专利名称：一种低耗高效的电磁系统的制作方法
技术领域：
本案属于继电器、接触器中驱动衔铁-触头系统的电磁系统，是继电器、接触器的基本组成部分。
背景技术：
伴随工业化电气化的进程，继电器、接触器应运而生，广泛应用并不断衍变。但无论如何也离不开由电磁铁、衔铁和线圈等组成的电磁系统，其衔铁-触头的闭合或接通都必须依靠线圈通过电流产生电磁力矩来推动。在一个自动化系统中，要使用成百上千个继电器(接触器)，其消耗的电功率只有一小部分转变为机械力，而其大部分部变成了热量， 使系统升温；又交流电磁系统中往往产生的嗡嗡交流声，这不仅浪费了电能，又污染了环境，还降低了系统工作的稳定性。很久以来，人们力求改善这种状态，一直在寻求新的突破。 当今，全球都在竭力节约能源，保护环境。因此，低功耗无声继电器(接触器)的研发就更具现实意义。
发明内容
大家知道，继电器(接触器)的工作有三种状态衔铁一触头系统释放及回归在断开位置；受电起动即推动衔铁-触头系统闭合运动过程；持续通电使触头保持接通状态。 对应于此，电磁系统亦有三种状况线圈中无电流，铁芯中没有电磁通；线圈通电建立较大磁势，以克服气隙磁阻来建立必需的磁通量；线圈流过较小的电流即产出足够的磁通量，便使触头可靠地保持在闭合接通位置。触头的位置(开、闭状态)决定于衔铁的受力。作用在衔铁上的力由反作用力和电磁吸力合成。反作用力由衔铁弹簧和触头簧片产生，而吸力由线圈通过电流建立铁芯磁通来建立。在触头已接通状态，气隙最小，磁路磁阻小，只需要很小的励磁电流就可保持；而在起始位置静态力矩大，特别是初始气隙大，磁阻更大，必须给定相应的励磁电流才能产生足够的磁通量以保证起动力矩要求；这在拍合式系列接触器中，更为突出，因其起动力臂较长，静态力矩尤大，使得起动电流峰值更高。从而形成了电磁系统起动电流曲线呈指数衰减函数规律。而常规的供电方式却偏偏是恒压的。仅管保持工作时间却很长很长，而起动时间短得只以毫秒计算，但对电磁系统的供电功率还必须按最大起动力矩需求来设计，才能满足起动要求。因此，电磁系统消耗的电功率只有一少部分转换为有用的机械功而大部分浪费掉了，还造成了诸多不良影响。鉴于此，本技术力图从下述几个方面来克服或消除上述缺点。1)取消恒压电源，代之以贮能电容器。由电工原理可知，电容器放电电流曲线为指数曲线衰减型，正好与电磁系统的起动电流曲线相似。调节电容量及其时间常数，即可调整电流峰值及放电时间，可以达到两曲线相吻合，实现机电功率的最佳转换，最大限度地提高电能的使用效率，从而大幅度地降低起动能耗。实践证明，数微法的电容器贮存的电能足可以满足继电器(接触器)起动及释放时的功率要求，又鉴于电容器制造工艺的进步，其体积缩小，这一设想已成现实——只要给电容器进行慢速充电贮能，而对线圈进行快速放电，即可完成继电器(接触器)的起动过程。适当设计电路参数，便可使电容器放电过程完全满足起动力矩特性的需要。2)采用永磁保持，触头系统持续接通期间线圈脱离电源。虽然人人皆知永久磁铁可以吸动衔铁，但却难以解决其释放复位而无法实施。本设计将使其迎刃而解——只要给贮能电容以反向充电，建立反向磁场罢了，其电磁力和反作用弹簧力一致抵消永久磁场的保持力而使衔铁-触头系统释放回位。实践证明，采用两只贮能电容器，分别提供起动与释放的功率，既便于控制调整，又安全可靠，效果最佳。3)为实现上述控制要求，需配备控制电路要求简约、可靠、安全，调整、使用与安装都方便；控制继电器(接触器)的起、停信号均采用动合方式，一般有、无触点均可；输入阻抗要高，以保证功耗低又安全方便。本系统结构如图1，原理接线如图2所示。综合以上，可见本案获得了一种低耗高效的电磁系统A.节省了继电器(接触器)的保持功率，又大幅度地降低了起动能耗；系统输入阻抗大，进一步提高了电能的利用效率，从而多方面节约了系统的能量消耗；B.由于系统功耗小，不存在过热老化、温度漂移问题，从而提高了系统的工作可靠性和使用寿命；C.解决了一直困扰的交流声问题，改善了工作环境；D.贮能电容器容易满足起动特性要求，从而为不断提高继电器(接触器)的技术性能(如恢复系数、控制系数)打开了方便之门。应该指出本系统于大功率继电器及接触器中，更能显现上述效益。
附图1是继电器的结构示意图，附图2是继电器的内部接线图，其中1一永久磁铁、2—电磁铁、3—线圈、4、5—电容器、6-常开静触头、7—常闭静触头、8、9一二极管、 10-限流电阻、11-衔铁、12-反作用力弹簧。
具体实施例方式借鉴现有技术，将原来的电磁铁芯代之以圆柱形永久磁铁1，在其外面套装圆筒形电磁铁2，最外层是线圈3，在适当位置装上电容器4和5。如图2，将电容器4和5按极性串联，其公共点接到线圈的下端，再接端子N。将电容器4的阳极通过二极管8接常闭动触头之静触点7、其动触点通过限流电阻10接端子L ；将电容器5的阴极通过二极管9接到常开动触头之静触点6 ；在线圈的另一端和电容器4、5之间分别接入《起动》和《停止》信号。 使用时，在L、N之间接入电源即可。在工作准备状态，当电源端子L、与N上有电时，通过10 对电容器4涓流充电；继电器(接触器)等待起动，其常闭触头7闭合而常开静触头6断开。一旦《起动》信号来到，立即接通电容器4和线圈回路，对线圈瞬间强行放电，在电磁铁芯中建立起正向磁场，迅即推动衔铁-触头系统闭合，亦即常闭动触头7断开而常开动触头6闭合；同时电容器5开始充电贮能，为电磁系统的释放作好准备；此后，仅管放电电流趋于零，线圈也脱离了电源，永久磁场却起到了保持作用。而当《停止》信号来到时，电容器 5立即对线圈进行反向放电，在线圈中建立反向磁场以抵消永久磁场，在反作用力弹簧的作用下，衔铁-触头系统瞬即释放返回原位，亦即恢复到静态位置；此后，仅管电容电流消失， 永久磁铁的磁场又恢复起来，也无法独自起动衔铁-触头系统而确保其释放状态；同时电容器4又开始充电，为下一轮起动过程贮备能量，循环往复。注意，电路参数应满足下述条1)起动力矩与永久磁铁力矩同向，而释放力矩与反作用力弹簧力矩同向。且应起动电磁力矩>释放电磁力矩>永久磁铁力矩>反作用力弹簧力矩；2)电容器5之容量不得大于电容器4，且应满足电容器4的放电时间常数彡继电器(接触器)的起动时间电容器5的放电时间常数彡继电器(接触器)的释放时间3)限流电阻10足够大，放电电流应大于10倍充电电流。只要电路各参数都达到上述要求，该线路将优于可能的其它方案，仅管它用了一组转换触头、两只电容器、两只二极管和一只小电阻——简直无可再精炼了 ！同时，还可看到，本方案有着特长的安全保障1)对信号无特别要求，只要《起动》和《停止》信号持续时间分别大于继电器(接触器)的起动和释放时间，就可实现信号结点无载分断；2)线圈不再有长期过热损坏之虞；3)系统不会有短路、过流、过压等安全隐患；4)即使是元件或触头失灵时，本系统只会保持静止的无输出状态，不会出现任何连带故障。
权利要求
1.一种继电器(接触器)中驱动衔铁-触头系统的电磁系统，由圆柱形永久磁铁、圆筒形电磁铁、线圈、电容器构成，其特征是在圆柱形永久磁铁外面套装圆筒形电磁铁及线圈， 依靠贮能电容器的快速放电，来实施继电器(接触器)的起动与释放过程。
2.根据权利要求1所述的继电器(接触器)电磁系统，其特征是以两只贮能电容器， 分别作为起动及释放用的电源。
3.根据权利要求1所述的继电器(接触器)电磁系统，其特征是电磁线圈的一端接着两只电容器的公共结点，而其另一端接入《起动》和《停止》信号。
4.根据权利要求1所述的继电器(接触器)电磁系统，其特征是给电容器进行慢速充电，其限流电阻10足够大，系统输入阻抗也是够大。
全文摘要
一种继电器(接触器)中驱动衔铁-触头系统的电磁系统，由圆柱形永久磁铁、圆筒形电磁铁、线圈、电容器构成。以电容器慢速充电贮能，快速放电来提供相应的起动及释放功率；在持续吸合状态利用永久磁场保持；从而使继电器(接触器)实现了低耗无声运行。又其控制电路简约，输入阻抗大；控制方式稳定可靠；不存在过热老化，也无过流、动作竞争等安全隐患；从而提高了系统的工作可靠性和使用寿命，也使继电器(接触器)的恢复系数和控制系数等技术性能不断提高更方便可行。
文档编号H01H51/01GK102339686SQ20101023318
公开日2012年2月1日 申请日期2010年7月20日 优先权日2010年7月20日
发明者易善堃 申请人:易善堃