CN110085487B - 一种永磁式新型电磁继电器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁式新型电磁继电器，属于电磁继电器技术领域，其包括外壳、电磁‑永磁系统、驱动机构和触点接触系统，所述电磁‑永磁系统、驱动机构和触点接触系统分别设置在外壳内，所述驱动机构的一端在电磁‑永磁系统内活动，另一端与触点接触系统连接。本发明通过电磁‑永磁系统和触点接触系统相结合的方式，以电磁‑永磁系统提供的电磁力转换为触点接触系统推力，而后依据永磁磁铁自身的磁力将触点稳定在极限位置，提高电磁继电器的工作稳定性。本发明的电磁继电器能够有效提供较大推力，具有结构简单、体积小、装配性好、工艺性好的特点，在电气电路的应用及普及上有着广泛的市场前景。

Description

一种永磁式新型电磁继电器

技术领域

本发明涉及电磁继电器技术领域，特别是涉及一种永磁式新型电磁继电器。

背景技术

随着绿色能源、保障综合能源系统安全及促进能源互联网的快速发展，以信息化、自动化和互动化为基本特征的智能电网成为国际电力工业研究的热点问题。在各种领域均逐步进行了自动化，为保证用电安全和保证输出功率，对继电器切换电压和切换电流要求越来越高，如：电动车辆、混合动力车辆、燃料电池车辆、建筑机器、电源管理、充电-放电设备、变频控制、太阳能发电系统控制、焊接设备、电梯等场合；传统的中压开关领域主要采用弹簧机构和电磁机构，弹簧操动机构采用手动或者小功率交流电动机储能。但是存在机械零部件多，故障率高，且时间分散性大的缺点。电磁机构虽然能较好的迎合电磁继电器的要求，但其磁路电感大，操作电流大，对电源的功率要求高，经济性和可控性都比较差，且操动的响应时间分散，对于交流控制信号一般较大，即使使用滞留操作，控制时间分散性也在毫秒级以上。

传统的电磁继电器受自身制造技术，特别是触点间隙小的限制，在接通高压交流、高压直流、大直流电机、低功率因素感性负载时，继电器触点非常容易出现粘接失效或连续电弧烧火接触系统失效等问题，容易导致继电器的寿命也会大大缩短，因此有必要予以改进。并且在电压源的关合开关中，在触发导通的同时需要快速合闸，产生有触点的电流通路，减小电流对触头的烧损。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供了一种永磁式新型电磁继电器，能够在触发导通的同时快速合闸，产生有触点的电流通路，减小电流对触头的烧损，从而延长继电器的使用寿命，提高继电器的稳定性。

本发明通过下述技术方案得以解决：

一种永磁式新型电磁继电器，包括外壳、电磁-永磁系统、驱动机构和触点接触系统，所述电磁-永磁系统、驱动机构和触点接触系统分别设置在外壳内，所述电磁-永磁系统固定在外壳内且两端外接控制电路，所述驱动机构的一端在电磁-永磁系统内活动，另一端与触点接触系统连接，所述触点接触系统连接负载电气电路。

本发明的永磁式新型电磁继电器是通过改变励磁线圈的电流方向，产生电磁力，并且利用永磁磁铁锁定极限位置，再通过驱动机构推动触点实现吸合和释放。本发明通过电磁-永磁系统和触点接触系统相结合的方式，以电磁-永磁系统提供的电磁力转换为触点接触系统推力，而后依据永磁磁铁自身的磁力将触点稳定在极限位置，包括极限吸合位置和极限释放位置，提高电磁继电器的工作稳定性。

电磁-永磁系统包括线圈骨架、励磁线圈、动铁芯和永磁磁铁，励磁线圈连接控制电路，励磁线圈绕制在线圈骨架的中间位置，永磁磁铁套在线圈骨架上固定，分别布置在励磁线圈的两侧，且利用线圈骨架避免励磁线圈和永磁磁铁的接触，动铁芯安装在线圈骨架中绕制线圈位置的内部，可在线圈骨架上滑动运动。当继电器处于合闸或分闸位置时，励磁线圈中没有电流通过，永磁磁铁利用动铁芯提供的低磁阻通道将动铁芯保持极限位置。当合闸励磁线圈通以直流电时，该电流产生合闸励磁磁场，其磁力线方向与永磁磁铁在右端端的磁力线方向相同，同时使动铁芯受到向右的磁力的作用。随着合闸励磁线圈中的电流的增大，动铁芯所受的总吸力之和小于动铁芯上的机械负载时，动铁芯开始向右运动。随着动铁芯向右运动，动铁芯左端上磁极之间出现空气间隙，左端的磁阻增大，而右端的磁阻减小，于是动铁芯作加速度增大的变加速运动，直至合闸到位置，完成合闸过程，并依靠永磁磁铁产生的磁场，将动铁芯保持在合闸状态。分闸过程和合闸过程相反，当分闸励磁线圈通以直流电时，分闸励磁线圈中的电流在右边间隙产生反向磁场，动铁芯上受到的总吸力减少，当吸力小于动铁芯上的机械负荷时，动铁芯向左运动，最后达到分闸位置，动铁芯重新被永磁磁铁吸合，并保持在分闸位置，分闸过程结束。

电磁-永磁系统是一个将电磁铁和永磁磁铁结合的特殊U型螺管式电磁机构，考虑电磁和机械的耦合、永磁磁铁工作点的变化以及导磁材料的非线性，需要计算系统的动作时间以及在执行动作过程中吸力与反力大小，使继电器既保证动作的可靠性，又能改善机械碰撞，提高继电器的电气和机械寿命。

在电磁-永磁系统中，一方面，减少励磁线圈的圈数，增大线径，以减小励磁线圈的电感和电阻，基于继电器的空间限制，励磁线圈的圈数取值范围在800～2000匝，根据漆包线特性，铜线在0.1mm以上时内阻随线径增大而减小，则线径范围在0.1mm～0.25mm之间可满足继电器的工作要求。另一方面通过在控制电路中增大放电电容的容值，增大电容电压等方法，来增大励磁系统对动铁芯的出力，从而提高动铁芯的运动速度。通过两方面的特殊处理，可以使继电器快速到达极限位置，且能稳定合闸。电磁-永磁系统不仅继承传统永磁机构的优点，可实现可控性，而且合闸的分散性小，且通过改进措施，使继电器的合闸性能得到明显的提高。

外围控制电路直接提供电压源给电磁-永磁系统，利用外电路提供一定方向和大小的电压脉冲给予电磁系统的线圈，使继电器不受电磁干扰，具有良好的抗干扰性能。外围控制电路的快速精确控制电压源的投入时刻，从控制信号到电磁-永磁系统导通的时间间隔为微秒量级，约为10ms～20ms，可使继电器负载的导通时间延迟范围保持在微秒量级，应用到继电器触点接触系统中，可满足继电器快速关合的要求。

驱动机构包括驱动杆、驱动连接件和推动片，驱动杆连接动铁芯在电磁-永磁系统内运动，驱动连接件用于连接驱动杆和推动片，驱动连接件的一端刚性连接于驱动杆，另一端接触安装与推动片连接。驱动杆连接电磁-永磁系统的动铁芯上，采用机械常用连接方式的过盈配合，动铁芯的一端预留U型槽且槽宽尺寸小于驱动杆连接一端的外围尺寸。驱动杆和驱动连接件属同一材料可采用超高温融接的方式将两个零件连接才一起，可提高两个零件的可靠性，也属刚性连接。考虑到零件安装的原因，驱动连接件和推动片的连接采用接触连接，推动片的一端开有卡槽用于连接，驱动连接件的一端作为卡扣连接到推动片的卡槽中，便于安装和调整位置，两个零件在卡槽中所受到相互挤压力相同，由于材料的原因可忽略双方的挤压力。推动片的另一端开有一个通槽口，用于连接触点接触系统中的簧片。

触点接触系统是电压源继电器的主要执行器件，触点接触系统包括静簧座、动簧座、静触点、动触点和辅助簧片，静簧座和动簧座用于连接外部电气电路，静触点和动触点用于实现整个继电器的闭合和断开，辅助簧片一端固定在动簧座上，另一端接触连接于推动片，中间开有一个孔用于安装固定动触点，静簧座中间开有一个孔用于安装固定静触点。当继电器执行断开动作时，电磁-永磁系统产生电磁力带动推动片运动，拉动辅助簧片使动触点远离静触点，由于驱动机构具有偏刚性的特性，可迅速拉开触点，增加产品灭弧速度，辅助簧片产生弹性形变，同时辅助簧片储有一定的弹力。当继电器执行闭合动作时，电磁-永磁系统提供一个电磁力，同时辅助簧片瞬间释放弹力，触点快速接触，可减少接触电阻趋于零时的烧蚀时间及吸合回跳。

当线路电阻和感应电感较大时，触点接触系统上的电流过零点随着时间常数的大小而实现落后或者同步。当线路电阻和感应电感较小时，且时间常数也较小时，由于电弧电压的影响，使得触点接触系统上的电流提前过零。

在触点接触系统中，适当增加静触点、动触点之间的接触力和降低两个触点硬度，这在根本上可以提升继电器抗短路电流条件下触头斥开的能力。通过增加辅助簧片的长度可以增加作用到动触点上的安培力，当辅助簧片的长度在20mm～25mm时，可以满足20kA/20μs短路电流(如雷电冲击情形等)短时耐受的要求，且辅助簧片弯曲的位置对动触头受到的安培力影响较小。

本发明具有的优点在于：

1、电磁-永磁系统与外围电路的良好配合可使电磁-永磁系统有优良的负载输出特性，满足继电器的机械特性要求，提高开关的结构刚性，有利于提高开关的稳定性。

2、相对于传统的弹簧机构、电磁机构，电磁-永磁系统有着诸多优点，传统的弹簧机构、电磁机构存在传动环节多、运动公差大的特点，从而导致开关动作分散性大，而电磁-永磁系统连接简单紧密，减少了轭铁导磁体、静铁芯等部件以减少占用空间，大大减少了开关动作时间分散性。

3、电磁-永磁系统可产生较大的电磁力，解决触点接触时因压力不足导致电路传输不稳的问题，提高开关的可靠性。

4、通过对励磁线圈的电流控制，可以有效实现电磁-永磁系统的启动、运动和停止的控制，为电子控制的实现提供保证。

附图说明

图1为本发明的永磁式新型电磁继电器结构示意图；

图2为本发明的电磁-永磁系统结构示意图；

图3为极限状态下的永磁磁铁产生磁力线分布图；

图4为本发明的驱动机构结构示意图；

图5为本发明的推动片结构示意图；

图6为本发明的触点接触系统结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚和清楚，下面将结合具体实施例并参考附图来清楚和完整地描述本发明实施例中的技术方案。应当注意，本发明的所述实施例是说明性的，但是这不是对本发明的限制，因此本发明不限于上述实施例。基于本发明原理，凡是本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

如图1所示，一种永磁式新型电磁继电器，包括外壳1、电磁-永磁系统2、驱动机构3和触点接触系统4。电磁-永磁系统2、驱动机构3和触点接触系统4分别设置在外壳1内，电磁-永磁系统2固定在所外壳内且两端外接控制电路，驱动机构3的一端在电磁-永磁系统2内活动，另一端与触点接触系统4连接，触点接触系统4连接使用的电气电路。

永磁式新型电磁继电器是通过改变励磁线圈的电流方向，产生电磁力，并且利用永磁磁铁24锁定极限位置，再通过驱动机构3推动触点44实现吸合和释放，其主要的技术指标是：励磁线圈控制方式为双励磁线圈控制，控制电压为直流电压8～12V，负载电压为交流电压250V，50～60Hz，误差范围在±10％，电流90A，励磁线圈的匝数为500匝，线径0.1mm。接触电阻小于1.5mΩ，具体技术要求根据产品技术规范。

如图2所示，电磁-永磁系统2包括线圈骨架21、励磁线圈22、动铁芯23和永磁磁铁24，励磁线圈22连接控制电路，励磁线圈22绕制在线圈骨架21的中间位置，永磁磁铁24套在线圈骨架21上固定，分别布置在励磁线圈22的两侧，且利用线圈骨架21避免励磁线圈22和永磁磁铁24的接触，动铁芯23安装在线圈骨架21中绕制线圈位置的内部，可在线圈骨架21上滑动运动。其中，动铁芯23采用电工纯铁DT4或者低碳钢Q235-A，永磁磁铁24采用磁性能最高的钕铁硼材料NdFeB，励磁线圈22用漆包铜线在塑料骨架绕制而成各部分的选材结合实际需要及成本预算而定。

当继电器处于合闸或分闸位置时，励磁线圈22中没有电流通过，永磁磁铁24利用动铁芯23提供的低磁阻通道将动铁芯23保持极限位置。当电磁-永磁系统2处于合闸状态时，极限状态下的永磁磁铁24产生的磁力线分布如图3所示，当合闸励磁线圈22通以直流电时，该电流产生合闸励磁磁场，其磁力线方向与永磁磁铁24在右端端的磁力线方向相同，同时使动铁芯23受到向右的磁力的作用。随着合闸励磁线圈22中的电流的增大，动铁芯23所受的总吸力之和小于动铁芯23上的机械负载时，动铁芯23开始向右运动。随着动铁芯23向右运动，动铁芯23左端上磁极之间出现空气间隙，左端的磁阻增大，而右端的磁阻减小，于是动铁芯23作加速度增大的变加速运动，直至合闸到位置，完成合闸过程，并依靠永磁磁铁24产生的磁场，将动铁芯23保持在合闸状态。分闸过程和合闸过程相反，当分闸励磁线圈22通以直流电时，分闸励磁线圈22中的电流在右边间隙产生反向磁场，动铁芯23上受到的总吸力减少，当吸力小于动铁芯23上的机械负荷时，动铁芯23向左运动，最后达到分闸位置，动铁芯23重新被永磁磁铁24吸合，并保持在分闸位置，分闸过程结束。

电磁-永磁系统2是一个将电磁铁和永磁磁铁24结合的特殊U型螺管式电磁机构，考虑电磁和机械的耦合、永磁磁铁24工作点的变化以及导磁材料的非线性，需要计算系统的动作时间以及在执行动作过程中吸力与反力大小，使继电器既保证动作的可靠性，又能改善机械碰撞，提高继电器的电气和机械寿命。

在电磁-永磁系统2中，一方面，减少励磁线圈22的圈数，增大线径，以减小励磁线圈22的电感和电阻，基于继电器的空间限制，励磁线圈22的圈数取值范围在800～2000匝，根据漆包线特性，铜线在0.1mm以上时内阻随线径增大而减小，则线径范围在0.1mm～0.25mm之间可满足继电器的工作要求。另一方面通过在控制电路中增大放电电容的容值，增大电容电压等方法，来增大励磁系统对动铁芯23的出力，从而提高动铁芯23的运动速度。通过两方面的特殊处理，可以使继电器快速到达极限位置，且能稳定合闸。电磁-永磁系统2不仅继承传统永磁机构的优点，可实现可控性，而且合闸的分散性小，且通过改进措施，使继电器的合闸性能得到明显的提高。

外围控制电路直接提供电压源给电磁-永磁系统2，利用外电路提供一定方向和大小的电压脉冲给予电磁系统的线圈，使继电器不受电磁干扰，具有良好的抗干扰性能。外围控制电路的快速精确控制电压源的投入时刻，从控制信号到电磁-永磁系统2导通的时间间隔为微秒量级，约为10ms～20ms，可使继电器负载的导通时间延迟范围保持在微秒量级，应用到继电器触点接触系统4中，可满足继电器快速关合的要求。

如图4所示，驱动机构3包括驱动杆31、驱动连接件32和推动片33，驱动杆31连接动铁芯23在电磁-永磁系统2内运动，驱动连接件32用于连接驱动杆31和推动片33，驱动连接件32的一端刚性连接于驱动杆31，另一端接触安装与推动片33连接。其中，驱动杆31、驱动连接件32和推动片33均采用非导磁材料，可用耐高温的硬质塑料作为主要材料。

驱动杆31连接电磁-永磁系统2的动铁芯23上，由于两种材料不同，不宜采用焊接或是胶合等常用同材料的热连接方式，且因电磁-永磁系统2在执行操作时在一定程度产生热量，因此，采用机械常用连接方式的过盈配合，动铁芯23的一端预留U型槽且槽宽尺寸小于驱动杆31连接一端的外围尺寸。驱动杆31和驱动连接件32属同一材料可采用超高温融接的方式将两个零件连接才一起，可提高两个零件的可靠性，也属刚性连接。考虑到零件安装的原因，驱动连接件32和推动片33的连接采用接触连接，如图5所示，推动片33的一端开有卡槽用于连接，驱动连接件32的一端作为卡扣连接到推动片33的卡槽中，便于安装和调整位置，由于驱动连接件32和推动片33选用同一种材料，耐高温硬质塑料，因此两个零件在卡槽中所受到相互挤压力相同，由于材料的原因可忽略双方的挤压力。推动片33的另一端开有一个通槽口，用于连接触点接触系统4中的簧片。

驱动机构3作为电磁-永磁系统2和触点接触系统4之间传输电磁力的一种介质结构，采用纯机械结构且材料均为非导磁耐高温材料，因此不受电磁和温热的影响。驱动机构3采用直接连接的方式避免了远距离产生力矩减少的问题，可以将电磁-永磁系统2产生的所有电磁力间接地转移到触点接触系统4上，做到完整的力传递，也便于对电磁-永磁系统2中线圈匝数、线径、输入电流等参数的设置。

如图6所示，触点接触系统4包括静簧座41、动簧座42、静触点43、动触点44和辅助簧片45，静簧座41和动簧座42用于连接外部电气电路，静触点43和动触点44用于实现整个继电器的闭合和断开，辅助簧片45一端固定在动簧座42上，另一端接触连接于推动片33，中间开有一个孔用于安装固定动触点44，静簧座42中间开有一个孔用于安装固定静触点41。其中，静簧座41和动簧座42采用电工纯铁DT4或低碳钢Q235-A，辅助簧片45采用可导电的弹性材料，利用弹性材料可提供弹力，并增加动触点44接触时搓动行程，增加接触可靠性。静触点43和动触点44均为两部分组成，以紫铜材料作为触点座，接触点材料采用目前替代有毒银氧化镉最理想的环保型低压触头材料银氧化锡AgSnO₂，银氧化锡具有优良的抗熔焊及耐电弧侵蚀性能，已逐步替代银氧化镉材料广泛应用于接触器及通用继电器、电磁继电器、汽车继电器中，两种材料以电子束熔覆工艺配合在一起。

静簧座41和动簧座42固定在外壳的卡座上，触点接触系统4利用辅助簧片45的弹片弹力来增加触点接触系统4闭合时的压力，辅助簧片45共有三片，全部重叠在一起，辅助簧片45一端固定在动簧座42上，中间开有一个孔用于安装固定动触点44，推动片33一端的通槽口固定在辅助簧片45的一端，可在较小的空间内保证电磁-永磁系统2与触点接触系统4的绝缘距离，并可带动触点接触系统4执行触点吸合和释放动作。当继电器执行断开动作时，电磁-永磁系统2驱动电磁力带动推动片33运动，拉动辅助簧片45使动触点44远离静触点43，由于驱动机构3具有偏刚性的特性，可迅速拉开触点，增加产品灭弧速度，辅助簧片45产生弹性形变，同时辅助簧片45储有一定的弹力。当继电器执行闭合动作时，电磁-永磁系统2提供一个电磁力，同时辅助簧片45瞬间释放弹力，触点快速接触，可减少接触电阻趋于零时的烧蚀时间及吸合回跳。

当线路电阻和感应电感较大时，触点接触系统4上的电流过零点随着时间常数的大小而实现落后或者同步。当线路电阻和感应电感较小时，且时间常数也较小时，由于电弧电压的影响，使得触点接触系统4上的电流提前过零。

在触点接触系统4中，适当增加静触点43、动触点44之间的接触力和降低两个触点硬度，在根本上可以提升继电器抗短路电流条件下触头斥开的能力。通过增加辅助簧片45的长度可以增加作用到动触点44上的安培力，辅助簧片45的长度增加到20mm～25mm时，可以满足20kA/20μs短路电流(如雷电冲击情形等)短时耐受的要求，且辅助簧片45弯曲的位置对动触头受到的安培力影响较小。

尽管已经描述和叙述了被看作本发明的示范实施例，本领域技术人员将会明白，可以对其作出各种改变和替换，而不会脱离本发明的精神。另外，可以做出许多修改以将特定情况适配到本发明的教义，而不会脱离在此描述的本发明中心概念。所以，本发明不受限于在此披露的特定实施例，但本发明可能还包括属于本发明范围的所有实施例及其等同物。

Claims (5)

1.一种永磁式新型电磁继电器，其特征在于，包括外壳、电磁-永磁系统、驱动机构和触点接触系统，所述电磁-永磁系统、驱动机构和触点接触系统分别设置在外壳内，所述驱动机构的一端在电磁-永磁系统内活动，另一端与触点接触系统连接；

所述电磁-永磁系统包括线圈骨架、励磁线圈、动铁芯和永磁磁铁，所述励磁线圈包括合闸励磁线圈和分闸励磁线圈，所述励磁线圈绕制在线圈骨架的中间位置，所述永磁磁铁套在线圈骨架上固定，分别布置在励磁线圈的两侧，且利用线圈骨架避免励磁线圈和永磁磁铁的接触，所述动铁芯安装在线圈骨架中绕制线圈位置的内部；

所述励磁线圈的圈数为800～2000匝，线径为0.1mm～0.25mm；

所述驱动机构包括驱动杆、驱动连接件和推动片，所述驱动连接件用于连接驱动杆和推动片，驱动连接件的一端刚性连接于驱动杆，另一端接触安装与推动片连接；

所述推动片的一端开有卡槽，驱动连接件的一端作为卡扣连接到推动片的卡槽中，便于安装和调整位置，推动片的另一端开有一个通槽口，用于连接触点接触系统中的簧片；

所述触点接触系统包括静簧座、动簧座、静触点、动触点和辅助簧片，所述静簧座和动簧座固定在外壳的卡座上；所述辅助簧片一端固定在动簧座上，另一端接触连接于推动片，中间开有一个孔用于安装固定动触点；所述静簧座中间开有一个孔用于安装固定静触点。

2.根据权利要求1所述的永磁式新型电磁继电器，其特征在于，所述驱动杆连接电磁-永磁系统的动铁芯上，动铁芯的一端预留U型槽且槽宽尺寸小于驱动杆连接一端的外围尺寸。

3.根据权利要求1所述的永磁式新型电磁继电器，其特征在于，所述静簧座和动簧座采用电工纯铁DT4或低碳钢Q235-A中的一种制成，所述辅助簧片采用可导电的弹性材料制成。

4.根据权利要求3所述的永磁式新型电磁继电器，其特征在于，所述辅助簧片共有三片，全部重叠在一起。

5.根据权利要求4所述的永磁式新型电磁继电器，其特征在于，所述辅助簧片的长度为20mm～25mm。

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