CN107622915B - 采用实心铁芯的节电静噪的交流接触器 - Google Patents

Abstract

一种采用实心铁芯的节电静噪的交流接触器，包括由动铁芯、静铁芯、励磁线圈、复位弹簧所组成的交流接触器用的电磁铁及电子单元两部分，所述的电磁铁中的动铁芯、静铁芯均为不带短路环的实心铁芯；所述的电子单元由控制电源与保持电路、吸合脉冲发生电路、开关电路、增压电路、电桥电路所组成。

Description

采用实心铁芯的节电静噪的交流接触器

技术领域

本发明涉及低压电器领域，尤其涉及一种采用实心铁芯、可以高效节电且静噪的“采用实心铁芯的节电静噪的交流接触器”。

背景技术

交流接触器(alternating current contactor)是一种应用非常广泛的低压电器。其工作原理是利用动铁芯、静铁芯、励磁线圈、复位弹簧所组成的电磁铁带动动触点与常开触点闭合或分离，达到接通或切断电路的目的。它适用于起动或控制三相感应电动机和其它用电设备。

图1为交流接触器的工作原理图。这种交流接触器主要由动铁芯、静铁芯、励磁线圈、复位弹簧所组成的接触器用的电磁铁(以下简称电磁铁)、动触点、常开触点所组成。当励磁线圈接通AC220V、AC110V或AC380V电压(以下通称AC220V、AC110V或AC380V为AC电压或励磁电源)时，动铁芯受励磁线圈产生的磁力的作用而与静铁芯闭合，与动铁芯联动的动触点也随之与常开触点闭合，外电路便通过此常开触点而接通；当励磁线圈上的AC电压断开时，动铁芯失磁并受复位弹簧的作用而与静铁芯分离，动触点复位，外电路便随之被切断。

传统的交流接触器的励磁线圈之A1端、A2端接入的是图6a所表示的交流电，因此，动铁芯、静铁芯会产生涡流损耗与磁滞损耗，并且，当交流电压“过零”(图6a中，t01、t02等时刻)时，动铁芯、静铁芯之间的磁力趋向为零，在复位弹簧的作用下，动触点将趋向于与常开触点脱开。由此，会加速触点的损坏并使交流接触器产生烦人的交流噪声(以下称此为“交流过零”的影响)。

为了减少涡流损耗、磁滞损耗，传统的交流接触器的动铁芯采用图2a所表示的、静铁芯采用图2b所表示的由硅钢叠片铆接而成的结构。

为了减少“交流过零”的影响，传统的交流接触器的静铁芯上还镶嵌了图2b所表示的“短路环”。

虽然采取了上述措施，但传统的交流接触器仍存在以下的弊端：

1、动铁芯、静铁芯的制造成本较高。动铁芯、静铁芯必须采用硅钢片冲制、涂绝缘膜、铆接这几道工艺才能制成。静铁芯还须增加镶嵌短路环的工艺。工艺过程复杂，制造成本必然较高；

2、采用了短路环，必然增加了静铁芯的成本；

3、仍存在较大的损耗。其中，动铁芯、静铁芯产生的损耗(铁损)占交流接触器总损耗的6 5～75％，短路环损耗占交流接触器总损耗的2 5～30％(其余为励磁线圈损耗3～5％)；

4、仍存在交流噪声。

交流接触器的工作过程可分为“吸合”、“保持”、“复位”三个阶段：

1、吸合：励磁线圈与AC电压接通，动、静铁芯吸合。在此阶段，为克服动铁芯的惯性和复位弹簧的弹力，励磁电源必须提供较大的功率(以下称此功率为“吸合功率”)，动、静铁芯才能互相吸合；

2、保持：励磁线圈继续与AC电压接通，动、静铁芯继续保持吸合的状态。在此阶段，励磁电源只须提供较小的功率(以下称此功率为“保持功率”)，动、静铁芯也能继续吸合。若在此阶段，励磁电源提供过大的保持功率，将造成电能浪费并导致交流接触器不应有的发热升温；

3、复位：励磁线圈断开AC电压，动、静铁芯“复位”分离。

传统的交流接触器由于吸合与保持阶段励磁线圈中均通以相同的AC电压，

因此存在以下的严重缺点：无谓的耗电：前已述，在吸合和保持阶段，传统的交流接触器的励磁线圈中均通以“相同的”AC电压，使保持功率过大，造成了无谓的电能损耗；

综上所述，传统的交流接触器存在“铁损”、“短路环损耗”、“保持功率过大”这三种无谓的电能损耗且存在烦人的交流噪声。

针对传统的交流接触器的现状，本发明要迖到的目标是：

一、应用电子技术，设计一个用于改造传统的交流接触器的具有以下功能的“电子单元”：

1、将交流接触器改变成为：AC输入，DC运行的模式；

2、采用相对较大的功率吸合，相对较小的功率保持的运行模式。

二、摒弃图2a所表示的由硅钢片叠成的动铁芯和图2b所表示的由硅钢片叠成且镶嵌了短路环的静铁芯，设计一种图3所表示的“实心铁芯”，动铁芯和静铁芯均采用这种实心铁芯。

发明内容

本发明实现上述目标的方法为：一种采用实心铁芯的节电静噪的交流接触器，包括由动铁芯M、静铁芯G、励磁线圈L、复位弹簧F所组成的交流接触器用的电磁铁及电子单元100两部分，其特征在于：所述的电磁铁中的动铁芯M、静铁芯G均为不带短路环的实心铁芯；所述的电子单元100由控制电源与保持电路101、吸合脉冲发生电路102、开关电路103、增压电路104、电桥电路105所组成；其中，所述的控制电源与保持电路101的1端与所述的电桥电路105的AC2端相连接；所述的吸合脉冲发生电路102的3端与所述的控制电源与保持电路101的2端相连接、4端与所述的开关电路103的5端相连接；所述的开关电路103的6端与电桥电路105的AC2端相连接、7端与增压电路104的8端相连接；所述的增压电路104的9端也与电桥电路105的AC2端相连接；所述的电桥电路105的AC1端与AC电压的P1端相连接、DC1端与所述的励磁线圈L的A1端相连接、DC2端与所述的励磁线圈L的A2端相连接；控制电源与保持电路101、开关电路103、增压电路104各自的一端均与AC电压的P2端相连接。

所述的采用不带短路环的实心铁芯所组成的电磁铁与电子单元100按以上所述的方式相组合，即可组成本发明所指的“采用实心铁芯的节电静噪的交流接触器”。

所述的不带短路环的实心铁芯可以用取向电工钢、无取向电工钢、电工纯铁或低碳电工钢制作，更进一步地，可以用上述材料拉制的型材制作。

所述的控制电源与保持电路101可以采用多种电路结构，本发明优选了以下的电路结构：其由1端、第一电容C1、第一二极管D1、第二二极管D2、第二电容C2、第一电阻R1、2端组成；其中，所述的第一电容C1一端与所述的1端相连接、另一端与第一二极管D1的负极、第二二极管D2的正极均相连接；第二二极管D2的负极与第二电容C2的正极、第一电阻R1的一端、2端均相连接；第一二极管D1的正极、第二电容C2的负极。第一电阻R1的另一端均与AC电压的P2端相连接。

所述的吸合脉冲发生电路102可以采用多种电路结构，本发明优选了以下的电路结构：其由3端、常闭开关K、第二电阻R2、4端组成；其中，常闭开关K的一端与3端相连接、另一端与第二电阻R2的一端相连接；第二电阻R2的另一端与4端相连接。

所述的常闭开关K可以采用多种开关，例如：电子开关、机械开关、磁敏开关、气敏开关、接触器的辅助常闭触点、接触器的辅助常闭触头、继电器的常闭触点。

所述的开关电路103可以采用多种电路结构，本发明优选了以下的电路结构：其由第七二极管D7、单向晶体闸流管SCR(Silicon Controlled Rectifier，SCR)、5端、6端、7端组成；其中：所述的第七二极管D7的正极与6端相连接，负极与所述的单向晶体闸流管SCR的阳极、7瑞相连接；单向晶体闸流管SCR的阴极与AC电压的P2端相连接、栅极与5端相连接。

所述的单向晶体闸流管SCR可以用其他开关器件例如场效应管FET(Field EffectTransistor)双向晶体闸流管(Triode AC Switch，TRIAC)、绝缘栅双极型晶体管(Insulatend Gate Bipolar Transistor，IGBT)、电子注入增强栅晶体管(InjectionEnhanced Gate Tansistor，IEGT)、静电感应晶闸管(Static Induction Thyristor，SITH)或开关三极管代替。

所述的增压电路104可以采用多种电路结构，本发明优选了以下的电路结构：其由8端、第四电容C4、瞬态电压抑止二极管TVS(Transient Voltage Suppressor，TVS)、9端组成，其中：第四电容C4的正极与8端相连接、负极与9端相连接；瞬态电压抑止二极管TVS的负极也与8端相连接、正极与AC电压的P2端相连接。

所述的电桥电路105可以采用多种电路结构，本发明优选了以下的电路结构：其由第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、AC1端、AC2端、DC1端、DC2端组成，其中：第三二极管D3的负极、第四二极管D4的正极均与AC1端相连接；第三二极管D3的正极、第五二极管D5的正极均与DC2端相连接；第四二极管D4的负极、第六二极管D6的负极均与DC1端相连接；第五二极管D5的负极、第六二极管D6的正极均与AC2端相连接。

应用本发明，可以取得以下有益效果：

1、降低了铁芯的制造成本

本发明的动铁芯、静铁芯均采用了图3所示的实心铁芯，与图2a所示的传统动铁芯、图2b所示的传统静铁芯相比较，本发明从二方面降低了铁芯的制造成本；

(1)、省略了二片短路环、多枚铆钉；

(2)、简化了制造工艺，节省了工时费用。

2、高效节电

为了说明本发明高效的节电效率，我们做了以下测试：

取“TGC1—0910型交流接触器”一个——以下简称“传统件”。

步骤1、按图1：在A1端、A2端输入AC220V，该“传统件”即“TGC1—0910型交流接触器”的耗电功率为1.7W；

步骤2、按图4：即在该“TGC1—0910型交流接触器”A1、A2端口之前增设本发明之“电子单元100”且动铁芯、静铁芯均改用图3所示的实心铁芯，组成本发明的一项应用实例(以下简称“创新件”)，再在P1端、P2端输入AC220V。实测结果：本发明的此项应用实例即“创新件”的耗电功率为0.08W。

实测结果表明，与传统件相比较，应用本发明的创新件的节电效率高达95.3％

3、低热运行：

本发明具有高效节电的功能，节约了电能，运行时必然低热。

4、静噪运行

本发明所指的“创新件”，AC电压经电桥电路105整流后，为直流运行，故运行时寂静无可闻噪声。

而传统的交流电磁铁为交流运行，必然存在烦人的交流噪声。

5、运行可靠

上述“创新件”以每小时8182次的频率高速连续运行了一百一十万次，仍稳定可靠。

6、可哺育民族企业创立世界名牌

本发明采用图3所示的无需短路环的实心铁芯取代了图2a、图2b所示的传统铁芯，彻底颠覆了自交流接触器发明之后延续了一百多年的制造工艺，且性能卓越，可哺育民族企业创立世界名牌。

附图说明

图1为交流接触器的工作原理图；

图2a为传统交流接触器的动铁芯的组成示意图；

图2b为传统交流接触器的镶嵌了短路环的静铁芯的组成示意图；

图3为本发明的无短路环的动铁芯、静铁芯通用的实心铁芯示意图；

图4为本发明的原理方框图；

图5为本发明的一个实施例的电路原理图；

图6a为AC电压波形图——初相角φ＝0时的AC电压波形图；

图6b为吸合脉冲发生电路102输出的脉冲波形图。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的实施方式。

图4为本发明的原理方框图，图5为本发明的一个实施例的电路原理图。图4中：L为传统交流电磁铁中的励磁线圈，A1、A2为其之两个连接端口；虚线方框100表示本发明的电子单元100。

结合图4：一种采用实心铁芯的节电静噪的交流接触器，包括由动铁芯M、静铁芯G、励磁线圈L、复位弹簧F所组成的交流接触器用的电磁铁及电子单元100两部分，其特征在于：所述的电磁铁中的动铁芯M、静铁芯G均为不带短路环的实心铁芯；所述的电子单元100由控制电源与保持电路101、吸合脉冲发生电路102、开关电路103、增压电路104、电桥电路105所组成；其中，所述的控制电源与保持电路101的1端与所述的电桥电路105的AC2端相连接；所述的吸合脉冲发生电路102的3端与所述的控制电源与保持电路101的2端相连接、4端与所述的开关电路103的5端相连接；所述的开关电路103的6端与电桥电路105的AC2端相连接、7端与增压电路104的8端相连接；所述的增压电路104的9端也与电桥电路105的AC2端相连接；所述的电桥电路105的AC1端与AC电压的P1端相连接、DC1端与所述的励磁线圈L的A1端相连接、DC2端与所述的励磁线圈L的A2端相连接；控制电源与保持电路101、开关电路103、增压电路104各自的一端均与AC电压的P2端相连接。

所述的采用不带短路环的实心铁芯所组成的电磁铁与电子单元100按以上所述的方式相组合，即可组成本发明所指的“采用实心铁芯的节电静噪的交流接触器”。

图5为本发明的一个实施例的电路原理图，本实施例中：

所述的不带短路环的实心铁芯可以用取向电工钢、无取向电工钢、电工纯铁或低碳电工钢制作，更进一步地，可以用上述材料拉制的型材制作。

1端、第一电容C1、第一二极管D1、第二二极管D2、第二电容C2、第一电阻R1、2端组成为控制电源与保持电路101；其中，所述的第一电容C1一端与所述的1端相连接、另一端与第一二极管D1的负极、第二二极管D2的正极均相连接；第二二极管D2的负极与第二电容C2的正极、第一电阻R1的一端、2端均相连接；第一二极管D1的正极、第二电容C2的负极。第一电阻R1的另一端均与AC电压的P2端相连接。

所述的控制电源与保持电路101输出的DC电压为Vcc，2端为其正端、AC电压的P2端为其负端。

3端、常闭开关K、第二电阻R2、4端组成为吸合脉冲发生电路102；其中，常闭开关K的一端与3端相连接、另一端与第二电阻R2的一端相连接；第二电阻R2的另一端与4端相连接。

所述的常闭开关K可以采用多种开关，例如：电子开关、机械开关、磁敏开关、气敏开关、接触器的辅助常闭触点、接触器的辅助常闭触头、继电器的常闭触点。

第七二极管D7、单向晶体闸流管SCR、5端、6端、7端组成为开关电路103；其中：所述的第七二极管D7的正极与6端相连接，负极与所述的单向晶体闸流管SCR的阳极、7瑞相连接；单向晶体闸流管SCR的阴极与AC电压的P2端相连接、栅极与5端相连接。见图5。

本专业的人员应该清楚：所述的单向晶体闸流管SCR可以用其他开关器件例如场效应管、双向晶体闸流管、绝缘栅双极型晶体管、电子注入增强栅晶体管、静电感应晶闸管或开关三极管代替。

8端、第四电容C4、瞬态电压抑止二极管TVS、9端组成为增压电路104，其中：第四电容C4的正极与8端相连接、负极与9端相连接；瞬态电压抑止二极管TVS的负极也与8端相连接、正极与AC电压的P2端相连接。

本专业的人员应该清楚：所述的瞬态电压抑止二极管TVS可以用普通二极管代替。

第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、AC1端、AC2端、DC1端、DC2端组成为电桥电路105，其中：第三二极管D3的负极、第四二极管D4的正极均与AC1端相连接；第三二极管D3的正极、第五二极管D5的正极均与DC2端相连接；第四二极管D4的负极、第六二极管D6的负极均与DC1端相连接；第五二极管D5的负极、第六二极管D6的正极均与AC2端相连接。

下面，结合附图，阐述本实施例的工作过程：

结合图6a、图6b：

从P1端、P2端输入的AC电压的数学表达式为：

u＝UmSin(2πft+φ)

上式中：u为AC电压的瞬时值，Um为AC电压的振幅值，f为AC电压的频率，φ为AC电压的初相角。

为简便说明，现假设初相角φ＝0，则AC电压的瞬时值u的表达式为：

u＝UmSin2πft

其波形如图6a所示。

结合图5、图6a、图6b；本实施例的工作过程分为“吸合”、“保持”、“复位”三个阶段：

一、吸合：

t＝t1时，AC电压接通，此时，AC电压为P1端高电平、P2端低电平的正半周，电流ic1顺着P1—D4—励磁线圈L—D5—C1—D2—C2—P2的路径对第二电容C2充电，其上的电压逐步上升；

t＝t2时，第二电容C2上的电压升至Vcc；

在t1～t4时域，常闭开关K为闭合状态，电压Vcc通过第二电阻R2对单向晶体闸流管SCR施加触发电压Vg；

t＝t2时，Vg≥VcT(式中，VcT为晶体闸流管SCR从关断状态转变为导通状态的最小栅极直流电压)，晶体闸流管SCR导通，吸合电流i顺着P1—D4—励磁线圈L—D5—D7—晶体闸流管SCR—P2的路径流通并提供“吸合功率”，本发明所指的接触器(以下简称“本发明”)开始吸合；

t＝t3时，本发明完成吸合过程，开始进入保持状态。

t＝t4时，常闭开关K断开，Vg≈0，根据晶体闸流管的特性，晶体闸流管SCR继续导通，直至t＝t5时，其才关断。

在本实施例中，称t3～t5时域为“吸合巩固”时域。

再结合图5、图4：在本发明中，吸合过程是由开关电路103、增压电路104协同工作而完成的。

在t2～t5时域内：

t2～t01时域，AC电压为P1端高电平、P2端低电平的正半周，晶体闸流管SCR导通，吸合电流i按前面所述的路径流通并提供“吸合功率”；

t01～t02时域，AC电压为P2端高电平、P1端低电平的负半周，晶体闸流管SCR关断截止，AC电压通过瞬态电压抑止二极管TVS对第四电容C4充电，吸合电流i按下述的路径流通并提供“吸合功率”；P2—瞬态电压抑止二极管TVS—C4(充电)—D6—励磁线圈L—D3-P1；第四电容C4因充电而获得的电压为Vc4；

t02～t5时域，AC电压为P1端高电平、P2端低电平的正半周，晶体闸流管SCR导通，第四电容C4通过晶体闸流管SCR放电；

在本t02～t5时域中，若忽略第四二极管D4、第五二极管D5、晶体闸流管SCR上的压降，则励磁线圈L上的电压uL＝u+Vc4——式中u为AC电压的瞬时值u＝UmSin(2πft+φ)，由此可知：增压电路104具有增加励磁线圈L上的电压uL的作用。

在本t02～t5时域中，第四电容C4的放电，其放电过程分二个阶段：

1、其上的电压Vc4≥0.7v时，第七二极管D7截止(设D7为硅二极管)，其通过晶体闸流管SCR放电，吸合电流i按下述的路径流通并提供“吸合功率”；P1-D4-励磁线圈L-D5-C4(放电)-晶体闸流管SCR-P2；

2、随着放电的进程，其上的电压Vc4不断降低，当Vc4≤0.7v时，第七二极管D7导通，其被反向充电至Vc4≈－0.7v。吸合电流i则按下述的路径流通并提供“吸合功率”；P1-D4-励磁线圈L-D5-D7-晶体闸流管SCR-P2。

综上所述可知，本发明在吸合过程中的工作特征为：第四电容C4具有增大吸合电流、强化吸合过程的作用。

二、保持：

前已述；t＝t3时，本发明完成吸合过程，开始进入保持状态。

前已述：t＝t5时，晶体闸流管SCR关断。

晶体闸流管SCR关断之后，本发明依靠“控制电源与保持电路101”中的第一电容C1之充电电流ic1、放电电流ic2提供“保持功率”，维持吸合之后的“保持”状态，其过程为：

在AC电压为P1端高电平、P2端低电平的正半周，所述的ic1按下述路径流通并提供保持功率：P1-D4-励磁线圈L-D5-C1(充电)-D2-R1-P2；

在AC电压为P2端高电平、P1端低电平的负半周，所述的ic2按下述路径流通并提供保持功率：P2-D1-C1(放电)-D6-励磁线圈L-D3-P1。

只要调整第一电容C1的值，就可调整ic1、ic2的值，即可使本发明在合适的保持功率作用下稳固地保持吸合状态。

三、复位：

t＝t6时，AC电压关断，所述的ic1、ic2均切断为零，本发明复位。

综上所述可知：t2～t3时域为吸合时域，t3～t5时域为吸合巩固时域，t3～t6时域为保持时域，t＝t6时刻为开始复位的时刻。

t＝t7时，AC电压再次接通，本发明再次进入吸合、保持、复位的工作周期中。

综上所述可知，本发明的特征为：

1、AC输入，DC运行，所述的实心动铁芯、实心静铁芯无涡流损耗且可省略短路环；

2、因为省略了短路环，所以，本发明无“短路环损耗”；

3、静噪运行：因为是DC运行，所以，运行时寂静无噪声。

以上阐述了本发明的技术方案，一切不脱离本发明的技术方案之实质的替代，都应在本发明的权利要求的范围内。

Claims (2)

1.一种采用实心铁芯的节电静噪的交流接触器，包括由动铁芯(M)、静铁芯(G)、励磁线圈(L)、复位弹簧(F)所组成的交流接触器用的电磁铁及电子单元(100)两部分，其特征在于：所述的电磁铁中的动铁芯(M)、静铁芯(G)均为不带短路环的实心铁芯；所述的电子单元(100)由控制电源与保持电路(101)、吸合脉冲发生电路(102)、开关电路(103)、增压电路(104)、电桥电路(105)所组成；其中，所述的控制电源与保持电路(101)的1端与所述的电桥电路(105)的AC2端相连接；所述的吸合脉冲发生电路(102)的3端与所述的控制电源与保持电路(101)的2端相连接、4端与所述的开关电路(103)的5端相连接；所述的开关电路(103)的6端与电桥电路(105)的AC2端相连接、7端与增压电路(104)的8端相连接；所述的增压电路(104)的9端也与电桥电路(105)的AC2端相连接；所述的电桥电路(105)的AC1端与AC电压的P1端相连接、DC1端与所述的励磁线圈(L)的A1端相连接、DC2端与所述的励磁线圈(L)的A2端相连接；控制电源与保持电路(101)、开关电路(103)、增压电路(104)各自的一端均与AC电压的P2端相连接；其中，控制电源与保持电路(101)由1端、第一电容(C1)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第二电容(C2)、第一电阻(R1)、2端组成；其中，所述的第一电容(C1)一端与所述的1端相连接、另一端与第一二极管(D1)的负极、第二二极管(D2)的正极均相连接；第二二极管(D2)的负极与第二电容(C2)的正极、第一电阻(R1)的一端、2端均相连接；第一二极管(D1)的正极、第二电容(C2)的负极、第一电阻(R1)的另一端均与AC电压的P2端相连接；

其中，所述的吸合脉冲发生电路(102)由3端、常闭开关(K)、第二电阻(R2)、4端组成；其中，常闭开关(K)的一端与3端相连接、另一端与第二电阻(R2)的一端相连接；第二电阻(R2)的另一端与4端相连接；

其中，所述的开关电路(103)由第七二极管(D7)、单向晶体闸流管(SCR)、5端、6端、7端组成；其中：所述的第七二极管(D7)的正极与6端相连接，负极与所述的单向晶体闸流管(SCR)的阳极、7端相连接；单向晶体闸流管(SCR)的阴极与AC电压的P2端相连接、栅极与5端相连接；

其中，所述的增压电路(104)由8端、第四电容(C4)、瞬态电压抑止二极管(TVS)、9端组成，其中：第四电容(C4)的正极与8端相连接、负极与9端相连接；瞬态电压抑止二极管(TVS)的负极也与8端相连接、正极与AC电压的P2端相连接；

其中，所述的电桥电路(105)由第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五二极管(D5)、第六二极管(D6)、AC1端、AC2端、DC1端、DC2端组成，其中：第三二极管(D3)的负极、第四二极管(D4)的正极均与AC1端相连接；第三二极管(D3)的正极、第五二极管(D5)的正极均与DC2端相连接；第四二极管(D4)的负极、第六二极管(D6)的负极均与DC1端相连接；第五二极管(D5)的负极、第六二极管(D6)的正极均与AC2端相连接。

2.如权利要求1所述的采用实心铁芯的节电静噪的交流接触器，其中，所述的常闭开关(K)为电子开关或机械开关。