專利名稱：倍比力矩交流接觸器的制作方法
技術領域：
交流接觸器是控制電動機等用電設備運行的低壓開關器件，其構造大體分為三部分滅弧系統、電磁系統、彈簧機械系統，主要技術性能指標是機械壽命，電壽命和分斷能 力。
背景技術：
交流接觸器滅弧系統由動觸頭、靜觸頭、磁吹及滅弧柵片構成并封閉在滅弧室中。 電磁系統由動鐵心、靜鐵心和激磁線圈構成并封閉在鐵心室中。彈簧機械系統由反力彈簧、 超程彈簧、觸頭支持件與動鐵心連接起來，是運動器件。反力彈簧斥力作用在觸頭支持件與 底板之間，觸頭支持件與動鐵心是死連接，而觸頭支持件通過超程彈簧與動觸頭連接。反力 彈簧斥力平均值記為F1, F1作用范圍等于動鐵心和觸頭支持件運動最大距離為I1, I1稱為 鐵開距，因此F1I1等于反力彈簧作功的大小。超程彈簧斥力平均值記為F2, F2作用范圍等 于超程I2，超程是動觸頭與靜觸頭閉合后動鐵心又繼續運動的距離，F2I2等于超程彈簧作功 的大小。動觸頭運動的最大距離等于I1-I2，并稱為觸頭開距。動鐵心重量記為Hl1,動觸頭 重量與靜觸頭支持件總重量記為m2，關斷激磁電源分斷時運動器件最大速度相同記為Vm，
其動能為叫+m2) V:，應與F1I1+F2I2相等，則<formula>formula see original document page 3</formula>.................. (1)分斷過程鐵心剩磁力很小，由于鐵心閉合后的激磁電流很小，剛一分斷出現很小 的氣隙就需要增大非常大的激磁電流，因為電源已斷，無法補充能量，剩磁很快下降為零， 因此剩磁作功可忽略，所以彈簧力作功都轉化成為運動件的動能了。合閘時接通激磁電源 鐵心產生吸力，其平均值記為F3，作功等于F3I1，動鐵心閉合時速度記為V1，動觸頭閉合時速 度記為V2，由能量守恒知道<formula>formula see original document page 3</formula>.................. (2)交流接觸器分斷時是觸頭支持件帶著動鐵心撞擊滅弧室底板，由于F1IfF2I2不 大，因此撞擊力和振動較小。合閘時鐵心吸力增加速度與開距的平方成反比，而彈簧斥力與 開距成反比，因此鐵心吸力最終遠大于彈簧最大斥力，所以合閘時動鐵心撞擊靜鐵心的力 和振動最大，影響機械壽命的關鍵是彈簧合力的斥力特性與鐵心吸力的電磁特性的配合。交流接觸器的電壽命和分斷能力好壞取決于滅弧性能和分斷速度，因此當接觸器 采用交流鐵心改進為直流激磁鐵心后，由于動鐵心重量稍有減輕，使分斷速度增大后，電壽 命和分斷能力有一定提高。現有交流接觸器運動器件重量百分比如下動鐵心占40%左 右，觸頭支持件占25%左右，動觸頭總和占35%左右，而鐵心產生的吸力大約按一個磁極 每平方厘米為3公斤力選取，為了提高分斷速度，我按每平方厘米5公斤力選取鐵心截面 積，以減輕動鐵心重量，同時有開關管快速去磁克服剩磁吸力，并減小反力彈簧作用距離， 使其小于動鐵心開距，這樣開距末尾一段距離沒有反力彈簧斥力的作用稱為空能，以減小鐵心吸合過程中過大吸力造成振動過大的毛病，從而申報了《快速保護控制開關》專利，使接觸器具備分斷短路電流的能力，又減少銀觸點的燒損量。實驗發現，分斷1萬安培短路電 流時，有時出現動觸頭二次閉合的誤動作，于是又加大了反力彈簧的斥力，而不增大其作用 距離，克服掉二次閉合產生誤動作的毛病，由于斥力加大的同時將激磁電流有所增大，合閘 時振動有稍許增大，此產品已進入市場。后來發現進一步改進激磁電路，使接觸器鐵開距增大到斷路器斷口的水平時仍能 可靠工作，于是又申報了《交流接觸器的控制器》發明專利，該專利采用交流電源直接經全 波整流后的高電壓激磁，當鐵心閉合后由電子開關管關斷高電壓轉化為由低電壓、小電流 激磁，使鐵開距增大后仍能可靠工作，這樣取消開距空程后仍使接觸器具有分斷短路電流 能力，而且分斷短路電流值又進一步增大。但由于激磁高電壓作用時間長，合閘時鐵心產生 很大的振動，開距大使接觸器體積加大，影響外觀造型。于是我又設計了雙動電磁鐵，將電 磁鐵靜鐵心去掉，加在動鐵心上，于是動鐵心成U形，兩塊動鐵心相向運動插入激磁線圈， 經力矩將動鐵心和觸頭支持件連接起來，力矩之比嚴格遵守2 1，使每個動鐵心運動距離 等于鐵開距一半，這樣鐵開距不變，動鐵心由一塊變為兩塊，吸力而增加1倍，吸力增大1 倍，力矩為2 1正好使觸頭開距不變并保持直線運動。由于每塊動鐵心運動距離減小1 半，鐵心運動時間縮短，電源作功等于電壓、電流和時間t的乘積uit，t減小，因此動鐵心的 動能減小，撞擊力和振動減小。但是由于動鐵心重量增大6倍之多，使分斷速度大為降低， 造成了銀觸點燒損量過大，使接觸器電壽命無法達到標準。經一年多實驗無法克服這個毛 病，這種設計方案宣告失敗。可見動鐵心重量直接影響電壽命，動鐵心運動距離又直接影響 機械壽命，解決電壽命和機械壽命相互矛盾的技術關鍵是電磁鐵吸力特性與彈簧合力的斥 力特性的合理配合。由于電磁鐵吸力F3與氣隙距離的平方成反比，而彈簧合力的斥力FJF2 與氣隙距離一次方成反比，這樣當鐵開距最大值時，激磁安匝數(平均值)值使鐵心吸力F3 稍大于彈簧斥力時，則鐵心開始運動，當動鐵心走過觸頭最大開距時的吸力增大遠比反力 彈簧斥力增大值為大，使運動件產生的速度大，之后由于氣隙進入觸頭超程范圍內，鐵心磁 感應強度隨氣隙減小很快達到飽和狀態值Bm，該時鐵心吸力為極大值F3m，由下式給出<formula>formula see original document page 4</formula>
S是鐵心中心柱截面積。例如160A交流接觸器鐵心截面積S = 3. 4cm2,采用冷軋 硅鋼片Bm = 17000高斯，則F3m = 78. 2公斤力，而反力彈簧最大斥力等于2. 4公斤力，最大 開距時斥力等于0. 6公斤力，超程彈簧合力的最大斥力等于12公斤力，則Flm+F2m等于14. 4 公斤力，與鐵心最大吸力之差是53. 8公斤力。如此大的力作功轉變成動鐵心和動觸頭動 能，是造成動鐵心撞擊力大振動大的關鍵因索，同時鐵心利用率也極低。如果找到一個方法，使鐵心吸力最大值Bm稍大于彈簧合力的斥力最大值，又使初 始值的鐵心吸力也稍大于彈簧斥力，這樣鐵心吸力與彈簧斥力之和兩條直線接近平行，使 彈簧斥力與鐵心吸力特性相匹配，也可極大的提高鐵心利用率，因而減小運動器件的撞擊 力和振動。本發明找到了這種新方法，那就是采用倍比力矩的新思路。實質性技術內容本發明倍比力矩交流接觸器將動鐵心與觸頭支持件之間通過一個倍比力矩來連接，動鐵心與短力臂作剛性硬連接，二者沒有活動余地，因此動鐵心只能與力臂一起繞固定 軸轉動，長力臂經可轉動的連片與觸頭支持件作軟連接，帶動觸頭支持件作直線運動。另外 由于動鐵心繞力矩轉動軸轉動，而動鐵心長度線又與轉動軸平行，當電磁鐵通電后，磁場由 鐵心側下沿向上按比例遞減。因此在最大開距狀態下，動鐵心側下沿與靜鐵心之間氣隙長 度也不會超過1mm，兩段氣隙之和不超過2mm，有2700安匝激磁電流時鐵心側下沿處磁感應 強度就達到飽和狀態。最大開距時產生的鐵心吸力已比反力彈簧斥力大。因此動鐵心這 種繞固定轉動軸的轉動方式徹底克服了最大開距時，電磁鐵需要非常大的激磁安匝數的缺 點，使激磁電流安匝數可比現有電磁鐵減小一半。這是動鐵心沿平行固定軸轉動的結構方 式的最大優點。由于觸頭支持件被限制在滅弧室底板的方形孔內，只能沿直線并經超程彈 簧壓迫動觸頭一起作直線運動，因此觸頭支持件與動觸頭的結構方式與現有交流接觸器相 同，不作任何改變。力矩臂比例倍數選取的原則是最大超程時，鐵開距的氣隙達到飽和磁 感應強度Bm值，需要的激磁安匝數很容易達到。例如當超程最大值是3mm，力矩臂比例倍 數選取為3 1，這樣對應動觸頭3mm超程時的鐵心氣隙是1mm，兩段氣隙之和是2mm，需要 2700安匝激磁電流，使鐵心達到飽和磁感應強度Bm = 17000高斯，鐵心吸力大于彈簧斥力 之和。所以本發明采用力矩臂比例倍數為3 1，根據接觸器容量大小和超程差異適當增減 該比例倍數達到最佳方案。注意動鐵心長度線與力矩的固定轉動軸是平行直線，因此動鐵 心質心到固定轉動軸心是短力矩臂的長度，而固定轉動軸心到長力臂帶動連片的短軸心是 長力矩臂長度，二者之比為3 1，因此動鐵心運動距離是以質心運動距離為平均值。力矩 臂有兩種型式一種是杠桿式，如附圖1所示；另一種是相互垂直的直角力矩臂，如附圖2、 3所示。可以將鐵心安放在觸頭支持件的一側，鐵心僅占用鐵心室一半多一點的空間，另一 半空間完全可以成為輔助觸頭室，因此輔助觸頭不必占用交流接觸器的滅弧室兩側位置， 使交流接觸器寬度減小。由于臥式鐵心占用高度低，因此鐵心室高度不比滅弧室高度大，所 以接觸器體積比現有交流接觸器小一半。反力彈簧主要功能是將動鐵心、觸頭支持件、動觸 頭這些連動器件在分斷狀態下，壓縮到最大觸頭開距處保持平衡，動鐵心反應在動觸頭運 動體系中的重力只有鐵心重力的三分之一，因此反力彈簧斥力可相應減小。以上面160A交流接觸器為例選鐵心截面積S = 2. 4cm2，力矩臂比例數為3 1， 超程彈簧最大斥力仍為12公斤力，反力彈簧最大斥力為2公斤斥力，最大斥力之和為14公 斤力，3倍最大斥力等于42公斤力，鐵心飽和磁感應強度Bm = 17000高斯，吸力F3m = 55. 5 公斤力，與彈簧最大斥力之差只有13. 5公斤力。動觸頭最大超程時對應鐵心開距等于1mm， 兩段氣隙之和為2mm，由公式(3)得到2700安匝即可使鐵心飽和。完全可保證鐵心對應超 程范圍內吸力大于彈簧斥力的要求。當觸頭開距最大時，反力彈簧斥力可降到0. 45公斤力，作用在鐵心上等于1. 35公 斤力，這時鐵心開距5mm，氣隙之和是10mm，可驗證27000安匝激磁電流產生鐵心吸力大于 1. 35公斤力，因此鐵心激磁安匝數在電壓波動為下限值時等于或大于2700安匝即能可靠 工作。只要閉合后的激磁安匝數在外電壓波動最低情況下也能保持過飽和狀態下工作，那 么鐵心保持吸合工作就是可靠的。由上面數據知道彈簧初始斥力和最大斥力都與鐵心相應 吸力值之差較小，所以說本發明徹底解決了鐵心吸力特性與彈簧斥力特性較好匹配的技術 難題，實驗充分證明了上述分析數據的正確性。合間或分斷過程中動觸頭速度比動鐵心速 度大3倍，因此彈簧斥力作功，大部分轉化成為動觸頭的動能，公式(1)應改寫為下式<formula>formula see original document page 6</formula>可見動觸頭分斷速度大幅度提高。倍比力矩交流接觸器的技術特征有三個一是采用倍比力矩將動鐵心與觸頭支持 件相連接；二是動鐵心長度線與力矩固定轉動軸平行，動鐵心和力矩一起繞軸轉動；三是 觸頭超程對應鐵心氣隙最大值時，激磁安匝數能使鐵心達到飽和，使鐵心吸力大于彈簧斥 力之和，滅弧室內及觸頭支持件和動觸頭結構形式沒變，使交流接觸器機械性能、電壽命和 分斷能力等技術性能有大幅度提高。
附圖1是杠桿倍比力矩示意圖。1為倍比杠桿力矩，2為固定轉動軸，與動鐵心長度線平行，3為動鐵心，4為可轉動 連片，5為靜鐵心，6為激磁線圈，7為觸頭支持件，8為連片與觸頭支持件連接軸，9為長力臂 與連片連接軸。附圖2是倍比直角力矩示意圖。1為倍比直角力矩，2為固定轉動軸，與動鐵心長度線平行，3為動鐵心，4為可轉動 連片，5為靜鐵心，6為激磁線圈，7為觸頭支持件，8為支持件連片軸，9為長力矩臂軸(固定 轉動軸支架沒有畫出)。附圖3是倍比直角力矩側視圖。1為倍比直角力矩，2為固定轉動軸，3為動鐵心，6為激磁線圈，7為觸頭支持件，10 為固定轉動軸支架座，4、5、8、9本圖沒有顯示出來，沒有標出(見附圖2)，11是卡銷，12是 鐵心室。實際上倍比杠桿力矩及倍比直角力矩中的動鐵心，力矩都是作旋轉運動，而長力 矩臂端點處短軸牽引可轉動連片將轉動轉換成直線運動，與現有交流接觸器中觸頭支持件 運動相一致，因此滅弧室內的結構型式不作變動。而鐵心室則重新設計，直角力矩是將短力 矩臂轉過90°，因此動鐵心轉動方向也隨之改變90°，鐵心臥式安裝使鐵心室高度更低。
實施例以現有160A交流接觸器為例，倍比力矩交流接觸器滅弧室內器件和結構不變，鐵 心室重新設計如下采用倍比直角力矩的臥式鐵心，山字形靜鐵心中心柱寬為1. 5cm，厚為
1.8cm,中心柱截面積為1. 5X 1. 8cm2,壓不緊和對不齊系數影響，設計時按凈鐵心截面積
2.4cm2，采用冷軋硅鋼片，飽和磁感應強度狀態下鐵心吸力最大值為55. 2公斤力，比例倍 比數取3 1，長力矩臂是塑料件卡接在動鐵心兩端，動鐵心插入到力矩臂中一小段而被固 定，動鐵心兩端比靜鐵心長一小段距離，力矩臂下方穿過固定轉動軸后外側由轉動軸支架 擋著，力矩臂則被限制在兩個支架之間，支架是被壓死在鐵心室頂蓋和底板之間被固定。因 此靜鐵心外側在兩個力矩臂中間壓緊在鐵心室底板上。10是固定轉動軸支架，11是固定轉 動軸的卡子，以防止軸串動。反力彈簧最大斥力為2公斤，反力彈簧初始值為0. 45公斤力， 可保證分斷狀態穩定，超程彈簧最大壓力之和為12公斤力，彈簧力總和為14公斤力，3倍為42公斤力，55. 2-42 = 13. 2公斤力，該差值與彈簧合力最大值14公斤力接近，說明鐵心吸 力與彈簧合力產生的斥力初始值及終端值連成的直線接近平行，使斥力特性與鐵心吸力特 性很好的匹配，解決了振動過大的技術難題。當電源電壓波動降低到下限值時，激磁安匝數 仍保證鐵心處于過飽和狀態下工作，這樣有外界干擾振動倍比力矩交流接觸器工作也是可 靠的。電磁鐵在觸頭支持件一側，另一側放輔助觸頭，這樣接觸器寬度減小，而鐵心臥放高 度不會超過4cm，鐵心室高度小。激磁電壓為直流，高電壓時的激磁安匝數按2700安匝設計 激磁線圈即可。綜上所述，本發明倍比力矩交流接觸器采用倍比力矩將動鐵心行程按比例倍數減 小，這樣就將彈簧斥力特性與鐵心吸力特性相匹配，使二者上升速率接近。這不但節省了原 材料，同時提高了電磁鐵使用壽命，改善了電磁鐵動作的運行時間，從而提高了電磁鐵運行 的可靠性和控制靈敏性，使技術性能有較大提高。倍比力矩交流接觸器采用動鐵心與觸頭支持件之間通過倍比力矩相連接，力矩臂 比例倍數K大于2以上，因此觸頭開距與超程之和是鐵心開距最大值的K倍，鐵心吸合時 進入超程后磁感應強度達到飽和值，鐵心閉合后激磁直流高電壓轉變成低電壓，但激磁電 流使鐵心總是處于過飽和狀態下工作，因此吸合及分斷過程動觸頭運動速度比動鐵心大K 倍，動觸頭最大開距及超程之和比鐵心開距大K倍，動觸頭分斷速度大，燃弧時間短，銀觸 頭燒損量減小，鐵心在飽和狀態下工作吸力增大而截面積可減小，鐵心開距小激磁電流可 減小，因而硅鋼片和線圈導線使用量可減小，同時振動減小，提高接觸器的機械壽命、電壽 命和分斷能力。
權利要求
倍比力矩交流接觸器采用倍比力矩將動鐵心與觸頭支持件軟連接的結構，短力矩臂與動鐵心為剛性連接并一起繞固定轉動軸轉動，動鐵心長度線與力矩固定轉動軸平行，長力矩臂經可轉動的連片與觸頭支持件連接，并使觸頭支持件作直線運動，而觸頭支持件與動觸頭之間及滅弧室中結構形式基本不變，力矩比例倍數K大于2以上，這樣動觸頭的最大開距及超程之和的距離是鐵心最大開距的K倍，鐵心吸合過程中達到磁感應強度為飽和值時的鐵心氣隙應等于超程最大值的K分之，飽和磁感應強度時鐵心吸力與反力彈簧及超程彈簧合力最大值之差應該與彈簧合力最大值接近，這是選取電磁參數與反力彈簧及超程彈簧合力及力矩比例數關系的最佳方案。
2.根據權利要求1所述，倍比力矩可以采用杠桿式或相互垂直的直角力矩形式，鐵心 也可以直立式或臥式，但鐵心總是放在觸頭支持件一側，觸頭支持件另一側放置輔助觸頭 或其它器件。
全文摘要
倍比力矩交流接觸器采用動鐵心與觸頭支持件之間通過倍比力矩相連接，力矩臂比例倍數K大于2以上，因此觸頭開距與超程之和是鐵心開距最大值的K倍，鐵心吸合時進入超程后磁感應強度達到飽和值，鐵心閉合后激磁直流高電壓轉變成低電壓，但激磁電流使鐵心總是處于過飽和狀態下工作，因此吸合及分斷過程動觸頭運動速度比動鐵心大K倍，動觸頭最大開距及超程之和比鐵心開距大K倍，動觸頭分斷速度大，燃弧時間短，銀觸頭燒損量減小，鐵心在飽和狀態下工作吸力增大而截面積可減小，鐵心開距小激磁電流可減小，因而硅鋼片和線圈導線使用量可減小，同時振動減小，提高接觸器的機械壽命、電壽命和分斷能力。
文檔編號H01H50/30GK101826420SQ20101010675
公開日2010年9月8日 申請日期2010年2月9日 優先權日2010年2月9日
發明者王有元 申請人:王有元;王東海