可复位的开关装置.pdf

一种可复位的开关装置，如继电器，包括固定触点(18)和可动触点(28)。电磁线圈(2)相对于固定触点固定，并且铁磁体插棒式铁芯(20)装着可动触点。弹簧(24)使插棒式铁芯偏离固定触点，因此装置是常开的。当安装该装置时，另一个铁磁体件，如插棒式铁芯(22)，克服弹簧(24)的作用，利用磁吸力将第一插棒式铁芯(20)保持在触点闭合位置。当电磁线圈中存在预定的电流条件时，铁磁体件和插棒式铁芯之间的磁吸力减少至保持插棒式铁芯所必需的大小以下，因此可动触点与固定触点脱开。

1.  一种可复位的开关装置，包括至少一个固定触点和至少一个装在可动触点支座上的可动触点；该可动触点支座包括第一铁磁体件，相对于该固定触点固定的电磁线圈；将触点支座向着可动触点不与固定触点接合的第一位置偏移的弹性偏移装置；和利用磁吸力克服弹性偏移作用将第一铁磁体件吸引至并保持在第二位置的第二铁磁体件；该可动触点在第一铁磁体件的第二位置与固定触点接合；其中当在电磁线圈中存在预定的电流条件时，第二铁磁体件和第一铁磁体件之间的磁吸力减小至将第一铁磁体件保持在第二位置的必需的大小以下，因此第二铁磁体件将第一铁磁体件松开，并在弹性偏移的作用下向着第一位置运动，并且，可动触点与固定触点脱开。

2.  如权利要求1所述的可复位的开关装置，其中第一铁磁体件为永久磁铁；并且其中，第二铁磁体件克服另一个弹性偏移装置的作用在电磁线圈中向着永久磁铁运动，通过磁性吸住后者；并且在另一个弹性偏移装置的作用下，当松开第二铁磁体件时将触点支座吸引至第二位置。

3.  如权利要求2所述的可复位的开关装置，其中该永久磁铁装在可动触点支座内。

4.  如权利要求2或3所述的可复位的开关装置，其中永久磁铁和第二铁磁体件克服将它们分开的第一和第二弹性偏移装置的作用，利用它们之间的吸力保持在一起；该预定的电流条件为存在足够大小和一定方向的电磁线圈电流，以感应与永久磁铁磁场相反的磁场，使永久磁铁和第二铁磁体件之间的吸力比将它们分开的弹性偏移装置的力小。

5.  如权利要求2或3所述的可复位的开关装置，其中永久磁铁和第二铁磁体件中的一个具有非铁磁体的隔片，该隔片使它们之间隔开最小，使得第二铁磁体件只有利用电磁线圈电流产生的超过预定阈值的附加的磁吸力，才能吸住永久磁铁；该预定的电流条件为电磁线圈电流减小至阈值以下。

6.  如权利要求1所述的可复位的开关装置，其中第二铁磁体件包括可在电磁线圈中滑动的插棒式铁芯，第一和第二铁磁体件由互相彼此分开的各个弹性偏移装置偏移；其中该插棒式铁芯克服其弹性偏移力可在电磁线圈中运动，利用磁性吸住第一铁磁体件。

7.  如权利要求6所述的可复位的开关装置，其中作用在插棒式铁芯上的弹性偏移力足够大，以克服作用在第一铁磁体上的弹性偏移力；当松开插棒式铁芯时，在没有所述预定的电流条件下，后者将第一铁磁体件吸引至并保持在所述第二位置上。

8.  如权利要求7所述的可复位的开关装置，其中当第一铁磁体件在第二位置上时，由各个弹性偏移装置产生的力的差别基本上是固定触点和可动触点之间压力的唯一决定因素。

9.  如权利要求6、7或8所述的可复位的开关装置，其中第一和第二铁磁体件克服将它们分开的各个弹性偏移装置的力，利用电磁线圈电流感应的超过预定阈值的磁吸力保持在一起；该预定的电流条件为电磁线圈电流减小至阈值以下。

10.  如权利要求9所述的可复位的开关装置，它直接或间接地从属于权利要求6，其中当第一铁磁体件在第二位置上时，在吸住元件上的电磁力基本上为固定触点和可动触点之间压力的唯一决定因素。

11.  如权利要求6、7或8所述的可复位的开关装置，其中第一和第二铁磁体件克服将它们分开的各个弹性偏移装置的作用，利用至少一个铁磁体件的永久磁性保持在一起；该预定的电流条件为存在足够大小和一定方向的电磁线圈电流，以感应与永久磁铁磁场相反的磁场，使得铁磁体件之间的吸力比分开它们的弹性偏移装置的力小。

12.  如权利要求6～11中任一项所述的可复位的开关装置，其中第一和第二铁磁体件为从相反端进入电磁线圈的各个插棒式铁芯。

13.  如权利要求1所述的可复位的开关装置，其中第二铁磁体件包括固定的磁极片，该第一铁磁体件克服其弹性偏移的力，被足够大的电磁线圈电流感应的磁吸力吸向该磁极片；并由超过预定阈值的电磁线圈电流感应的磁吸力，由该磁极片将第一铁磁体件保持在第二位置上，该电磁线圈电流比所述足够大的电流小，该预定的电流条件为电磁线圈电流减小至阈值以下。

可复位的开关装置
技术领域
本发明涉及用于关闭、保持关闭和打开一组电气触点的可复位的开关装置。该装置可以用在例如剩余电流装置、断路器、继电器的应用场合和类似的应用场合中。
发明内容
根据本发明，提供了一种包括至少一个固定触点和至少一个装在可动触点支座上的可动触点的可复位的开关装置。该可动触点支座包括：第一铁磁体件，相对于该固定触点固定的电磁线圈，使触点支座向着可动触点不与固定触点接合的第一位置偏移的弹性偏移装置，和第二铁磁体件，该第二铁磁体件利用磁吸力克服弹性偏移的作用，将第一铁磁体件拉出并保持在第二位置上。可动触点在第一铁磁体件的第二位置与固定触点接合。其中当在电磁线圈中存在预先预定的电流条件时，第二铁磁体件和第一铁磁体件之间的磁性吸力减小至将第一铁磁体件保持在第二位置所必需的水平以下，因此，第二铁磁体件将第一铁磁体件松开，并且第一铁磁体件在弹性偏移力的作用下向着第一位置运动；可动触点与固定触点脱开。
附图说明
现参照附图，利用例子来说明本发明的实施例，其中：
图1为触点打开时的本发明第一实施例的示意图；
图2表示触点关闭时的第一实施例；
图3为触点打开时的本发明第二实施例的示意图；
图4表示触点关闭时的第二实施例；
图5为触点打开时的本发明第三实施例的示意图；
图6表示触点关闭时的第三实施例；
图7为触点打开时的本发明第四实施例地示意图；
图7A为触点打开时的图7所示的可动触点支座的侧视图；
图8为当复位按钮向上推，开始关闭触点时的与图7相似的第四实施例的图；
图9为与图7相似的，表示触点关闭时的第四实施例的图；
图9A为触点关闭时的图7所示的可动触点支座的侧视图；
图10为触点打开时的本发明第五实施例的示意图。
在这些图中，利用相同的标号表示相同或相当的部件。
具体实施方式
首先，参见图1和图2，该装置安装在印刷电路板(PCB)10上，或包括该装置的电气设备的其他元件上。包括线圈架14和绕组16的一个固定电磁线圈12安装在PCB 10上；并且在PCB 10的任何一侧，在PCB上还安装着相应的一对固定电气触点18(所谓铆钉触点)。第一铁磁体插棒式铁芯20可滑动地安装在电磁线圈的顶端，而第二铁磁体插棒式铁芯22可滑动地安装在电磁线圈的底端(术语“取向”，如“顶部”和“底部”，是指在图中看的装置的取向，并不限制使用中的取向)。每一个插棒式铁芯都由相应的压缩弹簧24、26弹性地偏移。弹簧使插棒式铁芯20、22相互彼此离开地偏移，因此，每一个插棒式铁芯被相应的弹簧在离开电磁线圈12的方向上推动。第一插棒式铁芯20在与该插棒式铁芯机械连接的触点支座30上带有可动的跨接式电气触点28。第二插棒式铁芯22具有一个手动的复位按钮27。
图1表示在绕组16中没有电流流过或电流可忽略不计的情况。在这种情况下，插棒式铁芯20、22被其相应的弹簧24、26分开，在它们之间形成一个相当大的气隙32。特别是，插棒式铁芯20保持在第一位置，而跨接式电气触点28与固定触点18脱开。
当电流流过绕组16时，产生电磁力，该电磁力在两个插棒式铁芯20、22之间感应磁吸力。在使用该装置时，这个电流的值选择得足够低，以避免插棒式铁芯之间的气隙自动关闭，但仍在下述的预定阈值以上。这样，虽然每一个插棒式铁芯可以克服其相应的偏移弹簧的作用而稍微地向着另一个插棒式铁芯运动，但两个插棒式铁芯之间的磁吸力不足以显著减小该气隙32。
然而，如果克服弹簧26的偏移力，手动将插棒式铁芯22向上推入线圈架14中，使两个插棒式铁芯之间的气隙32大大减小，则在两个插棒式铁芯之间感应的磁吸力将增大至插棒式铁芯22靠磁力拖曳插棒式铁芯20的程度。弹簧24、26设计成使推动所带插棒式铁芯向下的弹簧26足够强，以克服推动所带插棒式铁芯向上的弹簧24。因此，如果插棒式铁芯22现在松开，则它会再次向下，向着其初始(图1)位置运动。这会吸引插棒式铁芯20向下，并进一步进入电磁线圈12的线圈体中。结果，机械连接的可动触点支座30也被吸引向下。当可动的跨接式触点28停止(在压力作用下)在固定触点18上，从而关闭常开触点时，插棒式铁芯20的向下移动停止。
只要流经绕组16的电流值比上述的预定阈值大，即电流值足以在吸住的插棒式铁芯之间感应的磁吸力比使插棒式铁芯分开的弹簧24、26的力大，则插棒式铁芯20将保持在这个第二位置上。这称为稳定状态磁力。然而，如果流过绕组16的电流值减小至预定阈值以下，则稳态的磁力减小，并且弹簧24、26的力使两个插棒式铁芯分开，从而允许每一个插棒式铁芯回复至其初始(图1)位置，而跨接式触点28与固定触点18脱开。
图1和图2的实施例称为电气锁住机构，因为只有当足够大小的电流经过电磁线圈绕组16时，该机构才可以锁住。图3和图4所示的第二实施例提供了一种机械式锁住机构，它可以在没有电流流过绕组时锁住。在图3和图4所示的实施例中，插棒式铁芯20用尺寸基本上与插棒式铁芯20相同但为永久磁铁的插棒式铁芯120代替。在其他所有方面，图3和图4的实施例的结构与图1和图2的结构相同。
在开始的打开状态下(图3)，没有或只有可忽略不计的电流流过绕组16。由插棒式铁芯120的永久磁性产生的插棒式铁芯120和22之间的磁吸力还不足以将两个插棒式铁芯吸引在一起(即：大大减小两个插棒式铁芯之间的气隙32)。然而，当手动将插棒式铁芯22推入线圈架14中时，气隙32大大减小，插棒式铁芯22可依靠磁性吸住插棒式铁芯120。当插棒式铁芯22松开时，它向着其第一个(图3)位置运动，在相同方向上吸引插棒式铁芯120和可动触点支座30。当可动触点28与固定触点18接合时，被吸住的插棒式铁芯22、120和触点支座30静止。现在，该装置处在关闭状态(图4)。
在这个条件下由永久磁铁(插棒式铁芯120)产生的磁力称为稳态磁力，并且足够强大，可克服力图使它们分开的弹簧24、26的综合力，并可通过在额定负载电流下的适当的接触压力保证可靠的工作。
流过绕组16的电流在电磁线圈内形成电磁场。根据电流极性的不同，这个磁场可以与永久磁铁的磁场方向相同或相反。如果电磁场的方向相反，则将插棒式铁芯22、120保持在一起的稳态磁力将减小。通过从可忽略的水平增大流过绕组16的电流值，最终将会达到这样一种状态，其中插棒式铁芯之间的净磁吸力不再强大至可克服将它们分开的弹簧24、26的力而将它们保持在一起的大小，这时，插棒式铁芯将弹开，并回复其至开始位置(图3)。通过绕组的电流所产生的磁力只需达到将净磁力削弱至使插棒式铁芯分开的水平的大小即可。这意味着，可使通过线圈的电流大小优化，以达到打开触点又不致造成功率浪费或因使用较大电流造成的零件应力的问题。
在图1～图4的实施例中，两个插棒式铁芯的截面是均匀的，每一个插棒式铁芯的一部分延伸至电磁线圈体的外面。由于插棒式铁芯之间的气隙，开始时，电磁线圈在每一个插棒式铁芯上产生吸引力，力图将每一个插棒式铁芯吸引至电磁线圈体中，并使气隙最小。稳态电磁力本身不足以封闭该气隙。然而，如上所述，当两个插棒式铁芯之间的气隙封闭时，开始有一个加在两个插棒式铁芯上的定向力，试图将插棒式铁芯吸入电磁线圈体中。然而，一旦两个插棒式铁芯吸住，则由于两个插棒式铁芯截面是均匀的，和甚至当触点关闭时插棒式铁芯的一部分仍延伸在电磁线圈体的外面，因此这个定向力中止。由于弹簧24和26的力之间的差别，完全成为一个净的向下力，只利用电磁力来保持两个插棒式铁芯吸住。这种结构容易定量稳定触点压力，并利用两个弹簧进行控制。因此，该两个弹簧基本上成为在触点关闭时，固定触点和可动触点之间压力的唯一决定性因素。
然而，如果希望的话，也可以利用电磁力来构成或确定触点压力。这点可通过改进插棒式铁芯的设计使得在吸住后在插棒式铁芯上保持定向力来达到。例如，插棒式铁芯的材料可以不同，或者将插棒式铁芯20/120制成锥度，使得上边部分的横截面积比下边部分的大。由于插棒式铁芯上边部分的横截面积较大，电磁线圈在所有时间内都将向下的拉力作用在插棒式铁芯20/120上。在这种结构下，可将弹簧26设计成使其力等于或小于弹簧24的力；这样，当触点关闭时，在吸住的插棒式铁芯上的电磁力基本上是固定触点和可动触点之间的压力的唯一决定因素。这种获得定向力的结构在电磁线圈和继电器工业中是众所周知的。电磁线圈产生的向下力可以用于在工作特性、零件特性和成本等方面控制装置的工作。
上述的第一和第二实施例包括手动操作该装置达到关闭状态。然而，该装置的第三实施例(图5和图6)可以自动关闭触点。第三实施例的结构与图1和图2的结构的不同之处只是插棒式铁芯22和相应的弹簧26用一个固定的铁磁体磁极片(pole piece)122代替。
在该装置工作时，连续的稳定电流流过绕组16，但这个电磁的值不能在该磁极片和插棒式铁芯20之间感应足够大的磁吸力以克服弹簧24的力将插棒式铁芯20吸引至磁极片122。该装置的触点18、28保持打开(图5)。为了关闭触点，在短时间内要使相当大的电流脉冲流过绕组。这个电流脉冲称为牵引电流(pull-in current)。这可以形成一个较强的磁场，足以将插棒式铁芯20吸引入电磁线圈体中和基本上关闭插棒式铁芯和磁极片之间的气隙32。插棒式铁芯20的向下运动可关闭常开触点(图6)。当该气隙减小或消除时，可将电流值减小至初始稳定值，并且插棒式铁芯和磁极片之间的磁吸力保持足够大，将插棒式铁芯保持在这个第二关闭触点位置。这个稳态电流称为保持电流。然而，如果保持电流减小至预定阈值以下，则磁极片和插棒式铁芯之间的磁吸力不足以克服弹簧24的力将插棒式铁芯保持在第二位置；并且插棒式铁芯将回复至其第一位置，从而打开触点。
当再施加牵引电流和保持电流恢复时，触点自动重新关闭。为了保证触点的自动打开和防止不需要的重新关闭触点，可以设置适当的电路，以保证大大减小保持电流的流动和/或冲击电流脉冲，或不使该骤然增大的电流脉冲在打开动作后产生。可以设置一个复位装置来解决使该冲击电流脉冲不能在打开动作后产生的问题，并恢复自动关闭功能。
图7～9A表示本发明的另一个实施例。这个实施例包括电磁线圈12，该电磁线圈12包括线圈架14，在该线圈架14内安装着可动的铁磁体插棒式铁芯22。插棒式铁芯22具有一个复位按钮27，该插棒式铁芯22和复位按钮27由压缩弹簧26偏移至第一位置(图7)。上面卷绕着线圈(没有示出)的线圈架14安装在印刷电路板10上，在该印刷电路板上还安装两个固定触点118。该实施例还包括一个倒置的基本上为U-字形的可动触点支座30，并且安装着两个电气触点128。在这个实施例中，该触点支座30被弹簧臂124弹性地偏离PCB10，以便在正常情况下，保持可动触点128不与固定触点118接触。该可动触点支座30包含一个室120，在该室120中放置一个永久磁铁122。
当将复位按钮27压向线圈架14时，插棒式铁芯22的顶部和永久磁铁122之间的气隙32减小。当该气隙足够小时，永久磁铁被吸向插棒式铁芯，并且依靠磁力与插棒式铁芯连接，将可动触点支座30从其第一位置带至中间位置，如图8所示那样。当松开复位按钮27时，通过比将可动触点支座30保持在打开位置的弹簧124的力大的复位弹簧26的力，使插棒式铁芯22回复至其第一位置。在这个动作的整个过程中，永久磁铁122保持依靠磁力与插棒式铁芯22连接。因此，当松开复位按钮时，插棒式铁芯22，触点支座30和可动触点128都准备就绪向着插棒式铁芯22的第一位置运动。
当插棒式铁芯向着其第一位置运动(图9)时，可动触点128与固定触点118接触，以防止插棒式铁芯22向着其初始位置进一步作很大的移动。在这个阶段，触点118/128关闭，而触点压力为复位弹簧26产生的力的函数。
当电流流过线圈架的线圈时，它产生带有N极和S极的电磁场。根据电流流动的方向不同，在插棒式铁芯22的顶部产生的电磁极可与永久磁铁122的磁极相同或相反，使该插棒式铁芯和磁铁进一步互相吸引或彼此相斥。当电流流动在插棒式铁芯和永久磁铁的界面上产生相反的磁场时，两个零件之间的净磁吸力减小。当电流增加超过一定的阈值，使磁保持力足够小时，作用在可动触点支座30上的偏移装置124的打开力使可动触点128与固定触点118分开，使该装置处在打开位置(图7)。这样，通过相应幅值和一定方向的电流流过线圈，可以形成自动打开触点。
上述实施例的特点是，当触点118/128处在关闭位置时，仍有一定的移动量，可使复位按钮27和插棒式铁芯22返回至图1的开始位置。这样，复位按钮有两个不同的位置：触点打开位置和触点关闭位置。这两个位置的差别可以用来指示触点打开和关闭的状态。
另外，如果当触点在关闭位置时，将足够大小的附加的向下(见图9)力加在复位按钮27上，则复位按钮和插棒式铁芯将被吸引至其第一位置。通过将复位按钮拉向其第一位置，可以手动地加这样的力。当可动触点支座30由于触点118/128的接合不能再在PCB10的方向上运动时，永久磁铁122和插棒式铁芯22之间的增大的气隙将打开，结果可减弱磁的保持力。可以进行设计，以保证当复位按钮被拉至开始位置时，作用在可动触点支座30上的偏移装置124足以自动地使后者运动至其开始的触点打开位置(图7)。因此，除了自动打开装置以外，这个实施例还带有手动打开装置。
图7的实施例不需要电能来关闭断路器，但需要电能来自动地打开断路器。图10的实施例为图7的实施例的电气锁住形式。在图10的实施例中，将一个非铁磁体的隔片200放置在永久磁铁122的下侧。这个隔片具有保证当插棒式铁芯在永久磁铁上时，插棒式铁芯22和永久磁铁122之间的气隙为最小。由于这个气隙，插棒式铁芯和永久磁铁之间的磁耦合较弱，结果只使用永久磁铁是不能关闭触点的。为了便于关闭断路器，使电流通过线圈。该电流产生一个使在插棒式铁芯22的顶部的极性可增大磁耦合力的电磁场。当这个电流增大得足够大时，永久磁铁122通过磁性与插棒式铁芯22吸住，并且可动触点支座30在复位弹簧26的力作用下到达第二位置，保证固定和可动触点118/128关闭。当通过线圈的电流减小至一定的阈值以下时，永久磁铁122的磁力不足以保持与插棒式铁芯22吸住，因此，可动触点128自动地运动至打开位置。这样，在图10的实施例中，足够大小和一定方向的电流的存在便于手动关闭触点，而减小这个电流值可以自动打开触点。
在不偏离本发明的原理的条件下，图7和图10的两个实施例的基本功能可以如这里所示和用其他方法达到。例如，在图10的实施例中，可通过使用较弱的磁铁，或减小插棒式铁芯的长度，或减小插棒式铁芯的横截面积等方法，来减弱永久磁铁的吸力。该机构可以安装在不是印刷电路板的任何适当介质上。打开弹簧可以安装在线圈架和可动触点支座之间，以避免需要弹簧偏移的可动触点臂等。可以将一个特征指示器安装在可动触点支座或可动触点上，以指示触点的开闭状态等。
在不损害工作的基本原理的条件下，可对上述实施例进行改进，例如，提供铁磁体的框架，以改善装置的磁学性能，或提供表示触点的开闭状态等的装置。
本发明不是仅限于这里所述实施例，在不偏离本发明范围的条件下，可以作改进或改变。