電動機起動和保護裝置的製作方法

2023-11-08 10:04:12

專利名稱：電動機起動和保護裝置的製作方法
技術領域：
本發明總的涉及一種用於起動電動機的開關裝置，尤其是涉及一種採用熱靜力學元件的電動機起動繼電器和保護器。
過去採用如圖6(a)和6(b)中標號101所示的開關裝置來起動電動機和保護電動機免受過電流狀況損壞。開關裝置101包括一保護裝置108和一起動用的電阻元件109，保護裝置108的一端連接於電源線L1，另一端連接於電動機110的公用接頭C。電阻元件109的一端連接於電動機110的一起動繞組接頭S，另一端連接於地線L2。電動機110內設置有一主繞組和一起動繞組(圖中未示出)，主繞組的端部分別連接於公用接頭C和主繞組接頭M，起動繞組的端部分別連接於公用接頭C和起動繞組接頭S。
保護裝置108內設置有一開關電路111和一電阻加熱器113，在起動電動機110之前，開關電路111處於導電狀態。因此，在這種狀態下，公用接頭C通過開關電路111連接於電源線L1。主繞組接頭M直接連接於地線L2，當需要起動電動機110時，在電源線L1和地線L2之間施加電壓，其結果也就是在公用接頭C、主繞組接頭M和起動繞組接頭S之間施加電壓。電阻元件109是一種正溫度電阻係數(PTC)元件，它在正常溫度或室溫下具有較低的電阻，而在異常溫度以上時電阻隨溫度的升高而增大。由於它在起動時的電阻較小，因此，當在公用接頭C、主繞組接頭M和起動繞組接頭S之間施加電壓時，會有較大的電流流到起動繞組，因而可促進起動階段。當有一較大的電流流到起動繞組時，電動機110開始旋轉，隨著其轉速的提高，流到起動繞組的電流就不需要了。在起動階段中，電阻109由流到起動繞組的電流加熱，其電阻值增大。結果，流到起動繞組的電流逐漸降低到一個較低的水平，但並不變為零。開關101具有一開關臂112、一觸頭115和一電阻加熱器113，它們設置在用於流過主繞組和起動繞組的電流的第一開關電路111中。保護裝置108內在靠近電阻加熱器113附近設置有一雙金屬元件114，因而流過電阻加熱器113的電流產生熱量，該熱量加熱雙金屬元件114而使其溫度升高。然而，由於電阻加熱器113的電阻值較低，因而在電動機110起動或開動時流過的電流所產生的熱量較少，雙金屬元件114的溫度升幅也較小。
在因某些故障而致使有過大的電流流到電動機110的情況下，電阻加熱器113會產生大量的熱，結果會將雙金屬元件114加熱到一個較高的溫度。關於雙金屬元件114的形狀，其面對臂112的一側在常溫下呈凹狀，但若通過電阻加熱器113所提供的熱量而將其加熱到一個激活溫度，例如145℃時，它便跳到相反的形狀，即面對臂112呈凸狀，如圖6(b)中所示，因而推起臂112，使觸頭115呈打開狀態。當觸頭115呈打開狀態時，流向電動機110的電流便被終止。
按照已有技術的開關裝置，如以上所描述的，電動機110的起動由正溫度電阻係數元件109執行，防過電流的保護由保護裝置108執行。電動機110可相對一選定量的電流而受保護，該選定的電流量可通過改變正溫度電阻係數元件的基本電阻值、改變起動特性、改變電阻加熱器113的電阻值、或是改變雙金屬元件114的形狀或激活溫度來改變。然而，由於流到起動繞組的電流是由上述開關101中電阻元件109的電阻變化所控制，因此，必須增大電阻元件的容量才能使其電阻值在起動時足夠小，結果會造成電動機110的起動特性因起動電流受電阻元件109限制而變差的情況。而且，在電動機110的操作過程中，電阻元件109會變得極具電阻性。但是，由於即使在電動機110的操作過程中也會有一些電流通過電阻元件109繼續流到起動繞組，因而會造成電動機110工作效率降低的問題。
本發明的一個目的在於提供一種可消除已有技術的上述局限的裝置。本發明的另一目的在於提供一種零件數量較少、安裝成本較低的開關裝置。本發明的還有一個目的在於提供一種工作效率較高、同時能向起動繞組輸送較大電流的開關裝置。
簡要地說，按照本發明，一種開關裝置包括第一和第二開關電路，它們各具有一觸頭和一熱靜力學元件，該熱靜力學元件在被加熱至一激活溫度時可發生變形或被激活，從而將觸頭從閉合狀態轉換到打開狀態，還包括第一和第二電阻加熱器，它們在電流流過時可產生熱量，其中，第一開關電路的熱靜力學元件、第一電阻加熱器、第二開關電路的熱靜力學元件和第二電阻加熱器按以下順序設置第一開關電路的熱靜力學元件由第一電阻加熱器加熱，第二開關電路的熱靜力學元件同時由第一和第二電阻加熱器加熱。按照本發明的一個特點，第一開關電路與第一電阻加熱器串聯，第二開關電路與第二電阻加熱器串聯，從而形成四接頭的結構。按照另一特點，當第二開關電路的熱靜力學元件被激活，並且觸頭從閉合狀態被轉換到打開狀態時，該熱靜力學元件便移動到與第一電阻加熱器更近的位置。如以上所描述的，第一和第二開關電路具有一觸頭和一熱靜力學元件，並設置有第一和第二電阻加熱器，第一和第二開關電路的熱靜力學元件在被加熱至激活溫度時激活，將每個開關電路的觸頭從閉合狀態轉換到打開狀態，第一和第二電阻加熱器設置成在有電流通過時可產生熱量。因此，第一開關電路的熱靜力學元件由第一電阻加熱器加熱，而第二開關電路的熱靜力學元件同時由第一和第二電阻加熱器加熱，這樣，即使第一和第二電阻加熱器所產生的熱量減少，也可使第二開關電路中的熱靜力學元件的溫度升高到激活溫度。在這種情況下，如果熱靜力學元件設置成，當第二開關電路中的熱靜力學元件被激活、觸頭從閉合狀態被轉換到打開狀態時，它可移動到與第一電阻加熱器更近的導熱位置，則在激活後第一電阻加熱器所提供的熱量會增多。因此，即使第二電阻加熱器停止產生熱量，第二開關電路中的熱靜力學元件也可保持在其激活狀態。關於以上已說明過的開關裝置，如果設置成第一開關電路的熱靜力學元件被加熱至激活溫度而被激活，並且即使在第一電阻加熱器停止產生熱量時它也可保持在其激活狀態，則第一開關電路可用作防過電流狀況的保護電路。另一方面，如果它是設置成在第二開關電路的熱靜力學元件被加熱至激活溫度而被激活的情況下，它於第一和第二電阻加熱器停止產生熱量後又恢復其原來的形狀，則第二開關電路在電動機起動之前呈導電狀態，而在電動機工作過程中呈斷路狀態。因此，第二開關電路可用作電動機的起動電路。
通過下面結合附圖的詳細描述，可以更充分地認識和理解本發明，附圖中

圖1(a)是本發明的開關裝置的內部俯視圖，圖1(b)是其內部的剖視示意圖；圖2是該開關裝置在電動機起動時的電路圖；圖3是該開關裝置在電動機正常工作時的電路圖；圖4是該開關裝置在電動機遇到過大電流時的電流圖；圖5是用於幫助說明第二開關電路的諸元件的溫度變化的曲線圖；圖6(a)和(b)是一種已有技術的開關分別處於閉合和打開狀態的電路圖。
下面將參照圖1-5來描述本發明的較佳實施例。開關裝置1用來起動電動機和提供防過電流狀況的保護。開關裝置1包括一由諸如樹脂之類的電絕緣材料製成的殼體5，位於開關室8a中的一保護裝置8和位於開關室9a中的一起動裝置9容納於其中。電動機10具有一公用接頭C、一起動繞組接頭S和一主繞組接頭M，公用接頭C通過保護電路11連接於電源線L1。起動繞組接頭S通過起動裝置9連接於地線L2，主繞組接頭M直接連接於地線L2。保護裝置8具有連接成串聯關係的一第一開關電路11和一第一電阻加熱器13。第一開關電路11的另一端通過固定安裝在殼體5上的接頭31連接於電源線L1(圖1(a)和1(b))，第一電阻加熱器13的另一端通過一在圖1(a)和1(b)中未示出的接頭連接於公用接頭C。起動裝置9具有連接成串聯關係的一第二開關電路21和一第二電阻加熱器23。第二開關電路21的另一端通過安裝在殼體5中的接頭32連接於地線L2，第二電阻加熱器23的另一端通過一在圖1(a)和1(b)中未示出的接頭連接於起動繞組接頭S。第一開關電路11具有一臂12和一諸如跳閘作用的雙金屬元件14之類的熱靜力學元件，臂12和雙金屬元件14靠近地設置成彼此基本平行。臂12的一端具有一電觸頭15，雙金屬元件14呈碟形，在常溫或室溫下其面對臂12的一面呈凹狀，在這種形狀的情況下觸頭15處於閉合狀態。當雙金屬元件14被加熱到其溫度達到一選定的激活溫度，例如145℃時，它便跳成相反的、面對臂12的一側呈凸狀的碟形。關於這種變形或跳閘，呈凸狀的雙金屬元件通過一動作傳遞元件12a將臂12向上偏壓，如圖4所示，結果使觸頭15轉換到打開狀態。第二開關電路21具有一懸臂22，該懸臂包括一諸如跳閘雙金屬元件之類的熱靜力學元件和一已設置在懸臂22的自由端處的觸頭25。懸臂22的形狀為，在常溫下使觸頭25處於閉合狀態，而在被加熱到一個高於選定激活溫度的溫度例如90℃時發生變形，從而使觸頭25呈打開狀態。例如，當觸頭25處於閉合狀態時，熱靜力學懸臂元件22面對第一加熱器13的一側可呈凸狀(未示出)，當觸頭15處於打開狀態時，其面對第一加熱器13的一側可呈凹狀，此時元件22的自由端移動到與加熱器13更近的熱耦合位置。
電動機10包括一起動轉子的起動繞組和一產生動力的主繞組(該起動繞組和主繞組在圖中未示出)。起動繞組的端部分別連接於公用接頭C和起動繞組接頭S，主繞組的端部分別連接於公用接頭C和主繞組接頭M。由於在電動機10開始工作之前，雙金屬元件14和臂22是在常溫下，因此第一和第二開關電路11和21處於導電狀態，如圖2所示。當在電源線L1和地線L2之間施加電壓以起動電動機10的工作時，電壓同時加在起動和主繞組上。然而，在靜止狀態下，主繞組和起動繞組的阻力較小，因而有大約5安培的電流流到主繞組，並且同樣有大約5安培的電流流到起動繞組。由於電流流過保護裝置8和起動裝置9中的第一和第二電阻加熱器13和23，該第一和第二電阻加熱器13和23在電動機起動時均被加熱。第二開關電路21中的臂22非常靠近地設置在第一和第二電阻加熱器13和23之間，在第一和第二電阻加熱器13和23加熱後，臂22同時被電阻加熱器13和23加熱。圖5所示的曲線圖中的曲線22』表示臂22的溫度變化。當臂22沒有發生變形，觸頭25處於閉合狀態時，臂22離第二電阻加熱器23的距離比離第一電阻加熱器13的距離更近。圖5中的曲線13』表示臂22從第一電阻加熱器13吸收到的熱量，曲線23』表示它從第二電阻加熱器23吸收到的熱量。從曲線13』和23』可以看出，臂22在同時由電阻加熱器13和23加熱時，其溫度升高。臂22在t時刻溫度達到90℃的點發生變形，因而觸頭25呈打開狀態，切斷了流向起動繞組以及第二電阻加熱器23的電流。因此，第二電阻加熱器23所供給的熱量隨該加熱器的冷卻而降低。當觸頭25呈打開狀態時，電動機10的轉子處於起動階段的末尾，因而流到主繞組的電流也已穩定，第一電阻加熱器13穩定地產生熱量，其所供給的熱量也穩定，即使在t時刻後也一樣。然而，在發生變形後，臂22移動離開第二電阻加熱器23，如圖3所示，並移動到與第一電阻加熱器13更近的導熱位置，因而它從第一電阻加熱器13吸收到的熱量增大。即使在第二電阻加熱器23不再有熱量供給後，在t時刻後，臂22的溫度的降低也是微小的。當臂22被加熱到90℃以上溫度並發生變形時，溫度降低至一個選定的復位溫度時，例如一個70℃以下的溫度，它又恢復其原來形狀。然而，按照本發明的開關裝置1，當臂22發生變形時，它會朝接近第一電阻加熱器13的方向移動，因而使得它從第一電阻加熱器13吸收的熱量增大。因此，即使第二電阻加熱器23所供給的熱量23』變為零，溫度也不會降低至70℃以下。因此，臂22在變形後以及在電動機10起動後的工作過程中保持激活狀態，其結果是沒有電流流過起動繞組。另一方面，如果臂22設置成不朝第一電阻加熱器13移近，則從第一電阻加熱器13供給的熱量基本不會有增加。因此，溫度將降低，如圖5中的虛線所示，到第二電阻加熱器23所供給的熱量變為零時，臂22的溫度已降至70℃以下，因而恢復其原來形狀。因此，觸頭25再次呈閉合狀態，電流又流到起動繞組。
以上描述了起動裝置9的操作。下面將描述保護裝置8的操作在保護裝置8中，第一開關電路11的雙金屬元件14設置成緊靠於第一電阻加熱器13，從而由第一電阻加熱器13產生的熱來加熱。相應於電動機10的起動和工作，雙金屬元件14的溫度升高。然而，在正常的起動和操作過程中，雙金屬元件14的溫度不會升高到145℃的激活溫度。因此，在這種情況下，雙金屬元件14不會發生變形，觸頭15保持閉合狀態。在因電動機故障等而有過量電流流到電動機10的情況下，第一電阻加熱器13產生大量的熱，因而將雙金屬元件14加熱至激活溫度145℃。如圖4所示，傳動元件12a受激活後的雙金屬元件14的偏壓，從而將臂12向上推，結果使得觸頭15呈打開狀態，第一開關11切斷電動機的電源。當流到電動機10的電流被切斷時，流到第一電阻加熱器13的電流變為零，因而第一電阻加熱器13停止產生熱量(甚至沒有電流流到第二電阻加熱器23)。由於不再有熱量產生，雙金屬元件14和第二開關電路21的臂22的溫度將降低。關於臂22，它構造成，在溫度達到低於70℃時，它恢復其原來形狀，並使觸頭2呈閉合狀態。雙金屬元件既可以由人工復位，也可以在冷卻到一選定復位溫度時自動復位。因此，諸觸頭在電動機10的工作停止後處於閉合狀態，電動機準備著再次起動。
按照以上所描述的本發明的開關裝置，可以用一個簡單的裝置來進行電動機10的起動和過電流保護。因此，其實用性較高。在這方面要指出，雙金屬元件14和臂22的激活溫度和復位溫度僅僅是例子，可以將它們設定在各種不同的溫度上。
因此，可以看出，第一開關電路和第二開關電路可緊密地設置在一個外殼中，因而可減少所需的零件數，從而降低開關裝置的生產成本。如果需要，可以將圖6中所示的電阻元件109用作第二加熱器。由於第二開關電路在電動機起動後是處於無源狀態，因此流到起動繞組的電流將變為零，從而可有效地操作電動機。加熱第二開關電路的臂的電阻加熱器的電阻值可以減小，起動電流可以增大，因而可改善電動機的起動特性。
本技術領域的技術人員可以理解，本發明並不局限於這裡所示和所討論的具體實施例。而且，本發明的範圍應僅由所附的權利要求書來確定。
權利要求
1．一種電動機起動繼電器，包括第一和第二開關電路，它們各具有一觸頭和一熱靜力學元件，該熱靜力學元件在被加熱至一選定的激活溫度時可發生變形，從而將觸頭從閉合狀態轉換到打開狀態，還包括第一和第二電阻加熱器，它們在電流流過時可產生熱量，其特徵在於，第一開關電路的熱靜力學元件、第一電阻加熱器、第二開關電路的熱靜力學元件和第二電阻加熱器設置成第一開關電路的熱靜力學元件由第一電阻加熱器加熱，第二開關電路的熱靜力學元件同時由第一和第二電阻加熱器加熱。
2．如權利要求1所述的電動機起動繼電器，其特徵在於，第二開關電路與第二電阻加熱器串聯於一四接頭結構中。
3．如權利要求1所述的電動機起動繼電器，其特徵在於，第二開關電路的熱靜力學元件在被激活而將觸頭從閉合狀態轉換到打開狀態時移動接近第一電阻加熱器。
4．一種電動機起動繼電器和電動機保護器的組合裝置，它包括一殼體，它形成一具有第一和第二開關室的腔室；一設置在第一開關室中的電動機保護器開關，它具有一可以移動成與一第一靜止觸頭相結合和分離的可動接觸臂以及一可以根據溫度而在凸形輪廓和凹形輪廓之間移動的第一跳閘作用的熱靜力學元件，該第一跳閘作用的熱靜力學元件設置成，在因溫度升高到一激活溫度而變形後，第一跳閘作用的熱靜力學元件偏壓可動接觸臂而使其與第一靜止觸頭相分離；一設置在第一開關室中的第一電阻加熱器，它與第一熱靜力學元件呈導熱關係；一設置在第二開關室上的電動機起動開關，它具有一第二導電的跳閘作用的熱靜力學元件，該元件可以根據溫度而在凸形輪廓和凹形輪廓之間移動，並具有一自由端，該自由端可以響應於第二熱靜力學元件的變形而移動成與一第二靜止觸頭相結合和分離，該第二熱靜力學元件設置成與第一電阻加熱器呈導熱關係；一設置在第二開關室中的第二電阻加熱器，它與第二熱靜力學元件呈導熱關係，第二熱靜力學元件在移動到自由端與第二靜止觸頭相分離的形狀後更靠近第一電阻加熱器，從而它們之呈更好的導熱關係。
5．如權利要求4所述的電動機起動繼電器和電動機保護器的組合裝置，其特徵在於，它還包括一傳動銷，該傳動銷在殼體中設置於電動機保護開關的可動接觸臂和第一跳閘作用的熱靜力學元件之間，用於將動作從第一跳閘作用的熱靜力學元件傳遞到可動接觸臂。
6．如權利要求4所述的電動機起動繼電器和電動機保護器的組合裝置，其特徵在於，電動機保護開關的可動接觸臂與第一電阻加熱器串聯，第二跳閘作用的熱靜力學元件與第二電阻加熱器串聯。
7．如權利要求4所述的電動機起動繼電器和電動機保護器的組合裝置，其特徵在於，第二電阻加熱器是一種正溫度電阻係數(PTC)元件。
全文摘要
一種電動機起動裝置(1)具有一第一開關電路(11)的熱靜力學元件(14)、一串連於第一開關電路的第一電阻加熱器(13)、一第二開關電路(21)的熱靜力學元件(22)和一串連於第二開關電路的第二電阻加熱器(23)。第二開關電路的熱靜力學元件(22)同時由第一和第二電阻加熱器加熱,並在激活後更靠近於第一電阻加熱器(13),因而使第二開關電路(23)呈無源狀態。它可以在起動階段為起動繞組提供較大的電流,並在起動階段後使流到起動繞組的電流變為零。
文檔編號H01H61/00GK1205575SQ9811564
公開日1999年1月20日 申請日期1998年6月30日 優先權日1997年7月10日
發明者工藤兼藏 申請人:德克薩斯儀器股份有限公司