具有壓電驅動致動器的電力裝置的製作方法
2023-05-26 21:37:36
專利名稱：具有壓電驅動致動器的電力裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及繼電器型、接觸器型或接觸器斷路器型的單極或多極電力開關裝置，其在動觸頭和靜觸頭之間的閉合和斷開動作通過接近型致動器和壓力型致動器實現。本發明也涉及該開關裝置觸頭的閉合和斷開方法。
背景技術：
繼電器型、接觸器型或接觸器斷路器型的電力開關裝置是常用於執行如電動機載荷的開關切換或轉接(commutation)的裝置。因此，通常每一電極(power pole)都有一個由致動器驅動的可動橋接件，致動器一般由不同電極所共有的電磁鐵構成並配備有復歸裝置如復位彈簧。可動橋接件具有單開關切換可動觸頭或兩個雙開關切換可動觸頭，分別與一個或兩個固定觸頭相配合，以使電極中的電流斷開或流動。此外，為了得到足夠的接觸壓力，通常選用壓力接觸彈簧作用在可動觸頭上。
致動器由操作員的手動命令或由自動控制發出的命令進行控制。這些命令發生的時刻與此時開關裝置不同電極中所流的電流強度當然是不同步的。因此，在進行使固定觸頭和可動觸頭分開的斷開動作時，電極中會有巨大的電流循環，從而會在固定觸頭和可動觸頭之間持續地產生電開關切換電弧。此開關切換電弧需要在裝置中設置滅弧室，並且最終會加速配置在固定觸頭和可動觸頭上的端部(tip)的損壞。為了使這種不利因素受到限制，電磁鐵通常都有復歸裝置如復位彈簧，使固定觸頭和可動觸頭儘可能以最快的速度分開。然而，在與固定觸頭和可動觸頭的合攏相對應的相反的閉合動作時，則必須克服該回復力，必然需要增大電磁鐵的尺寸和強度。
發明內容
本發明的第一個目的是當各電極中的交流電流實際上為零時確保開關裝置電極的固定觸頭和可動觸頭之間的開關切換。因此能夠減少開關切換時產生的電弧，並進而有利地減少觸頭端部的損耗。同時降低了開關的外部尺寸，並簡化了滅弧室。
本發明的第二個目的是去掉現有開關裝置中的機械復歸裝置。這樣可以有效地減少規定額定電流的致動器的尺寸。於是可以得到尺寸小、設計簡化的開關裝置，並且這種開關裝置的能耗較小，觸頭損壞也比較慢。
為了這現上述目的，本發明介紹了一種用於接通和斷開載荷並包括一個或幾個電極的電力開關裝置，每一電極包括一個配備有至少一個可動觸頭的可動橋接件，可動觸頭在斷開和閉合位置之間與電極的至少一個固定觸頭相互配合動作。開關裝置包括作用在開關裝置可動橋接件上的接近型致動器，以使可動觸頭和固定觸頭分開或合攏。每一電極包括一個壓力型致動器，以便在不用機械復歸裝置的情況下，在電極的可動觸頭和固定觸頭之間形成接觸壓力和使觸頭斷開。
根據一個方面，接近型致動器由電控電磁線性致動器或音圈型致動器構成。
根據另一個方面，電極的壓力型致動器至少有一個作用在電極固定觸頭上的壓電元件。
根據另一方面，開關裝置包括用於測量電極中循環電流的裝置，其中電極連接到能夠控制接近型致動器和壓力型致動器位置的電控制單元上。因為有用於確定位置的裝置，所以此控制單元能夠較好地控制位置、速度、壓力的動態範圍，以優化開關裝置的操作抑制反彈，根據電極中的循環電流來調節接觸壓力，端部損壞診斷。
本發明還涉及電力開關裝置中開關切換電極的方法。該方法特徵在於，觸頭的閉合動作包括通過接近型致動器使可動橋接件接近固定觸頭的接近步驟，包括通過壓力型致動器在可動觸頭和固定觸頭之間形成接觸壓力的連接步驟。該方法特徵還在於觸頭的斷開動作包括通過壓力型致動器使電極的可動觸頭和固定觸頭分開的斷開步驟，包括通過接近型致動器使可動橋接件隔開的隔開步驟。為了避免電極上出現電弧，斷開步驟只在電極中的循環電流低於預定閾值、只是在電流剛剛變為零之前進行。
其它的特徵和優點將在下文中藉助於所示的附圖通過具體實施例進行詳細說明。
圖1所示的是根據本發明的開關裝置中雙開關切換觸頭電極處於斷開位置時的簡化實施例；圖2所示的是圖1的實例在接近步驟執行之後的情形；圖3所示的圖1的實例在閉合位置時的情形；圖4所示的是雙開關切換接觸電極的第二實施例；圖5所示的是單開關切換接觸電極的一個實施例；圖6所示的是本發明開關裝置致動器控制的詳細方框圖。
具體實施例方式
繼電器型、接觸器型或接觸器斷路器型電力開關裝置包括一個或幾個電極。它用於對電動機、電阻或其它元件的電力載荷進行電力控制。在圖6所示的實例當中，開關裝置包括對應於交流電三相L1、L2、L3的三個電極，以對電動機M進行控制。
參見圖1-3，電極具有可動橋接件30，可動橋接件30具有兩個電連接在一起的可動觸頭31a和31b。電極包括兩個電導體40a和40b，導體40a對應開關裝置的上遊導體，導體40b對應開關裝置的下遊導體。導體40a和40b的末端分別有固定觸頭41a和41b，當可動橋接件30位於閉合位置時，固定觸頭41a和41b與可動觸頭31a和31b相接觸，從而使電流在上遊導體40a和下遊導體40b之間循環。眾所周知，上遊導體40a和下遊導體40b的末端形成環路從而減少了高電流情況下觸頭的排斥作用。
可動橋接件30與機械元件23作成一體，可以是指狀、按鈕或其它形式，其本身由接近型致動器20的可動部件21進行機械驅動。這種機械連接的特徵在接觸器或接觸器斷路器中都是標準的，因此在本說明書的圖中未予示出。接近型致動器20用於在斷開位置(見圖1)和固定觸頭41a和41b與可動觸頭31a和31b靠近但相互分開的中間位置(見圖2)之間執行可動橋接件接近行程動作和隔開行程動作，下面將進行詳細說明。
每個電極還包括壓力型致動器42，該壓力型致動器用於執行觸頭的壓緊衝程動作，這意味著用於在如上所述的中間位置(見圖2)和閉合位置(見圖3)之間、在電極的固定觸頭41a和41b與可動觸頭31a和31b之間形成接觸壓力或進行開關切換操作，此點將在下文當中詳述。根據本發明的一個方面，壓力型致動器42由一個或幾個可變形壓電元件42a、42b和42′構成。
壓電元件是已知的並且當施加電壓時具有變形和體積稍微增大的特性。此變形與向其所施加的電壓值成正比，並且當電壓消失時變形是可逆的。這種元件是雙穩元件，不需要任何機械復歸裝置便能夠回復到初始位置。它們具有耗電小而且在較短的響應時間內當體積增大時激勵壓力升高的優點。此外，由於不使用運動部件，所以不引起任何損耗。
在圖1-3所示的第一個可選實例中，電極包括兩個壓電元件42a和42b，此兩個壓電元件42a和42b位於在開關裝置的固定基座與承載兩個固定觸頭41a和41b的電力導體40a和40b的末端之間。如果有電壓施加到其上，則壓電元件42a和42b的體積增大，於是產生壓力F2a和F2b(見圖3)，此力促使由金屬導體40a和40b形成的迴路產生微小的變形，從而使固定觸頭41a和41b向可動觸頭31a和31b位移。如果可動橋接件30如圖2所示位於中間位置，則位移足夠使固定觸頭41a和41b與可動觸頭31a和31b相接觸並作用壓力，導致位於如圖3所示的閉合位置。典型地，所產生的位移約小於或等於1mm。當施加到壓電元件42a和42b上的電壓消失時，壓電元件回復到初始形狀，於是力F2a和F2b撤除，固定觸頭和可動觸頭分開，並回復到圖2所示的中間位置。
在圖4所示的第二可選實例中，壓電元件42a和42b位於可動橋接件30上並作用在可動觸頭31a和31b上。可動橋接件30包括與可動觸頭31a和31b連接在一起的金屬導體33。導體33有足夠撓性，以至於當電壓施加到壓電元件42a和42b上時壓電元件體積增大使導體33產生微小的變形並進而使可動觸頭31a和31b向固定觸頭41a和41b運動。但是，該實例使可動橋接件30的總重量增大。
優選地，開關裝置所有電極包括一個單一接近型致動器20。此致動器20的可動部件21驅動不同電極的所有機械元件23。根據另一實施例，開關裝置每個電極都有不同的接近型致動器20。儘管困難稍大一些，但每個電極都由較小的致動器單獨控制，因此第二種方案用起來比較方便。
接近型致動器20是電控電磁致動器，如雙穩線性電磁鐵。在此情形下，致動器的可動部件是可動鐵心21，如在磁性材料中製成的可調鐵心，被承載通過有控制電流的繞組的固定外殼22包圍。接近型致動器20作用在可動橋接件30上(如果每個電極有一個接近型致動器或者如果開關裝置只有一個電極則作用在可動橋接件30上)，以使固定觸頭和可動觸頭分開和合攏。當固定外殼22的繞組接收到分開命令時，可動鐵心21移動到一對應於圖1所示的電極觸頭斷開位置的隔開位置處。當固定外殼22的繞組通過對應於接近命令的控制電流時，則在可動鐵心21上產生電磁力F1，於是可動鐵心移向對應於圖2所示的電極觸頭中間位置的接近位置。在中間位置處，固定觸頭和可動觸頭相互靠近但不接觸。
根據本發明，接近型致動器20還可以是音圈型的線性致動器，其中可動鐵心包括通過有控制電流的線圈，其中線圈在具有永久磁鐵的固定支撐件內移動。實際上，在本應用情況下，這種致動器響應時間低並且具有有益的快速動態範圍。最後，我們還可以設想旋轉電磁鐵配備上標準機械結構，使旋轉運動轉化為線性運動。
最好，接近型致動器20因此不需要使用復位彈簧型的復歸裝置來使可動鐵心21返回到其初始的預定位置。致動器20的速度和位置由控制單元10調整以便獲得快速的接近衝程和穩定的位置。此位置調整特別重要，當壓電元件42a和42b產生力F2a和F2b時，力F2a和F2b必須由接近型致動器20產生的力F1進行補償，以使固定觸頭和可動觸頭之間保持正確的壓力，從而能夠使可動橋接件30保持在閉合位置。
參見圖6，開關裝置包括電控制單元10，電控制單元10配備有處理單元如微處理器或微控制器和存儲器，並連接到用於測量開關裝置電流的裝置11如電流傳感器上，裝置11能夠發送與三相L1、L2、L3中循環的電流成正比的信號。控制單元10還接收直接來自操作員命令或來自自動命令的外部閉合或斷開驅動命令12。根據此信息，控制單元10能夠向不同電極的接近型致動器20和壓力型致動器42發送正確的命令。
此外，控制單元10需能夠實時地獲知可動鐵心21的位置以便能夠調整接近型致動器20定位的速度和位置。為了作到這一點，控制單元10包括用於確定可動鐵心21的位置的裝置。在接近型致動器20選用磁阻變化極小的音圈型致動器時，用於確定位置的裝置例如包括用於測量可動鐵心21位置的傳感器，該傳感器可將位置數據反饋回控制單元10，在接近型致動器20選用雙穩線性電磁型致動器時，控制單元10不必設置位置傳感器，因為它能夠通過如文獻FR0200952中所示的電壓測量值和線圈中循環的電流值以及與間隙變化相關聯的電感變化的計算值估計出可動鐵心21的位置。
自觸頭處於斷開位置的初始位置開始，電極轉接據下述方法進行
當控制單元10接收到命令觸頭閉合的驅動命令12時，電極轉接方法包括接近步驟，其中控制單元10向接近型致動器20發送一接近命令。所產生的電磁力F1促使可動鐵心21向中間位置位移。電極轉接方法還包括連接步驟，其中控制單元10向電極的壓力型致動器42發送一個壓力命令。在此壓力命令的作用下，壓力型致動器42的壓電元件42a和42b接收到一產生的電壓，其體積增大，並在固定觸頭41a和41b上產生力F2a和F2b，足以進行觸頭的壓緊衝程，並使固定觸頭41a和41b與可動觸頭31a和31b相接觸。在連接步驟階段，由於力F2a和F2b與力F1是相反的，所以控制單元10需通過調整可動鐵心21的位置來平衡此差值力，使其不會由於力F2a和F2b的作用而移動，從而保證具有令人滿意的接觸壓力。接近步驟和連接步驟可以順序地進行也可以同時進行。
在瞬間的中間位置時，固定觸頭和可動觸頭需有足夠的間隔以避免在其之間形成電流，但也需足夠近以便於在連接步驟階段產生的很小的位移便能夠使固定觸頭和可動觸頭合攏在一起。
在觸頭閉合時，當每個電極有一個接近型致動器，我們可以附加用於觸頭端部損壞的診斷功能。當接近型致動器激勵以穩定速度進行閉合動作時，我們利用電流傳感器11按與電極對應的相檢測出電流形成的時刻。根據從這一實例其隨時間的變化，我們可以知道觸頭端部損壞的演變情況。
相反地，從觸頭位於閉合位置的初始位置開始，電極轉接據下述方法進行當控制單元10接收到命令觸頭打開的驅動命令12時，電極轉接方法首先包括切斷步驟，其中控制單元10刪除發送給電極壓力型致動器42的壓力命令。施加到壓力型致動器42壓電元件42a和42b上的電壓的消失使其回復到了其初始形狀，因此固定觸頭41a和41b和可動觸頭31a和31b相互分開，並返回到中間位置。一旦此切斷步驟執行後，電極轉接方法還包括隔開步驟，其中控制單元10向接近型致動器20發送一個隔開命令。此隔開命令促使可動鐵心21向隔開位置位移，導引可動橋接件30以使觸頭處於斷開位置。
最好，切斷步驟是在電流變為0時逐個電極獨立執行的，也就是說，當時實際上電極中並無循環電流。為了作到這一點，控制單元10利用來自電流傳感器11並與三相L1、L2和L3中循環的電流成正比的信號。為了刪除向電極的壓力型致動器42所發送的壓力命令，控制單元10檢查出在對應於該電極的各相中循環的電流強度小於預定的幾乎為0的最大閾值。通過如此控制，電極中電流的近於消失，可以確保該種電極固定觸頭和可動觸頭分開時產生很小的電弧或幾乎不產生電弧。假設開關裝置電極電流之間存在相位差，電流降為0不是同時發生的，因此刪除不同電極上的壓力命令將在不同的時刻進行，由此推斷每個電極上有不同的致動器比較有益。由此我們可以保證開關裝置觸頭的開關切換隻會造成很小的電弧或者幾乎不會產生電弧。當切斷步驟在所有的開關裝置電極上都發生作用時，才會啟動隔開步驟。
此外，通過控制單元10驅動致動器還有這樣的優點即能夠根據各相中循環的電流採用控制電平。如果電流傳感器11測得一個或幾個各相中存在高電流如高瞬時電流或甚至是短路電流，控制單元10能夠加強對壓力型致動器的控制，調整接近型致動器的位置，從而使電極中保持正確的接觸壓力。
在圖5的單開關切換可選實例中，開關裝置的每個電極只有一個位於在可動橋接件30′一端的可動觸頭31′，其與置於下遊固定導體40′上的固定觸頭41′相配合。可動橋接件30′的另一端與上遊的固定導體33′鉸接。壓電型的壓力型致動器42′位於在開關裝置的固定基座和固定導體40′之間以便當電壓施加到壓電元件42′上時，在固定觸頭41′和可動觸頭31′之間能夠形成接觸壓力。可動橋接件30′通過機械元件23′連接到接近型致動器20′的可動部件21′上。此實例的操作方法與前面所述實例的操作方法一致。
當然，在不脫離本發明的框架的情況下，還可以有其它的選擇和發展以及我們能夠預想得到的等效裝置。
權利要求
1.一種電力開關裝置，包括一個或幾個電極，每一電極包括一個配備有至少一個可動觸頭(31a，31b)的可動橋接件(30)，可動觸頭(31a，31b)在斷開和閉合位置之間與電極的至少一個固定觸頭(41a，41b)相互配合動作，其特徵在於開關裝置包括一個作用在開關裝置可動橋接件(30)上的接近型致動器(20)，以使可動觸頭(31a，31b)和固定觸頭(41a，41b)分開或合攏；每一電極包括一壓力型致動器(42)，在不用機械復歸裝置的情況下，在可動觸頭(31a，31b)和固定觸頭(41a，41b)之間形成觸頭壓力和使觸頭斷開。
2.根據權利要求1所述的電力開關裝置，其特徵在於，接近型致動器(20)是電控電磁雙穩線性致動器。
3.根據權利要求1所述的電力開關裝置，其特徵在於，接近型致動器(20)是音圈型致動器。
4.根據權利要求1-3中任一權利要求所述的電力開關裝置，其特徵在於，每一電極包括作用在可動橋接件(30)上的不同的接近型致動器(20)。
5.根據權利要求1所述的電力開關裝置，其特徵在於，電極的壓力型致動器(42)包括至少一個作用在電極固定觸頭(41a，41b)上的壓電元件(42a，42b)。
6.根據權利要求1所述的電力開關裝置，其特徵在於，電極的壓力型致動器(42)包括至少一個作用在可動橋接件(30)的可動觸頭(31a，31b)上的壓電元件(42a，42b)。
7.根據權利要求1所述的電力開關裝置，其特徵在於，它包括用於測量與用於控制接近型致動器(20)與壓力型致動器(42)位置的控制單元(10)相連的電極中循環電流的裝置(11)。
8.根據權利要求7所述的電力開關裝置，其特徵在於，控制單元(10)包括用於確定位置的裝置，以便調整接近型致動器(20)的位置。
9.根據前述任一權利要求的電力開關裝置中電極的開關切換方法，其特徵在於觸頭的閉合動作包括通過接近型致動器(20)使可動橋接件(30)接近固定觸頭(41a，41b)的接近步驟，並包括通過壓力型致動器(42a，42b)使在可動橋接件(30)的可動觸頭(31a，31b)和電極的固定觸頭(41a，41b)之間形成接觸壓力的連接步驟。
10.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於觸頭的斷開步驟包括通過壓力型致動器(42a，42b)使可動橋接件(30)的可動觸頭(31a，31b)和電極的固定觸頭(41a，41b)分開的切斷步驟，之後還包括通過接近型致動器(20)使可動橋接件(30)隔開的隔開步驟。
11.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於當電極中循環的電流小於預定閾值時進行切斷步驟。
全文摘要
本發明涉及一種電力開關裝置，其中每個電極包括一個配備有至少一個可動觸頭(31a，31b)的可動橋接件(30)，可動觸頭(31a，31b)在斷開和閉合位置之間與電極的至少一個固定觸頭(41a，41b)相互配合動作。開關裝置包括至少一個作用在可動橋接件(30)上的雙穩或音圈型接近型致動器(20)，以使可動橋接件(30)的可動觸頭(31a，31b)和固定觸頭(41a，41b)分開或合攏，並且每一電極包括一個壓電型壓力型致動器(42)，以便在不用機械復歸裝置的情況下，形成觸頭壓力和使觸頭斷開。
文檔編號H01H9/56GK1639818SQ03805633
公開日2005年7月13日 申請日期2003年3月10日 優先權日2002年3月19日
發明者克裡斯琴·巴塔伊, 史蒂芬·福利克 申請人:施耐德電器工業公司