CN105428161A - 机电式可锁定型继电器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种继电器由一个螺线管、一个活塞组件和永磁铁组件组成。永磁铁组件包含一个永磁体并具有两个磁极。活塞组件包含一个软磁体而该软磁体至少有一个第一端可在上述永磁体两个磁极之间移动。活塞组件至少有两个稳定状态：其一对应于所述软磁体第一端被永磁体一个磁极吸引；其二对应于所述软磁体第一端被永磁体另一个磁极吸引。给螺线管通电将使活塞磁化并在两个稳定状态之间移动。添加适当触点和反力弹簧结构可以形成锁定型或非锁定型继电器。

Description

机电式可锁定型继电器及其使用方法

【技术领域】

本发明涉及继电器。更确切地说，本发明涉及机电式可锁定型继电器及其使用方法。

【背景技术】

继电器是由电信号控制的机电开关。一个典型的继电器由一个电磁铁和软铁弹片组成。弹片上一般连着可移动的电接触点，弹片本身由弹簧扣住，在通电后，电磁铁会对软铁弹片产生作用力，并使其克服弹簧弹力，从而移动电接触点去关闭或打开一个电回路,当电磁铁断电后，电接触点弹回到原来位置。继电器有各种不同类型，有多接触点型、有密封型、有的内部有延迟电路、有的像早年电话通讯使用的多步多接触点型、还有可锁定型。

可锁定型继电器是指一类在电磁铁断电后，可以保持关闭和打开状态的继电器。开和关状态之间的转换是由送给电磁铁短暂的电流脉冲而实现的。可锁定型继电器一个重要的优点是在非开关状态没有任何功耗(甚至不需要电源)。

锁定性继电器也有多种类型，其中两种在ENGINEERS’RELAYHANDBOOK第3—24页[1]里有描述。一个永磁铁提供磁通并通过一个弹片在两个磁回路之一形成闭合回路。把弹片及其相关的接触从一个位置移到另一个位置是通过电磁铁的电流脉冲实现的。这种继电器要求电磁铁线圈圈数多，从而使得其它新工艺无法或非常困难实现。

显然,一个简单并容易生产和使用的继电器是令人向往的。

本发明目的是提供一种新的并改善了的继电器，而该继电器可以很容易地被做成锁定型或非锁定型。

【发明内容】

以下所述的继电器起码部分解决了以前的问题并达到上述目标。这种继电器由一个螺线管组成，该螺线管含有一个活塞组件和永磁铁组件。永磁铁组件包含一个被两个软磁体夹着的永磁体并形成两个磁极。活塞组件包含一个软磁体并且该软磁体至少有一端可在上述永磁体两个磁极中移动。活塞组件至少有两个稳定状态：其一对应于所述活塞软磁体端部被永磁体一个磁极吸引；其二对应于所述活塞软磁体端部被永磁体另一个磁极吸引。给螺线管通电将使软磁活塞磁化并在两个稳定状态之间活动。添加适当触点和反力弹簧结构可以形成锁定型或非锁定型继电器。

【附图说明】

本发明上述及其它的特性及优点在以下用例子及附图作出详细说明，其中所用相同的标号将指相同的部件。

图1A是本发明继电器一个实施例在活塞组件处于“下”状态的剖视图。

图1B是本发明继电器一个实施例在活塞组件处于“上”状态的剖视图。

图2是本发明一个单刀双掷（SPDT）继电器的实施例剖视图。

图3是本发明一个继电器的实施例剖视图，其中该继电器的活塞是固定的，而永磁体组件相对于活塞移动。

图4A是本发明继电器一个实施例在活塞组件处于“下”状态的剖视图。

图4B是本发明继电器一个实施例在活塞组件处于“上”状态的剖视图。

【具体实施方式】

本说明书所用的某些实施例，只是本发明的一些例子，而没有任何意图从任何方面限制本发明的范围。为了简明起见，一些普通的电子制造及其它系统方面(制系统零部件)的说明未必详细。而且，本说明书常用电力及电子方面的例子来描述本发明，应被理解，很多其他制造方法可以被用来制作本继电器。而本说明书描述的方法，还可以被应用到机械传动器、光开关、液态控制以及其它开关器件。

另外这些方法也适合于电系统、光系统、消费电器、工业电子、无线通讯、宇航、液体控制、医疗系统及其他应用。本说明书所用的空间安排及尺寸说明只是为了示意而已，具体的锁定继电器可以有多种空间位置及取向安排，这些继电器还可以适当方式相连并形成阵列。

图1A和图1B显示了一个示例性实施例中的机电式继电器分别在其“下”和“上”两个稳定状态。参考图1A和1B，一个实例机电式继电器100适当包括螺线管10、可动活塞组件20、永磁体组件30和30B、以及固定导体61和62。

螺线管10（电磁铁）是由多匝导线绕在一个线圈架11上形成的。电磁继电器100中螺线管10的作用之一是在其通电后提供一个垂直磁场并磁化软磁性活塞21，导致所述活塞组件20相对永久磁体组件30和30B移动。在螺线管电流方向改变时其磁场方向也随之改变，从而改变所述活塞组件20的运动方向。这一结构提供了一个外部电子控制机制使继电器在不同状态间进行切换，如下给出详细解释。

可动活塞组件20包含活塞21、弹片26、紧固件25、推杆41、和一个可动导体40。所述活塞21包括下列软磁体：主体22、上软磁盘23和下软磁盘23B、以及端盖24。上述软磁性体通过粘接或螺纹紧固在一起形成一个统一的刚性体。软磁体活塞21的首选材料包括铁、镍铁或任何其他具有高导磁率的软磁材料，其特性是很容易被外部磁场磁化。弹片26起着连接所述活塞21和推杆41的作用，而所述推杆连接着移动导体40。弹片26和导体40可以由任何金属（如铍铜等）材料制成。导体40表面最好镀金。推杆41可以由塑料材料制成。弹片26由紧固件25紧固在活塞21上。活塞21向下移动时将通过弹片26向下推动推杆41，导致导体40连接固定导体61和62，形成一个封闭的导电路径。在另一方面，当活塞21向上移动时，它通过弹片26向上拉推杆41，导致导体40离开固定导体61和62，断开导电路径。固定导体61和62可以由任何导电材料（如铜、铜合金等）制成，最好是镀金的。

永磁体组件30和30B分别包含永磁铁32和32B，分别夹在软磁铁31和33及31B和33B之间。永磁铁32和32B可由任何永久性的硬磁材料（如钕铁硼、钐钴、铝镍钴，陶瓷磁铁，CoPtP合金及其他）制成。软磁铁可由任何具有高导磁率（从大约100到10⁵以上）软磁材料制成，其特性是很容易被外部磁场磁化。这些软磁材料的例子包括铁、镍铁合金、硅钢、FeCo合金、软磁铁氧体等。在本示例性实施例中，永磁体组件30和30B被安排成一个相对于螺线管中心镜像对称的配置，使上永磁体32北极向朝上，而下永磁体32B北极朝下（如图1A和1B中箭头指示）。在这种配置中，活塞组件20要么呆在“下”位置（图1A），其中软磁盘23被软磁环33吸引而和软磁盘23B被软磁环31B吸引；活塞组件20要么呆在“上”位置（图1B），其中软磁盘23被软磁环31吸引而软磁盘23B被软磁环33B吸引。当螺线管10通电并产生一个向下的磁场时，活塞21下端软磁盘23B被磁化成北极，同时活塞21上端软磁盘23被磁化成为南极，从而使软磁盘23被软磁环33排斥并吸引到软磁环31，同时使软磁盘23B被软磁环31B排斥并吸引到软磁环33B，形成一个合力向上推动活塞组件20。在另一方面，当螺线管10通反向电流并产生一个向上的磁场时，活塞21下端软磁盘23B被磁化成南极，同时活塞21上端软磁盘23被磁化成为北极，从而使软磁盘23被软磁环31排斥并吸引到软磁环33，同时使软磁盘23B被软磁环33B排斥并吸引到软磁环31B，形成一个合力向下推动活塞组件20。

框架结构71、72和73是由刚性材料（如铝、铜等）制成，并给继电器100中的各种组件提供支撑。框架71和72同时也形成一个封闭的腔体便于高频信号传输（例如同轴开关）。

本发明从广义方面来说，一个软磁活塞21具有至少一个端部（软磁盘23），所述端部可以在一个永磁铁组件30的两个磁极（北极和南极）之间移动。软磁活塞21可以处于“下”位置，其中软磁盘23被永磁体组件30中的下端环33吸引；或处于“上”位置，其中软磁盘23被上端环31吸引。给螺线管10通电将产生一个垂直磁场使软磁活塞21磁化并使活塞组件20在其两个稳定态（“上”和“下”）之间相对于永磁体组件30移动。添加适当触点结构可以形成锁定型或非锁定型继电器。改变螺线管10中的电流方向将改变它的磁场方向以及活塞组件20的运动方向。在活塞组件20处于“下”状态时，可动导体40连通一对导体61和62；在活塞组件20处于“上”状态时，可动导体40离开导体61和62并使其断开。在镜像对称位置配置的另一个永磁铁组件30B可以与环活塞21下端（软磁盘23B）产生作用以增加继电器的接触力和稳定性。

此处所描述的适用于锁定型（双稳态）继电器，同样的原理也可以很容易地被推扩形成非锁定型继电器，其中可以通过添加附加弹簧和/或使对活塞20产生的“向上”和“向下”磁力不对称，从而在螺线管10不通电时使活塞20只能呆在其中一个稳定的位置（“下”或“上”）。

图2显示了一个单刀双掷机电式继电器实施例。参照图2，一个示例机电式继电器200适当包括与图1A和1B所述相似的组件。继电器200还包含另一推杆241和可动导体240、一个支撑在转轴281的跷跷板280及固定其上的弹片226以及固定导体262。类似以上所描述的例子，活塞组件20可以有两种稳定状态（“上”或“下”位置）。当活塞组件20处于“下”位置时（如图2所示），弹片226的右侧被推下同时其左侧被拉上，使推杆241和导体240被拉起并切断导体262至导体61的导电通道，同时可动导体40被推下并连接接通导体62至导体61的导电通道。在另一方面，当活塞组件20处于“上”位置时（未示），弹片226的右侧被拉上同时其左侧被推下，使推杆241和导体240被推下并连接接通导体262至导体61的导电通道，同时可动导体40被拉上并切断导体62至导体61的导电通道。通电在螺线管10中通电可以驱动活塞组件20在两种稳定状态之间进行切换。

图3显示了另一个机电式继电器的实施例。参照图3，一个机电式继电器300适当包含螺线管10、固定活塞322、活动永磁体组件330、固定导体61和62。

螺线管10是由多匝导线绕在线圈架11上形成的。固定活塞322是由软磁材料制成并包含软磁环323。

活动永磁铁组件330包含一个放在载体335中的永磁体332，该载体通过弹片326与推杆341及导体40连接。永磁体332可以用永久性硬磁材料制成（如钕铁硼、钐钴、铝镍钴，陶瓷磁铁，CoPtP合金等）。示例中永磁体332被永久磁化使其北极朝下（如图3中箭头所示）。载体335可用塑料材料制成。悬臂326是一个春天，说￥335连接到推杆反过来移动连接导体40的341。悬臂26、导体40可以由任何金属铍铜等材料等导体40是最好的镀金。推杆341可以由塑料材料制成。

在这种配置中，永磁铁组件330要么呆在“下”位置（如图3所示），其中永磁体332的南极被软磁盘323吸引；或呆在“上”位置（未显示），其中永磁体332的北极被软磁盘323吸引。当螺线管10通电并产生向上磁场时，软磁盘323被极化成为南极，从而使永磁铁332的北极被吸引到软磁盘23，而永磁铁332的南极受软磁盘23排斥，该合力将永磁铁组件330向上拉。当螺线管10中的电流反向时也将使软磁盘323极性反向并将永磁铁组件330向下推。导体61和62之间的导电通道也将相应地由跟随永磁体组件330一起移动的可动导体40接通或切断。

图4A和图4B显示了另一个示例性实施例中的机电式继电器分别在其“下”和“上”两个稳定状态。参考图4A和4B，机电式继电器400适当包含了与图1A和1B所述相似的组件。机电式继电器400适当包括螺线管10、可动活塞420、推杆组件440、永磁体组件30和30B、以及固定导体61和62。

在此实施例中，可动活塞420为一个一体式结构，其包含主体22、上软磁盘23和下软磁盘23B以及顶针424。可动活塞420的首选材料包括铁、镍铁或任何其他具有高导磁率的软磁材料，其特性是很容易被外部磁场磁化。顶针424的直径小于软磁环31B的开孔孔径，以便使顶针能无阻碍地通过软磁环31B去推动推杆组件440。

推杆组件440包含推杆41、可动导体40和反力弹簧42。推杆41可以由塑料材料制成。可动导体40被紧固（如通过热熔或粘接）在推杆41下端。反力弹簧42可用不锈钢等弹性材料制成并套装在推杆41中。反力弹簧42的作用是在无外作用力的情况下把推杆组件440往上顶起并使可动导体40离开固定导体61和62.

永磁体组件30包含永磁铁32以及夹着永磁体32的一对软磁体31和33。永磁铁32可由任何永久性的硬磁材料制成。软磁体可由任何具有高导磁率（从大约100到10⁵以上）软磁材料制成，其特性是很容易被外部磁场磁化。永磁体组件30B包含永磁铁32B和一个软磁体31B。在本示例性实施例中，永磁体组件30和30B被安排成一个相对于螺线管中心镜像对称的配置，使上永磁体32北极向朝上，而下永磁体32B北极朝下（如图4A和4B中箭头指示）。在这种配置中，活塞420要么呆在“下”位置（图4A），其中软磁盘23被软磁环33吸引而软磁盘23B被软磁环31B吸引；活塞420要么呆在“上”位置（图4B），其中软磁盘23被软磁环31吸引。

当螺线管10通电并产生一个向下的磁场时，活塞420下端软磁盘23B被磁化成北极，同时活塞420上端软磁盘23被磁化成为南极，从而使软磁盘23被软磁环33排斥并被软磁环31吸引，同时使软磁盘23B被软磁环31B排斥，形成一个合力向上推动活塞420，使推杆组件440由反力弹簧42推至“上”的位置以致切断导体61到导体62之间的导电通道。在另一方面，当螺线管10通反向电流并产生一个向上的磁场时，活塞420下端软磁盘23B被磁化成南极，同时活塞420上端软磁盘23被磁化成为北极，从而使软磁盘23被软磁环31排斥并被软磁环33吸引，同时使软磁盘23B被软磁环31B吸引，形成一个合力向下推动活塞420，并依次通过顶针424向下推动推杆组件440以致可动导体40同时接触导体61到导体62并接通它们之间的导电通道。

本发明从广义方面来说，一个一体式软磁活塞420具有至少一个端部（软磁盘23），所述端部可以在一个永磁铁组件30的两个磁极（北极和南极）之间移动。软磁活塞420可以处于“下”位置，其中软磁盘23被永磁体组件30中的下端环33吸引；或处于“上”位置，其中软磁盘23被上端环31吸引。给螺线管10通电将产生一个垂直磁场使软磁活塞420磁化并使活塞420在其两个稳定态（“上”和“下”）之间相对于永磁体组件30移动。改变螺线管10中的电流方向将改变它的磁场方向以及活塞420的运动方向。在活塞420处于“下”状态时，活塞420端部顶针424向下推动推杆组件440并使可动导体40连通导体61和62；在活塞420处于“上”状态时，顶针424离开推杆组件440，而反力弹簧42向上推动推杆组件440并使可动导体40离开导体61和62并使其断开。在镜像对称位置配置的另一个永磁铁组件30B可以与活塞420下端（软磁盘23B）产生作用以增加继电器的接触力和稳定性。

以上主要描述的是锁定型（双稳态）继电器。本发明的基本结构和原理同样可以适用于非锁定型（单稳态）继电器。例如，参照图4，适当调节反力弹簧42的弹力可以使在螺线管10不通电时软磁环33和软磁环31B对活塞420产生的向下合力小于反力弹簧42向上的推力，从而使活塞420无法呆在“下”位置并回到“上”位置。而螺线管10在通电时使活塞420磁化而增加的向下吸力足以克服反力弹簧42向上的反力并可使活塞420稳定的呆在“下”位置。这就形成了一个非锁定型（单稳态）继电器。其中永磁体组件30和30B对活塞420的吸力也可通过适当调节（如距离、磁化强度等）来达到上述单稳态目的。

应被理解到在不脱离本发明范围内，还有许多其它可能实施型以及不同材料的选择与组合，同样也有很多不同结构或几何尺寸可被用在上述继电器里。

在以下的权利要求里，相关的结构、材料、操作和同等的元件将意味包括能够达到所需功能的任何结构、材料或操作，并可与其它要求里的元件相结合。另外在方法要求里的步骤可以任意次序进行。本发明的范围应取决于以下的权利要求及其法律同类型，而不应受到上述例子的限制。

【参考文献】

[1]ENGINEERS’HANDBOOK(继电器工程师手册)（第五版），美国国家继电器制造商协会出版,1996年。

Claims (17)

1.一个由下列部件组成的机电式继电器：

一个由多匝导线绕在支架上形成的螺线管；

一个放置于所述螺线管中的软磁活塞，所述活塞至少具有一个第一端；

一个具有第一磁极和第二磁极的永磁铁组件；

其中所述活塞的第一端可以在所述永磁铁组件第一和第二磁极之间移动，并且所述活塞至少具有以下两个稳定状态：其中第一个稳定状态对应于活塞第一端被吸引到所述永磁铁组件第一磁极；而第二个稳定状态对应于活塞第一端被吸引到所述永磁铁组件第二磁极；当所述活塞处于第一个稳定状态时，给螺线管通电将使所述活塞磁化并使其所述第一端极化而被所述永磁铁组件第一磁极排斥以致所述活塞移至所述第二稳定状态；当所述活塞处于第二个稳定状态时，给螺线管反向通电将使所述活塞磁化并使其所述第一端极化而被所述永磁铁组件第二磁极排斥以致所述活塞移至所述第一稳定状态；其中所述活塞第一稳定状态对应于所述机电式继电器的一个导电通道的闭合状态；其中所述活塞第二稳定状态对应于所述机电式继电器导电通道的断开状态。

2.根据权利要求1所述的一个机电式继电器，其中所述永磁铁组件包含一个环状永磁铁、一个对应于所述永磁铁组件第一磁极的第一软磁环和一个对应于所述永磁铁组件第二磁极的第二软磁环，所述环状永磁铁夹在所述第一和第二软磁环之间。

3.根据权利要求2所述的一个机电式继电器，其中所述第一和第二软磁环与所述环状永磁铁的开孔同心，从而所述活塞的第一端能够在所述开孔中介于所述第一和第二软磁环之间移动。

4.根据权利要求3所述的一个机电式继电器，其中所述活塞的第一端直径小于所述环状永磁铁孔径而同时大于所述第一和第二软磁环开孔孔径。

5.根据权利要求4所述的一个机电式继电器，其中所述活塞为一个一体式软磁体，所述一体式软磁体包含一个直径小于所述第二软磁环开孔孔径的主体。

6.根据权利要求1所述的一个机电式继电器，其中所述机电式继电器为一个射频同轴开关。

7.一个由下列部件组成的机电式继电器：

一个由多匝导线绕在支架上形成的螺线管；

一个放置于所述螺线管中的一体式软磁活塞，所述一体式软磁活塞至少具有一个第一端和一个第二端；

一个具有第一和第二磁极的第一永磁铁组件；

一个具有第三和第四磁极的第二永磁铁组件，其中所述第三和第四磁极的方向与所述第一和第二磁极的方向相反；

其中所述活塞的第一端可以在所述永磁铁组件第一和第二磁极之间移动，而所述活塞的第二端可以在所述永磁铁组件第三和第四磁极之间移动，并且所述活塞至少具有以下两个稳定状态：其中第一个稳定状态对应于活塞第一端被吸引到所述永磁铁组件第一磁极而活塞第二端被吸引到所述永磁铁组件第三磁极；而第二个稳定状态对应于活塞第一端被吸引到所述永磁铁组件第二磁极而活塞第二端被吸引到所述永磁铁组件第四磁极；当所述活塞处于第一个稳定状态时，给螺线管通电将使所述活塞磁化并使其所述第一端极化而被所述永磁铁组件第一磁极排斥以及其第二端极化而被所述永磁铁组件第三磁极排斥，以致所述活塞移至所述第二稳定状态；当所述活塞处于第二个稳定状态时，给螺线管反向通电将使所述活塞磁化并使其所述第一端极化而被所述永磁铁组件第二磁极排斥以及其第二端极化而被所述永磁铁组件第四磁极排斥，以致所述活塞移至所述第一稳定状态；其中所述活塞第一稳定状态对应于所述机电式继电器的一个导电通道的闭合状态；其中所述活塞第二稳定状态对应于所述机电式继电器导电通道的断开状态。

8.根据权利要求7所述的一个机电式继电器，其中所述第一永磁铁组件包含一个环状第一永磁铁，该环状第一永磁铁夹在一个对应于所述第一永磁铁组件第一磁极的第一软磁环和对应于永磁铁组件第二磁极的第二软磁环之间；所述第二永磁铁组件包含一个环状第二永磁铁，该环状第二永磁铁夹在一个对应于所述第二永磁铁组件第三磁极的第三软磁环和对应于所述第二永磁铁组件第四磁极的第四软磁环之间。

9.根据权利要求7所述的一个机电式继电器，其中所述第一、第三和第四软磁环中心开孔同心于所述环状第一和第二永磁铁的开孔。

10.根据权利要求9所述的一个机电式继电器，其中所述活塞为一个一体式软磁体，所述一体式软磁体具有一个第一端、主体、第二端和顶针。

11.根据权利要求10所述的一个机电式继电器，其中所述活塞第一端的直径大于所述第一永磁铁组件中第一软磁环的孔径而小于环状第一永磁铁的孔径。

12.根据权利要求10所述的一个机电式继电器，其中所述活塞第二端的直径大于所述第二永磁铁组件中第三软磁环的孔径而小于环状第二永磁铁的孔径。

13.根据权利要求10所述的一个机电式继电器，其中所述活塞顶针的直径小于所述第二永磁铁组件中第三软磁环的孔径。

14.一个由下列部件组成的机电式继电器：

一个由多匝导线绕在支架上形成的螺线管；

一个放置于所述螺线管中的软磁活塞，所述活塞至少具有一个第一端；

一个具有第一磁极和第二磁极的永磁铁组件；

一个连接一个可动导体的推杆组件，该推杆组件由一个反力弹簧支撑；

一个第一固定导体和一个第二固定导体；

其中所述活塞的第一端可以在所述永磁铁组件两个磁极之间移动，并且所述活塞至少具有以下两个状态：其中第一状态对应于活塞第一端被吸引到所述永磁铁组件第一磁极以致所述活塞推动所述推杆至使所述可动导体连接第一固定导体和第二固定导体；而第二状态对应于活塞第一端被吸引到所述永磁铁组件第二磁极以致所述活塞离开所述推杆以致所述推杆由所述反力弹簧推起并带动所述可动导体离开第一固定导体和第二固定导体；当所述活塞处于所述第二状态时，给螺线管反向通电将使所述活塞磁化并使其所述第一端极化而被所述永磁铁组件第二磁极排斥以致所述活塞移至所述第一状态；所述活塞从所述第一状态到第二状态的转换可以通过以下两种方式之一进行：其一是给螺线管通电使所述活塞磁化并使其所述第一端极化而被所述永磁铁组件第一磁极排斥以致所述活塞移至所述第二状态，其二是使螺线管断电而由所述反力弹簧推起所述推杆并克服所述活塞第一端与所述永磁铁组件第一磁极的吸力以致活塞移至所述第二状态；其中所述活塞第一状态对应于所述机电式继电器的所述第一固定导体与第二固定导体之间的导电通道由所述可动导体连接的闭合状态；其中所述活塞第二状态对应于所述机电式继电器的所述第一固定导体与第二固定导体之间的导电通道断开状态。

15.根据权利要求14所述的一个机电式继电器，其中利用螺线管通电使所述活塞移至所述第一状态所对应的一个锁定型（双稳态）机电式继电器。

16.根据权利要求14所述的一个机电式继电器，其中利用螺线管断电使所述活塞移至所述第一状态所对应的一个非锁定型（单稳态）机电式继电器。

17.根据权利要求14所述的一个机电式继电器，其中所述机电式继电器为一个射频同轴开关。