CN111146044B - 高压继电器陶瓷封闭腔结构、高压继电器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压继电器陶瓷封闭腔结构，一对触点杆轴心连线的方向为X向，垂直于一对触点杆轴心连线的方向为Y向；沿X向位于所述一对触点杆两侧的位置设有一对相对设置的永磁铁；用于使触点杆导通的接触片两端增加上导磁环与下导磁环，上导磁环与拉杆轴固定连接；拉杆轴顶部与上导磁环固定连接，下导磁环上具有供拉杆轴自由穿过的小孔，下导磁环由超程弹簧支撑，超程弹簧一端固定，另一端可带动下导磁环浮动；当接触片有极端大电流经过时，接触片四周沿上、下导磁环产生封闭的环形磁路，下导磁环在电磁吸力作用下，对接触片具有向上推力，克服并抵消极端大电流对接触片产生的向下的分离力。

Description

高压继电器陶瓷封闭腔结构、高压继电器及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种高压继电器，属于继电器技术领域。

背景技术

高压继电器是新能源汽车电池系统和电机控制器之间的连接通道，是新能源汽车中高压系统中必要的、核心的电控基础元件。其功能为：接通或断开高压大电流负载，由于汽车上安装空间狭小，对于车用高压继电器，除需具备耐高压、耐负载、抗冲击、灭弧能力强和分断能力强的基本功能以外，还需要体积小巧，结构紧凑。上述要求能否实现，取决于高压继电器的关键部件-陶瓷密封腔的结构设计。

在高压大电流接通或断开的过程中，接触片与触点杆之间会产生较大电弧，如果不能及时有效使电弧熄灭，将会导致接触片与左触点杆及右触点杆发生严重烧蚀，并影响高压继电器的可靠性及性能。因此，为了解决此问题，现有技术会同时采用两种设计：一是利用陶瓷结构形成密封腔，并在密封腔同灌充惰性气体；二是外部加永磁铁，以形成磁场并利用磁场使电弧朝规定的方向拉断并快速熄弧。

针对这一设计，现有技术存在两个主要问题：

一是：因增加永磁铁而带来的要求外部负载的方向性问题。

二是：因超大电流在磁场中产生的电磁力，而使接触片弹开导致继电器接触不可靠甚至失效的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压继电器，改变一对永磁铁相对于触点杆所在的位置和方向，从而实现外部高压大电流的接通无方向性的要求，外部电流可以无极性接通；同时在与触点杆对应的接触片上新增一对导磁环，当接触片中有极端大电流通过时，上下导磁环在磁场作用下会与上导磁环趋向于闭合以形成一个完整的磁路，此时，下导磁环产生一个额外的向上的压紧力并最终作用于接触片上，此压紧力随着极端电流的增加而增加，并克服或抵消因极端大电流而产生的分离力，保证接触片在极端大电流冲击下的接触可靠性，提升了继电器抗极端大电流冲击的能力。

本发明采取以下技术方案：

一种高压继电器陶瓷封闭腔结构，一对触点杆轴心连线的方向为X向，垂直于一对触点杆轴心连线的方向为Y向；沿X向位于所述一对触点杆两侧的位置设有一对相对设置的永磁铁1、6；用于使触点杆导通的接触片7两端增加上导磁环11与下导磁环12，上导磁环11与拉杆轴15固定连接；拉杆轴15顶部与上导磁环11固定连接，下导磁环12上具有供拉杆轴15自由穿过的小孔，下导磁环12由超程弹簧13支撑，超程弹簧13一端固定，另一端可带动下导磁环12浮动；当接触片有极端大电流经过时，接触片四周沿上、下导磁环产生封闭的环形磁路，下导磁环12在电磁吸力作用下，对接触片7具有向上推力，克服并抵消极端大电流对接触片产生的向下的分离力。

优选的，高压继电器陶瓷封闭腔结构的铁芯2内设置一吸动弹簧，拉杆轴15下端固定一衔铁16，衔铁16随拉杆轴15克服吸动弹簧14的弹力，向上运动，当衔铁16与铁芯2下端接触时，拉杆轴停止向上移动，上导磁环11完成向上运动并脱离接触片。

优选的，上导磁环11与拉杆轴15为紧配合。

优选的，下导磁环12与拉杆轴15为浮动配合，在超程弹簧13的作用下，能够沿着拉杆轴上下移动。

一种高压继电器，采用上述任意一项所述的高压继电器陶瓷封闭腔结构。

一种高压继电器的工作方法，采用上述的高压继电器；继电器线圈未通电时，上导磁环11与拉杆轴15处于静止状态；继电器线圈通电后，上导磁环11与拉杆轴15在衔铁16的带动下向上移动，接触片7首先与一对触点杆接触；衔铁16带动拉杆轴15继续向上移动，下导磁环12不动，上导磁环11随拉杆轴一起向上移动，直到衔铁与铁芯接触为止，此时，上导磁环11与下导磁环12之间有一定间隙。

本发明的有益效果在于：

1)对外部高压大电流的接通无方向性的要求，外部电流可以无极性接通；

2)提高了继电器耐反向电压能力，特别适用于经常有较高的反向电压的系统。

3)下导磁环在电磁吸力的作用下，带动接触片有向上移动趋势，并最终产生一个额外的向上的压紧力，此压紧力随着极端电流的增加而增加，并克服或抵消因极端大电流而产生的分离力，保证接触片在极端大电流冲击下的接触可靠性，提升了继电器抗极端大电流冲击的能力。

附图说明

图1是高压继电器的外观示意图。

图2是本发明高压继电器的剖视图。

图3是现有的高压继电器触点杆与永磁铁位置示意图。

图4是与图3对应的磁场示意图。

图5是与图3对应的电流流向图。

图6是在磁场下触点杆与接触片之间产生的电弧示意图。

图7是当电源接反时，电流流向图。

图8是当电源接反时，触点杆与接触片之间产生的电弧示意图。

图9是图10对应的磁场示意图。

图10是本发明所采用的高压继电器触点杆与永磁铁位置示意图。

图11是图12的右视的视角下，电弧位置示意图。

图12是与图9对应的电流流向图。

图13是图12的左视的视角下，电弧位置示意图。

图14是图15的右视的视角下，电弧位置示意图。

图15是本发明中，电源接反时，电流流向示意图。

图16是图15左视的视角下，电弧位置示意图。

图17是本发明所采用的高压继电器接触片上设置上导磁环与下导磁环的示意图。

图18是图17的主视图。

图19是图20中，上下导磁环与接触片部位的剖视图。

图20是电流流向示意图。

图21是图22中，上下导磁环与接触片部位的剖视图。

图22是电源反接时，电流流向示意图。

图23是继电器线圈未通电时，上导磁环、拉杆轴等部件处于静止状态的示意图。

图24是当继电器线圈通电后，上导磁环、拉杆轴在衔铁的带动下向上移动，接触片首先与触点杆接触的示意图。

图25是衔铁带动拉杆轴继续向上移动—下导磁环不动，上导磁环随拉杆一起向上移动，直到衔铁与铁芯接触为止的示意图。上导磁环与下导磁环之间有一定间隙。

图26是图25对应的立体图。

图中，1.左侧永磁铁，2.铁芯，3.左侧触点杆，4.右侧触点杆，5.陶瓷腔，6.右侧永磁铁，7.接触片，8.磁铁支架，9.连接圈，10.铁片，11.上导磁环，12.下导磁环，13.超程弹簧，14.吸动弹簧，15.拉杆轴，16.衔铁。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

实施例一(对比实施例)：

现有继电器灭弧工作的举例：

为了方便介绍，此处结构作简化，参见图3-6：现有产品其永磁铁设置在接触点杆Y方向的两侧，如图3-4所示，永磁铁所生产的灭弧磁场，继续参见图5-6，当继电器外部高压大电流负载按图示正向流通时，接触片与触点杆之间的电弧在永磁铁形成的磁场作用下，根据左手定则，其电弧被拉向触点杆两侧，以达到将电弧拉薄而快速熄灭的目的，如图6所示；反之，如图7-8所示，如果外部高压大电流被接反，即反向流通时，电弧会被拉向触点杆的中间，甚至两个电弧被接通在一起，电弧会在接触片与触点杆之间持续烧蚀，严重影响继电器的寿命与可靠性。

因此，现有继电器对外部高压大电流的接通方向有明确的要求，如果接反，会严重影响产品寿命。

此外，现有继电器耐反向电压能力不足，如果系统中经常有较高的反向电压，也会影响产品寿命及可靠性。

实施例二：

为了方便介绍，此处结构作简化，参见图9-13：

继电器将其永磁铁设置在接触点杆X向的左右两侧，如图10所示，永磁铁所生产的灭弧磁场如图9所示，当继电器外部高压大电流负载按图12正向流通时，接触片与触点杆之间的电弧在永磁铁形成的磁场作用下，根据左手定则，左侧触点杆3的电弧被拉向左侧，右侧触点杆4的电弧被拉向右侧，以达到将电弧拉薄而快速熄灭的目的，如图11-13所示；反之，如果外部高压大电流被反向流通时，右侧触点杆3的电弧被拉向右侧左侧触点杆4的电弧被拉向左侧，电弧依然能够正常被拉薄而快速熄灭。

因此，本发明继电器的灭弧结构有以下优势：

一是对外部高压大电流的接通无方向性的要求，外部电流可以无极性接通；

二是提高了继电器耐反向电压能力，特别适用于经常有较高的反向电压的系统。

下面对本实施例中，抗大电流冲击的功能部分进行详细说明：

运用于新能源汽车的高压直流继电器，在使用中需要具有能承担极端大电流冲击的能力。如前所述，高压直流继电器在使用中，接通或断开大电流的时候，在接触片与触点杆之间会产生很大的电弧，为了能够快速灭弧，常常采用在触点杆两侧放置永磁铁，利用磁灭弧的原理来快速灭弧，以确保继电器的电寿命。

但随之而来的问题是：当接触片与触点杆接通并有大电流通过的时候，

接触本身成为一个带电的导体，当永磁铁位于图3结构的时候，接触片在磁场中会受一个较大的向下的分离力(与衔铁向上的推动力相反)，此分离力在继电器正常分断负载时较小(如150A)，继电器线圈的电磁力可以克服并保持接触片与触点杆紧密贴合状态；但当瞬时大电流达到10000A以上，此分离力变得很大，瞬间会导致接触片与触点弹开，甚至毁坏整个接触机构而导致继电器失效，因此，图3结构当面对较大的瞬间大电流冲击的要求时，则无法达到客户要求。同理，永磁铁采用图10的结构，由于接触片实际很难与磁场方向达到绝对的平行，因此，当有大电流冲击的时候，也会受到电离力的作用，只不过区别在于：电离力的方向是左右摆动，而不是向下，但同样会导致接触片与触点杆有分离的风险，极端电流越大时，风险越大。

本实施例中的下述结构则很好的解决了上述问题：提升了继电器抗在极端大电流冲击的能力。

具体如图2，及图17-22所示，在接触片7两端增加上导磁环11与下导磁环12，其中，上导磁环11与拉杆轴15铆接，处于固定状态；下导磁环12穿过拉杆轴15，与下导磁环12保持有一定间隙，且处于浮动状态，由超程弹簧13压紧于接触片7之上。

参见图19-22，当接触片有极端大电流经过时(无论电流方向向左或向右)，根据右手螺旋定则，接触片7四周会产生一个较大的磁场，上导磁环11与下导磁环12由导磁材料制成，在磁场中趋向于闭合并形成一个完整的磁路，此时，上导磁环11处于固态状态，下导磁环12处于浮动状态，且两者之间有一适当的间隙，因此，下导磁环12在电磁吸力的作用下，带动接触片7有向上移动趋势，并最终产生一个额外的向上的压紧力，此压紧力随着极端电流的增加而增加，并克服或抵消上述因极端大电流而产生的分离力，保证接触片在极端大电流冲击下的接触可靠性，提升了继电器抗极端大电流冲击的能力。

实现过程如下：当高压继电器线圈通电时，线圈产生的磁场推动衔铁向上运动，此时，衔铁带动拉杆轴，拉杆轴带动接触片及上导磁环11、下导磁环12一同向上移动，当接触片与左触点杆3及右触点杆4接触时，左触点杆3与右触点杆4通过接触片接通并传输高压大电流负载，此段运动需克服吸动弹簧的反力；随后，衔铁继续向上移动并克服超程弹簧的反力直到衔铁与铁芯接触为止，此段行程是保证接触片受到足够的压力并贴紧于触点杆上，即使接触片或触点杆因烧蚀或磨损后，仍能保证良好且可靠的接触，以确保高压大电流的可靠传输；当高压继电器线圈断电后，线圈磁场消失，衔铁在吸动弹簧与超程弹簧的反力作用下，向下运动，衔铁带动拉杆轴，拉杆轴带动接触片同步向下并与左触点杆3、右触点杆4断开，此时切断了原本导通的高压大电流的传输。

进一步参见图23-26及图2，上导磁环11与拉杆轴15为紧配合；下导磁环12与拉杆轴15为浮动配合，在超程弹簧13的作用下，可以沿着拉杆轴15上下移动；

工作过程简述：

1、继电器线圈未通电时，上导磁环11与拉杆轴15等处于静止状态，如图23所示；

2、当继电器线圈通电后，上导磁环11与拉杆轴15在衔铁16的带动下向上移动，接触片7首先与触点杆接触，如图24所示；

3、衔铁带动拉杆轴继续向上移动—下导磁环12不动，上导磁环11随拉杆轴一起向上移动，直到衔铁16与铁芯2接触为止，此时，上导磁环11与下导磁环12之间有一定间隙，如图25-26所示。

以上是本发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种高压继电器陶瓷封闭腔结构，其特征在于：

一对触点杆轴心连线的方向为X向，垂直于一对触点杆轴心连线的方向为Y向；沿X向位于所述一对触点杆两侧的位置设有一对相对设置的永磁铁(1、6)；

用于使触点杆导通的接触片(7)两端增加上导磁环(11)与下导磁环(12)，上导磁环(11)与拉杆轴(15)固定连接；

拉杆轴(15)顶部与上导磁环(11)固定连接，下导磁环(12)上具有供拉杆轴(15)自由穿过的小孔，下导磁环(12)由超程弹簧(13)支撑，超程弹簧(13)一端固定，另一端可带动下导磁环(12)浮动；

当接触片有极端大电流经过时，接触片四周沿上、下导磁环产生封闭的环形磁路，下导磁环(12)在电磁吸力作用下，对接触片(7)具有向上推力，克服并抵消极端大电流对接触片产生的向下的分离力。

2.如权利要求1所述的高压继电器陶瓷封闭腔结构，其特征在于：高压继电器陶瓷封闭腔结构的铁芯(2)内设置一吸动弹簧，拉杆轴(15)下端固定一衔铁(16)，衔铁(16)随拉杆轴(15)克服吸动弹簧(14)的弹力，向上运动，当衔铁(16)与铁芯(2)下端接触时，拉杆轴停止向上移动，上导磁环(11)完成向上运动并脱离接触片。

3.如权利要求1所述的高压继电器陶瓷封闭腔结构，其特征在于：上导磁环(11)与拉杆轴(15)为紧配合。

4.如权利要求1所述的高压继电器陶瓷封闭腔结构，其特征在于：下导磁环(12)与拉杆轴(15)为浮动配合，在超程弹簧(13)的作用下，能够沿着拉杆轴上下移动。

5.一种高压继电器，其特征在于：采用权利要求1-4中任意一项所述的高压继电器陶瓷封闭腔结构。

6.一种高压继电器的工作方法，其特征在于：

采用权利要求5所述的高压继电器；

继电器线圈未通电时，上导磁环(11)与拉杆轴(15)处于静止状态；

继电器线圈通电后，上导磁环(11)与拉杆轴(15)在衔铁(16)的带动下向上移动，接触片(7)首先与一对触点杆接触；

衔铁(16)带动拉杆轴(15)继续向上移动，下导磁环(12)不动，上导磁环(11)随拉杆轴一起向上移动，直到衔铁与铁芯接触为止，此时，上导磁环(11)与下导磁环(12)之间有一定间隙。

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