自由脱扣继电器的制作方法

本发明总体上涉及机电开关装置，并且具体地涉及自由脱扣过载，例如工业自动化应用中使用的自由脱扣过载。

背景技术：

已经开发了各种开关装置，并且这些开关装置目前用于为负载(例如工业自动化设置中的马达和其他致动器)供电。一类这样的装置包括过载继电器。这种继电器通常与连接至诸如电网的电源的负载上游的其他开关和保护装置结合使用。过载继电器可以在电流或发热升高至不期望的水平的情况下允许检测电流并且断开或脱扣。在许多马达应用中，这种过载继电器为三相功率提供单独的开关控制，尽管单相装置也是常见的。

在许多设置中，可能期望允许以电磁方式和手动方式两者来进行过载继电器的脱扣和复位。也就是说，当要断开电路时，装置应当能够致动以通过对操作线圈进行激励或去激励来以自动方式提供所需的开路。类似地，可能希望以电磁方式将装置复位为导通状态，以便可以进行远程操作以及自动操作。对于手动致动，可以设置脱扣或测试按钮以断开装置。然后，为了将装置手动复位为导通状态，可以设置复位按钮。

尽管装置已经被设计成提供这两种类型的致动，但是这些通常需要手动设置为不同的物理配置或模式。这样的模式选择会降低装置的实用性并且增加其复杂性。可用的过载继电器的其他问题包括要避免需要脱扣时的手动复位(即，使装置可以不顾人类操作者的动作而自由地脱扣，或者“自由脱扣”)。此外，现有装置可能需要相当大的功率来进行操作。

因此，需要允许易于以电磁方式和手动方式两者使用的过载继电器和类似的电磁开关。尤其需要这种类型的双稳态装置，其在需要时可通过对操作线圈去激励来使用更少的能量。此外，需要以下这种装置，其防止在电磁脱扣被激活时进行手动复位，从而防止操作者迫使装置进入导通状态。更进一步地，需要以下这种类型的装置，其提供具有降低的功率要求的高效电磁致动。

技术实现要素：

根据本公开内容的某些方面，一种过载继电器包括：电磁激活路径，该电磁激活路径包括：电枢，其在操作中使触头在置位状态与脱扣状态之间移动；磁体，用于将电枢保持在置位状态；以及线圈，用于克服磁体以在弹簧的影响下将电枢释放至脱扣状态；以及机械激活路径，该机械激活路径包括手动操作的复位构件，该复位构件使电枢在脱扣状态与置位状态之间移动。电磁激活路径和机械激活路径二者都能够在无需选择操作模式的情况下使电枢在置位状态与脱扣状态之间移动。当线圈被激励以克服磁体时，对复位构件的手动操作将不会使电枢复位至置位状态。

根据本公开内容的其他方面，一种过载继电器包括：电枢，其在操作中使触头在置位状态与脱扣状态之间移动；磁体，用于将电枢保持在置位状态；以及单个线圈，其能够以第一方式被激励以将电枢吸引至置位状态，并且能够以第二方式被激励以克服磁体从而在弹簧的影响下将电枢释放至脱扣状态。机械激活路径包括手动操作的复位构件，该复位构件使电枢在脱扣状态与置位状态之间移动。电枢在置位状态和脱扣状态下是双稳态的。电磁激活路径和机械激活路径二者都能够使电枢在置位状态与脱扣状态之间移动。当线圈被激励以克服磁体时，对复位构件的手动操作将不会使电枢复位至置位状态。

根据其他方面，一种过载继电器包括：电磁激活路径，该电磁激活路径包括：电枢，其在操作中使触头在置位状态与脱扣状态之间移动；磁体，用于将电枢保持在置位状态；以及线圈，用于克服磁体以在弹簧的影响下将电枢释放至脱扣状态。机械激活路径包括手动操作的复位构件，该复位构件使电枢在脱扣状态与置位状态之间移动。电枢在置位状态和脱扣状态下是双稳态的，并且电磁激活路径和机械激活路径二者都能够在相同物理配置下使电枢在置位状态与脱扣状态之间移动。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，其中，在整个附图中，相似的附图标记表示相似的部分，其中：

图1是根据本公开内容的示例性过载继电器的透视图；

图2是图1的过载继电器的局部分解图；

图3是过载继电器的操作部件的更详细的透视图；

图4是过载继电器的局部剖面侧视图，其进一步示出了该过载继电器的部件以及部件在脱扣状态下的定向；

图5是处于复位按钮被推动并脱扣的状态的过载继电器的类似图示；

图6是处于复位完成或置位状态的过载继电器的类似图示；

图7是示出防脱扣弹簧的操作的类似图示；

图8是示出自由脱扣复位位置的类似图示；

图9是用于控制过载继电器并降低功率需求的示例性方案的电路图；

图10是用于电磁脱扣的通过继电器操作线圈的电流的图形表示；以及

图11是在指定用于复位功能和脱扣功能二者的线圈时可以考虑的某些线圈特性的图形表示。

具体实施方式

图1示出了自由脱扣过载继电器的示例性实施方式。如图所示，继电器10被设计成在自动化系统中实现以用于为诸如电动马达的负载供电。该实施方式中的继电器是三相装置，其可以接线以进行常开或常闭操作。继电器例如通过感测线路经由如所示的在附图中用附图标记12指示的端子从任何期望的电源(例如电网)接收输入电力。电力穿过负载传感器并被提供给下游电路，并且最终被提供给如附图标记14所指示的负载。

继电器包括外部壳体16，所有功能性机械部件和电磁电路都定位在外部壳体16中。在所示实施方式中，尽管未单独示出，但是继电器包括：电流感测电路18，其在操作中感测进入装置的各相功率的电流，以便监测并控制可能的过载。还包括控制电路20，以允许在检测到过电流或者在某时间内过电流或者由这种电流引起发热时使过载继电器脱扣。应注意，继电器可以包括数字控制装置(例如模数转换器、微处理器或类似的处理装置)以及相关联的存储器电路。存储器电路可以存储由继电器通过在处理电路上执行而实现的例程。控制电路还可以允许例如在来自诸如自动化控制器的外部装置的命令下对过载继电器进行远程控制。此外，控制电路可以包括：通信电路，其允许过载继电器联网并且接收和/或发送例如与脱扣事件、电流水平等有关的数据。

可以从外壳16的外部访问某些手动控制装置。在所示实施方式中，这些手动控制装置包括：脱扣按钮22，其允许对装置进行手动脱扣或测试的操作。复位按钮24允许如下文所讨论的那样对继电器进行手动复位。设置有调节器26以设定脱扣电流。

图2是过载继电器的局部分解图，其示出了某些内部部件。在该视图中，壳体已被分离开，如附图标记16'、16”和16”'所示。可以看到用于将继电器接线成常开常闭配置的端子28。在图2中可见的功能部件之中，示出了操作线圈30，其被布置成邻近可移动结构32，下文将更详细地描述。线圈的操作允许装置的断开和闭合，或者更具体地，将装置在置位状态与脱扣状态之间进行转变。可以注意到，单个线圈用于两种操作，这减少了部件和功率需求。在图2中还标出了脱扣指示器34，其是在装置脱扣和复位时移动的机械标志。

图3是更详细地示出过载继电器的部件的透视图。如图所示，线圈30耦接至线圈功率导体36，以接收用于在脱扣和复位时进行电磁操作的电力。如下文所讨论的，在某些当前实施方式中，相同线圈被供电以用于脱扣和复位二者，并且在这些模式中的至少一个中，由来自控制电路的脉冲宽度调制功率供电。中央芯38被设置成通过线圈。当线圈和芯被激励时，其进行操作以在枢转操作中向下吸引或拉动电枢40，从而使继电器置位或复位。如下所述，以相反极性供电来操作以使装置脱扣。固定触头42将被硬接线至控制马达或负载的操作的导体。可移动的触头支承件44被设置在电枢40上，并且支承可移动触头46，当装置处于置位状态或复位状态时，可移动触头46接触固定触头以传导电力。在另一方面，当装置被脱扣时，可移动触头与固定触头分离以提供开路。

可移动触头支承件和可移动触头安装在枢轴板(pivotplate)48上，枢轴板48设置有枢轴点，电枢40在操作(即，在置位状态与脱扣状态之间运动)期间围绕该枢轴点枢转。枢轴板48与线圈一起被支承在基座50上。在枢轴板48与基座50之间设置有永磁体52，用于如下文所讨论的那样将继电器保持在置位状态，从而使装置双稳态。以两种不同极性来激励线圈允许包括电枢40、支承件44和可移动触头46的可移动结构如图中箭头54所示进行枢转。可以认为刚才描述的部件限定了电磁激活路径56，其包括磁体52、线圈30、芯38和电枢40。如下文所述，这些部件允许装置电磁脱扣和复位。

复位组件60允许进行手动复位。在所示实施方式中，该复位组件包括：复位回位弹簧62，其朝向图示中的向上定向推动复位按钮24。该按钮可以克服复位回位弹簧62的弹力而被按下，并且然后在释放时返回至其原始位置。复位杆64能够枢转以如下文所讨论的那样带来对装置的手动复位。来自复位组件的延伸部66接纳防脱扣弹簧68，该防脱扣弹簧68被布置在复位按钮24与复位杆64之间。防脱扣弹簧68用于在命令进行电磁脱扣时防止手动复位，使得装置“自由脱扣”。也就是说，如下文所讨论的，防脱扣弹簧允许复位按钮在继电器处于置位状态时自由移动。当继电器处于脱扣状态时，还在复位杆64上施加力以移动复位销74。在所示实施方式中，复位杆64具有枢轴销或轴70，复位杆64在操作中围绕枢轴销或轴70枢转。复位销孔72设置在杆的与防脱扣弹簧相对的端部处，并且接纳复位销74。复位销从该孔向上延伸通过线圈芯，并且可以如下文所讨论的那样与电枢40接触。复位销由铁磁材料制成，其允许与电枢磁耦合以将装置手动拉回到置位状态，这也在下文讨论。可以将用于使装置手动脱扣和复位的部件的装配认为是机械激活路径76，其与电磁激活路径56并行操作以允许装置在脱扣状态与置位状态之间对手动转变。

图4至图8示出了在不同操作状态下过载继电器的部件之间的物理位置和关系。然而，应当注意，由于装置的机械构造，相同物理配置允许四种操作，包括电磁脱扣、电磁复位、手动脱扣以及手动复位。此外，如下文所讨论的，电磁脱扣优先于手动复位装置的尝试。在本文中，术语“相同物理配置”旨在暗示部件被装配并保持在它们的装配关系中(尽管它们中的一些会移动以在置位与脱扣之间切换状态)，无论过载继电器是通过激活电磁激活路径来操作还是通过激活机械激活路径来操作。因此，与必须选择操作模式以更改装置的物理配置的现有继电器不同，不需要在自动操作与手动操作之间进行这种模式选择。

图4示出了处于脱扣状态的过载继电器的功能部件。继电器的部件与以上参照图3描述的部件相同。在脱扣状态(总体上由附图标记78指示)下，包括电枢40的可移动结构在枢轴板48上枢转，以将可移动触头46与固定触头42分开。这有效地断开了通往装置的电路。在这种状态下，总是产生磁通量的磁体52的吸引力不足以引起电枢40向下枢转。特别地，肘节(toggle)弹簧58的设计(例如，其长度、行程和弹簧常数)及其相对于枢轴点的位置以及磁体52的特性和布置导致在结构上施加力以克服磁体的任何吸引力。此外，复位销54被示为与电枢分隔开，使得这两个部件被磁去耦。由于力之间的关系，尤其由于装置所施加的力在该脱扣状态下是稳定的，因此线圈不需要被激励。在需要时，可以能够为线圈30供电，以进一步克服由磁体52的磁通引起的任何吸引力，从而帮助将装置维持在所示的脱扣状态。

可以如图5所示手动复位继电器。(总体上由附图标记80指示的)手动复位开始于按下复位按钮24。这使得复位组件被向下推动。由箭头82指示的这种向下运动引起复位杆借由防脱扣弹簧68的力而旋转(如箭头84所示)，使得连接至复位销的相对端升高(如箭头86所示)。这继而使复位销上升通过线圈芯并且接触或紧密地接近电枢40。这将销磁耦合至电枢，允许其将电枢拉回到复位位置，如图6所示。应当注意的是，按下复位按钮24会压缩复位回位弹簧，如图5中的附图标记90所示。在完成复位之后，部件处于图6所示的置位状态92。如图所示，销74被返回至其缩回位置，但是仍然接触或紧密地接近电枢40，如标记94所示。随着销如箭头96所示向下移动，杆64如箭头98所示进行枢转，并且杆的相对端如附图标记100所示升高。这种部件向其置位状态位置的返回由图中附图标记102所指示的复位回位弹簧的延伸引起。脱扣指示器34也被回位以指示置位状态。由于磁体的持续磁吸引力，组件在该状态下保持稳定，并且不需要为线圈供电。

应当注意，也可以通过为线圈30供电以进行电磁复位来获得置位状态92。具体地，在不按下复位按钮的情况下，以第一极性为线圈供电凭借线圈及其芯38产生的通量来增加永磁体的力。这种组合的磁通量和电磁通量以及所产生的力吸引电枢40并克服肘节弹簧58的力，从而允许装置被电磁复位。然后，电磁复位后的最终状态与图6所示的状态相同，并且装置将在此脱扣状态下维持稳定。

图7示出了装置如何避免从置位状态尝试手动操作的问题。当装置处于所示的置位状态时出现防脱扣状态104，并且然后复位按钮24被按下。在这种状态下，电枢40在磁体52的影响下磁耦合至销74，如标记106所示。然后，当如标记108所示按下复位按钮24时，防脱扣弹簧68被压缩，如标记110所示。该压缩防止了杆64的枢转，否则杆64的枢转将使电枢升高并使可移动结构向脱扣状态移动。选择防脱扣弹簧68的物理特性(例如，其连杆(link)、行程和弹簧常数)，使得按下复位按钮24不会使杆64上的力足以克服磁性部件与电枢的磁耦合。

图8示出了继电器的自由脱扣复位操作。该操作(总体上由标记112指示)允许不顾对复位按钮的操作而进行电磁脱扣。具体地，在如箭头114所示按下复位按钮之后，杆64可以如箭头116所示进行枢转，并且复位销74将如箭头118所示向上移动。复位销将磁耦合至电枢40，并且电枢将与销一起向下移动，如箭头120所示。(当释放复位按钮时，它也将如箭头122所示向上回移)。如果线圈30在该复位过程期间的任何时间处沿脱扣方向被激励，则复位销将与电枢磁去耦，并且肘节弹簧将再次使继电器脱扣。同样，在需要时，可以激励线圈以防止复位。以这种方式，经由电磁激活路径的电磁操作因此优先于通过机械激活路径的复位。

图9示出了用于激励单个线圈30以进行脱扣和复位二者的示例性控制电路122。电路使用h桥设计和脉冲宽度调制，以确保装置的适当操作，同时显著降低功率要求。电路122将如附图标记124所示耦接至电源(未单独示出)，以对存储电容器142和144充电。如图所示，设置有电子开关(例如，fet)，其接收来自处理电路(未单独示出)的控制信号。第一开关126在输入端128处接收控制信号，而第二开关130在输入端132处接收控制信号。在线圈的相对侧，第三开关134在输入端136处接收控制信号，而第四开关138在输入端140处接收控制信号。为了以第一极性施加电流以使装置脱扣，开关126被置于导通状态，并且开关138接收控制信号，以引起脉冲宽度调制的对开关的断开和闭合。为了进行复位，对开关130和开关134通电。如上所述，过载继电器是双稳态的，这意味着一旦处于脱扣状态或复位状态，就不需要对线圈施加功率。然而，如果需要，可以通过图9的电路施加功率，以确保克服永磁体的任何吸引力，从而帮助将线圈维持在脱扣状态。图9中还示出了电路的每一侧可以包括电容器142和电容器144，其允许在电力供应暂时失去的情况下操作装置以在有限时间内进行脱扣或复位。

图10是施加到线圈以进行脱扣的电流的图形表示。曲线图142示出了电流144与时间146的关系。当需要脱扣时，如标记148处所示向线圈施加脉冲宽度调制信号。在所示实施方式中，施加了约1.5a的电流，并且继电器在150所示的时间窗处断开。此后，如标记152所示，从线圈中移除电流。

图11示出了用于本过载继电器的操作线圈的示例性扭矩与电流关系、对于设计和线圈选择的考虑。具体地，关系154可以被示为施加到电枢的磁扭矩156(相对于来自肘节弹簧的正扭矩的负扭矩)与线圈电流158的关系，并且在线圈设计和规格中可以考虑一系列电枢位置或关系160。在某些现有技术的装置中采用了两个单独的线圈，一个用于脱扣而一个用于复位，而在本实施方式中使用单个线圈。可以提供特定的安匝(amp-turn)规格以对磁耦合去激活。也就是说，选择线圈以提供足够的安匝以克服肘节弹簧力。使用低电阻线圈并且通过使用脉冲宽度调制来限制电流可以减少继电器能量消耗。使用单个线圈还减少了磁路，从而对于相同数目的磁路部件而言提供了更多的磁力。在图11的图示中，可以设计最小磁扭矩162以确保脱扣，而大于来自肘节弹簧的扭矩的磁扭矩164允许进行复位。

尽管本文中仅示出和描述了本发明的某些特征，但本领域技术人员将想到许多修改和变化。因此，应当理解，所附权利要求旨在覆盖落入本发明的真正精神内的所有这样的修改和变化。