專利名稱：具有ptc熱敏電阻的電動機起動繼電器裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及繼電器裝置，特別是涉及一種電動機起動繼電器裝置，它利用了例如正特性熱敏電阻的一種正溫度系數(PTC)電阻元件的正溫度特性。
依靠正特性(PTC)熱敏電阻的電阻溫度特性來工作的繼電器裝置已經被廣泛地用于起動冰箱或空調器壓縮機的電動機。這種電動機起動繼電器裝置被用來操作電容起動型或分相起動型電動機的起動器電路;也就是說，它的工作方式是一種非延時繼電器。
在已經過審查的日本實用新型公開(公告)昭58-34722/(1983)，已經過審查的日本專利公開(公告)昭63-18817/(1988)，以及未審查的日本新型申請(公開)平2-2802/(1990)中描述了使用一PTC熱敏電阻的慣用的電動機起動繼電器裝置。
在
圖10中示出了一種慣用的分相起動型單相電動機，其中PTC熱敏電阻101連接在電動機102的一個輔助繞組104上。在接通電源開關106起動電機后的最初時間期間，熱敏電阻101的溫度很低，從而構成一個數十歐姆(Ω)的低電阻元件。由于由PTC熱敏電阻的低電阻和輔助繞組104的電感所確定的輔助繞組電路的阻抗與由主繞組103的電感所確定的阻抗不同，輔助繞組104中的電流I2與電機102的主繞組103中的電流I1形成相位移。這一相位差導致出現一個旋轉磁場，結果使電機的轉子開始轉動。在電機起動之后，PTC熱敏電阻101自身隨著時間的推移而發熱;從而使其溫度升高，其電阻由此而急劇增大(到數十千歐(KΩ)甚至數百千歐(KΩ))，最終使流經輔助繞組104的電流I2急劇下降到僅有一個微電流(幾個毫安(mA))。這樣，電機102就可以在穩定狀態下轉動。從以上描述可見，PTC熱敏電阻構成一個低阻值的起動電阻，并且能變成一個大電阻元件使流經輔助繞組104的電流I2急劇下降成為微弱電流。也就是說，PCT具有一個繼電器裝置的功能，它能使輔助繞組基本實現開路。
如上所述，在慣用的PTC繼電器裝置，PTC熱敏電阻是被用做一個大電阻元件使輔助繞組基本上實現開路。因此，在電機穩態工作期間，PTC熱敏電阻必需要產生熱量來維持其高電阻值。其結果，PTC熱敏電阻將會消耗高3至4瓦特的電能。
另一方面，PTC熱敏電阻需要具備用于繼電器操作的大電阻，并且要滿足其作為低阻值起動電阻的操作要求。因此，在僅用一個PTC熱敏電阻的現有技術中，PTC熱敏電阻的所需電阻溫度特性是確定的，從而很難減少繼電器裝置的功率損耗。
因此，本發明的一個目的就是解決上述慣用的電機起動繼電器裝置中的問題。更確切地說，本發明的目的提供一種電機起動繼電器裝置，其中的初始電阻值被維持在很低，并且在熱平衡期間的功率消耗被大大地減少了。
本發明的上述目的是通過提供這樣一種繼電器裝置來完成的，它包括至少二個正特性(PTC)熱敏電阻，稱為第一和第二(PTC)熱敏電阻，以及一個熱開關(受熱動作的開關)，按照本發明，其中第一PTC熱敏電阻的一端連接到第一外部連接端子，其另一端連接第二PTC熱敏電阻的一端，第二PTC熱敏電阻的另一端連接到第二外部連接端子，熱開關與第一和第二PTC熱敏電阻形成熱偶合，并且與第二PTC熱敏電阻并聯連接，熱開關在不受熱時保持閉合，并且由第一或第二PTC熱敏電阻所產生的熱量使之打開。
在本發明的繼電器裝置中，如上所述，第一PTC熱敏電阻的一端連接到第一外部連接端子，其另一端連接第二PTC熱敏電阻的一端，后者的另一端連接到第二外部連接端子，并且熱開關被連接成與第二PTC熱敏電阻并聯且在不受熱時保持閉合。因此，當有電壓施加在外部連接端子之間時，在緊隨電壓施加之后的最初時間期間，第二PTC熱敏電阻被處于閉合狀態的熱開關短路，從而使電壓完全加在第一PTC熱敏電阻上，使后者發熱。在這種情況下，繼電器裝置的初始電阻值由第一PTC熱敏電阻確定，并且因此可以用冷態值很低的PTC熱敏電阻作為第一PTC熱敏電阻，從而把初始電阻設定為一個低值。
熱開關與第一PTC熱敏電阻形成熱偶合，從而使其響應第一PTC熱敏電阻產生的熱量而打開。這樣，一旦由于第一PTC熱敏電阻發熱的溫度達到了熱開關的操作溫度，后者就會由于第一PTC熱敏電阻產生的熱量被打開。
熱開關還被連接到第二PTC熱敏電阻上，因此，當熱開關按上述方式被打開時，第一和第二PTC熱敏電阻就構成串聯電路，從而使加在第一和第二外部連接端子之間的電壓被施加到第一和第二PTC熱敏電阻的串聯電路兩端，并且由此使第二PTC熱敏電阻也會發熱。
結果，與第二PTC形成熱偶合的熱開關被第二PTC熱敏電所產生的熱量打開。因此，已經由第一PTC熱敏電阻產生的熱量打開的熱開關主要由第二PTC熱敏電阻產生的熱量維持打開狀態。
在操作中，電路的功率消耗是第一和第二PTC熱敏電阻功率消耗的總和。因此，可以通過這樣的設計方案來減少電路的功率消耗，即使得在熱平衡期間的功率消耗小于僅有第一PTC熱敏電阻起動作用時的電路功率消耗。這樣，可以把緊隨電源開關接通之后的最初期間的初始電阻設定為一個很小的值，并且能大大減少熱平衡期間的功率消耗。通過適當地調整第一和第二PTC熱敏電阻之間的電和熱的關系，使二者適當地分配電路中的電壓，就可以使第二PTC熱敏電阻開始并且提前產生熱量。通常，當熱開關被打開時，第一PTC熱敏電阻的阻值已經達到了一個高值。因此，為了使第二PTC熱敏電阻與第PTC熱敏電阻與第一PTC熱敏電阻分享電壓，以便轉換熱開關的熱量來源，我們希望第二PTC熱敏電的尺寸較小并且電阻值較高。為此，采用由第一PTC熱敏電阻對第二PTC熱敏電阻進行預加熱的方式是很有效的。
通過以下結合附圖的詳細描述以及附加的權利要求書可以更清楚認識到本發明的性質，效果和工作原理。
在附圖中圖1A表示按照本發明的電機起動繼電器裝置的一個電路圖;
圖1B是用于說明繼電器裝置的動作的電路圖;
圖2A-2C是本發明繼電器的結構圖;
圖3表示適合本發明的繼電器裝置的PTC熱敏電阻的電阻溫度特性曲線;
圖4也是一個電阻溫度特性曲線圖，它表示同樣適用于本發明的繼電器裝置的其他PTC熱敏電阻的特性;
圖5是一個電路圖，表示采用本發明的繼電器裝置的電機起動電路;
圖6是用于解釋電機起動電路工作方式的一個電路圖;
圖7、8、9表示出了使用本發明繼電器裝置的其他電機起動電路的電路圖;以及圖10表示采用一個PTC繼電器裝置的普通電機起動的電路的電路圖。
按照本發明的繼電器裝置具有如圖1A和1B所示的電路。
該電路包括第一和第二正特性(PTC)熱敏電阻1和2;以及一個熱開關(熱操作開關)3。電路中應有至少二個PTC熱敏電阻。第一PTC熱敏電阻1的一端連接到外部連接端子4，其另一端連接到第二PTC熱敏電阻2的一端。第二PTC熱敏電阻2的另一端連接到另一個外部連接端子5上。也就是使第一和第二PTC熱敏電阻1和2相互串聯連接。
熱開關3與第一和第二PTC熱敏電阻1和2形成熱偶合，并且與第二PTC熱敏電阻2并聯連接。熱開關3在不受熱時保持閉合。
如上所述，第一和第二PTC熱敏電阻1和2相互串聯連接，而熱開關3與第二PTC熱敏電阻2并聯連接，并且在不受熱時保持閉合。當有電壓V加到外部連接端子4和5之間時，由于第二PTC熱敏電阻2被閉合的熱開關3短路，電壓V完全加在第一PTC熱敏電阻上，從而使其發熱。在這種情況下，繼電器裝置的初始電阻值由第一PTC熱敏電阻1的冷態(室溫)電阻值來確定。因此，如果把第一PTC熱敏電阻1的冷態電阻定為一個低值，就能把上述初始電阻值設定為一個低值。
本發明繼電器裝置的結構如圖2A，2B和2C所示。
第一和第二PTC熱敏電阻1和2按這樣的方式被固定在一個樹脂的外殼20中，使二者通過一個公共電極25相互面對。如2C中所示，熱開關3連接到公共電極25的下端。由觸點彈簧端子41和51分別支撐相互面對的第一和第二PTC熱敏電阻1和2的外表面，端子41和51分別與外部連接端子4和5形成整體。外部連接端子5具有一個觸點32與熱開關3觸點相接觸。
熱開關3通過公共電極25與第一PTC熱敏電阻形成熱偶合，并且響應第一PTC熱敏電阻1產生的熱量被打開。更具體地說，當第一PTC熱敏電阻1發熱的溫度隨著時間的延長升高到熱開關3的操作溫度時，熱開關3就響應第一PTC熱敏電阻1產生的熱量而打開，如圖1B中所示。
熱開關3與第二PTC熱敏電阻2并聯連接。因此，當開關3按上述方式被打開時，第一和第二PTC熱敏電阻1和2就構成一個串聯電路。結果，電壓V被加在第一和第二PTC熱敏電阻1和2的串聯電路兩端，使第二PTC熱敏電阻2也發熱。在這種情況下，電路的功率消耗是第一PTC熱敏電阻1的功耗P1和第二PTC熱敏電阻2的P2的總和。因此，如果把電路設計成只流過較小的電流，就可以在熱平衡期間降低總的功率消耗P。更進一步，總的功率消耗P可以小于僅有第一PTC熱敏電阻1起作用時的PO。
熱開關3通過公共電極25與第二PTC熱敏電阻2形成熱偶合，并且響應電阻2的發熱而打開。因此，已經由第一PTC熱敏電阻1產生的熱量打熱開關3由第二PTC熱敏電阻2產生的熱量維持打開狀態。
圖3表示第一和第二PTC熱敏電阻1和2的電阻溫度特性。更確切地說，曲線L1和L2分別表示第一和第二PTC熱敏電阻1和2的電阻溫度特性。
在熱平衡期間，在熱平衡溫度T11處的第一和第二PTC熱敏電阻1和2的串聯電路合成電路(R11+R12)被設計成大于在熱平衡期間(在熱平衡溫度T01處)僅有第一PTC熱敏電阻1起作用時的電路電阻R01，從而使電路中的電流減小，并由此降低了功率消耗。繼電器裝置包括兩個PTC熱敏電阻，也就是第一和第二PTC熱敏電阻1和2。因此，初始電阻由第一PTC熱敏電阻1構成，而合成電阻(R11和R12)則根據PTC熱敏電阻2的PTC熱敏電阻特性來確定。這樣就可以把緊隨電源開關接通之后的初始電阻設定為一個很小的值，并且能在熱平衡期間大大減少功率消耗。
第二PTC熱敏電阻2在溫度T11處的電阻R21大于第一PTC熱敏電阻1在同一溫度T11處的電阻R11。因此，當熱開關3打開時，加在第二PTC熱敏電阻2上的電壓大于第一PTC熱敏電阻1上的電壓，從而必然會使第二PTC熱敏電阻2提前發熱。
在圖3所示情況下，第一和第二PTC熱敏電阻1和2的居里點是基本相等的，也就是說其居里點基本上都在TS1。另一方面，如圖4中所示，第二PTC熱敏電阻2的居里點TS2可以低于第一PTC熱敏電阻1的居里點TS1。在這種情況下，當熱開關被第一PTC熱敏電阻1產生的熱量打開時，第二PTC熱敏電阻2的發熱必然被提前。
第一和第二PTC熱敏電阻1和2通過公共電極25相互面對。因此，第一PTC熱敏電阻1可使第二PTC熱敏電阻2預熱，從而有可能在熱開關3打開時改變兩個熱敏電阻間的電壓分配比例。
最好使第二PTC熱敏電阻2的體積小于第一PTC熱敏電阻1;也就是說使前者的熱容量小于后者，從而在熱開關3被打開時使第二PTC熱敏電阻2加速發熱。
在電機已經停止并且需要馬上重新起動的情況下，使用熱容量小的PTC熱敏電阻是有益的。這時PTC熱敏電阻可以快速地被冷卻并再次變成導電狀態并使熱開關閉合，從而使電機能在短時內再起動。
熱開關3有一個類似電樞熱操作片31，它裝在第一PTC熱敏電阻1的側面。這一結構有益于使第一PTC熱敏電阻1產生的熱量很快傳送到熱操作片31上，從而使第二PTC熱敏電阻2加速發熱，熱開關3可以雙金屬或開關記憶合金構成。開關3被直接或間接連接到第一和第二PTC熱敏電阻1和2。當開關3打開時，電流已經被第一PTC熱敏電阻1大大減小了。因此，對于構成熱操作片31的觸點以及觸點32的材料沒有特殊的限制。
圖5表示采用本發明繼電器裝置的一個電機起動電路。該電路包括一個單相電機;主繞組61，輔助繞組62;本發明的繼電器裝置7;電源8;以及電源開關9。繼電器裝置7的外部連接端子4連接到輔助繞組62，而外部連接端子5接到電源線上。
如圖6所示，在緊隨著電源開關9閉合之后，即在電機起動時，第一PTC熱敏電阻1作為一個低電阻元件工作。由這低電阻和輔助繞組62的電感所確定的輔助繞組一側的電路阻抗與主繞組61的電感所確定的主繞組一側的電路阻抗之間的差別使流經輔助繞組62的電流I2與流經主繞組61的電流I1之間出現相位差。這一相位差導致出現一個旋轉磁場，使電機的電樞(未示出)開始轉動。
在電機起動之后，當第一PTC熱敏電阻1產生的溫度達到熱開關3的操作溫度時，如圖6所示，熱開關3被第一PTC熱敏電阻1產生的熱量打開。
熱開關3與第二PTC熱敏電阻2并聯連接。因此，當開關3按上述方式打開時，第一和第二PTC熱敏電阻1和2構成一個串聯電路，使加在外部連接端子4和5之間的電壓作用在第一和第二PTC熱敏電阻1和2的串聯電路兩端，并使第二PTC熱敏電阻也發熱。
與第二PTC熱敏電阻2形成熱偶合的熱開關3依靠第二PTC熱敏電阻2產生的熱量打開。因此，已經由第一PTC熱敏電阻1產生的熱量打開的熱開關3主要依靠第二PTC熱敏電阻2產生的熱量維持打開狀態。由此，采用了本發明的電機起動繼電器裝置，可以減少穩態操作期間的功率消耗。
本發明的電機起動電器裝置是采用PTC熱敏電阻構成的，這些熱敏電阻的初始電阻值的數量級為3.3Ω至22Ω，并且其直徑的量級為14mm至20mm。在采用這種繼電器裝置時，熱敏電阻在穩態操作期間的功率消耗1.9至2.0W，而普通繼電器裝置則為3至4W。
更進一步值得注意的是，如果在繼電器裝置中使用具有如圖3和4中所示的較陡削的電阻-溫度特性的PTC熱敏電阻，就可以進一步減少功率消耗。
圖7至圖9表示電機起動電路，其中在功能上參照圖5已描述過的對應部分采用了一致的標號。各個電機起動電路都采用本發明的繼電器裝置。在這些圖中，標號10和11表示起動電容器。
本發明的繼電器裝置具有以下效果或優點如上所述，繼電器裝置中第一PTC熱敏電阻的一端連接到第一外部連接端子，其另一端連接到第二PTC熱敏電阻的一端，第二PTC熱敏電阻的另一端連接第二外部連接端子，而熱開關與第二PTC熱敏電阻并聯連接，并且在不受熱時保持閉合。這樣，繼電器裝置的初始電阻取決于第一PTC熱敏電阻。因此，在本發明的繼電器裝置中把第一PTC熱敏電阻的冷態電阻值設定為一個低值。也就是說，由于第一PTC熱敏電阻的冷態電阻值是這樣設置的，本發明的繼電器裝置中的初始電阻很低。
熱開關與第一和第二PTC熱敏電阻形成熱偶合，并且與第二PTC熱敏電阻并聯連接。開關在不受熱時保持閉合，并且由第一或第二PTC熱敏電阻產生的熱量打開。因此，在本發明的繼電器裝置中，在緊隨電源開關接通之后的最初時間段內的初始電阻值很小，并且在熱平衡期間的功率消耗很小。
熱開關與第二PTC熱敏電阻形成熱偶合，并且由后者所產生的熱量打開。因此，在本發明的繼電器裝置中，已經由第一PTC熱敏電阻產生的熱量打開的熱開關主要由第二PTC熱敏電阻產生的熱量來維持穩定的打開狀態。
盡管上文中是結合最佳實施例來描述本發明的，顯而易見的是，本領域中的熟練人員可以在不脫離本發明的條件下做出各種變更和修改，因此，附加的權利要求書的目標是要覆蓋所有這些屬于本發明的原理和范圍內的變更和修改。
權利要求
1.一種用于起動電動機的繼電器裝置包括第一PTC熱敏電阻，其第一端連接到一個第一外部連接端子；第二PTC熱敏電阻，其第一端連接到第二外部連接端子，并且其第二端連接到上述第一PTC熱敏電阻的第二端；以及一個與上述第一和第二PTC熱敏電阻形成熱偶合的熱開關，與所述第二PTC熱敏電阻并聯連接，上述熱開關在未受熱時保持閉合，并且由上述第一和第二PTC熱敏電阻所產生的熱量打開。
2.如權利要求1的繼電器裝置，其特征是進一步包括一個設在相互面對的上述第一和第二PTC熱敏電阻之間的公共電極，上述公共電極與上述熱開關連接，從而使上述第一和第二PTC熱敏電阻、上述公共電極以及上述熱開關形成熱偶合。
3.如權利要求1的繼電器裝置，其特征是，上述熱開關由上述第一PTC熱敏電阻產生的熱量打開，并在此后主要由上述第二PTC熱敏電阻產生的熱量維持打開關狀態。
4.如權利要求1的繼電器裝置，其特征是上述第二PTC熱敏電阻在熱平衡期間的功率消耗小于上述第一PTC熱敏電阻在熱平衡期間的功率消耗。
5.如權利要求1的繼電器裝置，其特征是，上述第一和第二PTC熱敏電阻在使上述熱開關保持打開時的功率消耗總和小于上述熱開關保持閉合時上述第一PTC熱敏電阻的功率消耗。
6.如權利要1的繼電器裝置，其特征是，當上述第一和第二PTC熱敏電阻處于一個相同溫度下時，上述第二PTC熱敏電阻的電阻值大于上述第一PTC熱敏電阻的電阻值。
7.如權利要求1的繼電器裝置，其特征是，上述第二PTC熱敏電阻的居里點比上述第一PTC熱敏電阻的居里點低。
8.如權利要求1的繼電器裝置，其特征是上述第二PTC熱敏電阻的體積小于上述第一PTC熱敏電阻。
9.如權利要求1的繼電器裝置，其特征是上述熱開關具有一個設在上述第一PTC熱敏電阻一側的熱操作片。
10.如在前的任一項權利要求的繼電器裝置，其特征是它被用于起動一臺電動機。
全文摘要
在一個繼電器裝置中，第一PTC熱敏電阻的一端連接到第一外部連接端子，其另一端連接到第二PTC熱敏電阻的一端，后者的另一端連接到第二外部連接端子，以及一個熱開關與第一和第二PCT熱敏電阻形成熱偶合，并且與第二PTC熱敏電阻并聯連接。熱開關在不受熱時保持閉合，并且由第一或第二PTC熱敏電阻產生的熱量打開。因此，繼電器裝置的初始電阻很低，并且在熱平衡期間的功率消耗較小。
文檔編號H02P1/04GK1089766SQ9311414
公開日1994年7月20日 申請日期1993年9月30日 優先權日1992年10月2日
發明者竹內通一, 野原洋 申請人:Tdk株式會社