电开关装置和包括铁磁体或具有锥形部分的磁性电枢的继电器

摘要

一种电气开关装置(2、50、90、100)，其包括具有第一(110)和相对第二(112)部分的铁磁框架(8)，设置于其间的铁磁芯(33)，设置在第一部分上的永久磁铁(12)，设置在相对第二部分上的第一锥形部分(113)，设置在铁磁芯周围的线圈(4)，和包括第一部分(114)、相对第二部分(116)和枢轴部分(118)的铁磁体或磁性电枢(10)，枢轴部分(118)可枢转地设置在电枢的各部分之间的铁磁芯上。电枢的相对第二部分在其中具有互补的第二锥形部分(38)。在第一电枢位置时，该电枢的第一部分被永久磁铁磁性吸引，和该第一和第二锥形部分随着线圈断电被移开。在第二电枢位置时，该电枢的相对第二部分被铁磁框架的相对第二部分磁性吸引，和该第一锥形部分随着线圈带电被移到第二锥形部分。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年6月11日提交的美国临时专利，申请号：61/657,926的 优先权，其通过引用而并入本申请中。

技术领域

本公开构思一般涉及电气开关装置，更具体地涉及继电器，例如飞机继电 器。

背景技术

传统的电气继电器包括可移动触点，其在主端子之间导通或断开导电通 路。控制端子电连接具有多个致动器线圈绕组的致动器线圈。在许多继电器上， 致动器线圈具有两个分开的绕组或一个分隔绕组，该两个分开的绕组或一个分 隔绕组用于激励可分开的主触点的闭合，和继电器处于闭合或导通状态中用于 保持可分离的主触点在一起。对两个线圈绕组的需求是期望最小化用以维持继 电器处于闭合状态的所需的电气线圈功率的大小。

一种典型的常开继电器在其电枢装置上有一个弹簧，该电枢机构保持可分 离的主触点断开。为了启动用以闭合的电枢装置的运动，产生了相对较大的磁 场以提供足够的力来克服电枢装置的惯性，另外，以在螺线管的开口气隙中建 立起足够高的通量来产生所需的闭合力。在电枢装置的闭合动作过程中，两个 线圈绕组都通电以产生足够的磁场。在主触点闭合之后，在螺线管中的磁路的 磁阻是相对较小的，并且需要相对较小的线圈电流来维持所需的力以保持主触 点在一起。此时，可使用“节能器”或“割喉”电路来切断两个线圈绕组中的 一个以节省功率并以最小化在螺线管中的发热。

电开关装置还有改进的余地，例如继电器。

发明内容

本公开构思的实施例可满足这种需求及其它需求，其提供了一种电开关装 置，包括：铁磁框架，其包括第一部分和相对第二部分，该相对第二部分在其 上具有第一锥形部分；永久磁铁，其设置在铁磁框架的第一部分上；铁磁芯， 其设置在铁磁框架的第一部分和相对第二部分之间；线圈，其设置在铁磁芯的 周围；和铁磁体或磁性电枢，其包括第一部分，相对第二部分和在铁磁体或磁 性电枢的第一部分和相对第二部分之间的枢轴部分，该铁磁体或磁性电枢的相 对第二部分在其中具有第二锥形部分，其中枢轴部分可枢转地设置在铁磁芯 上，其中第二锥形部分与第一锥形部分是互补的，其中当线圈断电时，铁磁体 或磁性电枢具有第一位置，在该位置铁磁体或磁性电枢的第一部分被所述永久 磁铁磁性吸引和第二锥形部分被从第一锥形部分移开，并且其中当线圈带电 时，铁磁体或磁性电枢具有第二位置，在该位置铁磁体或磁性电枢的相对第二 部分被所述铁磁框架的相对第二部分磁性吸引和第一锥形部分被移到第二锥 形部分。

附图说明

当与附图结合阅读时，对本公开构思的完全理解可以从以下优选实施例的 描述中获得，其中：

图1为根据本公开构思的实施例继电器的等轴侧视图，其中某些部件为了 便于说明而没有示出。

图2为沿着图1的2-2线与继电器处于断电位置的垂直立面剖视图。

图3为图1的继电器的俯视平面图。

图4为类似于图2的垂直立面剖视图，除继电器处于带电位置外。

图5为图1的电枢的等轴侧视图。

图6为根据本公开构思的一个实施例的双掷继电器的垂直立面剖视图。

图7为根据本公开构思的一个实施例的单掷常闭继电器的垂直立面剖视 图。

图8为根据本公开构思的一个实施例的单掷常开继电器的垂直立面剖视 图。

具体实施方式

如本文所使用的，术语“数量”应表示一或大于一的整数(即，多个)。

如本文所使用的，两个或多个部件是“连接”或“耦合”在一起的描述应 表示各部件要么是直接连接在一起的，要么是通过一个或多个中间部件连接 的。进一步，如本文所使用的，两个或以上的部件是“附上”的描述应表示各 部件是直接连接在一起的。

本公开构思被描述为与双稳态继电器相关联，虽然本公开构思可应用于范 围广泛的使用电枢或其它合适的可移动的铁磁体或磁性构件的电气开关装置。

图1示出了具有某些部件的继电器2，这些部件为了便于说明而没有示出。 该继电器2包括具有引线6的致动器线圈4、铁磁框架8、铁磁电枢10、永磁铁12、 极片14和磁性耦合器16。该电枢10通过导向销18(两个导向销18示出在图1和3 中)可枢转地安装在致动器线圈4上。磁性耦合器16和第一气隙垫片20被两个 示例槽头螺钉24安装到铁磁框架8的端部22。另一个气隙垫片26被耦合到电枢 10的端部28。垫片20和26的示例是可选择的磁性结构的构件以允许，在从极片 14或磁性耦合器16的锥形部分113释放磁性期间，对磁性保持力和从而对电气 响应的控制。这些垫片可以具体地表征以满足用于特定的继电器需求的功能性 电气参数。

正如常规的那样，致动器线圈4包括起保持线圈的作用并且终止于引线6A、 6B的第一线圈绕组34(示于图2和4中)，和其起合闸线圈的作用(为常开继电 器)并且终止于引线6B、6C的第二绕组36(示于图2和4中)。虽然示出了特 定示例，线圈绕组34、36的两个示例可以配置成一种三引线或任何其他合适的 构型。图2示出了处于断电状态的继电器2，在该状态，致动器线圈4的第一和 第二线圈绕组34、36断电并且永久磁铁12通过极片14磁性吸引电枢10的端部 28。

图4示出了处于通电状态的继电器2，在该状态，致动器线圈4的线圈绕组 34、36(示于图2和4中)通电，并且磁性耦合器16通过铁磁框架8和由带电致 动器线圈4所产生的磁场磁性吸引电枢10的相对端30。

如图2和4所示，致动器线圈4包括绕铁磁芯33设置的芯部件，例如线轴32， 第一和第二线圈绕组34、36缠绕在线轴32上。

图5示出了继电器电枢10，其包括在端部30处的锥形部分38。如图1、2、4 和5所示，本公开构思为固定极片16与可移动电枢10两者使用了锥形构型。在 常规继电器中(未示出)，典型地，采用扁平铁磁件来提供合适的保持力，然 而，与电保持继电器相比，对于磁保持继电器，这不是必需的。因此，通过采 用锥形固定极片16(最佳地示于图1、图2和图4中)和具有锥形部分38的电枢 10(最佳地示于图5中)，电枢10与用于磁保持继电器2的锥形固定极片16的形 状是互补的，其被磁力保持在一种状态中和被电-磁力保持在另一种状态中， 显著地降低继电器2的始动电压而不会损害冲击和振动性能。当处于图2所示的 位置时，电枢10和磁性耦合器16的锥形特征的构型减少了可移动电枢10和锥形 固定极片16之间的磁隙。

可移动电枢10的锥形部分38和锥形固定极片16增加了磁通线的表面积。这 避免了对(相对较高)精密电枢和极片的需要，以便获得适合的磁场强度。本 公开构思提供了相对较高的吸合强度，相对较低的吸合或始动电压，或组合的 /优化的增强的吸合强度和降低的始动电压。这提供了闭合继电器2所需的相对 较低的电压(例如，从图2的位置移动到图4的位置)，用于相对较高温度应用 的提升的性能，或优化组合，因为线圈性能在相对较高的温度下(由于增加的 电阻)是降低的，从而改善的磁性性能是用于相对较高温度应用的一个关键。

如从图2和图4中可以看出的那样，磁通线的额外表面积导致了额外的磁通 路径和因此施加到跷跷板电枢10的相对更大的力。可选地，可以提高继电器2 的工作温度，而不增加线圈绕组34、36的安倍匝数和/或不增加继电器的致动器 线圈4的重量和尺寸。

示例1

图6示出了双掷继电器50，其包括图1-5的致动器线圈4、铁磁框架8、铁磁 电枢10、永久磁体12、极片14和磁性耦合器16。继电器50包括分别用于线、第 一负载和第二负载的三个端子52、54、56。塑料托架58和可移动触点载体组件 60(例如，但不限于，由铜或铍制成)设置在电枢10的上方(参照于图6)。 两个可移动触点62、64设置在该活动触点载体组件60上。两个固定触点66、68 分别设置在(参照于图6)端子54、56的下方。可移动触点62电气地和机械地 接合处于图6中所示位置(对应于图2中所示的电枢10的位置)的固定触点66。 在此位置，触点64、68是通过磁铁12磁性地保持断开的。可移动触点64电气地 和机械地接合处于某一个对应于图4中所示的电枢10的位置的位置(未图示) 的固定触点68。内部箔片70电气地连接端子52到可移动触点载体组件60。紧固 件72电气地和机械地将箔片70的一端74连接到端子52，和铆钉76电气地和机械 地连接箔片70的相对端78到可移动触点载体组件60。平衡弹簧80(例如，但不 限于，复位平衡器、减振装置)在塑料托架58和可移动触点载体组件60之间耦 合。

如图6所示，继电器50具有一个从中央端子52到内部箔片70，到可移动触 点载体60，到第一可移动触点62，到常闭固定触点66和到端子54的第一电流通 路。在线圈绕组34、36(图2和4)带电后，电枢10转动(到图4中所示的位置) 和电流通路变化。第二电流通路是从中央端子52到内部箔片70，到可移动触点 载体60，到第二可动触点64，到常开固定触点68和到端子56。

示例2

可以使用合适的“节能器”或“割喉”电路(未示出)以切断两个示例线 圈绕组34、36(图2和4)中的一个来节省功率并以最小化在继电器2中的加热。 节能器电路(未示出)通常通过一个辅助继电器触点(未示出)来实现，辅助 继电器触点作为主要触点(例如，图6的62、66和/或64、68)是由相同的机构 理物理地驱动的(例如，电枢10、塑料托架58和可移动触点载体组件60)。当 主要触点闭合时，辅助继电器触点同时断开，从而确保电枢10的完整运动。辅 助继电器触点的新增复杂性和用以同时操作所需的校准使得制造该构型相对 比较困难并且成本很高。

可选地，节能器电路(未示出)可以通过计时电路(未示出)来实现，计 时电路只针对预先确定的一段时间、与标称电枢工作持续时间成比例地脉冲调 制第二线圈绕组(例如36)，，以响应于用以继电器闭合的命令(例如，施加 到线圈绕组34、36的合适的电压)。而此省去了对辅助开关的需求，它不提供 确保电枢10已经完全闭合并且正常工作。

节能器电路(未示出)是一种常规控制电路，其允许在电开关装置内的相 对较强的磁场，例如示例继电器2，在，例如，应用以确保电枢10完成其行程 并且克服其自身的惯性、摩擦和弹簧弹力的功率之后的初始期间(例如，但不 限于，50mS)。这是通过使用双线圈装置完成的，其中有一个合适的相对较 低的磁阻电路或线圈和与前者线圈串联的一个合适的相对较高的磁阻电路或 线圈。最初，节能器电路允许电流流过低磁阻电路，但是在合适的时间周期之 后，该节能器电路关闭了该低磁阻通路。此方法降低了在静态期间消耗的功率 数量(例如，相对较长周期的带电)。

示例3

图7示出了单掷常闭继电器90，其包括图1-5的致动器线圈4、铁磁框架8、 铁磁电枢10、永久磁体12、极片14和磁性耦合器16。该继电器90是与图6的继 电器50基本相同的，除了它不包括端子56和触点64、68，但是确实包括一个止 挡件92。

示例4

图8示出了单掷常开继电器100，其包括图1-5的致动器线圈4、铁磁框架8、 铁磁电枢10、永久磁体12、极片14和磁性耦合器16。继电器100是与图6的继电 器50基本相同的，除了不包括端子54和触点62、66，但是确实包括一个止挡件 102。

示例5

继电器2、50、90、100的示例可以在115伏交流电、400赫兹、具有40安电 流的电机负载下工作。线路和负载端子52、54、56可以接受高达#10安的美国 线程的单导体和使用具有18英寸·磅扭矩的导线接头。

示例6

如目前从图1-5可以看出的那样，继电器2包括具有大致L形的铁磁框架8， 该L形包括第一部分110和具有磁性耦合器16的相对第二部分112，磁性耦合器 16在其上形成了锥形部分113。永久磁铁12设置在铁磁框架8的第一部分110上。 铁磁芯33设置在第一部分110和铁磁框架8的相对第二部分112之间。线圈4设置 在铁磁芯33的周围。铁磁电枢10包括形成第一部分114的端部28，形成相对第 二部分116的端部30，和在第一部分114和铁磁电枢10的相对第二部分116之间 的枢轴部分118。铁磁电枢10的相对第二部分116如图5中所示具有凹入的锥形 部分38。枢轴部分118可枢转地设置在铁磁芯33上。锥形部分38与由磁性耦合 器16形成的凸起的锥形部分113是互补的。当线圈4断电时，铁磁电枢10具有第 一位置(图2)，其中铁磁电枢10的第一部分114被永久磁体12磁性吸引和锥形 部分38从互补的锥形部分113移开。当线圈4带电时，铁磁电枢10具有第二位置 (图4)，其中铁磁电枢10的相对第二部分116被铁磁框架8的相对第二部分112 磁性吸引，和其中锥形部分113接合锥形部分38。

极片14设置于处于第一位置(图2)的铁磁电枢10与第一部分114之间的永 久磁铁12上。如从图2和4中可以看出的那样，电枢10是一种跷跷板电枢，其在 跷跷板电枢10的第一部分114的第一平面和跷跷板电枢10的相对第二部分116 的第二平面之间形成了合适的小于180度且大于90的钝角。磁性耦合器16设置 在铁磁框架8的相对第二部分112上，并且在其中具有锥形部分113。

本公开构思为适用于在相对较高的环境压力的环境中应用的相对轻质的 双稳态继电器2、50、90、100提供了铁磁性电枢10和固定极片16。这以约25％ 至约30％之差降低了始动电压(即，将继电器从断电状态转换到带电状态所需 的电压)，而不增加继电器的重量和/或线圈的力/尺寸。这允许继电器在相对 非常高温的外界环境中工作(例如，非限制性地，大于85℃)，对于已知的继 电器技术其通常是最高的运转温度。

在高温下对运转继电器主要关注的是，线圈磁阻可观地增加到源或线电压 低于转换继电器所需的电压的程度。双稳态继电器的主要优点是在切换之后的 低功率消耗(例如，在如图4中所示的电枢10的位置)和优良的耐冲击性。此 外，线圈只是脉冲激发的，和继电器与相对更小数量的保持电流是磁性保持的。

本公开构思为固定极片16和可移动电枢10两者使用了锥形构型。在常规继 电器中，通常扁平片用于最大的保持力；然而，同电保持继电器相比，在磁保 持继电器上，这不是必须的。因此，用于磁保持继电器的该公开的锥形极片16 和该公开的锥形电枢10，可以显著降低始动电压而不损害冲击和振动性能。也 可以使用本公开构思来进一步减重具有相对更低的工作环境温度的继电器。这 可以实现减少线圈尺寸，进而减少继电器的整体质量。

在已经详细地描述了本公开构思的特定实施例的同时，本领域中的技术人 员可以理解根据本公开的整体教导可以获得关于这些细节的各类改进和替换。 于是，本特定装置公开意味着仅仅是说明性的，而不限制于本公开构思的范围， 本公开构思的范围由其所附权利要求的整个范围及其所有等效物所给出。