大功率防振动高稳定性机电一体转换器的制造方法
【专利摘要】一种由机电一体驱动的大功率防振动高稳定性机电一体转换器，改变传统的继电器由电磁线圈电磁铁驱动的方式，同时也改变了磁保持继电器由永磁铁保持电触头电极吸合的作法，用先进的机电一体驱动方式实现多组电转换开关的同时转换，其最大特点是抗大冲击振动的能力得以极大的提高，保证机电一体驱动的高可靠继电器在恶劣的环境下稳定可靠运行。另外，继电器的电触头电极之间的距离也比传统的继电器大幅度增加，适用电压更高，耐压幅值更大，更安全，该种大功率防振动高稳定性机电一体转换器特别适和在电动汽车的变档电机中应用。
【专利说明】大功率防振动高稳定性机电一体转换器
【技术领域】
[0001 ] 本实用新型涉及一种转换开关电器，尤其适用于对电动机绕组进行串、并联或混合连接的一种大功率防振动高稳定性机电一体转换器。
技术背景
[0002]目前，在永磁无刷电动机通过对其特制的绕组进行串、并联或混合连接实现变速、变力矩(即变档电动机)的【技术领域】，相关专利介绍了用于电机绕组不同连接方式的转换开关电器，这些开关电器可以分成两大类型:一类是机械操作开关，如凸轮控制器，需要手动控制其开关状态；另一类是电控操作开关，如电力半导体器件可控硅(无触点开关)、普通继电器(或接触器)或磁保持继电器，上述所涉及到的开关理论上能满足变挡变速需求，但在电机的狭小空间内，对电机绕组串、并联或混合连接的具体操作时，表现出不同程度的不足，没有可操作性。如:一、机械操作开关凸轮控制器因其体积大，不能安装在电机内部，要把数量众多的电机绕组线(三相二档电机要引出12根线，三相三档电机要引出24根线)引到电机外面，再与凸轮控制器连接，绕组过长的引出线不仅增加了有色金属漆包线的用量，而且因这些增加了的漆包线存在电阻而产生电耗，使电机效率下降，再者凸轮控制器在电机内装不下，只能在电机外安装，要占用一定的车内空间。二、电力半导体器件可控硅实际操作表现的缺陷是:其一是数量多(三相二档电机需要9只，三相三档电机需要27只)总体占用空间大、电机内根本装不下；其二是价格高，一只达标的可控硅价格几十元，总共需要几百元甚至到上千元，成本增加太多没能市场竞争力；其三是耗电多，因为可控硅耗电可使电机的总体效率下降20%左右，这种高耗能产品同样没有市场竞争力，与国家节能减排的新能源政策相悖。三、普通继电器(或接触器)，它的问题不仅是体积稍大，而且它的工作方式也是不可取的，因工作期间其线圈一直处于通电状态，这就造成:线圈电阻增加电耗，线圈上的电压一旦因电源或是线路故障而中断时，瞬间导致误动，可靠性没有保障。四、磁保持继电器，这应该是最有希望在此【技术领域】成功使用的电器开关器件，因其克服了普通继电器的线圈工作时需要一直通电的缺点，只在其动作的瞬间需要一个几十毫秒(20?30ms)的脉冲电流，这不仅耗电少(可忽略)，也不会因电源问题导致误动，但此类开关电器的问题是抗冲击振动的能力，因虽然其能经受一般的振动，但当电机应用在车辆上时，可能遇到的振动很大，这时候继电器的磁保持力有可能经不住太大的振动而误动，影响车辆的可靠行驶。
【发明内容】
[0003]在通过对电动机的绕组的连接方式串、并联或混合连接进行变换以实现电机变档运行的技术中，现有的几种开关电器均有不足或缺陷之处，为克服这些不足或缺陷，本实用新型提供一种大功率防振动高稳定性机电一体转换器，具有体积小、节能、低价、高可靠的诸多特点，能满足变档电动机对转换开关电器的多项要求，推动变档电动机迈向实用化的
新高度。[0004]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:在一个绝缘外壳内、在一个平面上并排安装有几组电转换触头电极，电转换触头电极由动触头电极和静触头电极组成。其中的动触头电极上连接电极驱动头，电极驱动头与动触头电极联动件连接，联动件的一端安装一个有内螺纹的连接器，在连接器内安装了机电一体驱动器输出螺杆，机电一体驱动器与外壳固定。同时，在连接器的侧面安装了两个微动开关，其与外壳固定，微动开关用于检测连接器的两个极限位置，连接器在机电一体驱动电机输出螺杆的转动下，可作往复的直线运动，当达到设定的极限位置时，对应的微动开关即动作而切断机电一体驱动电机电源，使螺杆的转动停止，从而完成继电器的触头电极的一次安全可靠的转换。当机电一体驱动电机的电源进线端通入的电压极性反向时，其输出螺杆的转动方向相反，从而使连接器做反方向直线运动，实现动触头电极与其两面不同的静触头电极接触或分离，完成机电一体驱动的大功率防振动高稳定性机电一体转换器的触头电极的转换动作过程。
[0005]机电一体驱动的大功率防振动高稳定性机电一体转换器的触头电极的转换动作时间分析:该触头电极的转换动作时间取决于动触头电极的最大行程、驱动器的输出螺杆的螺距、机电一体驱动器的减速器的变速比和机电一体驱动器的电机的转速。当确定了触头电极的转换动作时间为ts、动触头电极的最大行程为Imm及输出螺杆的螺距为kmm后，即可计算出完成一次触头电极的转换动作时，驱动器的输出螺杆的转速V2=l / (kt)，若机电一体驱动器的减速器的减速比为N:l，则机电一体驱动器的电机转速Vl=V2XN(r / min)。根据实际需要可依此计算出多组大小不同的具体数据来。一般，大功率防振动高稳定性机电一体转换器的触头电极的转换动作时间比普通继电器长，但能控制在IS的范围之内，符合使用要求，因该种继电器在触头电极的转换动作时主回路处于断路状态，回路中没有电流，不会产生火花，因此是安全可靠的。
[0006]大功率防振动高稳定性机电一体转换器抗冲击振动稳定性分析:冲击振动的放向，有可能垂直于动触头电极联动件、与动触头电极联动件形成一个小于90°的角度、与动触头电极联动件平行，其中与动触头电极联动件平行的冲击振动可使动触头电极联动件受到最大的冲击力，这个力若来自电机方向，因电机与外壳固定而不起作用只有来自动触头电极联动件的力起作用。该力通过连接器的内螺纹作用在驱动器的输出螺杆的螺纹上，这个力可分解为垂直于螺杆螺纹侧面的和平行于螺杆螺纹的两个分力，垂直于螺杆螺纹侧面的分力没有使螺杆旋转的转矩，只有平行于螺杆螺纹的力可以形成对螺杆转动的力矩，但这个力要能克服极大于螺纹之间的静摩擦力才能使螺杆转动。当螺杆螺纹侧面与螺杆的经向间的夹角变化时，上述两个分力的相对大小会发生变化，当夹角变小时，垂直于螺杆螺纹侧面的分力增加，而平行于螺杆螺纹的力减小，在上述夹角处于某个角度时，平行于螺杆螺纹的力不能克服螺纹之间的静摩擦力时，来自动触头电极联动件的冲击力不能使驱动器的输出螺杆转动，就不会因强大的冲击振动使大功率防振动高稳定性机电一体转换器产生误动。
[0007]本实用新型的有益效果是:一方面大功率防振动高稳定性机电一体转换器只在动触头电极动作的瞬间需要驱动电力，而在作期间不需要驱动电力，即不耗电；更重要的另一方面是在合理设计驱动输出螺杆的螺纹侧面与驱动螺杆的径向角度的情况下，能可靠地防止在强冲击振动时驱动输出螺杆的转动，避免动、静触头电极脱离可靠接触，可有效的避免误动作。还有，大功率防振动高稳定性机电一体转换器的非接触触头电极之间的距离可以设计制作得足够大，耐电压水平得以提高，可靠性增强。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
[0009]图1是本实用新型大功率防振动高稳定性机电一体转换器的原理图。
[0010]图2是本实用新型大功率防振动高稳定性机电一体转换器可靠性原理分析图。
[0011]图3是大功率防振动高稳定性机电一体转换器实施例的内部结构图。
[0012]图中1.电绝缘外壳，2.机电一体驱动器，3.驱动器输出螺杆，4.连接器，5.动触头电极联动件，6.电机驱动头，7.动触头电极，8.静触头电极，9电极弹性片，10.电源接线端子，11.微动开关，12.模拟螺纹.13槽口。
[0013]在图1中，一个电绝缘外壳(I)内，固定安装了机电一体驱动器，机电一体驱动器由一台电机和一个减速器组成，电机与减速器直接连接并封装在一个整体的金属壳内。还固定安装了多组动触头电极(7)和静触头电极(8)、机电一体驱动器(2)和两个微动开关(11)。连接器(4)的内腔具有内螺纹，与驱动器输出螺杆(3)配合，使螺杆在其内部可自由转动而带动连接器(4)移动，当连接器(4)移动到极限位置时，分别触动两个微动开关
(11)，从而控制电机的电源线使其断电，电机停转，连接器(4)即停止移动。动触头电极联动件(5)与连接器(4)连成一体，当连接器(4)移动时带动动触头电极联动件(5) —起动作。当电极联动件(5) 向图1中的左向移动时，即通过电极驱动头(6)带动一组动触头电极
(7)向左极动，电极弹性片(9)提供动触头电极(7)动作时的弹性形变，当其与静触头(8)接触并具有一定压力时，连接器(4)即移动到极限位置。此时微动开关(11)动作切断电机电源，完成继电器触头的一次转换，继电器的另一个方向的触头电极转换与上述过程相同，只是机电一体驱动器的电机转动方向、电机驱动器输出螺杆(3)转动方向、连接器(4)及动触头电极联动件(5)的移动方向相反。
[0014]大功率防振动高稳定性机电一体转换器抗冲击振动稳定性具体分析
[0015]连接器(4)的内螺纹作用在电极驱动输出螺杆(3)的螺纹上，多个螺纹相互作用可以用一个输出螺杆(3)的模拟螺纹(12)等效。这个模拟螺纹(12)全部承受了来自连接器⑷的力。
[0016]在图2中，模拟螺纹(12)与输出螺杆⑶的径向夹角为α，来自动触头电极联动件(5)的冲击力为F，F的两个分力分别是垂直于模拟螺纹(12)侧面的力Fl和平行于模拟螺纹(12)侧面的力F2，并设连接器(4)的内螺纹与输出螺杆(3)之间的静摩擦力为F0。因F1方向与螺纹侧面垂直，不会产生对螺杆的转矩，而F2方向与螺纹面平行，是引起螺杆可能转动的旋转力，但F2要能克服螺纹之间的静摩擦力R)才能使螺杆转动。
[0017]冲击力F的计算:根据公式F=ma和V=at得:Vm=Ft，本实施例中触头电极总质量40g，动触头电极联动件质量50g，连接器质量60g，冲击速度为120km / h，持续时间ls，忽略电β弹性片(9)弯曲需要的变形力，数据代入公式中得:F=Vm /t=120X IO3X (40+50+60) X 10-3 / 60X60=150X 120=5N。
[0018]从图2中可看出F1=F X cos a，F2=F.cos α，静摩擦力F。= μ旧，μ。为有润滑的钢-钢之间的静摩擦系数，其值为0.1~0.12，α =5°，代入具体数据，可得:F1=S X cos α =0.996 X 5=5 (N)，F2=5 X 0.087=0.4 (N)，F0= μ ^1= μ 0.5=0.1 X 5=0.5 (N)，计算结果说明匕〈匕，即螺纹之间的静摩擦力大于旋转力，因此电极驱动输出螺杆不会转动，连接器、动触头电极联动件、电极驱动头和动触头电极即不会动作，所以大功率防振动高稳定性机电一体转换器即使在受到大的冲击振动时也会保持稳定而不误动。
[0019]其他情况下，只要F0>F2，即可防止误动。由F0= μ OXF1= μ 0.c.cos α，F2=C.sinα可得uPtana，这说明，驱动器输出端的螺杆，其螺纹的侧面与螺杆的径向夹角α的tan a〈uo。螺杆与连接器内腔螺纹配合，螺杆可以在连接器内腔自由转动，带动连接器做直线移动。
[0020]4.根据权利要求3所述的驱动器的输出端的螺杆，这说明，只要合理选择驱动器输出螺杆的螺纹侧面与螺杆的经向夹角α值，使tana小于静摩擦力μ ^，就能保障大功率防振动高稳定性机电一体转换器在遇到大冲击振动情况下不会发生误动作。
[0021]另外，因为触头电极之间的开断距离是由电机输出端的螺杆推动产生的，所以，触头电极之间的开断距离可以做的足够大，以保证非接触触头电极之间的耐电压强度，这样可以适应更高的使用电压。
[0022]实施例:在图3的大功率防振动高稳定性机电一体转换器实施例的内部结构图中，其电绝缘外壳(I)由耐高温、阻燃的塑料制作而成，外型是有一个缺角的长方体。在壳的内部，左下端水平安装固定机电一体驱动器(2)，电极驱动器输出螺杆(3)安装在连接器
(4)的内腔，连接器(4)的上端安装两个微动开关(11)，使连接器(4)移动到两个极限位置时碰触微动开关(11)使其动作并切断电源，在微动开关(11)、连接器⑷的右侧依次安装3组，也可依实际需要安装I组、2组、4组或多组电转换触头电极，每组触头电极由I个动触头电极(6)和2个静触头电极(8)组成，也可由一个动触头电极和一个静触头电极组成，其动触头电极联动件(5)是一个长方形耐高温，阻燃且具有一定机械强度的塑料件，其上开有3个或与电转换触头数对应的槽口(13)，电极驱动头(6)嵌入槽口(13)中，动触头电极(7)上对称焊接了两个触头，电极上制作了电极弹性片(9)。
[0023]动作过程:电源接线端子(10)接通电源，驱动器输出螺杆(3)旋转，连接器(4)作直线移动，动触头电极(7)在动触头电极联动件(5)的带动下，通过电极驱动头(6)使动触头电极与静触头电极(8)接触，在达到设定的触头压力时微动开关(11)碰触了连接器的外壳，微动开关(11)动作，使机电一体驱动器的电源失电，驱动器输出螺杆停止转动，连接器
(4)、动触头电极联动件(5)和电极驱动头(6)停止移动，完成一次触头电极的转换动作。此时，机电一体驱动器的外供电源不中断，当遇到极大的冲击振动使触头电极脱离正常接触而误动作时，连接器即动作，微动开关再次接通电源。机电一体驱动器的输出螺杆转动，使连接器回位、触头电极继续牢固接触。
[0024]本例大功率防振动高稳定性机电一体转换器的一组动作参数设定:连接器行程4mm，输出螺杆螺距0.8皿1，完成一次触头电极的转换动作时间为0.6S，机电一体驱动器的电机转速为9960r / min，机电一体驱动器的减速机减速比为20:1。根据实际需要，上述的连接器行程、输出螺杆螺距、完成一次触头电极的转换动作时间、机电一体驱动器的电机转速和机电一体驱动器的减速机减速比可以设置成多组大小不同的具体数值。
[0025]当机电一体驱动器的电源极性反向时，驱动器的输出螺杆反向动作，连接器亦反向直线移动，完成电转换开关的换向转换。
【权利要求】
1.一种大功率防振动高稳定性电机一体转换器，由电绝缘外壳、多组动触头电极与静触头电极组成的电转换开关、转换开关的电驱动部件，其特征是:转换开关电驱动部件是机电一体驱动器，驱动器的输出端与连接器连接，并用电器开关限定机电一体驱动器的行程。
2.根据权利要求1所述的大功率防振动高稳定性电机一体转换器，其特征是:机电一体驱动器由一台电机和一个减速器组成，电机与减速器直接连接并封装在一个整体的金属壳内。
3.根据权利要求1所述的大功率防振动高稳定性电机一体转换器，其特征是:驱动器的输出端做成螺杆，螺杆与连接器内腔螺纹配合，螺杆可以在连接器内腔自由转动，带动连接器做直线移动。
4.根据权利要求3所述的大功率防振动高稳定性电机一体转换器输出端的螺杆，其螺纹的侧面与螺杆的径向夹角α的tana < uo。
5.根据权利要求1所述的大功率防振动高稳定性电机一体转换器，其特征是:连接器的两个极限位置设置限位开关。
6.根据权利要求1所述的大功率防振动高稳定性电机一体转换器，其特征是:当因振动触点离开极限位置时，继电器电源可自行给驱动电机供电，触点回到极限位置。
【文档编号】H01H3/26GK203607265SQ201320561240
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2013年9月11日 优先权日:2013年9月11日
【发明者】尹永河, 李杨 申请人:廊坊市巽合新能源科技有限公司