CN107895676B - 多触头电极集成高稳定磁保持继电器 - Google Patents

Abstract

多触头电极集成高稳定磁保持继电器，由多触头电极集成、驱动总成和磁力驱动器组成。驱动总成由驱动轴提供动力，经驱动板的杠杆作用使驱动件动作推动多触头电极集成，其多触头电极集成具有三组双掷开关触头电极及三组单掷开关触头电极组成，可以提供9个电器开关组合，这些开关分两层重叠或单层布置，极大地减小了体积，磁力驱动器采用新的磁路结构，此磁路结构极为简单紧凑，比传统的磁保持继电器的磁路结构磁保持力大很多，最大特点是抗大冲击振动的能力得以极大提升，即使在多震动的环境下使用亦能保持稳定而不会误动，另外其动作时间极短，仅有10ms。该产品特别适和在电动汽车的变档电机中应用。

Description

多触头电极集成高稳定磁保持继电器

所属技术领域

本发明涉及一种转换开关电器，尤其适用于对电动机绕组进行串、并联或混合连接的多触头电极集成高稳定磁保持继电器。

技术背景

目前，在永磁无刷电动机通过对其特制的绕组进行串、并联或混合连接实现变速、变力矩(即变档电动机)的技术领域，相关专利介绍了用于电机绕组不同连接方式的转换开关电器，这些开关电器可以分成两大类型：一类是机械操作开关，如凸轮控制器，需要手动控制其开关状态；另一类是电控操作开关，如电力半导体器件可控硅(无触点开关)、普通继电器(或接触器)或磁保持继电器，上述所涉及到的开关理论上能满足变挡变速需求，但由于电机的狭小空间限制，对电机绕组串、并联或混合连接的具体操作时，表现出不同程度的不足，没有实用性。如：一、机械操作开关凸轮控制器因其体积大，不能与电机本体安装在一起，要把数量众多的电机绕组线(三相二档电机要引出9根线，三相三档电机要引出27根线)引到电机外面，再与凸轮控制器连接，绕组过长的引出线不仅增加了有色金属漆包线的用量，而且因这些增加了的漆包线存在电阻而产生电耗，使电机效率下降，再者凸轮控制器在电机本体上装不下，只能在电机以外安装，要占用一定的车内空间。二、电力半导体器件可控硅实际操作表现的缺陷是：其一是数量多(三相二档电机需要9只，三相三档电机需要27只)总体占用空间大、电机本体上根本装不下；其二是价格高，一只达标的可控硅价格几十元，总共需要几百元甚至到上千元，成本增加太多没能市场竞争力；其三是耗电多，因为可控硅耗电可使电机的总体效率下降20％左右，这种高耗能产品同样没有市场竞争力，与国家节能减排的新能源政策相悖。三、普通继电器(或接触器)，它的问题不仅是体积稍大，而且其工作方式也是不可取的，因工作期间其线圈一直处于通电状态，这就造成：线圈电阻增加电耗，线圈上的电压一旦因电源或是线路故障而中断时，瞬间导致误动，可靠性没有保障。四、磁保持继电器，这应该是最有希望在此技术领域成功使用的电器开关器件，因其克服了普通继电器的线圈工作时需要一直通电的缺点，只在其动作的瞬间需要一个几十毫秒(20～30ms)的脉冲电流，这不仅耗电少(可忽略)，也不会因电源问题导致误动，但此类开关电器的问题之一是抗冲击振动的能力，因虽然其能经受一般的振动，但当电机应用在车辆上时，可能遇到的振动很大，这时候继电器的磁保持力有可能经不住太大的振动而误动，影响车辆的可靠行驶；问题之二是触头数量太少，二挡电机需要两个模块，三挡电机需要六个模块，导致体积大成本高。还有一个发明所涉及到的有关内容，是用电机驱动的磁保持继电器，虽然保持力增加了，提高了稳定度，但动作时间增加到3秒左右，动作时间太长影响电机变档时的平顺性，而且仅驱动3组转换触头。

发明内容

制作变挡电机，就是可以对电机的绕组进行串联或并联的变换，在实现这种变换时需要一些开关电器，但现有的几种开关电器均有不足或缺陷之处，为克服这些不足或缺陷，本发明提供一种多触头电极集成高稳定磁保持继电器，具有体积小、多触头电极、磁保持力大的诸多特点，能满足变挡电动机对转换开关电器的多项要求，推动变挡电动机技术迈向实用化的新高度。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多触头电极集成高稳定磁保持继电器，在一个绝缘外壳内安装有磁力驱动器、驱动总成与多触头电极集成，磁力驱动器、驱动总成和多触头电极集成依次机械连接。

外壳用绝缘材料做成，外壳有上、下两个可以拆装的端盖，外壳的主体部分有中间绝缘隔板，外壳的侧面开有电线孔。

磁力驱动器的外壳用软磁性材料做成由两部分做成，每部分做成一端封闭的圆桶形，每部分的另一端做成可以互相啮合的子口，在封闭的平面中间开有一个圆孔。

在磁力驱动器的内部，安装两个绕在环形电绝缘骨架上的线圈和一个环形强磁钢，环形强磁钢的內圆与线圈骨架的內圆尺寸相同，两个线圈分别安装在环形强磁钢两侧，两个线圈可以串联或并联连接。

在线圈的中间孔及强磁钢的內圆孔中安装圆柱形的动铁芯，在动铁芯的端部平面的中间开孔，该孔内安装由非磁性材料做成的轴，轴与动铁芯内安装穿钉，动铁芯及穿钉采用软磁性材料。

多触头电极集成由三组双掷开关触头电极及三组单掷开关触头电极组成，三组双掷开关触头电极及三组单掷开关触头电极分别由静触头电极和动触头电极组成，三组双掷开关触头电极并排安装在一个平面内，三组单双掷开关触头电极并排安装在另一个平面内，该两个平面互相叠加在一个壳体内，两层之间设置绝缘隔板。

处于一层的所有3组双掷开关触头电极全部伸出外壳，处于另一层的所有3组单掷开关触头电极一部份伸出外壳。第一组双掷开关电极的静触头电极与第一组单掷开关电极的静触头电极用导电体在外壳外面连接，第二组双掷开关电极的静触头电极与第二组单掷开关电极的静触头电极用导电体在外壳外面连接，第三组双掷开关电极的静触头电极与第三组单掷开关电极的静触头电极用导电体在外壳外面连接。外壳采用绝缘材料，其侧面开有驱动器线圈出线孔，下盖安装在双掷开关触头层的外面，上盖安装在单掷开关触头层的外面。

驱动总成由驱动轴上安装的两个销钉，销钉内侧安装两个平垫，平垫内侧安装驱动板，驱动板的中部做成两个对称的中部圆弧形凸柱，该驱动板的端部做成端部圆弧形凸柱，驱动轴穿过驱动板的驱动轴孔，中部圆弧形凸柱安装在卡件内，端部圆弧形凸柱安装在动触头电极驱动件上。

所有动触头电极的中部用多层铜箔软连接，所有动触头电极的头部两侧各安装一个M形簧片。

本发明另一个实施例的磁力驱动器横截面的外形为方形，其端部的端盖为方形，端盖的一侧制作凸起，并开有轴孔和固定孔。该实施例的多触头电极集成的结构是：一组双掷开关触头电极与一组单掷开关触头电极相邻并依次做成一组，共做三组，该三组线性地做在同一个平面内，用一个驱动杆驱动。

磁力驱动器工作原理：在由外壳、线圈、动铁芯、驱动轴强磁钢组成的系统中，动铁芯在其轴向有一定的活动量，动铁芯仅有两个稳定状态，两个稳定状态即是分别对应于动铁芯的两个端面与外壳内端面吸合的状态，闭合磁路的路径是：强磁钢N极-外壳-动铁芯-动铁芯与强磁钢间的间隙-强磁钢的S极。在磁力驱动器处于某个稳定状态时，线圈中通入一定强度的脉冲电流，使动铁芯吸合面感应的电磁的极性与外壳端面的强磁钢的磁极性相反产生斥力，推动动铁芯迅速运动到另一个稳定状态，运动时间仅为10sm左右。

磁保持力及强磁钢主要尺寸的计算：根据公式F＝107*B2*S/8π，F--磁保持力，B--磁通密度，S--动铁芯端面积，当动铁芯端面积S与磁需要的保持力F确定时，就可以计算出需要的磁通密度B；根据公式Φ＝B*S可以计算出Φ，根据公式Fm＝Rm*Φ(Fm--强磁钢的磁动势，Rm--磁路的磁阻)计算出Fm，根据Fm＝HL(H--强磁钢的磁场强度，L--强磁钢的厚度)计算出L。

本发明的有益效果是：一方面多触头电极集成突破了一般磁保持继电器最多仅有三对单掷开关触头电极，而本发明在一个壳体内集成了六组开关触头电极，即九个电器开关，一个可以代替两个磁保持继电器，而且是分层设置，极大地减小了产品体积，触头电极间需要连接的部分在壳体内完成连接，需要连接的端子仅有9个，便于与电机的绕组引出线连接，整体体积小，成本低；另一方面是多触头电极集成用磁力驱动器驱动，具有驱动力大，磁保持力强，动作时间及快的特点，动作时间仅有10ms，动作快可以使电动车辆在换挡时更加平顺，没有顿挫的感觉，而且磁力驱动器的结构件很少，动作件仅有一个，这也为其可靠运行打下了良好的基础。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明多触头电极集成高稳定磁保持继电器的基本结构图。

图2-1是本发明多触头电极集成高稳定磁保持继电器的驱动总成结构图。

图2-2是本发明多触头电极集成高稳定磁保持继电器的驱动板三维图。

图3是本发明实施例磁力驱动器外观图。

图4是本发明实施例磁力驱动器第一个稳定状态的A_A剖面图。。

图5是本发明实施例磁力驱动器第二个稳定状态的A_A剖面图。。

图6是本发明实施例磁力驱动器动铁芯的三维图。

图7是本发明实施例磁力驱动器动铁芯与轴的装配图。

图8是本发明实施例磁力驱动器上端盖的主视与剖视图。

图9是本发明实施例磁力驱动器下端盖的主视与剖视图。

图10是本发明实施例磁力驱动器上线圈的主视与剖视图。

图11是本发明实施例磁力驱动器下线圈的主视与剖视图。

图12是本发明线圈串联连接原理图

图13是本发明线圈并联连接原理图。

图14是本发明实施例磁钢的主视与剖视图。

图15是本发明多触头电极集成结构简图。

图16是本发明实施例外观图。

图17是本发明另一个实施例的磁力驱动器剖视图。

图18是本发明另一个实施例的磁力驱动器端盖图。

图19是本发明另一个实施例的结构简图。

图中1.磁力驱动器，1-1.上外壳，1-1-1.插合外环形口，1-1-2.上外壳轴孔，1-1-3.上外壳封闭端内表面，1-2上线圈，1-2-1.上线圈骨架，1-2-2.上线圈骨架中间孔，1-3磁钢，1-3-1.磁钢中间孔，1-4.下外壳，1-4-1.插合内环形口，1-4-2.下外壳轴孔，1-4-3.下外壳封闭端内表面，1-5.下线圈，1-5-1.下线圈骨架，1-5-2.下线圈骨架中间孔，1-6.动铁芯，1-6-1.动铁芯上平面，1-6-2.动铁芯下平面，1-7.驱动轴，1-8.动铁芯轴孔，1-9.下外壳出线孔，1-10.上外壳出线孔，1-11.穿钉，1-12.冷焊点，1-13.驱动轴端孔，1-14.方形端盖，1-15.螺丝，1-16.方形外壳，1-17螺丝孔，1-18.卡突，1-19.磁极突，1-20.端盖轴孔，2.多触头电极集成，2-1、2-3、2-4、2-7、2-9、2-10、2-12、2-14.静触头电极，2-2、2-8、2-11、2-5、2-13、2-15.动触头电极，2-2-1.多层铜箔软连接，2-2-2.M形簧片，2-19.驱动器线圈出线孔，2-16、2-17、2-18导电体，2-19.驱动器线圈出线孔，3.驱动总成，3-1.驱动板，3-2.销钉，3-3.平垫，3-4.中部圆弧形凸柱，3-5端部圆弧形凸柱，3-6.驱动轴孔，3-7.动触头电极驱动件，4.外壳，4-1.卡件，4-2.下盖，4-3.上盖，5.单层外壳，6.连接件，7.驱动杆。

在图1中，在绝缘外壳(4)内，磁力驱动器(1)、驱动总成(3)与多触头集成电极(2)依次机械连接。

在图(2-1)和(2-2)中，驱动轴(1-7)上安装两个销钉(3-2)，销钉(3-2)内侧安装两个平垫(3-3)，平垫(3-3)内侧安装驱动板(3-1)，驱动板(3-1)的中部做成两个对称的中部圆弧形凸柱(3-4)，该驱动板的端部做成端部圆弧形凸柱(3-5)，驱动轴(1-7)穿过驱动板(3-1)的驱动轴孔(3-6)，中部圆弧形凸柱(3-4)安装在卡件(4-1)内，端部圆弧形凸柱(3-5)安装在动触头电极驱动件(3-7)上。动作原理：驱动轴(1-7)沿轴向做往返运动，在两个销钉(3-2)和两个平垫(3-3)的限制下，驱动板做杠杆式运动，卡件(4-1)是杠杆的支点，由此端部圆弧形凸柱(3-5)推动动触头电极驱动件(3-7)做往返运动。

在图(3)中，上外壳(1-1)与下外壳(1-4)插接在一起，接缝处用冷焊机焊接不少于3个的沿圆周均匀分布的冷焊点，上线圈引线由上外壳出线孔(1-10)引出，下线圈引线由下外壳出线孔(1-9)引出。

在图(4)中，驱动轴(1-7)处于前出状态，动铁芯与下外壳(1-4)接触，在上外壳(1-1)与下外壳(1-4)内，上线圈(1-2)、磁钢(1-3)和下线圈(1-5)依次安装，动铁芯(1-6)安装在两个线圈和磁钢的中心孔内并可以沿轴向自由运动，驱动轴(1-7)安装在动铁芯的轴孔内，驱动轴(1-7)分别穿过上外壳及下外壳；

在图(5)中，驱动轴(1-7)处于后退状态，安装方式与图(4)相同。

在图(6)和图(7中)，动铁芯(1-6)为一个圆柱体，圆柱体的两个端面即动铁芯上平面(1-6-1)与动铁芯下平面(1-6-2)相互平行，并与驱动轴(1-7)相互垂直，在动铁芯的轴向中心处开有安装磁力驱动器驱动轴(1-7)的动铁芯轴孔(1-8)，驱动轴(1-7)与动铁芯轴孔(1-8)采用过盈配合，在动铁芯(1-6)与驱动轴(1-7)内安装穿钉(1-11)，该穿钉同时穿过动铁芯(1-6)和驱动轴(1-7)，在驱动轴的一端开有两个驱动轴端孔(1-13)。

在图(8)中，上外壳(1-1)是一个圆盖形，该外壳的开口端做成插合外环形口(1-1-1)，上外壳(1-1)的封闭端内表面(1-1-3)做成光滑的平面，在该平面的中间开有上外壳轴孔(1-1-2)，上外壳(1-1)的侧面开有线圈出线孔(1-10)。

在图(9)中，下外壳(1-4)是一个圆盖形，该外壳的开口端做成插合内环形口(1-4-1)，下外壳(1-4)的封闭端内表面(1-4-3)做成光滑的平面，在该平面的中间开有下外壳轴孔(1-4-2)，下外壳(1-4)的侧面开有线圈出线孔(1-9)。

在图10)中，由电绝缘材料做成环形的上线圈骨架(1-2-1)内饶有上线圈(1-2)，环形的上线圈骨架(1-2-1)的中部开有上线圈骨架中间孔(1-2-2)。

在图(11)中，由电绝缘材料做成环形的下线圈骨架(1-5-1)内饶有上线圈(1-5)，环形的上线圈骨架(1-5-1)的中部开有上线圈骨架中间孔(1-5-2)。

在图(12)中，线圈图号上面的黑点端代表线圈的头(或尾)，线圈的另一端即是线圈的尾(或头)，上线圈(1-2)与下线圈(1-5)串联连接，即上线圈(1-2)的头(或尾)与下线圈(1-5)尾(或头)连接。

在图(13)中，线圈图号上面的黑点端代表线圈的头(或尾)，线圈的另一端即是线圈的尾(或头)，上线圈(1-2)与下线圈(1-5)并连连接，即上线圈(1-2)的头(或尾)与下线圈(1-5)头(或尾)连接，上线圈(1-2)的尾(或头)与下线圈(1-5)尾(或头)连接。

在图(14)中，由3块瓦形磁钢(1-3)拼成一个环形磁钢，(1-3-1)是磁钢中间孔，磁钢(1-3)也可做成整体的或多块瓦形拼接。

进一步说明：在驱动器外壳内，上线圈与下线圈分别安装在磁钢两侧，上线圈与下线圈骨架的中心孔及磁钢中间孔的圆形尺寸相同并大于圆柱形动铁芯的外径尺寸，驱动轴孔与驱动轴采用过渡配合，动铁芯可以在驱动器壳内自由运动。

在图(15)和图(16)中，外壳内安装3组双掷开关触头电极：此3组双掷开关触头电极安装在一个平面内形成第一层，一组由静触头电极(2-1)、静触头电极(2-3)和动触头电极(2-2)组成，作为该层第一组，一组由静触头电极(2-4)、静触头电极(2-6)和动触头电极(2-5)组成，作为该层第二组，一组由静触头电极(2-7)、静触头电极(2-9)和动触头电极(2-8)组成，作为该层第三组，另外还安装3组单掷开关触头电极：此3组单掷触头电极安装在另一个平面内形成第二层，一组由静触头电极(2-10)和动触头电极(2-11)组成，作为该层第一组，一组由静触头电极(2-12)、和动触头电极(2-13)组成，作为该层第二组，一组由静触头电极(2-14)和动触头电极(2-15)组成，作为该层第三组，该层用虚线表示，上述两层触头电极之间有绝缘材料隔离，两层动触头电极经M形簧片(2-2-2)与触头电极驱动件(1-7)接触连接，并在触头电极驱动件(1-7)的驱动下同时动作，静触头电极(2-10)、(2-12)和(2-14)在外壳(4)内连接在一起，亦用虚线表示。所有动触头电极的中部是由多层铜箔做成的软连接(2-2-1)，所有动触头电极的端部两侧各安装一个M形簧片(2-2-2)。

图(16)中，处于一层的所有3组双掷开关触头电极(2-1)(2-2)、(2-3)、(2-4)、(2-5)、(2-6)、(2-7)、(2-8)和(2-9)全部伸出外壳(4)，处于另一层的3组单掷开关触头电极(2-11)(2-13)和(2-15)伸出外壳(4)。第一组双掷开关电极的静触头电极(2-3)与第一组单掷开关电极的静触头电极(2-11)用(2-18)导电体在外壳(4)外面连接，第二组双掷开关电极的静触头电极(2-6)与第二组单掷开关电极的静触头电极(2-13)用(2-17)导电体在外壳(4)外面连接，第三组双掷开关电极的静触头电极(2-9)与第三组单掷开关电极的静触头电极(2-15)用(2-16)导电体在外壳(4)外面连接。

外壳(4)采用绝缘材料，其侧面开有驱动器线圈出线孔(2-19)，下盖(4-2)安装在双掷开关触头层的外面，上盖(4-3)安装在单掷开关触头层的外面。

另一个实施例由图17、图18和图19表示：

在图17中，方形外壳(1-16)的两端安装方形端盖(1-14)，方形端盖(1-14)用螺丝固定在方形外壳(1-16)上。

在图18中，在方形端盖(1-14)的一个侧面上制作卡突(1-18)，用于固定方形端盖(1-14)与方形外壳(1-16)之间的相对位置，在卡突(1-18)的外侧制作磁极突(1-19)，以提供一个端盖(1-14)上的软磁极，螺丝孔(1-17)内安装螺丝(1-15)，以固定方形端盖(1-14)在方形外壳(1-16)上。

在图19中，单层外壳(5)内安装磁力驱动器(1)、连接件(6)、驱动杆(7)和多触头电极集成(2)，驱动杆(7)为一直干，所有多触头电极集成(2)的动触头与驱动杆(7)连接，多触头电极的排列方式为，一组双掷开关触头电极与一组单掷开关触头电极相邻并依次做成一组，共做三组，该三组线性地做在同一个平面内，用一个驱动杆驱动。

Claims (2)

1.一种多触头电极集成高稳定磁保持继电器，在一个绝缘外壳内安装有磁力驱动器、驱动总成与多触头电极集成，其特征是：磁力驱动器、驱动总成和多触头电极集成依次机械连接，磁力驱动器的外壳做成上、下端盖两部分，每部分做成一端封闭的圆桶形，每部分的另一端做成可以互相啮合的子口，子口处用点焊固定，驱动总成的驱动轴上安装两个销钉，销钉内侧安装两个平垫，平垫内侧安装驱动板，驱动板的中部做成两个对称的圆弧形凸柱，该驱动板的端部做成圆弧形凸柱，驱动轴穿过驱动板的驱动轴孔，中部圆弧形凸柱安装在卡件内，端部圆弧形凸柱安装在动触头电极驱动件上，多触头电极集成由三组双掷开关触头电极及三组单掷开关触头电极组成，三组双掷开关触头电极并排安装在一个平面内为第一层，三组单双掷开关触头电极并排安装在另一个平面内为第二层。

2.根据权利要求1所述的多触头电极集成高稳定磁保持继电器的磁力驱动器，其特征是：在磁力驱动器的内部安装强磁钢、动铁芯和两个线圈，两个线圈同时驱动。

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