专利名称：电气接触器和相关的接触器闭合控制方法
技术领域：
本描述一般地涉及电气接触器，且更特定地涉及电气接触器闭合动作的控制。
背景技术：
用于马达、照明和一般使用的接触器一般地设计有一个和多个电力触点，它们通过激励器线圈的激活和去活改变状态。接触器可以构造有单极或多极，且可以包括常开触点和常闭触点。在使用常开触点的接触器中，线圈的加电导致触点的闭合。接触器应用的本质趋向于导致在接触器的整个使用寿命期间的数万次或甚至百万次的闭合和断开操作。因此，应注意允许此工作情况的接触器的机械属性。在接触器在加电的电路中断开和闭合的情况中，触点不仅经受机械负荷而且经受电气负荷，电气负荷表现为电弧的形成。在常开接触器的闭合期间，闭合动作的动力学趋向于引致在闭合点处的接触跳动，在负荷情况中该跳动可能导致多个电弧的径迹和熄弧，这又导致触点的磨损程度的增加且降低触点的使用寿命预期。虽然当前接触器可能被证明足以用于其期望的用途，但在本领域内持续存在对提供了触点磨损降低和接触器使用寿命增加的电气接触器的需要。
发明内容
本发明涉及接触器，接触器具有可分开的传导电路、促动器、磁电枢和定子和控制器，其中促动器与可分开的传导电路机械地连接，且磁定子和磁电枢布置为相互场连接且带有响应于用于生成引导为跨过定子和电枢的磁场的线圈电流的激励器线圈。控制器具有设计为响应于线圈内的电流和电压控制线圈电流的处理电路，使得在可分开传导电路在从断开到闭合状态移动期间闭合前响应于其位置和闭合速度控制线圈电流。
本发明也涉及用于控制以上描述的类型的接触器的闭合动作的方法。计算线圈的初始电感值和电阻值；计算接触器线圈的瞬时电感；响应于计算出的线圈的瞬时电感计算电枢相对于定子的瞬时位置；计算框架相对于定子的瞬时速度；和响应于电枢的瞬时速度和位置计算线圈电流，使得电枢的瞬时速度趋向于目标速度特征。
参考示例的附图，其中在附图中类似的元件具有类似的参考数字图1以详细的等轴透视图表示了根据本发明的实施例使用的示例的接触器；图2表示了在图1中图示的部件的一些的部分等轴视图；图3表示了在图2中图示的部件的一些的部分侧视图；图4A和图4B表示了用于实施本发明的实施例的过程的示例的流程图；图5和图7表示了在无本发明的实施例时运行的接触器模型的示例的经验数据；图6和图8表示了根据本发明的实施例运行的接触器模型的示例的经验数据。
具体实施例方式
本发明的实施例展示了用于电气接触器的控制器，其控制了引导到接触器线圈的电流，使得电枢相对于定子的闭合速度在闭合前维持在预先确定的极限内，因此降低了在闭合时接触跳动。因此，在接触器连接到强负荷情况中，在接触器的可分开的传导电路中较小的接触侵蚀是可能的。
图1是接触器100的工作示例，接触器100具有下部分101、中部分102和盖103。在接触器100内存在可分开的传导电路105、与可分开的传导电路105机械接触的促动器110、磁定子115、磁电枢120、激励器线圈125和控制器130，其可以更好地由观察图2认识。激励器线圈125响应于来自导体135的线圈电流，其用于生成引导为通过气隙140跨过定子115和电枢120的磁场；这使定子115和电枢120相互场连接。电枢120和促动器110通过桥145(更好地通过观察图3认识)联接，使得当电枢120在以上所提及的磁场的影响下位移时促动器110和电枢120一起上升和下降，以增加和减少气隙140。可分开的传导电路105包括线连接器150、负荷连接器155和接触臂160。在接触臂160的每个端部处的一对触点165使得无论接触器100处于或不处于电负荷，可以分别形成和分开(断开和闭合)可分开的传导电路105。促动器110通过接触弹簧170和导向臂175机械地联接到接触臂160，其通过销180与接触臂160联接。在接触臂160上的俘获表面185提供了用于在闭合动作期间分配接触力的装置。在图3中图示的箭头21 5表示了当电枢120下降时接触器100的不同部件的相对移动。
在通过来自在下文中将更详细地讨论的控制器130的线圈电流的闭合动作期间，电枢120闭合了气隙140，因为在以上提及的磁场的影响下将电枢120吸引到定子115，且促动器110和接触臂160联合向线连接器150和负荷连接器155移动，直至触点165的对被接触。在触点165闭合时，促动器110略微被过激励以压缩接触弹簧170，因此提供了在触点165的对内的接触力和触点的降低。作为触点闭合期间触点165的对之间的动态力的结果，可能发生接触跳动。然而，如将在下文中更详细地讨论，本发明的实施例提供了对降低此接触跳动的控制度。
在由导体135内的线圈电流的降低或消除所导致的断开动作期间，接触弹簧170和电枢的返回弹簧190向上移动了电枢120、促动器110和接触臂160，因此分开了触点165的对。
为降低在闭合期间的接触跳动，控制器130包括了处理电路200，处理电路200设计为，即构造为带有电子电路和部件，以响应于线圈125内的电流和电压控制线圈电流，使得线圈电流在可分开的传导电路105在断开到闭合的移动期间内的闭合前被降低。此外，处理电路200设计为不依赖于从形成了处理电路200的整体部分的电流和电压传感器电路(检测器)分开的辅助传感器控制线圈电流。在一个实施例中，处理电路200通过外部导体205供电。
现在将参考由图4中的流程图表示的方法300讨论处理电路200以它控制线圈电流的装置。一般地，方法300用于在从断开到闭合的移动期间内在可分开的传导电路105的闭合前的时刻控制电枢速度或将电枢速度保持在预先确定的极限内。因此，必须计算或估计电枢120相对于定子115在闭合动作期间的位置。因为外部传感器不用于此计算，电枢120的位置通过使用线圈电压和电流的电参数来确定。
因为接触器100不具有外部传感器，需要计算线圈初始电阻R(一旦电流开始在线圈125内流动)。此外，线圈初始电感L的计算及其与标准运行值的比较使得可以检测线圈内的异常，例如电路开路情况(线圈绕组的断裂)或线圈匝数降低的情况(线圈短路)。这些计算通过在交流情况中在第一个半周期内的两个不同的时间对电流的采样Ia和Ib进行。典型的采样时间大致为ta＝2.5ms(毫秒)且tb＝5.5ms。这些采样时间也应用于直流计算。在一个实施例中，在非常接近那些以上提及的时间进行数个采样，且使用均值以避免获得因为电干扰的错误的电流Ia和Ib的值的风险。
在方框305中，将工作负荷控制参数调整为1且将用作时钟的计时器初始化，以确定采样频率。在方框310中电流Ia和Ib在两个以上所提及的时间ta和tb测量且计算电流改变量ΔIa和ΔIb。取决于线圈125由AC(交流)电源供电还是由DC(直流)电源供电，如在方框315中确定，或取决于是否在方框310内的计算期间检测了过零穿越电压，控制逻辑可以直接通向方框320或方框325。在方框325、330和335中，检测第一和第二过零穿越电压且确定AC电源的频率。
在方框320内，线圈的电感L初始值(单位为亨H)和线圈的电阻R初始值(单位为欧姆Ω)根据所提供的等式计算，等式取决于线圈125由AC还是DC供电。在方框320的等式中，Eo是DC电压、Epeak是AC电压峰值、ω是AC电源的角频率且t是时间。在方框340内，确定线圈初始电阻R和线圈初始电感L是否指示了断开的接触器情况和/或有故障的线圈。如果答案为否，则控制逻辑通向方框345，其中算法中断。如果答案为是，则控制逻辑通向开始于方框355的计算循环350，其中对于通过循环350的每个重复对瞬时线圈电压和电流采样。
一旦已计算了初始值R和L且无取消情况，则控制逻辑通向方框360、365、370和375，其中对于每个重复计算线圈的反电动势ebob、ebob的积分的样本和线圈的电感L。此处，u(t)是线圈125内的电压，i(t)是通过线圈125的电流、R是线圈初始电阻且e(t)是ebob(t)的缩写。
在R-L电路中，线圈125内的电压可以由下式导出
u(t)=R·i(t)+L·di(t)dt+i(t)·dLdt.]]>(等式1)然而，从此等式确定电感L可能是困难的，因为例如di(t)/dt的导数项可能包括难于避免的系统干扰。因此，本发明的实施例使用下式使用在任何时间处线圈的反电动势和通过线圈的电流确定线圈的电感LL=∫0t(U-R·ibob)·dtibob(t)=∫0tebobibob(t),]]>(等式2)该式与方框365和375的等式是同义的，其中U指u(t)且eibob和eibob(t)指i(t)。
在方框380内，确定线圈的瞬时电感L是否小于最大阈值Lmax，这表示了电枢120是否接近于闭合。即，当电枢(120)接近于闭合时，线圈的瞬时电感L升高，达到其峰值且然后因铁芯的饱和而下降(如从将在下文中更详细地讨论的图3中可见)。因此，通过线圈的瞬时电感L与最大阈值Lmax之间的比较，处理电路200可以确定何时接近电枢的闭合情况。
如果L＜Lmax，则控制逻辑通向方框385，其中计算或估计电枢120相对于定子115的位置x。理论上，线圈的电感是电枢位置和线圈电流的函数，其可如下导出L=N21s[lF+lM+lT+0.005N·i0.0011+2xμ0]+KR,]]>(等式3)其中N是线圈125的匝数、lM是通过电枢120的磁场路径的长度、lF是通过定子115的磁场路径的长度、lT是通过固定气隙140的磁场路径的长度、s是磁路的截面积、KR是与线圈电感的初始值有关的常数、μ0是间隙的磁导率且x是电枢120相对于定子115的位置。将等式3变形，可如下导出电枢120的位置xx=μ02[N2·sL-KR-lF+lM+lT+0.0005N·i0.0011].]]>(等式4)在方框390中，从一个重复步骤到下一个步骤，通过对等式4求导或关于有限差分进行x相对于t的增量差分Δx/Δt确定电枢120相对于定子115的速度(V)。
在替代的实施例中，处理电路200也设计为通过对速度求导估计响应于线圈125内的电流和电压的电枢120相对于定子115的加速度。
在方框395中，希望的线圈电流通过使用模糊逻辑控制计算，其获得了更接近地近似了目标闭合速度特征的电枢闭合速度，该目标闭合速度特征是产生了接触跳动的降低的希望的预先确定的闭合速度，且它存储在控制器130的存储器210内。在每个重复中，对于瞬时电枢位置，根据以上所提及的方法300计算电枢的真实闭合速度且将真实闭合速度与存储器210内的希望的电枢闭合速度比较。如果电枢的真实速度过高或过低，则相应地调整线圈电流以减速或加速电枢。在随后的重复中进行类似的比较且施加类似的调整，从而实现线圈电流的改变，使得电枢的闭合速度将被重复地调整以更接近已存储在存储器210内的目标闭合速度特征。因此，已调整的线圈电流在触点165的闭合点处实现了低于在不调整线圈电流时给出的闭合速度的电枢120的闭合速度，且在触点闭合点处降低的电枢闭合速度导致与在不调整线圈电流时所发生的接触跳动相比在闭合时更小的接触跳动。此处调整的线圈电流考虑为从第一值调整到第二较低值，其中第二值在断开到闭合移动期间与以线圈电流的第一值所发生的接触跳动相比在可分开的传导电路中产生了更小的接触跳动。
如果在方框380中确定线圈的电感L等于或大于阈值Lmax，这意味着磁回路闭合且移动的电枢120与磁定子115接触，则控制逻辑通向方框400，其中计算且实施线圈电流的工作负荷，使得线圈电流被降低以节约能量且降低线圈温度的增加，且使得在静止状态存在充分的线圈电流以将接触器100的触点165保持闭合。在一个实施例中，线圈电流的工作负荷大致为线圈125的最大俘获电流的1/10至1/15。
现在参考图5至图8，接触器100的经验示例数据表示不带根据本发明的实施例的工作(图5和图7)和带有根据本发明的实施例的工作(图6和图8)。图5和图6对于纵坐标和横坐标具有相同的比例，横坐标是时间且纵坐标在一个情况中是位移x。图7和图8对于纵坐标和横坐标具有相同的比例，横坐标是时间且纵坐标是通过一组闭合的触点165的连续性的表示符号。
首先参考图5和图6，电枢120的位置x由曲线405(图5)和曲线406(图6)代表，线圈125的电感L由曲线410代表且线圈电流(i)由曲线415代表。电枢120相对于定子115的停止被考虑为在曲线405、406的特征内的突然改变，该突然改变由数字420(图5)和数字421(图6)代表。在电枢闭合后，在曲线405内呈现多个上升和下降，从而指示了在图5内的接触跳动情况，如以数字425和430表示，但这在曲线406内不呈现。
带有和不带有本发明的实施例的接触跳动的更清晰的比较现在可以通过参考图7和图8更好地认识到，其中图7图示了在无本发明的实施例而运行的接触器100内的触点闭合，且图8图示了在根据本发明的实施例而运行的接触器100内的触点闭合。在图7和图8中，初始触点闭合点由数字450表示，该初始触点闭合点是其中在闭合时建立了触点165的连续性的时间点，且由图示的符号的正改变表示。如在图7中所图示，连续性损失的发生可以在接触臂160初始闭合后的两个点455、460处观察到，这表示了接触跳动(两次)的发生。通过比较，图8图示了无连续性损失且因此无接触跳动的存在。
在比较图7和图8时，可以观察到，本发明的实施例改进了接触器100的闭合的动力学，因此导致在触点165内的机械跳动的降低。当接触器被加载时且作为此接触跳动降低的结果，在触点165之间的电弧也被降低，也以此方式延长了接触器100的使用寿命。因为方法300的控制逻辑是闭环类型的，在触点165和磁电枢120内在闭合动作期间计算的冲击速度和速度曲线是经验值，其考虑了电源内的电压改变、接触器零件的机械磨损、摩擦的改变、弹簧的恒定老化和其他外部干扰；因此实现了对情况改变自调整的控制模式。
虽然使用了对于100的具体结构已描述了本发明，但显然的是本发明的范围不受限制且本发明也可应用于具有不同结构的接触器，例如单一对的触点165或多个对的触点165。
本发明的实施例可以设计为由计算机执行这样的过程实现的设备和过程的形式。本发明也可以具有包括计算机编程代码的计算机编程产品的形式，其包括以有形介质给出的指令，有形介质例如软盘、光盘、硬盘、USB(通用串行总线)单元或任何其他计算机可读存储介质，其中当计算机程序代码在计算机内装载且执行时，所述的计算机被转化为用于将本发明付诸实践的装备。本发明也可以具有计算机程序代码的形式，例如无论是存储在储存介质内、装载在计算机内和/或由计算机执行，或是通过传输介质传输，传输介质例如电缆或电线、光纤或电磁辐射，其中当计算机程序代码在计算机内装载且执行时，计算机被转化为用于将本发明付诸实践的设备。当在一般用途的微处理器内实施时，计算机程序代码段配置了微处理器以造成特定的逻辑回路。可执行指令的技术效果是控制接触器的闭合动作，使得减轻受到负荷的接触器的接触腐蚀。
虽然本发明已参考示例的实施例描述，但本领域技术人员将理解，可以引入多种改变且可以以等价物替代其元件而不偏离本发明的范围。此外，可以对本发明的教示进行许多修改以适合于任何特定的情况或材料而不偏离本发明的本质范围。因此，意图于不将本发明限制于描述为最佳的具体的实施例或任何构想为执行本发明的装置，而是意图于本发明包括所有落入附带的权利要求书的范围内的实施例。此外，术语第一、第二等的使用不意味着任何重要性的次序，而是术语第一、第二等用于将一个元件与另一个元件区分。同样地，术语一个、两个等的使用不意味着量的限制，而是指示它们所指的元件的至少一个的存在。
权利要求
1.一种接触器，其包括可分开的传导电路(105)；与可分开的传导电路(105)机械地连接的促动器(110)；布置为相互场连接的磁定子(115)和磁电枢(120)，且带有响应于用于生成引导为跨过定子(115)和电枢(120)的磁场的线圈电流的激励器线圈(125)；具有设计为响应于线圈(125)内的电流和电压控制线圈电流的处理电路(200)的控制器(130)，使得在可分开的传导电路(105)在从断开到闭合移动期间闭合前响应于可分开的传导电路的位置和闭合速度控制线圈电流。
2.根据权利要求1所述的接触器，其中处理电路(200)进一步设计为响应于线圈电压和电流且不依赖任何辅助传感器控制线圈电流。
3.根据权利要求1所述的接触器，其中处理电路(200)进一步设计为响应于线圈(125)内的电流和电压计算电枢(120)相对于定子(115)的位置。
4.根据权利要求3所述的接触器，其中处理电路(200)进一步设计为响应于线圈(125)内的电流和电压计算电枢(120)相对于定子(115)的速度。
5.根据权利要求4所述的接触器，其中处理电路(200)进一步设计为响应于线圈(125)内的电流和电压计算电枢(120)相对于定子(115)的加速度。
6.根据权利要求4所述的接触器，其中处理电路(200)进一步设计为比较计算出的电枢(120)的速度与目标速度特征。
7.根据权利要求6所述的接触器，其中处理电路(200)进一步设计为响应于计算出的电枢速度和电枢的目标速度特征调整线圈电流，使得电枢(120)的闭合速度更接近目标速度特征。
8.根据权利要求7所述的接触器，其中可分开的传导电路(105)包括一对电触点(165)；被调整的线圈电流在触点(165)闭合时产生小于在无被调整的线圈电流时将存在的闭合速度的电枢(120)闭合速度；在触点(165)闭合时的降低的电枢(120)的闭合速度产生了在闭合时与无被调整的线圈电流时的接触跳动相比更小的接触跳动。
9.根据权利要求1所述的接触器，其中处理电路(200)进一步设计为响应于线圈电压和电流计算线圈电阻和线圈电感。
10.根据权利要求9所述的接触器，其中处理电路(200)进一步设计为响应于计算出的线圈电感计算电枢(120)相对于定子(115)的位置。
11.根据权利要求10所述的接触器，其中处理电路(200)进一步设计为计算线圈电流的工作负荷，使得供给足够的线圈电流以在闭合的静止状态期间保持可分开的传导电路(105)闭合。
12.一种用于控制根据权利要求1所述的接触器的闭合动作的方法，其中该方法包括计算线圈的初始电感值和电阻值；计算接触器(100)的线圈的瞬时电感；响应于计算出的线圈的瞬时电感计算电枢(120)相对于定子(115)的瞬时位置；计算线圈(120)相对于定子(115)的瞬时速度；响应于电枢(120)的瞬时速度和位置计算线圈电流，使得电枢(120)的瞬时速度趋向于目标速度特征。
13.根据权利要求12所述的方法，其中该方法进一步包括计算线圈电流的工作负荷，使得供给足够的线圈电流以在闭合的静止状态期间保持可分开的传导电路(105)闭合。
14.根据权利要求12所述的方法，其中计算线圈电流包括计算从第一值调整到第二更低的值的线圈电流，第二值导致在可分开的传导电路(105)内在断开到闭合移动期间的接触跳动小于以第一值产生的接触跳动。
15.根据权利要求12所述的方法，其中计算线圈的瞬时电感包括对瞬时线圈电压和电流采样；响应于通过线圈(125)的瞬时线圈电压降和瞬时电阻电压计算瞬时电感电压；和响应于瞬时电感电压的采样的积分计算线圈的瞬时电感。
16.根据权利要求13所述的方法，其中计算线圈电流的工作负荷包括响应于计算出的线圈的瞬时电感等于或是高于阈值计算线圈电流的工作负荷。
17.根据权利要求16所述的方法，其中线圈电流的工作负荷被降低到使接触器(100)保持闭合的值。
18.根据权利要求12所述的方法，进一步包括计算接触器(100)的线圈的初始电阻和线圈的初始电感。
19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括对瞬时线圈电压和电流采样且响应于指示了线圈内无异常的断开的接触器(100)的线圈的初始电阻和线圈的初始电感计算线圈电流的工作负荷。
全文摘要
本发明涉及电气接触器且涉及相关的接触器闭合控制方法。本发明的电气接触器(100)包括可移开的传导电路(105)，促动器(110)，磁定子(115)和电枢(120)和控制器(130)。根据本发明，促动器(110)与可移开的传导电路(105)机械地连通，而磁定子(115)和磁电枢(120)布置为相互场连通且带有激励器线圈(125)，激励器线圈(125)响应于用于生成导向为通过定子(115)和电枢(120)的磁场的线圈电流。以上所述的控制器(130)包括处理单元(200)，处理单元(200)设计为响应于线圈(125)内的电流和电压控制线圈电流，使得在可移开的传导电路(105)作为断开到闭合移动的部分闭合前响应于所述的可移开的传导电路(105)的位置和闭合速度控制线圈电流。
文档编号H01H47/32GK101095205SQ200480044813
公开日2007年12月26日 申请日期2004年11月5日 优先权日2004年11月5日
发明者R·莫伦柳奇, A·加西亚埃斯皮诺萨, X·阿拉伯恩莫雷拉, J·穆尼奥斯加利安 申请人:通用电气公司