋转，以避免手柄折断或电机损坏等故障。

同样地，与第一实施例中参照图6所述相似，图9和图10中的两条分开的轨道每一条可在轨道两端设置圆弧，使得随动销8在该圆弧部分中运动过程中，曲柄达到其最远行程，且保持该最远行程不变，由此，突起只要在随动销8在该圆弧部分内的任意点处时与电机限位开关接触，就可保证曲柄达到其最远行程，也即可使开关手柄到达其合闸位置，因此该凸轮的轨道能够提供一定的超程，降低了电机限位开关的位置精度要求。

轨道形状也可进一步根据开关熔焊时的操作力进行优化，通过其形状、电机功率，开关操作力，以及控制软件的相互配合，在断路器熔焊时给出指示信号，防止发生开关手柄折断或电机损坏等故障。

图11是根据本发明的第三实施例的自动转换开关的凸轮，显示出所述凸轮具有一条不对称非封闭轨道，并且显示出凸轮在第一和第二开关的不同的分闸、合闸状态下的位置关系。

所述轨道的设计原理与前两个实施例相似，这里不再重复。该第三实施例中的凸轮轨道与第一和第二实施例的凸轮轨道的不同之处在于，该第三实施例中的凸轮轨道没有明显的双分位置，基本上使第一开关分闸/第二开关合闸、第一开关合闸/第二开关分闸同时进行。

具体地，图11中第一行的右侧视图为初始状态，正常正常电源(N)和备用电源(R)处于分闸位置，即凸轮处于N-OFFR-OFF位置，当电机逆时针旋转90度时，凸轮位于使正常电源分闸，备用电源合闸的位置处，即凸轮处于N-OFFR-ON位置，然后电机再逆时针旋转90度，凸轮位于使正常电源合闸，备用电源分闸的位置处，即凸轮处于N-ONR-OFF位置。由于凸轮从N-OFFR-ON到N-ONR-OFF不需经过N-OFFR-OFF，因此基本上使第一开关分闸/第二开关合闸、第一开关合闸/第二开关分闸同时进行。

图11中第二行的凸轮的镜像轨道的运转方式与第一行的相似，在此不再详述。

根据需要，凸轮还可在两个侧面设置轨道。

本发明的三个实施例中的特征在不相排斥的情况下可结合使用，例如第二实施例中的弹性橡胶垫同样适用于第一和第三实施例，第一和第二实施例中的超程设计同样适用于第三实施例。

应注意的是，所示的实施方式仅是示例性的，不应认为是对本发明的限制，本发明的范围仅由所附权利要求限定。可对所示的实施方式作出多种变形形式和改进形式而不偏离本发明的范围。

Claims (14)

1.一种自动转换操作装置，包括：

支撑件；

电机，安装在支撑件上；

凸轮，由电机枢转驱动，所述凸轮外缘设置有突起；

电机限位开关，由所述突起触发，以使电机停止转动；

第一曲柄和第二曲柄，对称设置在电机两侧，位于凸轮和电机之间，其靠近电机侧的端部可由电机经由凸轮驱动绕各自的旋转轴线旋转，以由此使其远离电机侧的端部摆动；

第一和第二开关，相对于电机对称设置在支撑件上，可分别通过第一曲柄和第二曲柄的远离电机侧的端部的摆动进行合闸和分闸；

其中，所述第一曲柄和第二曲柄每一个在其靠近电机侧的端部还设置有随动销，凸轮在其侧面上设置有轨道，所述凸轮随着电机的转动带动所述随动销在所述轨道中运动，以分别经由第一曲柄和第二曲柄以互锁方式控制第一和第二开关的合闸、分闸的状态和次序。

2.根据权利要求1所述的自动转换操作装置，其中，凸轮仅在其一个侧面上设置有轨道。

3.根据权利要求2所述的自动转换操作装置，其中，所述轨道设置为对称的封闭单条轨道，以由此可仅通过电机单向旋转实现第一和第二开关的合闸、分闸的状态和次序。

4.根据权利要求2所述的自动转换操作装置，其中，所述轨道设置为不对称的两条不封闭轨道，以由此使电机可通过正转和反转实现第一和第二开关的合闸、分闸的状态和次序。

5.根据权利要求1所述的自动转换操作装置，其中，凸轮可在其两个侧面上设置有轨道。

6.根据权利要求4所述的自动转换操作装置，其中，所述第一曲柄和第二曲柄的销分别在两条不封闭轨道中的一个和另一个中运动。

7.根据权利要求1到5中任一项所述的自动转换操作装置，其中，轨道的形状根据操作第一和第二开关的行程、第一和第二曲柄的形状以及第一和第二曲柄的枢转中心和销的位置以及相对于凸轮旋转中心的位置确定。

8.根据权利要求1到5中任一项所述的自动转换操作装置，其中，所述轨道形状设计为当所述随动销在轨道中运动时，使得第一曲柄和第二曲柄使第一开关和第二开关不同时合闸。

9.根据权利要求7所述的自动转换操作装置，其中，所述轨道形状可进一步优化为所需合闸力大时曲率小，所需合闸力小时曲率大。

10.根据权利要求1到5中任一项所述的自动转换操作装置，其中，所述轨道设计为可使得在使第一曲柄和第二曲柄到达最大摆动幅值的轨道附近增加一段圆弧，即超程。

11.根据权利要求10所述的自动转换操作装置，其中，在所述圆弧附近设置有弹性装置，可对曲柄的远端行程进行自适应的调节。

12.根据权利要求10或11所述的自动转换操作装置，其中，所述凸轮外缘上设置有突起，所述突起定位为当所述随动销到达所述圆弧附近时，所述突起触碰电机限位开关。

13.根据权利要求1所述的自动转换操作装置，其中，第一和第二开关的合闸、分闸的状态包括第一开关合闸-第二开关分闸、第一开关分闸-第二开关分闸和第一开关分闸-第二开关合闸，第一和第二开关的合闸分闸次序包括第一开关分闸后，第二开关再合闸，以及第一开关分闸同时第二开关合闸。

14.一种自动转换开关，包括第一断路器和第二断路器，以及根据上述权利要求中任一项所述的自动转换操作装置，其中第一和第二开关分别为第一和第二断路器的开关手柄。