專利名稱：力信號放大器原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
力信號放大器屬于信號放大器技術(shù)領(lǐng)域。就象電子管放大器、晶體管放大器、集成電路放大器可以把微弱的電信號放大一樣，力信號放大器用于電磁繼電器時可以將線圈產(chǎn)生的微弱電磁力放大，使電磁繼電器輸出端的觸點壓力增大，其增大的倍數(shù)也象電信號放大器的放大系數(shù)一樣，理論值可達1～500倍左右，實際應(yīng)用時根據(jù)使用的材料不同可在1～100倍左右。力信號放大器還具有電信號放大器所共有的輸入端、輸出端、擊穿電壓、最大電流、延遲時間等參數(shù)。
背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)電力開關(guān)、電器開關(guān)、接觸器、繼電器產(chǎn)品故障中，90％以上的故障發(fā)生在觸點上，其根本原因就在于觸點壓力小，而引起接觸電阻變大、工作溫度變高、高溫氧化、觸點燒毀的惡性循環(huán)，這是傳統(tǒng)電力開關(guān)、電器開關(guān)、接觸器、繼電器產(chǎn)品的一個難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明采用電磁學(xué)、磁力學(xué)、電學(xué)、滾動力學(xué)中的有關(guān)原理，將磁性滾動引入傳統(tǒng)電力開關(guān)、電器開關(guān)、接觸器、繼電器的觸點中，制成力信號輸入、輸出一體化的力信號放大器，采用力信號放大器技術(shù)可以使觸點壓力變大、接觸電阻顯著減小、觸點容量增大、可靠性變好、對觸點材料的要求降低、成本降低等，力信號放大器的輸入端還可以與輸出信號為微弱力信號的各類傳感器連接，將微弱力信號放大后以大容量開關(guān)方式輸出，可以作為一種高效的自動化執(zhí)行部件主要應(yīng)用在通用繼電器、大功率繼電器、大功率接觸器、大功率斷路器、大功率電力開關(guān)的自動控制執(zhí)行部件中，可降低能耗，提高效率，降低生產(chǎn)成本。


圖1是力信號放大器的基本結(jié)構(gòu)一個磁性圓柱體1和一塊內(nèi)含電極的平板5組成了力信號放大器的基本結(jié)構(gòu)，圓柱體1可以是一個順磁性金屬體或永久磁體，其表面覆蓋一層良導(dǎo)體，平板內(nèi)部由絕緣體和導(dǎo)體電極組成，導(dǎo)體電極2、3、4由三長條的金屬條構(gòu)成，金屬條可以是順磁性金屬體或逆磁性金屬加永久磁體而成，其余部分由絕緣材料填充并使導(dǎo)體暴露在平板5的表面，平板5的表面是平整光滑的，使磁性圓柱導(dǎo)體1可以在其表面自由滾動。磁性圓柱導(dǎo)體1在其表面自由滾動時，電極2、4和電極3、4將在絕緣狀態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)之間交替變換。
圖2是力信號放大器的力放大作用示意圖，當(dāng)磁性圓柱導(dǎo)體1與平板5之間有相互吸引的磁力存在時，在磁性圓柱體1的表面和平板內(nèi)的金屬導(dǎo)體2、3、4表面之間將產(chǎn)生接觸壓力F，其大小正比于相互吸引力的大小，力F的方向沿圓柱體的半徑與平板的法線重合。
這時，如果在磁性圓柱體1的切線方向施加一個較小可以使圓柱體滾動的力f，則在平板表面產(chǎn)生一個連續(xù)移動的比f大β倍的力F，我們把F與f的比值β稱為力信號放大器的力放大系數(shù)。
則有β＝F/f把在圓柱體1的切線方向施加的一個較小可以使圓柱體滾動的力f稱為力信號放大器的輸入力；把在圓柱體1和平板5內(nèi)電極表面產(chǎn)生的一個連續(xù)移動的比f大β倍的力F稱為力信號放大器的輸出力，輸入力f與輸出力F的移動行程相同，力的方向夾角為90度時力信號放大器的力放大系數(shù)β具有最大值。對力信號放大器的力放大系數(shù)β產(chǎn)生影響的因素還有平板內(nèi)含電極及圓柱體的材料硬度、平整度、均勻度。
圖3是力信號放大器的輸入輸出特性。為了討論簡明扼要，我們只取輸入力f與輸出力F的方向夾角為90度時力信號放大器的輸入輸出特性，以輸入、輸出力為縱坐標，以輸入、輸出力的移動行程為橫坐標建立二維坐標系。
當(dāng)輸入力f由0逐漸變大一直到克服滾動摩擦力之前，移動行程橫坐標總是為0，在輸入力f逐漸變大到大于滾動摩擦力時，移動行程開始變化，而輸入力f不再變化，基本保持恒定，其壓力變化表現(xiàn)在曲線1上。在圓柱體1和電極2、3、4表面之間產(chǎn)生的壓力輸出表現(xiàn)在曲線2、3、4上。
具體實施例方式
1包含4組轉(zhuǎn)換開關(guān)的電磁繼電器(見圖4、圖5)繼電器的驅(qū)動系統(tǒng)由空心線圈5和永久磁鐵3組成，當(dāng)在2組線圈5中交替通過脈沖電流時或在一組線圈5中通過交變脈沖電流時，永久磁鐵3即可以驅(qū)動絕緣薄膜4做往復(fù)運動，一對圓柱體永久磁鐵1在緊夾固定電極2的同時，在驅(qū)動絕緣薄膜4的帶動下做往復(fù)滾動，滾動過程可以使2組或4組轉(zhuǎn)換開關(guān)同時接通和關(guān)斷。此時固定電極觸點部分的排列可以是圖13所示2短1長或者是3長并列排列。
2包含2組轉(zhuǎn)換開關(guān)的電磁繼電器(見圖6)繼電器的驅(qū)動系統(tǒng)由空心線圈5和永久磁鐵3組成，當(dāng)在2組線圈5中交替通過脈沖電流時或在一組線圈5中通過交變脈沖電流時，永久磁鐵3即可以驅(qū)動絕緣薄膜4做往復(fù)運動，圓柱體永久磁鐵1和磁性金屬6在緊夾固定電極2的同時，在驅(qū)動絕緣薄膜4的帶動下做往復(fù)滾動，這個滾動過程可以使2組轉(zhuǎn)換開關(guān)同時接通和關(guān)斷。
圖7是在需要大電流開關(guān)時，可以將薄銅板制成活動電極7，和固定電極2一起緊夾在圓柱體永久磁鐵1和磁性金屬板6之間，磁性絕緣薄膜4帶動圓柱體永久磁鐵1做往復(fù)滾動，滾動過程可以使2組或1組轉(zhuǎn)換開關(guān)同時接通和關(guān)斷；3包含1組轉(zhuǎn)換開關(guān)的大電流電磁繼電器(見圖8)繼電器的驅(qū)動系統(tǒng)由空心線圈5和永久磁鐵3組成，當(dāng)在2組線圈5中交替通過脈沖電流時或在一組線圈5中通過交變脈沖電流時，永久磁鐵3即可以驅(qū)動磁性絕緣薄膜4做往復(fù)運動，由薄銅板制成的固定電極2和活動銅板7被圓柱體永久磁鐵1和磁性平板6緊夾的同時，磁性絕緣薄膜4帶動圓柱體永久磁鐵1做往復(fù)滾動，這個滾動過程可以使1組轉(zhuǎn)換開關(guān)的活動電極7同時接通和關(guān)斷固定電極2。此時固定電極觸點部分的排列可以是圖13所示2短1長或者是3長并列排列。
4由空心線圈5和永久磁鐵3組成繼電器的抗振動裝置如圖9，抗振動裝置6可以是1～4個順磁性金屬塊附在線圈5的外側(cè)，當(dāng)線圈5不通電時永久磁鐵3受順磁性金屬塊6的吸引斜臥在線圈中心，起剎車制動的作用，可減弱外力引起的永久磁鐵3的誤動作，當(dāng)線圈5通電時永久磁鐵3受線圈電磁鐵5的吸引克服順磁性金屬塊6的吸引力在線圈中心做往復(fù)運動。
5由空心線圈5和永久磁鐵3組成繼電器的另一種驅(qū)動方式如圖17所示，當(dāng)在2組線圈5中交替通過脈沖電流時或在一組線圈5中通過交變脈沖電流時，永久磁鐵3可以驅(qū)動絕緣薄膜4做往復(fù)運動，線圈5可以是2組線圈分布在永久磁鐵3的兩側(cè)，也可以是1組線圈分布在永久磁鐵3的1側(cè)，另一側(cè)是磁力彈簧或機械彈簧。
這種驅(qū)動方式的抗振動裝置6可以是1～4個順磁性金屬塊附在線圈5的內(nèi)側(cè)，6力信號放大器應(yīng)用于電磁繼電器中的改進A型結(jié)構(gòu)。
將力信號放大器中的磁性圓柱體1沿半徑展開演化為一段圓弧，并將驅(qū)動線圈5置于兩圓弧之間時，繼電器便具備了翹板式繼電器高抗振動能力并適合大規(guī)模生產(chǎn)的條件，這樣的結(jié)構(gòu)同樣適合于大型的功率繼電器。其結(jié)構(gòu)如圖10所示。
磁性弧型活動電極1的中間有一根軸9，可使活動電極1自由轉(zhuǎn)動，在2組線圈5中交替通過脈沖電流時或在一組線圈5中通過交變脈沖電流時，弧型翹板結(jié)構(gòu)中的S-N磁極相互作用使磁性弧型活動電極1做翹板式滾動，線圈5兩面的固定電極2在被磁性弧型活動電極1緊夾的同時，滾動過程可以使2組轉(zhuǎn)換開關(guān)同時接通和關(guān)斷。此時固定電極觸點部分的排列可以是圖13所示2短1長或者是3長并列排列。
7力信號放大器應(yīng)用于電磁繼電器中的改進B型結(jié)構(gòu)。
將力信號放大器中的磁性圓柱體1沿半徑展開壓平為V字型翹板結(jié)構(gòu)，并將驅(qū)動線圈5置于兩V字型翹板結(jié)構(gòu)之間時，繼電器便具備了翹板式繼電器高抗振動能力并適合大規(guī)模生產(chǎn)的條件，這樣的結(jié)構(gòu)同樣適合于大型的功率繼電器。其結(jié)構(gòu)如圖11所示。
V字型翹板結(jié)構(gòu)的中間有一根軸9，可使活動電極1自由轉(zhuǎn)動，在2組線圈5中交替通過脈沖電流時或在一組線圈5中通過交變脈沖電流時，V字型翹板結(jié)構(gòu)中的S-N磁極相互作用使V字型翹板結(jié)構(gòu)做翹板式運動，線圈5兩面的固定電極2在被V字型翹板結(jié)構(gòu)緊夾的同時，運動過程可以使2組轉(zhuǎn)換開關(guān)同時接通和關(guān)斷。此時固定電極觸點部分的排列可以是圖13所示2短1長或者是3長并列排列。
8力信號放大器應(yīng)用于電磁繼電器中的改進C型結(jié)構(gòu)。
將力信號放大器中的磁性圓柱體1沿半徑展開壓平為一字結(jié)構(gòu)，并將驅(qū)動線圈5置于兩一字型翹板結(jié)構(gòu)之間時，繼電器便具備了翹板式繼電器高抗振動能力并適合大規(guī)模生產(chǎn)的條件，這樣的結(jié)構(gòu)同樣適合于大型的功率繼電器。其結(jié)構(gòu)如圖12所示。
一字型翹板結(jié)構(gòu)的中間有一根軸9，可使活動電極1自由轉(zhuǎn)動，在2組線圈5中交替通過脈沖電流時或在一組線圈5中通過交變脈沖電流時，一字型翹板結(jié)構(gòu)中的S-N磁極相互作用使一字型翹板結(jié)構(gòu)做翹板式運動，線圈5兩面的固定電極2在被一字型翹板結(jié)構(gòu)緊夾的同時，運動過程可以使2組轉(zhuǎn)換開關(guān)同時接通和關(guān)斷。此時固定電極觸點部分的排列可以是圖13所示2短1長或者是3長并列排列。
當(dāng)一字型翹板結(jié)構(gòu)中的線圈5分解為2個時，利用通電線圈5與磁性翹板1的相互作用可以使2組轉(zhuǎn)換開關(guān)同時接通和關(guān)斷。結(jié)構(gòu)如圖14所示。
9力信號放大器在電磁繼電器中的改進D型結(jié)構(gòu)。
將上述力信號放大器中的一字結(jié)構(gòu)沿轉(zhuǎn)軸中心去掉一半，并將驅(qū)動線圈5置于兩翻板之間時，便成為一種翻板式開關(guān)結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)同樣適合于大型的功率繼電器。其結(jié)構(gòu)如圖15所示。
在2組線圈5中交替通過脈沖電流時或在一組線圈5中通過交變脈沖電流時，翻板式開關(guān)結(jié)構(gòu)中1的S-N磁極相互作用使線圈5兩面的固定電極2在被緊夾的同時，可以使2組轉(zhuǎn)換開關(guān)同時接通和關(guān)斷。此時固定電極觸點部分的排列可以是圖13所示2短1長或者是3長并列排列。
9力信號放大器在電磁繼電器中的改進E型結(jié)構(gòu)。
將上述力信號放大器中的一字結(jié)構(gòu)中的活動電極1的軸去掉，通過線圈軸心和活動電極1的圓心穿過一根絕緣材料制造的細軸9時，便成為一種啞鈴式開關(guān)結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)同樣適合于大型的功率繼電器。其結(jié)構(gòu)如圖16所示。
在一組線圈5中通過直流脈沖電流時，啞鈴式開關(guān)結(jié)構(gòu)中活動電極1的S-N磁極與線圈磁場相互作用使線圈5兩面的固定電極2在被緊夾的同時，可以使2組轉(zhuǎn)換開關(guān)同時接通和關(guān)斷。此時固定電極2觸點部分的排列可以是4個H型開關(guān)。。
這種啞鈴式開關(guān)結(jié)構(gòu)也可以是無軸的，在將絕緣材料制造的細軸9抽掉時，繼電器也可以正常工作。
權(quán)利要求
1.一種力信號放大器，其特征是一個磁性圓柱體1和一塊內(nèi)含電極的平板5組成了力信號放大器的基本結(jié)構(gòu)，圓柱體1可以是一個順磁性金屬體或永久磁體，其表面覆蓋一層良導(dǎo)體，平板內(nèi)部由絕緣體和導(dǎo)體電極組成，導(dǎo)體電極2、3、4由三個長的金屬條構(gòu)成，金屬條可以是順磁性金屬體或逆磁性金屬加永久磁體而成，其余部分由絕緣材料填充并使導(dǎo)體暴露在平板5的表面，磁性圓柱導(dǎo)體1在其表面自由滾動時，電極2、4和電極3、4將在絕緣狀態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)之間交替變換，同時在磁性圓柱體1的表面和平板內(nèi)的金屬導(dǎo)體2、3、4表面之間將產(chǎn)生接觸壓力F，其大小正比于相互吸引力的大小，力F的方向沿圓柱體的半徑與平板的法線重合。如果在磁性圓柱體1的切線方向施加一個較小可以使圓柱體滾動的力f，則在平板表面產(chǎn)生一個連續(xù)移動的比f大β倍的力F，F(xiàn)與f的比值β稱為力信號放大器的力放大系數(shù)。
2.按照權(quán)利要求1所述的力信號放大器，其特征是在以輸入、輸出力為縱坐標，以輸入、輸出力的移動行程為橫坐標的二維坐標系中，當(dāng)輸入力f由0逐漸變大一直到克服滾動摩擦力之前，移動行程橫坐標總是為0，在輸入力f逐漸變大到大于滾動摩擦力時，移動行程開始變化，而輸入力f不再變化，基本保持恒定，其壓力變化表現(xiàn)在曲線1上。在圓柱體1和電極2、3、4表面之間產(chǎn)生的壓力輸出表現(xiàn)在曲線2、3、4上。
3.按照權(quán)利要求1所述的力信號放大器，其特征是繼電器的驅(qū)動系統(tǒng)由空心線圈5和永久磁鐵3組成，在2組線圈5中交替通過脈沖電流時或在一組線圈5中通過交變脈沖電流時，永久磁鐵3可以驅(qū)動絕緣薄膜4做往復(fù)運動，一對圓柱體永久磁鐵1或者一個圓柱體永久磁鐵1和一塊固定的磁性金屬6在緊夾固定電極2的同時，在絕緣薄膜4的帶動下做往復(fù)滾動，滾動過程可以使4組或2組或1組轉(zhuǎn)換開關(guān)同時接通和關(guān)斷。
4.按照權(quán)利要求1所述的力信號放大器，其特征是在大電流開關(guān)時，可以將薄銅板制成活動電極7，和固定電極2一起緊夾在圓柱體永久磁鐵1和磁性金屬板6之間，磁性絕緣薄膜4帶動圓柱體永久磁鐵1做往復(fù)滾動，滾動過程可以使2組或1組轉(zhuǎn)換開關(guān)同時接通和關(guān)斷。
5.按照權(quán)利要求1所述的力信號放大器，其特征是由空心線圈5和永久磁鐵3組成繼電器的抗振動裝置6可以是1～4個磁性金屬塊附在線圈5的外側(cè)或內(nèi)側(cè)，當(dāng)線圈5不通電時永久磁鐵3受磁性金屬塊6的吸引，起剎車制動的作用。
6.按照權(quán)利要求1所述的力信號放大器，其特征是線圈5可以是2組線圈分布在永久磁鐵3的兩側(cè)，也可以是1組線圈分布在永久磁鐵3的1側(cè)，另一側(cè)是磁力彈簧或機械彈簧。
7.按照權(quán)利要求1所述的力信號放大器，其特征是將磁性圓柱體1沿半徑展開演化為一段圓弧，并將驅(qū)動線圈5置于兩圓弧之間，磁性弧型活動電極1的中間有一根軸9，可使磁性弧型活動電極1做翹板式滾動。
8.按照權(quán)利要求1所述的力信號放大器，其特征是將磁性圓柱體1沿半徑展開壓平為V字型翹板結(jié)構(gòu)，并將驅(qū)動線圈5置于兩V字型翹板結(jié)構(gòu)之間，V字型翹板的中間有軸9，可使V字型翹板自由轉(zhuǎn)動，
9按照權(quán)利要求1所述的力信號放大器，其特征是將磁性圓柱體1沿半徑展開壓平為一字結(jié)構(gòu)，并將驅(qū)動線圈5置于兩一字型翹板結(jié)構(gòu)之間，一字型翹板結(jié)構(gòu)的中間有軸9，可使一字結(jié)構(gòu)活動電極1自由轉(zhuǎn)動，將一字型翹板結(jié)構(gòu)中的線圈5分解為2個，利用通電線圈5與磁性翹板1的相互作用可以使2組轉(zhuǎn)換開關(guān)同時接通和關(guān)斷。
10按照權(quán)利要求1所述的力信號放大器，其特征是將一字結(jié)構(gòu)沿轉(zhuǎn)軸中心去掉一半，并將驅(qū)動線圈5置于兩翻板之間時，便成為一種翻板式開關(guān)結(jié)構(gòu)，
11按照權(quán)利要求1所述的力信號放大器，其特征是將一字結(jié)構(gòu)中的活動電極1的軸去掉，通過線圈軸心和活動電極1的圓心穿過一根絕緣材料制造的細軸9時，便成為一種啞鈴式開關(guān)結(jié)構(gòu)，這種啞鈴式開關(guān)結(jié)構(gòu)在無軸時，繼電器也可以正常工作。
全文摘要
就象電子管放大器、晶體管放大器可以把微弱的電信號放大一樣，力信號放大器用于電磁繼電器時可以將線圈產(chǎn)生的微弱電磁力放大，使電磁繼電器輸出端的觸點壓力增大，采用力信號放大器技術(shù)可以使觸點壓力變大、接觸電阻顯著減小、觸點容量增大、可靠性變好、對觸點材料的要求降低、成本降低等，力信號放大器的輸入端還可以與輸出信號為微弱力信號的各類傳感器連接，將微弱力信號放大后以大容量開關(guān)方式輸出，可以作為一種高效的自動化執(zhí)行部件主要應(yīng)用在通用繼電器、大功率繼電器、大功率接觸器、大功率斷路器、大功率電力開關(guān)的自動控制執(zhí)行部件中。
文檔編號H01H50/00GK1905104SQ200510085599
公開日2007年1月31日 申請日期2005年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月29日
發(fā)明者李源 申請人:李源