专利名称：无火花开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种低压电器开关。
目前广泛应用的机械触点式低压电器开关，如继电器，接触器、磁力起动器、气动开关等直接起动功率负载的开关器件普遍存在着放电火花问题，因而对触点材料的要求很高，而且对于触点电流较大的开关往往还要设灭弧罩，这就使这类开关进一步缩小体积、降低成本，提高寿命受到了限制。但这种传统的机械式开关因其触点在接通以后压降接近于零，工作热损耗极小等优点仍然得到广泛的应用。新型的半导体开关器件，如各种可控硅及由可控硅为核心构成的固态继电器等无触点开关，虽然具有无放电火花的优点，但因其导通压降大。(约为(0.8～3V)，结温高(额定工作状态可达115℃)，工作热损耗大，一般均需要加散热装置和留出散热空间，因而缩小安装体积，降低成本仍然受限制。目前，除了对负载有特殊控制要求或作变频，变流用外，作为普通功率设备直接起动开关使用，半导体开关尚无足够的优势取代机械式开关。
本发明是对机械触点式开关和半导体无触点开关各自特点取长补短的结合。将两种开关合并为一体，利用二者动作的时间差，以半导体开关无火花放电的优点克服机械开关触点打火的缺点，同时以机械开关触点导通压降接近于零的长处弥补半导体开关导通压降大，结温高的短处。这样构成的无火花开关既无需灭弧设施又无需散热装置，可使开关的总体体积缩小，总成体降低，使用寿命提高，同时，与传统的电磁式机械开关相比还可以带来节能、减振的效果。
下面以附
图1为例说明无火花开关的构成原理。
图1中虚线框内属于无火花开关的组成部分。其基本构成是将机械开关主触点J2与主可控硅T2并联。
工作原理在操开关K未被接通以前，机械开关的电磁线圈J无电，电磁铁不动作(类似于接触器的结构)，辅助触点J1保持常闭状态，主触点J2不接通。可控硅触发单元G虽在工作，但因其输出的触发电流被J1所短路，小功率可控硅T1不能被触发而处于关断状态，主可控硅T2也处于关断状态，负载无电。当操作开关K接通后，电磁线圈J通电，电磁铁带动触点J1、J2开始吸合。其动作顺序是，首先J1断开，经过一段机械位移后，主触点J2闭合，电磁铁吸合完毕。由于机械开关动作速度较慢，整个吸合过程大约需要0.1秒左右。在J1断开的瞬间，触发单元G立即将可控硅T1、T2触发导通。而可控硅的开关速度是极快的，一般均在几十微秒以内，即在主触点J2的两电极远未靠近之前，主可控硅T2已经导通，将J2两极间的电压由原来的电源电压(220V)降为可控硅T2的导通压降(0.8～3V)，从而避免3接通时强烈的火花放电。随后，在J2接通(负载接电完毕，投入运行)以后，由于J2的触点导通压降接近于零，使负载电流的绝大部分由J2通过，从而又避免了主可控硅T2结温的升高。当操作开关K关断后，电磁线圈J断电，电磁铁在弹簧作用下带动机械触点开始复位。复位动作的顺序与接通时相反，即主触点J2先断开，经过一段反向机械位移后，J1闭合。在主触点J2断开后，J1尚未闭合前的复位行程时间里，可控硅仍处于导通状态，即J2两极间的电压又处于可控硅的导通压降，所以不会在J2分断时产生更强烈的火花放电。待辅助触点J1最终闭合后，可控硅才被关断(负载断电完毕)。
由于这种开关在接通和关断过程中，可控硅起到了电流旁路作用，从而避免了火花放电发生，无需灭弧罩和与灭弧有关的设施，对触点材料的要求也可以降低。又由于在接通以后的运行过程，触点压降接近于零，负载电流的绝大部分由触点通过，可控硅通过的电流极小，既使在接通和关断的动作过程中，可控硅暂时独立承担了全部负载电流，但这两个过程的时间都很短，均在0.1秒左右，可控硅的结温始终都不会升高，无需散热装置。而且，鉴于可控硅承担额定负载电流的时间很短，可以充分利用可控硅的过载能力，减小可控硅的容量配置，比如额定电流为40A的无火花开关，只需选用20A以上的可硅即可胜任。
图1中的触发单元G可以是任何型式的双向可控硅触发电路。本人推荐的一种简便触发电路如附图2所示。图1中的YM是保护可控硅的压敏电阻。
由上述原理构成的无火花开关，虽然是由两套开关并用，但由于各自的缺点得到了有效的克服，可以作到总体体积减小，总成本降低，使用寿命提高。这种开关适用于对操作频率无特殊要求的普通交流单相，交流三相功率设备的直接起动。交流三相无火花开关的组成见附图3所示。图3中的电磁线圈J可以是220V型的，也可以是380V型的。接法和普通接触器线圈的接法相同。
试验表明，此种开关在额定电流下工作，在105次寿命以内，95％以上的动作不发生火花放电，5％以下的动作只发生极轻微的火花放电。
关于节能和减振的效果。此种开关由于主触点不发生强烈的火花放电现象，因而可以将主触点的形状由常见的平面型改成“V”型，在实现相同导电效果的条件下，可以减小触点弹簧的压力，从而减小电磁线圈的吸合功率，带来节能和减振的效果。以下结合附图4分析说明其具体原理。
在图4中，(a1)，(a2)分别为常见平面型触点示意图及其接触受力分析图，(b1)，(b2)分别为“V”型触点示图及其接触受力分析图。在图(a2)中P为动触点所受的弹簧压力，它等于动触点对静触点的压力。“-P”为静触点对动触点的支承反力。由静力学平衡原理可知|-P|＝|P|。在图(b1)中，设V型触点的几何二面角为a，当触点接通时，从受力图b2的静力平衡分析可知，与弹簧力P相平衡的支承反力“-P”是静触点左、右两接触面的法向反力的矢量和，即
。假设a＝60。，则有|N1|＝|N2|＝|-P|＝|P|，或|N1|+|N2|＝2|P|，这相当于在弹簧力P的作用下有两个与|P|相等的平面型触点。换句话说，采用“V ”型触点，若达到与平面型触点同样大的触点电流，弹簧力P可以减小一半，从而可以减小电磁线圈的吸合功率，带来节能和减振的效果。
权利要求
1.一种低压电器开关。其特征在于将机械触点式开关与半导体无触点开关合并组成一体，利用两种开关动作的时间差，以半导体开关无火花放电的优点克服机械触点开关产生火花放电的缺点；以机械触点开关导通压降接近于零，工作热损耗小的长处弥补半导体开关导通压降大，结温高的短处，构成既无需灭弧设施又无需散热装置的无火花开关。
2.根据权利要求1中无火花放电的特征，可将机械开关主触点的形状由普通的平面型改成“V”型，如说明书附图4、(b1)所示，以便减小触点弹簧，减小电磁铁的吸合功率，带来节能、减振的效果。
全文摘要
本发明是对机械触点式开关和半导体无触点开关各自特点取长补短的结合。将两种开关合并为一体，利用二者动作的时间差，以半导体开关无火花放电的优点克服机械开关触点打火的缺点，同时以机械开关触点导通压降接近于零的长处弥补半导体开关导通压降大，结温高的短处。这样构成的无火花开关既无需灭弧设施又无需散热装置，可使开关的总体体积缩小，总成本降低，使用寿命提高，同时，与传统的电磁式机械开关相比还可以带来节能、减振的效果。
文档编号H01H9/54GK1164746SQ97104328
公开日1997年11月12日 申请日期1997年5月22日 优先权日1997年5月22日
发明者马鸿绪 申请人:马鸿绪