本发明涉及接触器技术领域，特别地，涉及一种用于交流接触器低功耗交直流扩展模块。
背景技术：
接触器广泛应用于各种用电场合，接触器包括交流接触器和直流接触器。当接触器的线圈通电后，电流流过线圈产生磁场，从而带动接触器的主触头动作，以达到控制负载电路闭合或断开的目的。
目前的接触器线圈设计主要有三种类型。
第一种类型是图1所示传统的交流线圈设计，针对每一个额定的输入电压和频率(一般是50hz)设计相应的线圈绕制参数以满足动作特性(吸合电压、释放电压、吸合时间、释放时间、速度等等)的需求，当额定输入电压和频率改变的时候必须调整线圈绕制参数，因此，该设计仅适用于专门的结构需要，无法和交流框架共用。
第二种类型是图2所示直流线圈设计，它的线圈体积庞大，由此弥补直流阻抗的不足。这种最普遍的传统直流铁芯设计为永磁铁和电工纯铁铁芯组合的形式，只能输入直流电压而且当额定电压变化的时候也需要不同的线圈参数来实现动作特性的需求。另一种改进的直流铁芯设计利用电工纯铁代替硅钢片，辅助永磁铁来实现动作切换。
第三种类型是直流铁芯和整流加脉宽调制技术的电路板元器件组合，图3a和3b示出最新技术的电子控制线圈，能够直流通用，例如abb的af系列，采用pwm脉宽调制技术。这种设计允许通入一定范围内的交流或者直流电压，但是需要接触器本身的独特结构来实现，结构复杂，与市场上绝大部分的接触器设计平台都不同。
数据中心、机车、电动汽车以及不间断能源的大量应用让工业控制领域产生了越来越多的直流控制需求，变频启动也对接触器提出了越来越宽的频率适配需求，不再是传统的50hz或者60hz输入。目前只能选用直流线圈接触器或者成本昂贵的交直流一体式接触器来实现。
技术实现要素：
鉴于现有技术中存在的上述种种问题，本发明提出一种新的技术方案，以传统接触器扩展联结的方式来实现直流输入以及交流宽频输入功能，同时还能使交流接触器维持比较低的功耗。本发明的方案不需要对目前的传统交流接触器设计方案进行任何改造或者重新设计，甚至已经安装在柜体的交流接触器也不需要重新拆除更换。在现有技术中没有以这种方式来实现输入功能的扩展。
上述特征和优势通过以下具体技术特征实现。
根据本发明的一个方面，提出一种用于交流接触器的低功耗交直流扩展模块，设计成通过位于扩展模块上的连接装置与交流接触器接合，所述扩展模块包括整流模块、保护模块、电流调节元件和联动状态切换模块，其中：整流模块能够与联动状态切换模块和交流接触器的吸合线圈电连接，用于将交流电转换成直流电；保护模块能够保护所述低功耗交直流扩展模块不受电源电压变化冲击而损坏；电流调节元件能够与联动状态切换模块和交流接触器的吸合线圈电连接，用于调节维持电流的水平；并且联动状态切换模块被配置成响应交流接触器的主触头的动作以选择性地使电流调节元件和交流接触器的吸合线圈串联连接。
优选地，联动控制模块包括常闭触头和模块动触头支架，所述常闭触头包括常闭静触头、用于连接吸合线圈的常闭静触头右及接线端子、和固定安装到模块动触头支架上的常闭动触头；所述模块动触头支架设计成与交流接触器的接触器动触头支架同时动作，使得交流接触器主触头的动触头与常闭触头的常闭动触头的运动状态相反。
根据一个优选的实施方式，电流调节元件是固定电阻器或可变电阻器，并且，所述固定电阻器或可变电阻器电连接到所述常闭静触头右及接线端子。
根据另一优选的实施方式，联动状态切换模块还包括与常闭触头相继动作的常开触头，该常开触头包括常开静触头、用于电连接到电源的常开静触头左及接线端子、和固定安装到模块动触头支架上的常开动触头。
可选地，所述固定电阻器或可变电阻器电连接到所述常开静触头左及接线端子。
根据又一优选的实施方式，所述电流调节元件是第二线圈。
优选地，所述第二线圈与所述吸合线圈电连接。
可选地，第二线圈通过将交流接触器的吸合线圈从中间抽头而获得。
可选地，第二线圈与吸合线圈同轴绕制。
优选地，扩展模块还设置有用于电连接到电源的电源接线端子和用于电连接到线圈的线圈接线端子。
优选地，所述整流模块包括整流桥。
可选地，所述整流模块的两个输入端分别与所述电源接线端子和所述常开静触头左及接线端子电连接，而两个输出端分别与所述线圈接线端子和所述常闭静触头电连接。
优选地，所述保护模块设置在所述整流模块的两个输入端之间或两个输出端之间。所述保护模块可以是稳压管或者浪涌保护元件。
优选地，模块动触头支架具有从扩展模块的外表面突出的凸出部，该凸出部与模块动触头支架一体成型，并且，当扩展模块与交流接触器接合时，所述凸出部嵌入接触器动触头支架侧面的凹槽中。
优选地，所述连接装置包括活动卡钩和与扩展模块一体成型的固定卡钩。
优选地，扩展模块还包括锁紧模块，所述锁紧模块包括锁扣和锁扣弹簧。
根据本发明的另一方面，提出一种与前述的扩展模块接合的交流接触器，其包括接触器动触头支架，该接触器动触头支架在侧面上设置有用于接收所述扩展模块的模块动触头支架的凸出部的凹槽。
优选地，所述交流接触器还包括设置在交流接触器侧面相应位置上的燕尾槽，用于接收扩展模块的活动卡钩和固定卡钩并且与其相互配合。
传统的交流接触器同上直流电会很快烧坏接触器的线圈，这是因为直流电没有感抗产生，因此回路总阻抗就是线圈的内阻，导致维持电流很大，线圈剧烈发热而烧坏。本发明提出的扩展模块有固定电阻器或可变电阻器接入，在直流输入情况下使维持电流处于合理水平。在采用双线圈结构的情况下，维持线圈被设计成匝数多、线径小、圈数多的模式，使维持电流大小处于合理水平。
附图说明
本发明的上述和其它特征以及优点将通过下面结合附图的详细描述变得更加明显，并且以下描述和附图仅用于示例性目的，而不是以任何方式来限制本发明的范围，其中：
图1是传统的交流接触器线圈的设计示意图；
图2是现有技术中直流接触器线圈的设计示意图；
图3a和3b是现有技术中电子控制线圈的示意图；
图4是根据本发明一个实施方式的低功耗交直流扩展模块的功能示意图；
图5是根据本发明一个实施方式的低功耗交直流扩展模块的内部结构立体视图；
图6是根据本发明一个实施方式的低功耗交直流扩展模块的内部结构正视图；
图7表示根据本发明一个实施方式的低功耗交直流扩展模块的内部结构爆炸视图；
图8是根据本发明一个实施方式的低功耗交直流扩展模块的外观立体视图；
图9a至图9d是根据本发明一个实施方式的低功耗交直流扩展模块外观平面示意图，其中图9a表示扩展模块的右视图，图9b表示扩展模块的正视图，图9c表示扩展模块的左视图，图9d表示扩展模块的顶视图；
图10表示根据本发明一个实施方式的低功耗交直流扩展模块和交流接触器接合的三维设计渲染视图；
图11a至11c是根据本发明一个实施方式的低功耗交直流扩展模块和交流接触器接合的平面示意图，其中图11a表示主视图，图11b表示底视图，图11c表示沿a-a的剖面示意图；
图12a是根据本发明一个实施方式的低功耗交直流扩展模块(电阻器开始不投入)的电路连接示意图；
图12b是根据本发明一个实施方式的低功耗交直流扩展模块(电阻器保持连接)的电路连接示意图；
图12c是根据本发明一个实施方式的低功耗交直流扩展模块(双线圈设计，第二线圈保持连接)的电路连接示意图；
图13a至13d是根据本发明一个实施方式的低功耗交直流扩展模块(电阻器开始不投入)的电路原理图，其中图13a和13b示出在吸合瞬间的电流流向，图13c和13d示出在维持阶段电流流向；
图14a至14d是根据本发明一个实施方式的低功耗交直流扩展模块(电阻器保持连接)的电路原理图，其中图14a和14b示出在吸合瞬间的电流流向，图14c和14d示出在维持阶段电流流向；
图15a至15d是根据本发明一个实施方式的低功耗交直流扩展模块(双线圈设计，第二线圈保持连接)的电路原理图，其中图15a和15b示出在吸合瞬间的电流流向，图15c和15d示出在维持阶段电流流向；
图16示出用于检测根据本发明实施方式的低功耗交直流扩展模块的试验装置；
图17示出交流电压输入下根据本发明实施方式的低功耗交直流扩展模块的工作电流波形；
图18示出用于检测根据本发明实施方式的低功耗交直流扩展模块的实验装置，其中交流接触器的铁芯的短路环被去除；
图19表示输入的直流电压；
图20表示根据本发明实施方式的低功耗交直流扩展模块在直流电压下的吸合和释放动作特性曲线。
具体实施方式
下面参照附图描述本发明的优选实施例。
有关本发明的前述及其它技术内容、特点与技术效果，在以下配合参考附图对实施例的详细说明中可清楚地呈现。本文中所提到的方向用语，例如上、下、左、右、前、后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明，此外，在全部实施例中，相同的附图标记表示相同的元件。
图4示出本发明的用于交流接触器的低功耗交直流扩展模块的功能模块图。如图所示，扩展模块包括整流模块、电流调节元件(比如电阻器或第二线圈)、联动状态保护模块，以及连接线路等。整流模块能够与联动状态切换模块和交流接触器的吸合线圈电连接，用于将交流电转换成直流电。电流调节元件能够与联动状态切换模块和交流接触器的吸合线圈电连接，用于调节维持电流的水平。联动状态切换模块被配置成响应交流接触器的主触头的动作以选择性地使电流调节元件和交流接触器的吸合线圈串联连接。扩展模块与交流接触器通过连接装置接合并且通过接线端子与交流接触器的吸合线圈连接后，就实现了扩展模块和交流接触器的机械、电气整体化，相当于整体变成交流和直流都兼容的新的接触器。
图5至图7示出根据本发明的低功耗交直流扩展模块的内部结构，其中图6是内部结构正视图，图7是内部结构的爆炸视图。
扩展模块的联动控制模块包括常闭触头nc和模块动触头支架5，其中常闭触头包括常闭静触头1、常闭静触头右及接线端子y(即，用于电连接吸合线圈的线圈接线端子2)、以及固定安装到模块动触头支架一端的常闭动触头3和常闭动触头弹簧4。
联动状态切换模块还可以包括与常闭触头nc相继动作的常开触头no，常开触头no包括常开静触头8、常开静触头左及接线端子a2(即，用于电连接到电源的接线端子7)、以及固定安装到模块动触头支架5另一端的常开动触头11和常开动触头弹簧12。当模块动触头支架5动作带动常闭触头nc的常闭动触头3与常闭静触头1断开，安装在模块动触头支架5的另一端的常开触头no的常开动触头11随即与常开静触头8分开。
如图6所示，扩展模块还设置有用于电连接到电源的电源接线端子a1(即，用于电连接到电源的接线端子14)和用于电连接到线圈的线圈接线端子x(即，用于电连接吸合线圈的接线端子15)。
整流模块6包括整流桥，并且整流模块的两个输入端分别与电源接线端子a1和常开静触头左及接线端子a2电连接，而两个输出端分别与线圈接线端子x和常闭静触头1电连接。
保护模块设置在整流模块的两个输入端之间(输入侧)或两个输出端之间(输出侧)，能够保护低功耗交直流扩展模块内部的元件不受电源电压变化冲击而被损坏。保护模块可以是稳压管，或者是浪涌保护元件(mov)。
电阻器r的一端电连接到所述常开静触头左及接线端子a2，另一端电连接到所述常闭静触头右及接线端子y。电阻器r可以是固定电阻器或可变电阻器，用来适应不同输入电压的要求，使得直流输入情况下维持电流处于合理水平，防止由于电流过大而烧坏吸合线圈。电阻器的电阻值根据接触器的铁芯参数、反力情况等进行优化。
锁紧模块位于下基座，包括锁扣弹簧9和锁扣10。
图8、9a至9d示出根据本发明的低功耗交直流扩展模块的外观，其中图8是立体视图，图9a是右视图，图9b是正视图，图9c是左视图，图9d是顶视图
模块动触头支架5具有与其一体成型的凸出部16，凸出部16从扩展模块外表上的狭槽向外突出。扩展模块还具有用来连接交流接触器的连接装置，在图8所示的扩展模块优选实施例中，扩展模块具有与扩展模块一体成型的两个固定卡钩17，以及两个活动卡钩18。活动卡钩独立于其它零件，它的自由位置通过一个内置于扩展模块中的弹簧来确定。当扩展模块与交流接触器相卡接时，弹簧进一步压缩，活动卡钩将处于工作位置，与接触器侧面相应位置处的燕尾槽(图中未示出)配合。
在本发明的优选实施方式中，扩展模块的接线端子布置成上下两层，如图9a、9c和9d所示，扩展模块具有上层两个线圈接线端子x、y，分别与接触器的线圈接线端子m、n(图中未示出)连接，以及下层两个电源接线端子a1、a2，供客户输入交流电压或直流电压a1+、a2－。使用本发明提出的扩展模块时，使用者只需将原先接在接触器线圈端子上的输入电压重新联接到扩展模块的电源接线端子a1和a2上即可，操作简单，不需要改变接触器使用者正常的接线方式、习惯和工作量。
图10是扩展模块与交流接触器接合的三维视图，图11a、11b和11c分别表示主视图、底视图和沿a-a的剖视图。图示实施方式的交流接触器包括三相常开主触头以及一副常开或常闭触头，它们的接触或断开的状态通过接触器动触头支架19的位置控制。
扩展模块5通过前述固定卡钩17和活动卡钩18与交流接触器卡接，同时，模块动触头支架5的凸出部16嵌入接触器动触头支架19侧面的凹槽中并且紧密配合，从而与接触器动触头支架的运动形成同时动作(同向、同步、同速)的联动关系。
在工作电压输入之前，接触器动触头支架19处于初始位置，交流接触器的主触头断开、常开辅助触头断开或者常闭辅助触头接触；扩展模块的常闭触头nc处于接触状态。当工作电压输入后，吸合线圈有电流经过从而产生吸力，接触器动触头支架19和模块动触头支架5同时向接触器的铁芯间距缩短的方向动作，一段时间比如15ms之后，交流接触器的主触头开始接触、常开辅助触头开始接触或者常闭辅助触头已经断开。扩展模块的常闭触头nc由于模块动触头支架5与接触器动触头支架19的联动因此状态发生翻转而处于断开状态，常开触头no开始接触。
也就是说，当交流接触器的主触头的动触头闭合使得主触头的动静触头接触(电力连通)时，联动状态切换模块的常闭触头nc的常闭动触头3与常闭静触头1分开(电力断开)；当交流接触器主触头的动静触头分开时，常闭触头nc的常闭动触头3与常闭静触头1接触。交流接触器主触头的动触头与联动状态切换模块的常闭触头nc的常闭动触头运动状态总是相反。
扩展模块和交流接触器之间的这种联动关系非常关键，在后面即将描述的电路原理图中联动关系实现了接触器吸合瞬间和维持状态电路中电流流向和大小的变化，这种变化是实现维持功耗降低的关键。
下面参考附图详细说明本发明的用于交流接触器的低功耗交直流扩展模块的电路原理。
图12a示出低功耗交直流扩展模块第一种控制回路(电阻器开始不投入)的电路连接示意图。图13a至13d是以交流输入为例解释扩展模块控制回路的电路原理，直流输入的情况类似。在交流电源正半波输入和负半波输入的时候，接触器吸合瞬间回路中的电流流向分别如图13a和13b所示。在吸合瞬间只有吸合线圈参与工作，而电阻器并不参与。当交流接触器的主触头因为吸合线圈产生的吸力闭合，使得接触器动触头支架19和模块动触头支架5同时动作，由此，常闭触头nc以及常开触头no的状态会发生翻转，常闭触头nc由初始的闭合状态转变为断开状态，接着常开触头no由断开状态转变为闭合状态，从而进入图13c和13d的阶段，即，交流接触器的维持阶段。在维持阶段，正半波输入时吸合线圈和电阻器串联参与工作，负半波输入时在电路内部也仍然存在续流回路，利用续流回路的作用可以有效降低维持电流有效值，降低实际功耗，充分利用电源正负半波的电能，又让铁芯一直处于吸引状态(工作状态)。
图12b所示的第二种电路(电阻器保持连接)的工作原理和第一种非常类似，不同的是在吸合瞬间负半波输入时电阻器参与了工作。参考图14a和14b，当常闭触头nc的状态发生翻转，进入图14c和14d的维持阶段。在维持阶段，正半波输入时吸合线圈和电阻器串联参与工作，负半波输入时在电路内部也仍然存在续流回路。
如果选择的电阻器可以承受常闭触头断开瞬间的冲击，可以减少一个常开触头付no，或者常开触头付的位置布置常闭触头付nc的冗余设计，这样能够增大常闭触头付的电气寿命。
第一种电路设计中常闭触头nc的切出和常开触头no的切入有一个0-5ms的时间差，常闭触头nc上将产生很大的电弧，而第二种电路设计中常闭触头nc切出的同时吸合线圈和电阻器串联构成内部续流回路，常闭触头nc切出时电弧很小甚至不拉电弧。然而，第二种电路中电阻器将承受冲击。根据线圈的切出对电阻器的冲击大小判定，如果电阻器耐受电流冲击在允许范围之内就可以选择第二种电路，如果常闭触头nc切出的时刻电流值仍然很高(取决于电阻器的耐受)可以选择第一种电路让吸合电路的切出和维持电路的切入保持0-5ms的时间间隙。这个0-5ms的时间间隙由扩展模块动触头支架与接触器动触头支架构成的联动组合来保证(机械保证)。由于扩展模块动触头支架和接触器动触头支架联动，因此接触器动触头支架的速度决定扩展模块动触头支架的速度，通过调节常闭触头的超程和常开触头的空程等手段，实现扩展模块吸合电路的切出和维持电路的切入的时间间隙。
在交流接触器允许中间抽头或者允许绕双层线圈的情况下，也可以选择图12c的电路，即，具有与吸合线圈相连的维持线圈。参考图15a至15d，第三种电路的电流走向与第二种类似，除此之外，在双线圈的设计中存在两个线圈之间的变压器效应，此变压器效应可以让电流引入一个新的分量，在内部实际波形中有类似于短路环的平滑电流波形的作用，进一步优化维持电流。具体来说，续流阶段吸合线圈和维持线圈中的储存能量可以通过回路衰减，在衰减过程中继续产生吸力，根据设计参数的设定，衰减会有一个最低值。由于维持线圈与吸合线圈同轴绕制，且共用导磁回路，变压器效应产生(即吸合线圈和维持线圈产生类似于初级线圈和次级线圈的电流影响关系)，这种效应会产生一个新的电流分量而让原先假设的衰减最低值抬高，故瞬间维持力的最小值仍然高于反力，这种分量叠加的效应类似于短路环产生新的磁通分量，有削峰填谷的作用。
传统的交流接触器采用短路环(或者称为分磁环)来让极面磁通量产生新的分量，使得吸引力的两个分量和始终大于反力而稳定吸合，但是当短路环松动、破裂或者脱落的时候，稳定状态极易受到破坏而产生巨大的电流声(吸合噪音)。本发明提出的方案由于整流之后内部续流以及变压器效应的存在使得吸合电流在线圈上的方向不发生变化，且维持力永久大于反力，接触器可以安静地工作没有噪音，且不再需要短路环来分磁。。
由于传统的交流接触器需要在极面嵌入短路环，且需要片间绝缘，组件的表面结构复杂难以进行整体电镀防护，只能选用防护油来进行表面喷涂防锈，防锈困难且上油复杂。这种防护油在高湿环境中容易消散而丧失与水汽和氧气的隔离，高低温中容易发生极面粘连而延迟接触器的断开，导致接触器不适应在高温高湿环境工作。本发明的设计不再需要硅钢片的片间绝缘(因为整流后使得硅钢片中没有涡流产生)，也不再需要短路环及实施复杂的短路环铆接工艺，所以动铁芯和静铁芯可以由不带表面绝缘的硅钢片直接叠装而成，因此表面防护可以直接由表面电镀来代替。电镀在极端环境下的防护时效将远远大于防护油的效果。在工艺允许的条件下，甚至动铁芯和静铁芯均可用整体材料压铸、粉末冶金或者机加工而成。
本发明的电路设计使得原先的硅钢片叠铆、短路环镶嵌、表面防护等交流铁芯设计工艺得到简化。在工艺条件允许的情况下，可以用整体制造工艺来代替硅钢片叠铆工艺。具体的制造方式可以为压铸、粉末冶金或者机加工，采用整体制造方式出来的铁芯机械强度可以得到显著提高。
需要指出的是，所附电路原理图的电流方向是基于图12中所示的整流桥接线方式所绘制。整流桥的接线方式并不限于图示的实施例，例如，其可以以相反方向接入控制回路而电路的所有特性都不会改变。
图16示出用于检测根据本发明的低功耗交直流扩展模块的试验装置，实验采用lc1d09m7接触器和上述扩展模块。
图17示出交流电压输入(220v，ac)下的工作电流波形，其中通道4为输入端电流曲线，可以看得出电路1的负半波截止特性。内部续流发生在电流曲线中电流为零的阶段。因此电流曲线在时间轴上的面积显示出低功耗的特性。结合其他相关试验证明交流输入下接触器与模块组合的功能完全满足国家标准《低压开关设备和控制设备》(编号gb14048.4)关于接触器基本功能交流输入所有要求。
图18表示去除交流接触器的铁芯的短路环后进行本试验，结果无任何变化。
图19示出直流电压输入(180v，dc)，其中通道1表示在电阻器上测得的电压曲线(电阻为2k欧姆)，通道4表示输入端电流曲线。
图20在直流电压180vdc下的吸合和释放动作特性曲线，时间在正常范围之内(吸合20ms/释放15ms)。
图20中的通道1为电阻器上测得的电压曲线，可以看得出第一种电路在直流输入下的吸合和释放特性。吸合时间20毫秒以及释放时间15毫秒均为原接触器的正常水平。结合其他相关试验证明直流输入下接触器与扩展模块组合的功能完全满足gb14048.4关于接触器基本功能直流输入的所有要求。
尽管在参照以上实施例的基础上，本发明已经在说明书中被描述并且在附图中被图示，但是本领域的技术人员可以理解，上述实施例仅仅是优选的实施例，本发明并不限于上述实施例。当然，本发明附图所示的实施例是非常优选的实施例，相较于没有图示的其它替代方案或变型实施例而言，其可能具有突出的实质性特点和显著的进步。
最后，还需要理解的是，实施例中的某些技术特征对于解决特定的技术问题可能并不是必需的，从而可以没有或者省略这些技术特征而不影响技术问题的解决或者技术方案的形成；而且，一个实施例的特征、要素和/或功能可以与其它一个或多个实施例的特征、要素和/或功能适当地相互组合、结合或者配合，除非该组合、结合或者配合明显不可实施。