一种电磁开关与继电器的一体化结构及应用该一体化结构的起停电机

摘要

本发明公开了一种电磁开关与继电器的一体化结构及应用该一体化结构的起停电机，该一体化结构的特点是开关外壳与继电器外壳合二为一构成一个长筒形的长外壳，电磁开关机构和继电器机构均安装在长外壳内，其中，开关接线柱、输入端子、输出端子和导流柱位于长外壳上部，限流电阻电气连接在输入端子和导流柱之间，继电器动作组件位于长外壳中部，开关动作组件则位于长外壳下部，继电器铁芯与开关铁芯位于同一轴线，开关顶杆也与继电器铁芯和继电器顶杆同轴，其上端的开关动触片位于开关接线柱和输出端子的下方附近，继电器顶杆滑动套装在开关顶杆，其上端部位于继电器动触片下方附近。本发明能减少起停电机安装空间、降低其短路风险、简化生产工序。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于起停电机的电磁开关和ICR继电器的一体化结构及应 用该一体化结构的起停电机。

背景技术

起停电机，也称启停电机，用于起动汽车的发动机。现有常规的起停电机由 电机和电磁开关组成，电磁开关的触点串接于电机的主回路上，用于控制电机的 得、失电，电机的输出轴上连接有起动齿轮。当点火开关接通时，电磁开关的线 圈得电吸合电磁开关的触点使电机主回路接通，电机得电运转，另一方面电磁开 关的吸合力推动起动齿轮与发动机的齿圈啮合，从而带动发动机旋转。

随着社会对节能、环保的要求越来越高，以及城市交通拥堵的现象加重，汽 车行驶在拥挤的城市交通道路中时，总免不了停车等红绿灯或者塞车等待，而发 动机怠速消耗的能源是一种浪费，而且还会增大尾气排放量，污染空气。因此， 近年来快速发展出一种汽车环保技术——发动机启停系统，特别适用于走走停停 的城市路况。当驾驶员在遇到红灯或塞车时，制动使车辆停下后，汽车会自动将 发动机熄火，节省怠速运转而浪费的燃油；重新行驶时，再自动重新启动发动机， 这样可以最大限度地减少发动机怠速时燃油的损耗，对节省能源与减低排放有着 重要的意义。但这对汽车的起停电机的要求随之提高，起停电机需要适应频繁的 或者快速的起动要求。否则，一方面会很容易导致起停电机由于起动峰值电流过 大，造成其使用寿命缩短；另一方面，过大的起动峰值电流也会对车载电子设备 造成影响与损害。

为了能有效地减小起停电机的启动峰值电流，提供一种能适用于发动机启停 系统的起停电机，本申请人在先申请了一种《抑制起停电机峰值起动电流的方法、 继电器及起停电机》，该发明申请的申请号为201210590649.4，在起停电机的回 路中接入继电器，用以切入和切出限流电阻，达到在不影响起停电机正常工作的 前提下抑制峰值起动电流的目的（参见图1、2）。

但上述在先申请的方案仍存在以下不足之处：

第一，由于电磁开关K2和ICR继电器K1均与电机25分体且并列安装在 汽车发动机安装处内，占用较大的空间，不利于汽车发动机的小型化及安装、维 修的操作；

第二，由于电磁开关K2和ICR继电器K1为各自单一分体结构，电磁开关 K2和ICR继电器K1之间需要采用连接线进行电气连接，同时该连接线也必须 用绝缘材料包裹，增加了连接线与汽车发动机发生短路的风险，也不利于起停电 机的工艺简化；

第三，由于电磁开关K2和ICR继电器K1的间隔距离比较近，它们的安装 往往需要专用夹具，不利于起动电机安装工艺的简化，造成其工艺时间变长、工 艺成本增加，另外，由于起停电机在某些车型上的安装位置极为狭窄，分别单独 对电磁开关K2和ICR继电器K1进行安装、连接线更换的维修难度极大；

第四，由于电磁开关K2和ICR继电器K1的分体结构，在一定程度上降低 了电磁开关K2和ICR继电器K1的器件、材料的利用率，从而造成起停电机的 生产成本也较高。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种用于起停电机的电磁开关和继电器的一体 化结构。

本发明的第二个目的是提供应用上述一体化结构的起停电机。

本发明的第一个目的是通过以下的技术措施来实现的：

一种用于起停电机的电磁开关和继电器的一体化结构，包括开关外壳和继电 器外壳、电磁开关机构和继电器机构，所述电磁开关机构包括由开关绕组、开关 铁芯、开关顶杆、开关弹簧组成的开关动作组件、开关动触片、开关接线柱和输 出端子，其中，开关动触片设置在开关顶杆的上端部；所述继电器机构包括由继 电器绕组、继电器铁芯、继电器顶杆、继电器弹簧组成的继电器动作组件、限流 电阻、输入端子、静触片、导流柱、继电器动触片和动触片弹簧，所述开关接线 柱上端与导流柱上端电连接，其特征在于：所述的开关外壳与继电器外壳合二为 一构成一个长筒形的长外壳，所述电磁开关机构和继电器机构均安装在所述长外 壳内，其中，所述开关接线柱、输入端子、输出端子和导流柱位于长外壳上部， 限流电阻电气连接在输入端子和导流柱之间，同时，动触片弹簧将继电器动触片 压紧在分别位于输入端子和导流柱上的静触片，使输入端子与导流柱电气连通， 从而使限流电阻与继电器动、静触片并联在输入端子与导流柱之间，所述继电器 动作组件位于长外壳中部，所述继电器铁芯、继电器顶杆和继电器动触片均开有 通孔，所述开关动作组件则位于长外壳下部，所述的继电器铁芯与开关铁芯位于 同一轴线上，所述开关顶杆也与继电器铁芯和继电器顶杆同轴，其上端部依次穿 过所述继电器铁芯通孔、继电器顶杆通孔和继电器动触片通孔及动触片弹簧，使 其上端的开关动触片位于所述开关接线柱和输出端子的下方附近，所述继电器顶 杆滑动套装在开关顶杆上，其下端部位于继电器铁芯上，其上端部位于所述继电 器动触片下方附近。

工作时（参见图3），接通点火开关后，汽车的蓄电池开始为起停电机供电， 主电流I从输入端子B输入，控制电流则从控制端子S输入，输入控制端子S 的控制电流分成两路，一路控制电流i₁向开关绕组1输出，另一路控制电流i₂向继电器绕组7输出，在点火开关接通后的限流时间内，控制电流i₂直接输入继 电器绕组7，使开关绕组1和继电器绕组7同时通电，开关铁芯2推动开关顶杆 3移动，使开关动触片5连通开关接线柱6与输出端子M，继电器铁芯8也同时 推动继电器顶杆9移动，克服动触片弹簧阻力将继电器动触片14顶离静触片12， 使输入端子B和导流柱13的直接通路断开，让主电流I依次通过输入端子B、 限流电阻11、导流柱13、开关接线柱6、开关动触片5和输出端子M输入到电 机25的控制端，驱动电机25对汽车的发动机进行起动，由于电机25启动伊始 在回路中切入了限流电阻11，从而抑制了起停电机在启动瞬间过大的启动电流。 但限流时间不宜过长，否则会影响电机的起动性能，故需控制限流时间，限流后， 继电器绕组7即断电，从而使继电器动触片14在动触片弹簧的作用下重新贴合 两块静触片12，使得限流电阻被动、静触片的通路短路而切出，主电流I依次通 过输入端子B、静触片12、继电器动触片14、导流柱13、开关接线柱6、开关 动触片5和输出端子M输入到电机25的控制端，继续驱动电机25对汽车的发 动机进行起动，直至汽车发动机正常起动为止。

作为本发明的一种实施方式，所述长外壳由壳体和盖体构成；所述壳体为长 外壳的中下部，用于安装开关动作组件和继电器动作组件，壳体顶部开口，并且 其内部设置开有导向孔的下支架和上支架，上、下支架均为“T”台架结构，所 述开关绕组和开关铁芯安装在下支架与壳体的底面之间，下支架的导向孔柱位于 开关绕组的中心位置，其导向孔用于让开关顶杆向上穿出，所述开关铁芯安装在 开关绕组的中心位置，所述开关顶杆的下端部与开关铁芯连接，所述开关弹簧套 装在开关顶杆上并抵接在所述下支架与开关铁芯之间；所述继电器绕组和继电器 铁芯安装在下支架与上支架之间，上支架的导向孔柱位于继电器绕组的中心位 置，其导向孔用于让继电器顶杆及开关顶杆向上穿出，所述继电器铁芯安装在继 电器绕组的中心位置，所述继电器顶杆的下端部与继电器铁芯连接，所述继电器 弹簧套装在继电器顶杆上并抵接在上支架与继电器顶杆的下端部之间；所述盖体 为长外壳的上部，位于长外壳上部的零部件安装在盖体中，所述盖体与壳体结合 成一体时位于上支架的上方，所述开关顶杆和继电器顶杆的上端部均伸入盖体 内。

本发明可以做以下改进，有助于改善其工艺性：所述盖体由内盖和外盖构成； 所述外盖的上端面开有四个环形分布的通孔，所述开关接线柱和输出端子分别嵌 装在其中两个相对的通孔中，所述内盖的上端面开有三个径向分布的安装孔，其 中中心安装孔的内侧具有凸沿，使内盖上端面中部至内壁面形成一个足以容纳动 触片弹簧的腔室，两静触片相间隔并对称地固定在该腔室底部，所述继电器动触 片则活动安装在该腔室中，并位于所述静触片与动触片弹簧之间，在动触片弹簧 的作用下，继电器动触片贴在两静触片上形成常闭开关，所述输入端子和导流柱 分别嵌装在内盖的两个外侧安装孔中，并且所述两静触片分别连接在位于内盖中 的输入端子和导流柱的下部，在所述内盖嵌装在外盖下部时，所述输入端子上部 从外盖的另外一个通孔中穿出，外盖上的最后一个通孔用作穿出内盖的导流柱与 穿出外盖的开关接线柱的电连接通道；所述盖体与壳体结合成一体时，所述开关 顶杆的上端部会穿过所述内盖的中心安装孔，使开关动触片位于所述开关接线柱 和输出端子的下方附近。

本发明还可以进一步做以下改进，所述导流柱与开关接线柱之间的电连接采 用连接片的方式连接，以提高连接的可靠性和工艺性：所述连接片包括第一连接 片和第二连接片；所述第一连接片为L字形，其水平部分与导流柱的上端部相 固定并电气连接，其竖直部分从所述外盖上端面穿出，通过一螺栓与第二连接片 电连接并固定，所述第二连接片为一端带弯头另一端带连接孔的长形片状物，其 弯头端带孔，用于与第一连接片连接，另一端的连接孔则用于与开关接线柱连接。

本发明可以做以下改进，确保在开关绕组通电时，开关动触片能与开关接线 柱和输出端子柔性接触及紧密接触，以提高一体化结构的工作可靠性，所述开关 动触片通过绝缘安装组件滑动设置在开关顶杆的上端部，开关顶杆位于内盖中心 安装孔内的杆部设置有挡圈，开关顶杆套装有绝缘块弹簧并抵接在绝缘安装组件 和挡圈之间。

作为本发明的一种改进，所述的一体化结构还包括控制端子与用于控制所述 继电器绕组通电时间的控制器；所述控制器安装在内盖上，所述控制端子设置在 外盖的上端面，控制端子一路与开关绕组电气连接，另一路通过控制器与继电器 绕组电气连接，并且控制器、控制端子、开关绕组、继电器绕组之间的电气连接 导线通过开设在所述长外壳内的孔道布线。

本发明的第二个目的是通过以下的技术措施来实现的：

一种应用上述电磁开关与继电器一体化结构的起停电机，包括电机、电磁开 关、继电器和供电端，所述供电端分别与开关绕组、继电器绕组和输入端子电气 连接，所述输出端子与电机的控制端电气连接，其特征在于：所述电磁开关和继 电器是应用上述任意一项一体化结构的技术方案。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，本发明的电磁开关机构和继电器机构一体化有机地安装在同一个外壳 内，减少了起停电机在汽车发动机安装处的占用空间，有利于汽车发动机的小型 化；

第二，本发明的电磁开关机构和继电器机构一体化设计，使二者良好地保护 在外壳之内，无需增加额外防护，并且一体化结构仅在外壳顶部设置有接线端子 与电机进行电气连接，缩短了电磁开关与继电器和电机之间外露的连接线路，便 于集中进行防护，能够有效降低短路风险；

第三，本发明的电磁开关机构和继电器机构的一体化设计，简化了起停电机 的安装工序，能够有效提高生产效率、降低生产成本，还使得一体化结构更换和 安装的维修难度降低；

第四，本发明的一体化结构中，电磁开关机构和继电器机构共用开关接线柱， 外壳由盖体和壳体结合构成，从而减少了材料的用量，使起停电机的重量减轻， 有助于降低汽车的油耗。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

图1为在先申请的继电器接入起停电机的回路的电原理图；

图2为在先申请的起停电机的整体外观立体图；

图3为本发明的起停电机回路的电原理图；

图4为本发明实施例之一的电磁开关与继电器合体外盖20总成的外观立体 图；

图5为本发明实施例之一的电磁开关与继电器合体内盖19总成的俯视立体 图；

图6为本发明实施例之一的电磁开关与继电器合体内盖19总成的仰视立体 图；

图7为本发明实施例之一电磁开关与继电器合体结构的俯视图；

图8为图7的A-A剖视示意图；

图9为图7的C-C剖视示意图；

图10为本发明起停电机的整体外观立体图；

图11为本发明起停电机的信号流程框图。

图中，K1-ICR继电器；K2-电磁开关；B-输入端子；M-输出端子；S-控制 端子；1-开关绕组；2-开关铁芯；3-开关顶杆；3a-挡圈；4-开关弹簧；5-开关动 触片；6-开关接线柱；7-继电器绕组；8-继电器铁芯；9-继电器顶杆；10-继电器 弹簧；11-限流电阻；12-静触片；13-导流柱；14-继电器动触片；15-动触片弹簧； 16-壳体；16a-顶部开口；17-下支架；17a-下支架导向孔；18-上支架；18a-上支 架导向孔；19-内盖；19a-凸沿；19b-腔室；20-外盖；21-第一连接片；22-第二连 接片；23-螺栓；24-控制器；25-电机；26-隔板；27-绝缘安装组件；28-绝缘块弹 簧。

具体实施方式

如图3至图9所示，本发明用于起停电机的电磁开关和继电器的一体化结构 包括长筒形长外壳、电磁开关机构、继电器机构、第一连接片21、第二连接片 22、控制端子S和控制器24。其中，长外壳由金属材料壳体16、非金属材料内 盖19和非金属材料外盖20结合构成，壳体16为长外壳的中下部，内盖19和外 盖20组装成盖体位于壳体16上方，为长外壳的上部；电磁开关机构包括由开关 绕组1、开关铁芯2、开关顶杆3、开关弹簧4组成的开关动作组件、开关动触 片5、开关接线柱6和输出端子M；继电器机构包括由继电器绕组7、继电器铁 芯8、继电器顶杆9、继电器弹簧10组成的继电器动作组件、限流电阻11、输 入端子B、静触片12、导流柱13、继电器动触片14和动触片弹簧15。

参见图8和图9，壳体16用于安装开关动作组件和继电器动作组件，其顶 部开口并且内部设置开有导向孔的下支架17和上支架18，上、下支架17、18 均为“T”台架结构，并且下支架17的上端面设置有用于支撑继电器动作组件 的非金属材料隔板26。开关绕组1和开关铁芯2安装在下支架17与壳体16的 底面之间，下支架17的导向孔柱位于开关绕组1的中心位置，其导向孔17a用 于让开关顶杆3向上穿出；继电器绕组7和继电器铁芯8安装在上支架18与下 支架17上端面的隔板26之间，上支架18的导向孔柱位于继电器绕组7的中心 位置，其导向孔18a用于让继电器顶杆9及开关顶杆3向上穿出，开关动触片5 设置在开关顶杆3的上端部；继电器铁芯8和继电器顶杆9均开有通孔，开关铁 芯2安装在开关绕组1的中心位置，继电器铁芯8安装在继电器绕组7的中心位 置，并且继电器铁芯8与开关铁芯2位于同一轴线上，开关顶杆3的下端部与开 关铁芯2连接，其上端部依次穿过下支架导向孔17a、继电器铁芯通孔、继电器 顶杆通孔和上支架导向孔18a从壳体16的顶部开口16a伸出，开关弹簧4套装 在开关顶杆3上并抵接在下支架17与开关铁芯2之间；继电器铁芯8和继电器 顶杆9与开关顶杆3同轴，继电器顶杆9滑动套装在开关顶杆3上，其下端部与 继电器铁芯8连接，上端部也从壳体16的顶部开口16a伸出，继电器弹簧10套 装在继电器顶杆9上并抵接在上支架18与继电器顶杆9的下端部之间。

参见图4至图9，外盖20的上端面开有四个环形均布的通孔，分别为1号 至4号通孔，其中1号和3号通孔相对设置，2号和4号通孔相对设置；开关接 线柱6和输出端子M分别嵌装在外盖20的其中两个相对的通孔中，即第一接线 柱6嵌装在2号通孔中，输出端子M嵌装在4号通孔中，第二连接片22为一端 带弯头另一端带连接孔的长形片状物，其弯头端带孔，用于与第一连接片21连 接，另一端的连接孔与开关接线柱6电连接并固定。内盖19的上端面开有三个 径向分布的安装孔，其中中心安装孔的内侧具有凸沿19a，使内盖19上端面中 部至内壁面形成一个足以容纳动触片弹簧15的腔室19b；两静触片12相间隔并 对称地固定在该腔室19b底部，继电器动触片14则活动安装在该腔室19b中， 并位于静触片12与动触片弹簧15之间，在动触片弹簧15的作用下，继电器动 触片14贴在两静触片12上形成常闭开关，输入端子B和导流柱13分别嵌装在 内盖19的两个外侧安装孔中，并且两静触片12分别连接在位于内盖19中的输 入端子B和导流柱13的下部，限流电阻11电气连接在输入端子B和导流柱13 之间，从而使限流电阻11与继电器动、静触片14、12并联在输入端子B与导 流柱13之间，第一连接片21为L字形，其水平部分与导流柱13的上端部相固 定并电气连接。在内盖19嵌装在外盖20下部时，输入端子B上部从外盖20的 另外一个通孔中穿出，即输入端子B嵌装在1号通孔中，外盖20上的最后一个 通孔，即3号通孔用作穿出内盖19的导流柱13与穿出外盖20的开关接线柱6 的电连接通道，即第一连接片21的竖直部分嵌装在3号通孔中并从外盖20上端 面穿出，通过一螺栓23与第二连接片22电连接并固定。

参见图8和图9，继电器动触片14均开有通孔，盖体与壳体16结合成一体 时位于上支架18的上方，开关顶杆3露出顶部开口16a外的上端部会依次穿过 继电器动触片通孔、动触片弹簧15和内盖19的中心安装孔伸入盖体内，使其上 端的开关动触片5位于开关接线柱6和输出端子M的下方附近，而继电器顶杆 9露出顶部开口16a外的上端部也伸入盖体内并位于继电器动触片14下方附近。

参见图8和图9，控制器24安装在内盖19上，控制端子S设置在外盖20 的上端面，控制端子S一路与开关绕组1电气连接，另一路通过控制器24与继 电器绕组7电气连接，并且控制器24、控制端子S、开关绕组1、继电器绕组7 之间的电气连接导线通过开设在长外壳内的孔道布线。另外，开关顶杆3的上端 部滑动设置有由上、下组件组成的工字型绝缘安装组件27，开关动触片5安装 固定在上、下组件之间，即绝缘安装组件27的工字型口部中，开关顶杆3位于 内盖19中心安装孔内的杆部设置有挡圈3a，开关顶杆3套装有绝缘块弹簧28 并抵接在保绝缘安装组件27和挡圈3a之间。

如图10所示，本发明的起停电机包括电机25、电磁开关、继电器和供电端， 电磁开关和继电器应用上述一体化结构，供电端分别与开关绕组1、继电器绕组 7和输入端子B电气连接，输出端子M与电机25的控制端电气连接。

如图11所示，汽车的点火开关接通后，汽车的蓄电池开始为起停电机供电， 即上述供电端同时输出一路主电流I和一路控制电流，其中主电流I从输入端子 B输入起停电机，控制电流从控制端子S输入起停电机；输入控制端子S的控制 电流分成两路，一路控制电流i₁直接输出到开关绕组1，另一路控制电流i₂通过 控制器24输出到继电器绕组7，在点火开关接通后的限流时间内，控制电流i₂直接通过控制器24，使开关绕组1和继电器绕组7同时通电，开关铁芯2在开 关绕组1通电后推动开关顶杆3向上移动，使开关动触片5电气连接在开关接线 柱6和输出端子M之间，并且由于开关动触片5与开关接线柱6和输出端子M 接触后，开关顶杆3相对绝缘块27继续向上移动一段距离，绝缘块弹簧28受压 缩而通过绝缘块弹簧28将开关动触片5压紧在开关接线柱6和输出端子M上， 因此，开关动触片5与开关接线柱6和输出端子M之间的接触非常紧密，同时， 继电器铁芯8在继电器绕组7通电后推动继电器顶杆9将继电器动触片14顶开， 使输入端子B和导流柱13在继电器动触片14的电气通路上断开，通过开关绕 组1和继电器绕组7的线径大小，开关铁芯2和开关顶杆3的行程、重量以及继 电器铁芯8和继电器顶杆9的行程、重量等的参数匹配，确保开关绕组1和继电 器绕组7同时通电的情况下，确保上述输入端子B和导流柱13在继电器动触片 14的电气通路上断开的时间早于开关动触片5电气连接在开关接线柱6和输出 端子M之间的时间，因此，在限流时间内，主电流I依次通过输入端子B、限 流电阻11、导流柱13、第一连接片21、第二连接片22、开关接线柱6、开关动 触片5和输出端子M输入到电机25的控制端，驱动电机25对汽车的发动机进 行起动，并且通过切入限流电阻11抑制了起停电机在启动瞬间过大的启动电流， 为了不影响电机的起动性能，该限流时间不宜过长，一般为30～180ms，为了 保证限流电阻11能有效工作，上述控制器24无论是选用控制芯片还是自制控制 电路，其让控制电流i2直接通过的响应时间均要求小于10ms；在限流时间后， 控制器24截断控制电流i2，使继电器绕组7断电，而此时开关绕组1仍保持通 电，继电器顶杆9在继电器绕组7断电后受继电器弹簧10的作用复位，使得继 电器动触片14在动触片弹簧15的作用下重新贴合两块静触片12，使得限流电 阻11被继电器动触片14的电气通路短路而切出，此时，主电流I依次通过输入 端子B、静触片12、继电器动触片14、导流柱13、第一连接片21、第二连接片 22、开关接线柱6、开关动触片5和输出端子M输入到电机25的控制端，继续 驱动电机25对汽车的发动机进行起动；在汽车发动机正常起动后，点火开关复 位，汽车的蓄电池停止对起停电机供电，使得开关绕组1断电，开关顶杆3在开 关绕组1断电后受开关弹簧4的作用复位，输出端子M和开关接线柱6的开关 动触片5电气通路断开，电机25失电停止工作，本发明的起停电机恢复到未工 作时的状态，另外，绝缘安装组件27和绝缘块弹簧28也确保了开关动触片5 不会在开关顶杆3复位时直接撞击在内盖19的中心安装孔上而造成损坏。

本发明不局限与上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术 知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出 其它多种形式的等效修改、替换或变更，例如上述实施例中，也可通过控制器 24控制继电器绕组7在点火开关接通时晚于开关绕组1通电，以确保输入端子B 和导流柱13在继电器动触片14的电气通路上断开的时间早于开关动触片5电气 连接在开关接线柱6和输出端子M之间的时间，均落在本发明的保护范围之中。