双稳态开关
阅读说明：本技术 双稳态开关 (Bistable switch ) 是由 车佳宇 林小军 陈钱林 李伟 洪佳崎 陈泽龙 刘春青 谢翔 熊伟庆 陈仁宗 陈悉 于 2020-12-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种双稳态开关,包括外壳,所述外壳内设置有线圈架、两个接线柱以及接触桥,所述线圈架设置有一中空套管以及线圈绕组,所述中空套管内设置有静铁芯和动铁芯,接触桥与动铁芯之间固定连接有导杆,所述线圈架上设置有用于保持动铁芯和静铁芯吸合或释放状态的稳态组件,稳态组件包括复位弹簧、用于抵压接触桥的压力弹簧以及用于加强动铁芯电磁吸力的永磁块。本发明提供了一种结构简单,具有稳定导通以及稳定断开的双重稳定状态,无需线圈持续供电,线圈不发热,保证开关内部温度与外部环境温度动态平衡,尤其是在极冷的恶劣环境下,能够正常通断,解决行业内极冷环境下汽车无法正常启动的问题,有效提高开关使用寿命的双稳态开关。(The invention discloses a bistable switch which comprises a shell, wherein a coil frame, two binding posts and a contact bridge are arranged in the shell, the coil frame is provided with a hollow sleeve and a coil winding, a static iron core and a movable iron core are arranged in the hollow sleeve, a guide rod is fixedly connected between the contact bridge and the movable iron core, a stable assembly used for keeping the movable iron core and the static iron core in an attraction or release state is arranged on the coil frame, and the stable assembly comprises a reset spring, a pressure spring used for abutting against the contact bridge and a permanent magnet used for strengthening the electromagnetic attraction of the movable iron core. The bistable switch provided by the invention has a simple structure, has double stable states of stable conduction and stable disconnection, does not need continuous power supply of the coil, does not generate heat, ensures dynamic balance between the internal temperature of the switch and the external environment temperature, can be normally switched on and off particularly in an extremely cold severe environment, solves the problem that an automobile cannot be normally started in an extremely cold environment in the industry, and effectively prolongs the service life of the switch.)
技术领域
本发明属于开关技术领域，尤其是一种双稳态开关。
背景技术
汽车的电源总开关一般分为电磁式和机械式，其中电磁式为控制开关接通电磁线圈回路，利用电磁吸力将动触点和静触点连接，从而将整车电气负载与整车电源接通。但现有的电磁式电源总开关仅靠电磁吸力吸动动触点，使动触点与静触点连接，这样需要较大的电磁吸力，为了满足电磁吸力的强度要求，就需要大线圈、大铁芯等，不仅浪费材料，还造成现有的电磁式电源总开关价格高，重量大等问题。除此以外，电磁式开关包括线圈架、设置在线圈架上的线圈绕组、动铁芯和复位弹簧，为了能够使得动铁芯克服复位弹簧的弹力，从而保证电磁开关保持接通状态，就需要一直对线圈进行通电，但当线圈持续供电状态下，会导致线圈发热，在天气极冷，温度极低的恶劣环境下，冷热交替，容易在线圈上形成液化水，从而导致线圈无法正常工作，开关失效，造成汽车无法正常启动。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种结构简单，具有稳定导通以及稳定断开的双重稳定状态，无需线圈持续供电，线圈不发热，保证开关内部温度与外部环境温度动态平衡，尤其是在极冷的恶劣环境下，能够正常通断，解决行业内极冷环境下汽车无法正常启动的问题，有效提高开关使用寿命的双稳态开关。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种双稳态开关，包括外壳，所述外壳内设置有线圈架、两个接线柱以及用于连接接线柱的接触桥，所述线圈架设置有一中空套管以及卷绕设置在中空套管外侧壁的线圈绕组，所述中空套管内设置有静铁芯和动铁芯，所述动铁芯滑动设置在中空套管内，所述接触桥与动铁芯之间固定连接有导杆，所述线圈架上设置有用于保持动铁芯和静铁芯吸合或释放状态的稳态组件，所述稳态组件包括设置于动铁芯和静铁芯之间复位弹簧以及设置在磁感线路径上用于加强动铁芯电磁吸力的永磁块。
采用上述方案，对线圈绕组施加瞬间的正向电压或反向电压，施加正向电压时，在通电线圈的作用下，位于中空套管内动铁芯会朝静铁芯方向滑动，从而形成吸合状态，由于静铁芯在中空套管内保持静止固定，因此静铁芯对动铁芯还起到行程限位的作用，与动铁芯一起滑动的还有通过导轨与动铁芯联动的接触桥，使得接触桥与两个接线柱电连，开关导通。由于，稳态组件中的永磁块能够为动铁芯提供额外的磁力，因此，我们只需给一个瞬间的正向电压，当正向电压形成的电磁吸力能够达到促使动铁芯克服复位弹簧的弹力滑动即可，保证动铁芯向静铁芯吸合后，使得动铁芯上的作用力(永磁铁产生的磁力作用在动铁芯上)能够大于复位弹簧的最大弹力，达到吸合的稳态目的。压力弹簧的主要作用是能够在吸合状态下，通过压力弹簧的弹力，将接触桥稳固地抵压在两个接线柱，保持稳定通电。因此，若要对动铁芯开始进行释放，首先需要施加反向电压，在通电线圈的作用下，反向电压会使得动铁芯产生反向(与静铁芯方向相反)的电磁力，反向电压形成的反向电磁力抵消部分已经作用在动铁芯上的作用力(永磁铁产生的磁力作用在动铁芯上)后，进而能够使得动铁芯的上的作用力小于复位弹簧的弹力和压力弹簧反向作用力之和，因此，在复位弹簧的弹力以及压力弹簧反向作用力作用下，动铁芯复位，从而带动接触桥复位，使得两个接线柱断开，开关断开，并保持稳定释放状态。整个工作过程中，线圈绕组均只需瞬间通电即可，因此在瞬间通电的情况下，线圈绕组产生的热量可忽略不计，从而达到不发热的目的，在极冷的恶劣环境下，能够正常通断。
作为本发明的进一步设置，所述线圈架包括由钢板弯折形成的U型导磁板，所述中空套管垂直设置在所述U型导磁板的底板上并向开口处延伸，所述中空套管的两侧对称设置有所述永磁块，两侧的所述永磁块与U型导磁板的两侧板之间分别设置有第一导磁块，两侧的所述永磁块与中空套管之间分别设置有第二导磁块。
采用上述方案，弯折形成的U型导磁板结构简单，加工方便，采用冷轧低碳钢板制成，中空套管垂直设置在U型导磁板的底板上可使得线圈绕组缠绕后，中空套管设置在底板中心位置，保证形成的磁场分布均匀，在中空套管的两侧对称设置永磁块，可使得磁力分布更加均匀，永磁块的磁极方向也呈径向对称设置，并且在第一导磁块和第二导磁块的作用下，可与U型导磁板围绕构成磁场路径。
作为本发明的进一步设置，所述永磁块朝向底板的端面相对底板的高度大于所述静铁芯相对底板的垂直高度，且高度差大于动铁芯与静铁芯之间的开距行程。
采用上述方案，永磁块靠近动铁芯设置，并且由于动铁芯的滑动行程与开距行程相同，因此当开距行程小于高度差时，可使得永磁块的磁力能够始终沿磁场路径直接作用在动铁芯上，保证动铁芯上受到的磁作用力最大化，从而保证吸合状态的稳定，吸合稳态效果最佳。
作为本发明的进一步设置，所述中空套管的侧壁向U型导磁板的两侧板延伸设置有用于第一导磁块、永磁块和第二导磁块依次嵌装的安装部。
采用上述方案，安装部便于对第一导磁块、永磁块和第二导磁块安装，且在安装部内可通过改变永磁块的厚度，进而改变吸合状态时作用在动铁芯上的作用力，永磁快厚度越大，作用力增加，当然相应的需要减少第一导磁块的厚度，结构改进调整显得更加方便简单，产品方案多样化，满足不同产品需求，适用范围更广。
作为本发明的进一步设置，依次嵌装所述第一导磁块、永磁块和第二导磁块之间相互抵接，所述第一导磁块和永磁块呈长条状，所述第二导磁块具有与所述中空套管侧壁适配的圆弧面。
采用上述方案，相互抵接能够保证磁场的连续性，第一导磁块和永磁块呈长条状方便加工，且第二导磁块设置圆弧面，结构简单，布局合理，磁场分布更加均匀，形成的磁力更加稳定。
作为本发明的进一步设置，所述线圈绕组包括一个用于动铁芯和静铁芯吸合或释放的第一线圈组。
采用上述方案，通过给第一线圈组施加正向电压，从而能够使动铁芯和静铁芯形成吸合状态，反之，在第一线圈组施加反向电压，能够使得动铁芯受到相反的电磁力，从而使得动铁芯具有远离静铁芯的作用力，形成释放状态。
作为本发明的进一步设置，所述线圈绕组包括用于动铁芯和静铁芯吸合的第二线圈组以及用于动铁芯和静铁芯释放的第三线圈组，所述第二线圈组的线圈数大于第三线圈组的线圈数。
采用上述方案，通过设置两个不同的线圈组，给第二线圈组施加瞬间正向电压，使得动铁芯和静铁芯吸合，给第三线圈组施加瞬间反向电压，使得动铁芯和相对静铁芯释放，施加不同方向电压后，动铁芯可形成不同大小的以及不同方向的电磁吸力，方便能够在吸合以及释放状态之间进行转换。
作为本发明的进一步设置，所述第二线圈组的负极端与第三线圈组的负极端相连接。
采用上述方案，减少接线，使得产品安装更加方便。
作为本发明的进一步设置，所述外壳上设置有线路板，所述第二线圈组和第三线圈组的正负电极通过引脚与所述线路板电连。
采用上述方案，在外壳上设置线路板，并使得第二线圈组和第三线圈组的正负电极与线路板电连，当需要将双稳态开关应用于汽车总电源时，通过线路板的转接，仅需要两条两条导线就能够实现与汽车总电源连接，达到减少接线的目的，方便产品安装，产品安装布局更加合理，便于维护保养。
下面结合附图对本发明作进一步描述。
附图说明
附图1为本发明具体实施例的结构分解图；
附图2为本发明具体实施例的外观示意图；
附图3为图2中A-A部的剖视图；
附图4为图2中B-B部的剖视图。
具体实施方式
本发明的具体实施例如图1-4所示，一种双稳态开关，包括外壳1，所述外壳1内设置有线圈架11、两个接线柱12以及用于连接接线柱12的接触桥13，所述线圈架11设置有一中空套管14以及卷绕设置在中空套管14外侧壁的线圈绕组2，所述中空套管14内设置有静铁芯3和动铁芯4，所述动铁芯4滑动设置在中空套管14内，所述接触桥13与动铁芯4之间固定连接有导杆5，所述线圈架11上设置有用于保持动铁芯4和静铁芯3吸合或释放状态的稳态组件6，所述稳态组件6包括抵接在动铁芯4和静铁芯3之间用于动铁芯4复位的复位弹簧61、抵接在静铁芯3与接触桥13之间用于抵压接触桥13的压力弹簧62以及设置在磁感线路径a上用于加强动铁芯4电磁吸力的永磁块63。
产品实际工作时，对线圈绕组2施加瞬间的正向电压或反向电压，施加正向电压时，在通电线圈的作用下，位于中空套管14内动铁芯4会朝静铁芯3方向滑动，从而形成吸合状态，由于静铁芯3在中空套管14内保持静止固定，因此静铁芯3对动铁芯4还起到行程限位的作用，与动铁芯4一起滑动的还有通过导轨与动铁芯4联动的接触桥13，使得接触桥13与两个接线柱12电连，开关导通。由于，稳态组件6中的永磁块63能够为动铁芯4提供额外的磁力，因此，我们只需给一个瞬间的正向电压，当正向电压形成的电磁吸力能够达到促使动铁芯4克服复位弹簧61的弹力滑动即可，保证动铁芯4向静铁芯3吸合后，使得动铁芯4上的作用力(永磁铁产生的磁力作用在动铁芯4上)能够大于复位弹簧61的最大弹力，达到吸合的稳态目的。压力弹簧62的主要作用是能够在吸合状态下，通过压力弹簧62的弹力，将接触桥13稳固地抵压在两个接线柱12，保持稳定通电。因此，若要对动铁芯4开始进行释放，首先需要施加反向电压，在通电线圈的作用下，反向电压会使得动铁芯4产生反向(与静铁芯3相反)的电磁力，反向电压形成的反向电磁力抵消部分已经作用在动铁芯4上的作用力(永磁铁产生的磁力作用在动铁芯4上)，从而动铁芯4的上的作用力小于复位弹簧61的弹力和压力弹簧62反向作用力之和，因此，在复位弹簧61的弹力以及压力弹簧62反向作用力作用下，动铁芯4复位，从而带动接触桥13复位，使得两个接线柱12断开，开关断开，并保持稳定释放状态。其中，复位弹簧61的弹力P1＝5±0.6N，P2＝7.1±0.8N；压力弹簧62P1＝16±1.5N，P2＝22.4±2.3N，动铁芯4和静铁芯3吸合时，仅复位弹簧61作用，需要克服弹簧反力为5±0.6N，吸合电压要求小于16V；吸合工况如表1所示：
表(1)
由表1所示，产品施加正向电压13V时，动铁芯4电磁吸力5.7N，大于弹簧初始复位力最大值5.6N，产品可以开始吸合，因此产品吸合电压满足＜16V需求。
进行释放时，弹簧反力为22.4+7.1±0.8±2.3＝29.5±3.1N，反向电压要求在1V～6.5V，释放工况如表2所示：
表(2)
由表2所示，线圈反向电压1V情况下动铁芯4电磁吸力29.2N，此状态弹簧反力29.5±3.1N，因此产品存在反向电压小于1V铁心即开始动作的风险，此外弹簧反力最大可达32.6N，初始状态铁心电磁吸力35.2N，产品要在10G的振动下安全工作，因此可通过增加永磁铁厚度来提高对动铁芯4的电磁吸力，避免在在反向电压小于1V铁心即开始动作的风险，提高产品的稳态效果，保证反向电压要求在1V～6.5V。
在本实施例中，所述线圈架11包括由钢板弯折形成的U型导磁板111，所述中空套管14垂直设置在所述U型导磁板111的底板1111上并向开口1112处延伸，所述中空套管14的两侧对称设置有所述永磁块63，两侧的所述永磁块63与U型导磁板111的两侧板1113之间分别设置有第一导磁块7，两侧的所述永磁块63与中空套管14之间分别设置有第二导磁块8。弯折形成的U型导磁板111结构简单，加工方便，采用冷轧低碳钢板制成，中空套管14垂直设置在U型导磁板111的底板1111上可使得线圈绕组2缠绕后，中空套管14设置在底板1111中心位置，保证形成的磁场分布均匀，在中空套管14的两侧对称设置永磁块63，可使得磁力分布更加均匀，永磁块63的磁极方向也呈径向对称设置，并且在第一导磁块7和第二导磁块8的作用下，可与U型导磁板111围绕构成磁场路径。
所述永磁块63朝向底板1111的端面相对底板1111的高度大于所述静铁芯3相对底板1111的垂直高度，且高度差x大于动铁芯4与静铁芯3之间的开距行程y。永磁块63靠近动铁芯4设置，并且由于动铁芯4的滑动行程与开距行程y相同，因此当开距行程y小于高度差x时，可使得永磁块63的磁力能够始终沿磁场路径直接作用在动铁芯4上，保证动铁芯4上受到的磁作用力最大化，从而保证吸合状态的稳定，吸合稳态效果最佳。
在本实施例中，所述中空套管14的侧壁向U型导磁板111的两侧板1113延伸设置有用于第一导磁块7、永磁块63和第二导磁块8依次嵌装的安装部141。所述安装部141设置有嵌装槽1411。安装部141便于对第一导磁块7、永磁块63和第二导磁块8安装，且在安装部141内可通过改变永磁块63的厚度，进而改变吸合状态时作用在动铁芯4上的作用力，永磁快厚度越大，作用力增加，当然相应的需要减少第一导磁块7的厚度，结构改进调整显得更加方便简单，产品方案多样化，满足不同产品需求，适用范围更广。
在本实施例中，依次嵌装所述第一导磁块7、永磁块63和第二导磁块8之间相互抵接，所述第一导磁块7和永磁块63呈长条状，所述第二导磁块8具有与所述中空套管14侧壁适配的圆弧面81。相互抵接能够保证磁场的连续性，第一导磁块7和永磁块63呈长条状方便加工，且第二导磁块8设置圆弧面81，结构简单，布局合理，磁场分布更加均匀，形成的磁力更加稳定。
在本实施例中，所述线圈绕组2包括用于动铁芯4和静铁芯3吸合的第二线圈组21以及用于动铁芯4和静铁芯3释放的第三线圈组22，所述第二线圈组21的线圈数大于第三线圈组22的线圈数。第二线圈组21圈数980，电阻10.8欧姆，第三线圈组22圈数580，电阻10.2欧姆。通过设置两个不同的线圈组，施加不同方向电压后，动铁芯4可形成不同大小的以及不同方向的电磁吸力，方便能够在吸合以及释放状态之间进行转换。
在本实施例中，所述第二线圈组21的负极端与第三线圈组22的负极端相连接。
作为本实施例的进一步设置，所述外壳1上设置有线路板(图中为示出)，所述第二线圈组21和第三线圈组22的正负电极通过引脚与所述线路板电连。在外壳1上设置线路板，并使得第二线圈组21和第三线圈组22的正负电极与线路板电连，当需要将双稳态开关应用于汽车总电源时，通过线路板的转接，仅需要两条两条导线就能够实现与汽车总电源连接，达到减少接线的目的，方便产品安装，产品安装布局更加合理，便于维护保养。
本发明的另一实施方式，其与实施例一的区别仅在于：所述线圈绕组包括一个用于动铁芯和静铁芯吸合或释放的第一线圈组。
通过给第一线圈组施加正向电压，从而能够使动铁芯和静铁芯形成吸合状态，反之，在第一线圈组施加反向电压，能够使得动铁芯受到相反的电磁力，从而使得动铁芯具有远离静铁芯的作用力，形成释放状态。
本发明不局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本发明的，或者凡是采用本发明的设计结构和思路，做简单变化或更改的，都落入本发明的保护范围。
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