专利名称：具有压电驱动致动器的电力装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及继电器型、接触器型或接触器断路器型的单极或多极电力开关装置，其在动触头和静触头之间的闭合和断开动作通过接近型致动器和压力型致动器实现。本发明也涉及该开关装置触头的闭合和断开方法。
背景技术：
继电器型、接触器型或接触器断路器型的电力开关装置是常用于执行如电动机载荷的开关切换或转接(commutation)的装置。因此，通常每一电极(power pole)都有一个由致动器驱动的可动桥接件，致动器一般由不同电极所共有的电磁铁构成并配备有复归装置如复位弹簧。可动桥接件具有单开关切换可动触头或两个双开关切换可动触头，分别与一个或两个固定触头相配合，以使电极中的电流断开或流动。此外，为了得到足够的接触压力，通常选用压力接触弹簧作用在可动触头上。
致动器由操作员的手动命令或由自动控制发出的命令进行控制。这些命令发生的时刻与此时开关装置不同电极中所流的电流强度当然是不同步的。因此，在进行使固定触头和可动触头分开的断开动作时，电极中会有巨大的电流循环，从而会在固定触头和可动触头之间持续地产生电开关切换电弧。此开关切换电弧需要在装置中设置灭弧室，并且最终会加速配置在固定触头和可动触头上的端部(tip)的损坏。为了使这种不利因素受到限制，电磁铁通常都有复归装置如复位弹簧，使固定触头和可动触头尽可能以最快的速度分开。然而，在与固定触头和可动触头的合拢相对应的相反的闭合动作时，则必须克服该回复力，必然需要增大电磁铁的尺寸和强度。
发明内容
本发明的第一个目的是当各电极中的交流电流实际上为零时确保开关装置电极的固定触头和可动触头之间的开关切换。因此能够减少开关切换时产生的电弧，并进而有利地减少触头端部的损耗。同时降低了开关的外部尺寸，并简化了灭弧室。
本发明的第二个目的是去掉现有开关装置中的机械复归装置。这样可以有效地减少规定额定电流的致动器的尺寸。于是可以得到尺寸小、设计简化的开关装置，并且这种开关装置的能耗较小，触头损坏也比较慢。
为了这现上述目的，本发明介绍了一种用于接通和断开载荷并包括一个或几个电极的电力开关装置，每一电极包括一个配备有至少一个可动触头的可动桥接件，可动触头在断开和闭合位置之间与电极的至少一个固定触头相互配合动作。开关装置包括作用在开关装置可动桥接件上的接近型致动器，以使可动触头和固定触头分开或合拢。每一电极包括一个压力型致动器，以便在不用机械复归装置的情况下，在电极的可动触头和固定触头之间形成接触压力和使触头断开。
根据一个方面，接近型致动器由电控电磁线性致动器或音圈型致动器构成。
根据另一个方面，电极的压力型致动器至少有一个作用在电极固定触头上的压电元件。
根据另一方面，开关装置包括用于测量电极中循环电流的装置，其中电极连接到能够控制接近型致动器和压力型致动器位置的电控制单元上。因为有用于确定位置的装置，所以此控制单元能够较好地控制位置、速度、压力的动态范围，以优化开关装置的操作抑制反弹，根据电极中的循环电流来调节接触压力，端部损坏诊断。
本发明还涉及电力开关装置中开关切换电极的方法。该方法特征在于，触头的闭合动作包括通过接近型致动器使可动桥接件接近固定触头的接近步骤，包括通过压力型致动器在可动触头和固定触头之间形成接触压力的连接步骤。该方法特征还在于触头的断开动作包括通过压力型致动器使电极的可动触头和固定触头分开的断开步骤，包括通过接近型致动器使可动桥接件隔开的隔开步骤。为了避免电极上出现电弧，断开步骤只在电极中的循环电流低于预定阈值、只是在电流刚刚变为零之前进行。
其它的特征和优点将在下文中借助于所示的附图通过具体实施例进行详细说明。
图1所示的是根据本发明的开关装置中双开关切换触头电极处于断开位置时的简化实施例；图2所示的是图1的实例在接近步骤执行之后的情形；图3所示的图1的实例在闭合位置时的情形；图4所示的是双开关切换接触电极的第二实施例；图5所示的是单开关切换接触电极的一个实施例；图6所示的是本发明开关装置致动器控制的详细方框图。
具体实施例方式
继电器型、接触器型或接触器断路器型电力开关装置包括一个或几个电极。它用于对电动机、电阻或其它元件的电力载荷进行电力控制。在图6所示的实例当中，开关装置包括对应于交流电三相L1、L2、L3的三个电极，以对电动机M进行控制。
参见图1-3，电极具有可动桥接件30，可动桥接件30具有两个电连接在一起的可动触头31a和31b。电极包括两个电导体40a和40b，导体40a对应开关装置的上游导体，导体40b对应开关装置的下游导体。导体40a和40b的末端分别有固定触头41a和41b，当可动桥接件30位于闭合位置时，固定触头41a和41b与可动触头31a和31b相接触，从而使电流在上游导体40a和下游导体40b之间循环。众所周知，上游导体40a和下游导体40b的末端形成环路从而减少了高电流情况下触头的排斥作用。
可动桥接件30与机械元件23作成一体，可以是指状、按钮或其它形式，其本身由接近型致动器20的可动部件21进行机械驱动。这种机械连接的特征在接触器或接触器断路器中都是标准的，因此在本说明书的图中未予示出。接近型致动器20用于在断开位置(见图1)和固定触头41a和41b与可动触头31a和31b靠近但相互分开的中间位置(见图2)之间执行可动桥接件接近行程动作和隔开行程动作，下面将进行详细说明。
每个电极还包括压力型致动器42，该压力型致动器用于执行触头的压紧冲程动作，这意味着用于在如上所述的中间位置(见图2)和闭合位置(见图3)之间、在电极的固定触头41a和41b与可动触头31a和31b之间形成接触压力或进行开关切换操作，此点将在下文当中详述。根据本发明的一个方面，压力型致动器42由一个或几个可变形压电元件42a、42b和42′构成。
压电元件是已知的并且当施加电压时具有变形和体积稍微增大的特性。此变形与向其所施加的电压值成正比，并且当电压消失时变形是可逆的。这种元件是双稳元件，不需要任何机械复归装置便能够回复到初始位置。它们具有耗电小而且在较短的响应时间内当体积增大时激励压力升高的优点。此外，由于不使用运动部件，所以不引起任何损耗。
在图1-3所示的第一个可选实例中，电极包括两个压电元件42a和42b，此两个压电元件42a和42b位于在开关装置的固定基座与承载两个固定触头41a和41b的电力导体40a和40b的末端之间。如果有电压施加到其上，则压电元件42a和42b的体积增大，于是产生压力F2a和F2b(见图3)，此力促使由金属导体40a和40b形成的回路产生微小的变形，从而使固定触头41a和41b向可动触头31a和31b位移。如果可动桥接件30如图2所示位于中间位置，则位移足够使固定触头41a和41b与可动触头31a和31b相接触并作用压力，导致位于如图3所示的闭合位置。典型地，所产生的位移约小于或等于1mm。当施加到压电元件42a和42b上的电压消失时，压电元件回复到初始形状，于是力F2a和F2b撤除，固定触头和可动触头分开，并回复到图2所示的中间位置。
在图4所示的第二可选实例中，压电元件42a和42b位于可动桥接件30上并作用在可动触头31a和31b上。可动桥接件30包括与可动触头31a和31b连接在一起的金属导体33。导体33有足够挠性，以至于当电压施加到压电元件42a和42b上时压电元件体积增大使导体33产生微小的变形并进而使可动触头31a和31b向固定触头41a和41b运动。但是，该实例使可动桥接件30的总重量增大。
优选地，开关装置所有电极包括一个单一接近型致动器20。此致动器20的可动部件21驱动不同电极的所有机械元件23。根据另一实施例，开关装置每个电极都有不同的接近型致动器20。尽管困难稍大一些，但每个电极都由较小的致动器单独控制，因此第二种方案用起来比较方便。
接近型致动器20是电控电磁致动器，如双稳线性电磁铁。在此情形下，致动器的可动部件是可动铁心21，如在磁性材料中制成的可调铁心，被承载通过有控制电流的绕组的固定外壳22包围。接近型致动器20作用在可动桥接件30上(如果每个电极有一个接近型致动器或者如果开关装置只有一个电极则作用在可动桥接件30上)，以使固定触头和可动触头分开和合拢。当固定外壳22的绕组接收到分开命令时，可动铁心21移动到一对应于图1所示的电极触头断开位置的隔开位置处。当固定外壳22的绕组通过对应于接近命令的控制电流时，则在可动铁心21上产生电磁力F1，于是可动铁心移向对应于图2所示的电极触头中间位置的接近位置。在中间位置处，固定触头和可动触头相互靠近但不接触。
根据本发明，接近型致动器20还可以是音圈型的线性致动器，其中可动铁心包括通过有控制电流的线圈，其中线圈在具有永久磁铁的固定支撑件内移动。实际上，在本应用情况下，这种致动器响应时间低并且具有有益的快速动态范围。最后，我们还可以设想旋转电磁铁配备上标准机械结构，使旋转运动转化为线性运动。
最好，接近型致动器20因此不需要使用复位弹簧型的复归装置来使可动铁心21返回到其初始的预定位置。致动器20的速度和位置由控制单元10调整以便获得快速的接近冲程和稳定的位置。此位置调整特别重要，当压电元件42a和42b产生力F2a和F2b时，力F2a和F2b必须由接近型致动器20产生的力F1进行补偿，以使固定触头和可动触头之间保持正确的压力，从而能够使可动桥接件30保持在闭合位置。
参见图6，开关装置包括电控制单元10，电控制单元10配备有处理单元如微处理器或微控制器和存储器，并连接到用于测量开关装置电流的装置11如电流传感器上，装置11能够发送与三相L1、L2、L3中循环的电流成正比的信号。控制单元10还接收直接来自操作员命令或来自自动命令的外部闭合或断开驱动命令12。根据此信息，控制单元10能够向不同电极的接近型致动器20和压力型致动器42发送正确的命令。
此外，控制单元10需能够实时地获知可动铁心21的位置以便能够调整接近型致动器20定位的速度和位置。为了作到这一点，控制单元10包括用于确定可动铁心21的位置的装置。在接近型致动器20选用磁阻变化极小的音圈型致动器时，用于确定位置的装置例如包括用于测量可动铁心21位置的传感器，该传感器可将位置数据反馈回控制单元10，在接近型致动器20选用双稳线性电磁型致动器时，控制单元10不必设置位置传感器，因为它能够通过如文献FR0200952中所示的电压测量值和线圈中循环的电流值以及与间隙变化相关联的电感变化的计算值估计出可动铁心21的位置。
自触头处于断开位置的初始位置开始，电极转接据下述方法进行
当控制单元10接收到命令触头闭合的驱动命令12时，电极转接方法包括接近步骤，其中控制单元10向接近型致动器20发送一接近命令。所产生的电磁力F1促使可动铁心21向中间位置位移。电极转接方法还包括连接步骤，其中控制单元10向电极的压力型致动器42发送一个压力命令。在此压力命令的作用下，压力型致动器42的压电元件42a和42b接收到一产生的电压，其体积增大，并在固定触头41a和41b上产生力F2a和F2b，足以进行触头的压紧冲程，并使固定触头41a和41b与可动触头31a和31b相接触。在连接步骤阶段，由于力F2a和F2b与力F1是相反的，所以控制单元10需通过调整可动铁心21的位置来平衡此差值力，使其不会由于力F2a和F2b的作用而移动，从而保证具有令人满意的接触压力。接近步骤和连接步骤可以顺序地进行也可以同时进行。
在瞬间的中间位置时，固定触头和可动触头需有足够的间隔以避免在其之间形成电流，但也需足够近以便于在连接步骤阶段产生的很小的位移便能够使固定触头和可动触头合拢在一起。
在触头闭合时，当每个电极有一个接近型致动器，我们可以附加用于触头端部损坏的诊断功能。当接近型致动器激励以稳定速度进行闭合动作时，我们利用电流传感器11按与电极对应的相检测出电流形成的时刻。根据从这一实例其随时间的变化，我们可以知道触头端部损坏的演变情况。
相反地，从触头位于闭合位置的初始位置开始，电极转接据下述方法进行当控制单元10接收到命令触头打开的驱动命令12时，电极转接方法首先包括切断步骤，其中控制单元10删除发送给电极压力型致动器42的压力命令。施加到压力型致动器42压电元件42a和42b上的电压的消失使其回复到了其初始形状，因此固定触头41a和41b和可动触头31a和31b相互分开，并返回到中间位置。一旦此切断步骤执行后，电极转接方法还包括隔开步骤，其中控制单元10向接近型致动器20发送一个隔开命令。此隔开命令促使可动铁心21向隔开位置位移，导引可动桥接件30以使触头处于断开位置。
最好，切断步骤是在电流变为0时逐个电极独立执行的，也就是说，当时实际上电极中并无循环电流。为了作到这一点，控制单元10利用来自电流传感器11并与三相L1、L2和L3中循环的电流成正比的信号。为了删除向电极的压力型致动器42所发送的压力命令，控制单元10检查出在对应于该电极的各相中循环的电流强度小于预定的几乎为0的最大阈值。通过如此控制，电极中电流的近于消失，可以确保该种电极固定触头和可动触头分开时产生很小的电弧或几乎不产生电弧。假设开关装置电极电流之间存在相位差，电流降为0不是同时发生的，因此删除不同电极上的压力命令将在不同的时刻进行，由此推断每个电极上有不同的致动器比较有益。由此我们可以保证开关装置触头的开关切换只会造成很小的电弧或者几乎不会产生电弧。当切断步骤在所有的开关装置电极上都发生作用时，才会启动隔开步骤。
此外，通过控制单元10驱动致动器还有这样的优点即能够根据各相中循环的电流采用控制电平。如果电流传感器11测得一个或几个各相中存在高电流如高瞬时电流或甚至是短路电流，控制单元10能够加强对压力型致动器的控制，调整接近型致动器的位置，从而使电极中保持正确的接触压力。
在图5的单开关切换可选实例中，开关装置的每个电极只有一个位于在可动桥接件30′一端的可动触头31′，其与置于下游固定导体40′上的固定触头41′相配合。可动桥接件30′的另一端与上游的固定导体33′铰接。压电型的压力型致动器42′位于在开关装置的固定基座和固定导体40′之间以便当电压施加到压电元件42′上时，在固定触头41′和可动触头31′之间能够形成接触压力。可动桥接件30′通过机械元件23′连接到接近型致动器20′的可动部件21′上。此实例的操作方法与前面所述实例的操作方法一致。
当然，在不脱离本发明的框架的情况下，还可以有其它的选择和发展以及我们能够预想得到的等效装置。
权利要求
1.一种电力开关装置，包括一个或几个电极，每一电极包括一个配备有至少一个可动触头(31a，31b)的可动桥接件(30)，可动触头(31a，31b)在断开和闭合位置之间与电极的至少一个固定触头(41a，41b)相互配合动作，其特征在于开关装置包括一个作用在开关装置可动桥接件(30)上的接近型致动器(20)，以使可动触头(31a，31b)和固定触头(41a，41b)分开或合拢；每一电极包括一压力型致动器(42)，在不用机械复归装置的情况下，在可动触头(31a，31b)和固定触头(41a，41b)之间形成触头压力和使触头断开。
2.根据权利要求1所述的电力开关装置，其特征在于，接近型致动器(20)是电控电磁双稳线性致动器。
3.根据权利要求1所述的电力开关装置，其特征在于，接近型致动器(20)是音圈型致动器。
4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的电力开关装置，其特征在于，每一电极包括作用在可动桥接件(30)上的不同的接近型致动器(20)。
5.根据权利要求1所述的电力开关装置，其特征在于，电极的压力型致动器(42)包括至少一个作用在电极固定触头(41a，41b)上的压电元件(42a，42b)。
6.根据权利要求1所述的电力开关装置，其特征在于，电极的压力型致动器(42)包括至少一个作用在可动桥接件(30)的可动触头(31a，31b)上的压电元件(42a，42b)。
7.根据权利要求1所述的电力开关装置，其特征在于，它包括用于测量与用于控制接近型致动器(20)与压力型致动器(42)位置的控制单元(10)相连的电极中循环电流的装置(11)。
8.根据权利要求7所述的电力开关装置，其特征在于，控制单元(10)包括用于确定位置的装置，以便调整接近型致动器(20)的位置。
9.根据前述任一权利要求的电力开关装置中电极的开关切换方法，其特征在于触头的闭合动作包括通过接近型致动器(20)使可动桥接件(30)接近固定触头(41a，41b)的接近步骤，并包括通过压力型致动器(42a，42b)使在可动桥接件(30)的可动触头(31a，31b)和电极的固定触头(41a，41b)之间形成接触压力的连接步骤。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于触头的断开步骤包括通过压力型致动器(42a，42b)使可动桥接件(30)的可动触头(31a，31b)和电极的固定触头(41a，41b)分开的切断步骤，之后还包括通过接近型致动器(20)使可动桥接件(30)隔开的隔开步骤。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于当电极中循环的电流小于预定阈值时进行切断步骤。
全文摘要
本发明涉及一种电力开关装置，其中每个电极包括一个配备有至少一个可动触头(31a，31b)的可动桥接件(30)，可动触头(31a，31b)在断开和闭合位置之间与电极的至少一个固定触头(41a，41b)相互配合动作。开关装置包括至少一个作用在可动桥接件(30)上的双稳或音圈型接近型致动器(20)，以使可动桥接件(30)的可动触头(31a，31b)和固定触头(41a，41b)分开或合拢，并且每一电极包括一个压电型压力型致动器(42)，以便在不用机械复归装置的情况下，形成触头压力和使触头断开。
文档编号H01H9/56GK1639818SQ03805633
公开日2005年7月13日 申请日期2003年3月10日 优先权日2002年3月19日
发明者克里斯琴·巴塔伊, 斯蒂芬·福利克 申请人:施耐德电器工业公司