RU2524373C2

RU2524373C2 - Бистабильное миниатюрное реле высокой мощности

Info

Publication number: RU2524373C2
Application number: RU2012140394/07A
Authority: RU
Inventors: Йорг ГАССМАН; Штефен ШНИТТЕР; Маркус ГЕРМАН; Маттиас КУЛЬКЕ
Original assignee: Джонсон Электрик Дрезден Гмбх
Priority date: 2010-04-21
Filing date: 2011-04-11
Publication date: 2014-07-27
Also published as: US9053885B2; CN102870180B; EP2561530A1; WO2011131168A1; EP2561530B1; DE102010017872A1; CN102870180A; US20130093544A1; DE102010017872B4; RU2012140394A; ES2456915T3; BR112013007456A2

Abstract

Бистабильное миниатюрное реле высокой мощности содержит корпус из изоляционного материала, имеющий первую камеру (1b) корпуса, в которой расположены однофазный контактный узел (4) с двумя токовыми шинами (8а, 8b) и контактная пружина (13). Один конец пружины постоянно соединен с одной токовой шиной (8а), а другой свободный конец, содержащий по меньшей мере один подвижный контакт, выполнен с возможностью взаимодействия по меньшей мере с одним неподвижным контактом (21), расположенным на второй токовой шине (8b). Во второй камере (1а) корпуса расположен бистабильный электромагнитный привод (3) с качающимся якорем (11), выполненный с возможностью перемещения контактной пружины (13) посредством установленного в корпусе приводного устройства (6, 23) для замыкания или размыкания электрической цепи, проходящей через токовые шины (8а, 8b). При этом контактный узел (4) и узел (3) привода расположены в корпусе из изоляционного материала в одной или двух плоскостях. Контактный узел (4) содержит многопластинчатую контактную пружину (13), согнутую в U-образную форму и образующую контур тока, в котором действуют электродинамические силы. Узел (3) привода содержит цельное U-образное ярмо (14) по меньшей мере с одной катушкой (17) возбуждения на каждом магнитном стержне ярма, а также центральный стержень ярма (16), опертый на плоский постоянный магнит, поддерживающий, в свою очередь, качающийся якорь (11), выполненный слегка V-образной формы. Технический результат - создание технологичного, легко адаптируемого к специальным условиям эксплуатации биполярного миниатюрного реле с низким потреблением энергии при переключениях токов в пределах 100 А или выше. 9 з.п. ф-лы, 10 ил.

Description

Изобретение относится к бистабильному миниатюрному реле высокой мощности, содержащему корпус из изоляционного материала, имеющий первую камеру корпуса, в которой расположены однофазный контактный узел с двумя токовыми шинами и контактной пружиной, у которой один конец ножки постоянно соединен с одной из указанных токовых шин, а другой свободный конец ножки, содержащий по меньшей мере один подвижный контакт, выполнен с возможностью взаимодействия по меньшей мере с одним неподвижным контактом, расположенным на второй токовой шине, причем во второй камере корпуса расположен бистабильный электромагнитный привод с качающимся якорем, выполненный с возможностью перемещения контактной пружины посредством установленного в корпусе приводного устройства для замыкания или размыкания электрической цепи, проходящей через токовые шины.

Такое типовое миниатюрное реле раскрыто, например, в DE 102007011328 А1. В этом реле узел привода установлен в камере корпуса, расположенной над камерой корпуса для контактного узла, причем обе камеры имеют разные размеры. Поэтому возникает необходимость наличия удлиненной контактной пружины. Электромагнитный привод содержит так называемый Н-образный якорь, включающий в себя две параллельные пластины из мягкого железа, между которыми закреплен постоянный магнит, намагниченный таким образом, что один полюс ориентирован к одному якорю, а другой полюс ориентирован к другому якорю. Н-образный якорь опирается на шарнирный болт в камере корпуса привода, выполненный с возможностью поворота между двумя обращенными друг к другу секциями элементов магнитной цепи с двумя ярмами в зависимости от возбуждающего импульса соленоида катушки переменной полярности. Наличие опорного болта приводит к возникновению трения. Н-образный якорь имеет радиально выступающее плечо, удлинение которого обеспечивает возможность перемещения нижерасположенной контактной пружины.

Задача настоящего изобретения состоит в создании биполярного электрического миниатюрного реле с коммутируемой мощностью в пределах 100 А или выше, технологичного, легко адаптируемого к специальным условиям эксплуатации, с низким потреблением энергии при переключениях.

Поставленная задача решена за счет свойств, рассмотренных в п.1 формулы изобретения. Преимущества других вариантов реализации изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы.

Благодаря своей модульной структуре реле согласно изобретению может быть выполнено с весьма различными характеристиками для удовлетворения различных требований установки. Простые и удобные для автоматической обработки детали, а также соответствующее разделение на узел привода и узел контакта снижают себестоимость производства. К другим преимуществам относятся небольшая площадь установки и высокая мощность, а также возможность уменьшения высоты, либо ширины установки при использовании одних и тех же узлов. Реле обеспечивает высокие частоты переключения и отличается низким уровнем дребезга контактов, очень низким сопротивлением контакта, низким внутренним потреблением мощности, малой энергией переключения, длительным сроком службы и высокой скоростью размыкания контактов в случае короткого замыкания.

Более подробно изобретение будет рассмотрено на основе примера варианта осуществления изобретения и прилагаемых чертежей, на которых:

на фиг.1 изображено бистабильное реле со снятым корпусом из изоляционного материала;

на фиг.2 изображено реле, показанное на фиг.1, разобранное на

узлы;

на фиг.3 изображен вид узла привода с пространственным разнесением частей;

на фиг.4 изображен вид узла привода, показанный на фиг.3, в сборе;

на фиг.5 изображен контактный узел с пространственным разнесением компонентов;

на фиг.6 изображены компоненты, показанные на фиг.5, в сборе;

на фиг.7 изображена конструкция реле со снятой крышкой корпуса в одном варианте выполнения;

на фиг.8 изображена конструкция реле со снятой крышкой корпуса во втором варианте выполнения;

на Фиг.9 изображена конструкция реле со снятой крышкой корпуса в третьем варианте выполнения;

на фиг.10 схематически изображены варианты выполнения конструкции реле согласно изобретению.

На фиг.1 показано бистабильное реле согласно первому варианту изобретения со снятым корпусом из изоляционного материала. Корпус из изоляционного материала состоит из квадратной нижней части 1 корпуса и квадратной крышки 2 корпуса, между которыми размещены узел 3 привода и расположенный рядом с ним контактный узел 4. Перегородка 5 делит нижнюю часть 1 корпуса на две камеры 1a, 1b примерно одинакового размера. В камере 1а размещен узел 3 привода с геометрическим замыканием, в другой камере 1b расположен контактный узел 4 с геометрическим замыканием, причем внутренние контуры корпуса из изоляционного материала не показаны. Узел 3 привода приводит в действие контактный узел 4 через приводное устройство, охватывающее камеры 1a, 1b. При закрытом корпусе только три контактных штырька 7 выведены наружу для управления приводом и двумя токовыми шинами 8а, 8b для коммутации тока потребителя, концы которых могут иметь конфигурацию в зависимости от использования реле. Например, реле может служить элементом электронного микропроцессорного счетчика электроэнергии.

На фиг.2 показано то же самое реле со снятым корпусом из изоляционного материала, в котором узел 3 привода, контактный узел 4 и приводное устройство отделены друг от друга для лучшей видимости деталей. В показанной конструкции реле приводное устройство выполнено в виде вращающегося двуплечего коромысла 6, опирающегося на корпус из изоляционного материала. В нижней части 1 корпуса выполнено отверстие 9 с центром на уровне перегородки 5 между камерами 1a, 1b в нижней части 1 корпуса, в котором может быть закреплено коромысло 6. Коромысло 6 имеет захватный выступ 6а, выполненный с возможностью захвата элемента 10 приложения силы качающегося якоря 11 узла 3 привода, и захватный выступ 6b, выполненный с возможностью захвата элемента приложения силы контактной пружины 13 контактного узла 4. Оба захватных выступа 6а, 6b имеют одинаковую длину, следовательно, они имеют и одинаковое соотношение усилий и траекторий их приложения. Однако возможны и другие отношения плеч рычага.

На фиг.3 показан вид узла привода с пространственным разнесением частей. U-образное ярмо 14 выполнено в виде одной детали с двумя ножками, выполненными штамповкой и сгибанием из листа мягкого железа. В центральной части ярма 14 расположен плоский постоянный магнит 15, содержащий центральную ножку 16 из мягкого железа. Таким образом сформирован Е-образный магнитный сердечник. На внешних ножках ярма выполнены катушки 17 возбуждения с раздельным управлением, опирающиеся на непроводящую деталь 18. Непроводящие детали 18 катушек 17 возбуждения соединены одним или несколькими пленочными шарнирами 19 и поэтому могут быть намотаны за один проход по мере выведения внутренних линейных концов. Внутренние линейные концы припаяны к одному из трех контактных штырьков 7, а внешние линейные концы присоединены порознь к двум другим штырькам. На центральной ножке 16 как на ножевой опоре установлен качающийся якорь 11 слегка V-образной формы. Такая опора якоря имеет очень низкое трение и поэтому требует небольшой управляющей мощности. Сила магнитного поля очень плоского постоянного магнита 15 достаточна для удержания на непроводящей детали 18 всех четырех магнитных элементов 14, 15, 16 и 11 без каких-либо других креплений за исключением боковой направляющей качающегося якоря 11. На плече качающегося якоря 11 установлен или сформирован элемент 10 приложения усилия для захватного выступа 6а двуплечего коромысла 6. В зависимости от положения переключения качающегося якоря 11 реле размыкает или замыкает цепь нагрузки, проходящую через две токовые шины 8а, 8b.

На фиг.4 вновь показан узел 3 привода в сборе, причем элементы, выполняющие одинаковые функции, обозначены одними и теми же цифрами, что и на других чертежах. На чертеже показана специальная плоская конструкция узла 3 привода и небольшое количество других элементов.

В предпочтительном варианте управление узлом 3 привода осуществляется через контактные штырьки 7 таким образом, что для переключения посредством качающегося якоря 11 из одного положения переключения в другое поток, поддерживаемый постоянным магнитом через параллельную магнитную цепь, замкнутую через качающийся якорь 11, переключается при электромагнитном управляющем потоке, образованном катушкой 17 возбуждения этой магнитной цепи, в направлении, противоположном указанному потоку, поддерживаемому постоянным магнитом, в другую параллельную магнитную цепь, включающую в себя катушку 17 возбуждения в невозбужденном состоянии. Для переключения всегда может быть приведена в действие только катушка 17 возбуждения, находящаяся в магнитной цепи с притянутым плечом качающегося якоря 11. Это уменьшает мощность, расходуемую на приведение в движение.

На фиг.5 показан вариант контактного узла с пространственным разделением частей. Три пластины контактной пружины 13 согнуты с приданием им U-образной формы. Три пластины разной длины механически и электрически соединены друг с другом исключительно на своих концах. Указанные короткие U-образные ножки прикреплены своими концами к одной из указанных токовых шин 8а, на указанных длинных концах размещен подвижный контакт 20, взаимодействующий с неподвижным контактом 21 на другой токовой шине 8b. На свободных концах верхней и нижней пластин контактной пружины сформированы элементы 12 приложения силы в виде гибких язычков с вырезами, служащие местом приложения силы приводного устройства. Фигурные элементы токовых шин 8а, 8b (не показаны) взаимодействуют с соответствующими фигурными элементами в камере lb нижней части 1 корпуса для образования геометрического замыкания. Кроме того, оба конца токовых шин 8а, 8b выполнены с возможностью соединения проводников.

На фиг.6 вновь показан контактный узел 4 в сборе. U-образная форма контактной пружины 13 позволяет получить характеристику зависимости усилия от траектории его приложения, отрегулированную для привода, независимо от малой длины конструкции и требуемой высокой допустимой нагрузки по току. Это отдельные пластины в месте U-образного изгиба выполнены расходящимися самовыравнивающимся образом.

На фиг.7 показан другой вариант конструкции реле. Реле показано уже в собранном виде только с не надетой крышкой 2 корпуса. Основная конструкция соответствует конструкции базового варианта, изображенного на фиг.1. Но в отличие от варианта, представленного на фиг.1, 2, 5 и 6, вариант конструкции контактного узла 4 показан с двумя контактами 20 на контактной пружине 13 и двумя неподвижными контактами 21 на токовой шине 8b. При наличии двух контактов на один коммутирующий полюс, переходное сопротивление между контактами 20, 21 сокращается наполовину, что оказывает положительное влияние на нагрев, внутреннее потребление мощности и срок службы контактной системы. На опорных концах контактов многопластинчатой контактной пружины 13 выполнены щелевые отверстия, так что каждый из двух подвижных контактов 20 выполнен с возможностью независимого упругого перемещения, позволяющего компенсировать любые технологические допуски для неподвижных контактов 21. Кроме того, может быть снижена вероятность дребезга контактов, вызывающая их обгорание. Размеры двух камер корпуса 1a, 1b не изменены по сравнению с размерами камер, изображенных на фиг.1. Приводным устройством служит двуплечее коромысло 6, закрепленное в подшипнике 9 вращения на уровне перегородки 5.

На фиг.8 показан еще один вариант конструкции реле. В этом варианте конструкция содержит удлиненную трехпластинчатую контактную пружину 13 U-образной формы, в продольном направлении которой выполнены щелевые отверстия с образованием двух подпружиненных выступов. Пластины также соединены друг с другом на обоих концах. Короткая U-образная ножка контактной пружины 13 своим концом установлена на токовой шине 8а, а на каждом конце подпружиненных выступов длинной U-образной ножки контактной пружины 13 выполнен подвижный контакт 20. Подвижные контакты 20 взаимодействуют с неподвижными контактами 21, закрепленными на второй токовой шине 8b. В отличие от предшествующих контактных узлов контакты 20, 21 расположены на другой коммутирующей стороне на удалении от U-образного изгиба. Для этого токовая шина 8b, содержащая неподвижные контакты 21, размещена со смещением в камере lb корпуса для контактного узла 4. В показанном замкнутом положении контактов 20, 21 ток будет протекать по первой токовой шине 8а, короткой U-образной ножке контактной пружины 13, U-образному участку изгиба контактной пружины 13, длинной U-образной ножке контактной пружины 13, контактам 20, 21 в направлении второй токовой шины 8b. U-образная форма контактной пружины 13 позволяет получить зависимость усилия от траектории его приложения, отрегулированную для привода, независимо от малой длины конструкции и требуемой высокой допустимой нагрузки по току. Это требование может быть обеспечено многопластинчатой конструкцией контактной пружины 13, причем для отвода тепла и упругости контактной пружины 13, отдельные пластины в месте U-образного изгиба должны быть расположены на некотором расстоянии друг от друга за счет их различной длины. Кроме того, отдельные пластины могут иметь разные упругие и электропроводные свойства. Благодаря U-образной форме контактной пружины 13 ток протекает через участки контактной пружины, параллельные другим соседним участкам, а именно ее U-образные ножки, в противоположных направлениях. В замкнутом положении контактов 20, 21, при протекании больших токов, контакты 20, 21 преимущественно прижаты друг к другу за счет не только контактного усилия, но и электродинамических сил, действующих на контактную пружину 13. Двуплечее коромысло 6 и в этом случае используется для управления контактной пружиной 13 через узел 3 привода.

В то время как на фиг.1, 2, 7 и 8 показаны варианты конструкции реле, где узел 3 привода и контактный узел 4 расположены в корпусе из изоляционного материала в одной плоскости, т.е. рядом в камерах корпуса 1a, 1b нижней части 1 корпуса, на фиг.9 показан другой вариант конструкции реле, в котором узел 3 привода расположен в корпусе 1 из изоляционного материала над контактным узлом 4. Узлы 3, 4 в основном имеют ту же самую конструкцию и те же размеры, что и узлы, рассмотренные ранее. Однако в этом примере токовые шины 8а, 8b выведены из корпуса под прямым углом. Кроме того, камеры 22а, 22b корпуса имеют одинаковые размеры. В этом случае, корпус из изоляционного материала имеет не квадратное, а прямоугольное сечение, а крышка корпуса (не показана) имеет Г-образную форму. Корпус из изоляционного материала вдвое выше и, следовательно, вдвое уже по сравнению с корпусом, имеющим квадратное сечение. Контактный узел 4 установлен в нижней камере 22b корпуса. Узел 3 привода установлен в верхней камере 22а корпуса. Приводное устройство содержит подвижную деталь 23, которая на узкой стороне направляется контурами нижней части 22b корпуса. На обеих сторонах подвижной детали 23 выполнены захватные выступы 23а, 23b с возможностью захвата, во-первых, элемента 10 приложения силы качающегося якоря 11 узла 3 привода и, во-вторых, элемента 12 приложения силы контактной пружины 13 контактного узла 4. Еще одна особенность состоит в том, что каждая катушка 17 возбуждения соединена с двумя контактными штырьками 7.

На сборочном чертеже и фиг.10 а) - 10 е) схематично показано несколько вариантов конструкции реле, где на фиг.10 а) - 10 d) камера 1а корпуса для узла 3 привода и камера 1b корпуса для контактного узла 4 расположены в одной плоскости в корпусе из изоляционного материала, а на фиг.10 е) они расположены в двух плоскостях друг над другом. Во всех конструкциях, приведенных в качестве примера, токовые шины 8а, 8b расположены параллельно друг другу. Конструкции реле, показанные на фиг.1 а) и 1 е), являются предпочтительными, вследствие их компактности. Если условия на месте установки не допускают использования другого варианта конструкции, то могут быть использованы конструкции реле, показанные на фиг.10 b) - 10 d). В зависимости от требований отдельных конструкций в качестве приводных устройств могут быть использованы коромысла, подвижные детали, рычаги, штырьки и т.д., а токовые шины 8а, 8b могут быть плоскими, иметь увеличенную ширину и могут быть расположены параллельно или под углом друг к другу. В специальных случаях реле могут быть изготовлены с одним узлом привода и несколькими контактными узлами. Например, реле могут иметь два контактных узла, расположенных друг над другом (см. фиг.10е), либо реле могут иметь контактные узлы, расположенные по обе стороны узла привода (см. фиг.10а). Например, узел привода может быть выполнен с возможностью приведения в действие замыкающего контакта и размыкающего контакта. Кроме того, по обеим сторонам контактной пружины переключающего контакта могут быть расположены подвижные контакты, каждый из которых выполнен с возможностью взаимодействия с неподвижным контактом. В этом случае из корпуса, выполненного из изоляционного материала, могут быть выведены три токовые шины.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

1 квадратная нижняя часть корпуса

1а камера корпуса для узла привода

1b камера корпуса для контактного узла

2 квадратная крышка корпуса

3 узел привода

4 контактный узел

5 перегородка

6 двуплечее коромысло в качестве приводного устройства

6а захватный выступ

6b захватный выступ

7 контактные штырьки

8а токовая шина

8b токовая шина с неподвижным контактом

9 подшипник вращения в нижней части корпуса

10 элемент приложения силы качающегося якоря

11 качающийся якорь

12 элемент приложения силы контактной пружины

13 контактная пружина

14 U-образное ярмо из мягкого железа

15 постоянный магнит

16 центральная ножка

17 катушки возбуждения

18 непроводящая деталь

19 пленочный шарнир

20 подвижный контакт

21 неподвижный контакт

22 прямоугольная нижняя часть корпуса

22а верхняя камера корпуса для узла привода

22b нижняя камера корпуса для узла привода

23 скользящий контакт в качестве приводного устройства

23а верхний захватный выступ скользящего контакта

23b нижний захватный выступ скользящего контакта

Claims

1. Бистабильное миниатюрное реле высокой мощности, содержащее корпус из изоляционного материала, имеющий первую камеру корпуса, в которой расположены однофазный контактный узел с двумя токовыми шинами и контактной пружиной,
у которой один конец ножки постоянно соединен с одной из указанных токовых шин, а другой свободный конец ножки, содержащий по меньшей мере один подвижный контакт, выполнен с возможностью взаимодействия по меньшей мере с одним неподвижным контактом, расположенным на второй токовой шине,
причем во второй камере корпуса расположен бистабильный электромагнитный привод с качающимся якорем, выполненный с возможностью перемещения контактной пружины посредством установленного в корпусе приводного устройства для замыкания или размыкания электрической цепи, проходящей через токовые шины,
отличающееся тем, что
контактный узел (4) и узел (3) привода расположены в корпусе из изоляционного материала в одной или двух плоскостях,
причем контактный узел (4) содержит многопластинчатую контактную пружину (13), согнутую в U-образную форму и образующую контур тока, в котором действуют электродинамические силы, а
узел (3) привода содержит цельное U-образное ярмо (14) по меньшей мере с одной катушкой (17) возбуждения на ножку ярма и центральную ножку (16) ярма, размещенную на плоском постоянном магните и поддерживающую качающийся якорь (11), выполненный слегка V-образной формы.

2. Реле по п.1, отличающееся тем, что указанные две камеры (1a, 1b; 22а, 22b) корпуса, выполненные в корпусе из изоляционного материала для размещения контактного узла (4) и узла (3) привода, имеют одинаковые основные размеры по длине, ширине и высоте.

3. Реле по п.1 или 2, отличающееся тем, что
камера (22а) корпуса для узла (3) привода расположена в плоскости над камерой (22b) корпуса для контактного узла (4) в корпусе из изоляционного материала, а
приводное устройство выполнено в виде подвижной детали (23), приводимой в действие качающимся якорем (11) узла (3) привода и направляемой для поступательного движения в корпусе из изоляционного материала через обе камеры (22а, 22b) корпуса при перемещении приводным устройством свободного конца контактной пружины (13).

4. Реле по п.1 или 2, отличающееся тем, что
камера (1а) корпуса для узла (3) привода расположена в корпусе из изоляционного материала сбоку рядом с камерой (1b) корпуса для контактного узла (4), а
приводное устройство выполнено в виде двуплечего коромысла (6), приводимого в действие качающимся якорем (11) и опертого в корпусе из изоляционного материала, причем указанное коромысло (6) выполнено с возможностью перемещения свободного конца контактной пружины (13).

5. Реле по п.1, отличающееся тем, что в многопластинчатой контактной пружине (13) выполнены щелевые отверстия в продольном направлении по меньшей мере на части его свободной длины с образованием двух подпружиненных выступов, на конце каждого из которых размещена подвижная контактная деталь (20) для соответствующего неподвижного контакта (21).

6. Реле по п.1 или 2, отличающееся тем, что пластины контактной пружины в месте их U-образного изгиба расходятся.

7. Реле по пп.1, 5, отличающееся тем, что по меньшей мере одна пластина контактной пружины обладает более высокими упругими свойствами по сравнению по меньшей мере с одной другой пластиной контактной пружины, имеющей большую допустимую нагрузку по току.

8. Реле по п.1, отличающееся тем, что указанный по меньшей мере один подвижный контакт (20) расположен на внутренней или внешней стороне конца контактной пружины (13), а токовая шина (8b) оперта на свой по меньшей мере один соответствующий неподвижный контакт (21), расположенный соответствующим образом в камере (1b; 22b) корпуса для контактного узла (4).

9. Реле по п.1, отличающееся тем, что для переключения катушки (17) возбуждения в ветвь магнита, замкнутую по качающемуся якорю (11), подан такой импульс постоянного напряжения, что в этой ветви магнита обеспечена возможность образования электромагнитного потока смещения, противоположного потоку постоянного магнита.

10. Реле по п.1, отличающееся тем, что в дополнение к катушкам (17) возбуждения, расположенным на обеих ножках ярма узла (3) привода, еще одна катушка возбуждения расположена на той ножке ярма, в сторону которой качающийся якорь (11) должен прилагать большее переключающее усилие.