專利名稱：一種動態式電機開關的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電機控制開關，它特別涉及一種使用機械圓(或直線)周期運傳感信號和電子電路相結合構成的一種動態式電機控制開關。
在本實用新型提出以前，在現有技術中已有空氣開關，閘刀開關，轉換開關，按鈕+交流接觸器開關等多種電機控制開關被廣泛采用，本人也曾經提出了兩項有關采用電子電路構成電機控制開關的專利申請，即中國專利86210693和92220680.5號，這些控制開關是靜態控制式。
本實用新型的目的在于提供一種動態式電機開關，這種開關是半自動的，開啟本開關由人工操作，關閉或自動保持開啟狀態則由本開關所控制的電機運行狀況及電機所拖動的機器運轉狀態來確定采集被本開關控制的電機所拖動的機器某一運動部件周期信號回饋給本開關，當機器正常運行時該周期信號即作為本開關的自保持開啟信號，使本開關連續運行，電機運行中本開關檢測到有缺相狀況，會自動切斷電機電源，達到保護電機的目的，被本開關控制的電機D拖動的機器停止，本開關在選定的時間周期內檢測不到機器運動的信號也自動切斷電機電源，達到節電的目的。
本實用新型的目的可以通過以下技術措施來實現。這種動態式電機開關，它由兩部分組成一部分為不帶有導線的發訊器(2)及帶有導線的訊號接收器(1)，另一部分為電子控制電路，在其發訊器(2)及接收訊號部分中，由本開關所控制的電機D所拖動的機器在運行中必然有一部件作圓(或直線)周期運動，優選一個既體現運動周期又易安裝發訊器(2)的部位裝上發訊器(2)，在同一機器相對應易于接收發訊器(2)所發訊號的固定位置安裝上訊號接收器(1)，將該訊號接收器(1)所接收的訊號用導線引入本開關的電子控制電路部份內。
電子控制電路包括集成電路74HC14，用其5個反向門FA，FB，FC，FD，FE，其特征包括控制電路部分包括信號接收器(1)的VCC端接電源部分的+4V頭；電阻R2接電源部分的+4V頭，電阻R4、電容C11接電源部分的+2V頭；信號接收器(1)的VOUT端接電阻R2、R3、R4、輕觸鍵S1、電容C11、C12、集成電路反向門FE輸入端；反向門FE輸出端連接開關二極管D12，D12輸出端連接輕觸鍵S2、電容C13、電阻R6、電容C3、反向門FC輸入端，信號接收器(1)的GND端、R3、S1、C12、S2、C13、R6、C3的另一端接地；
反向門FC輸出端再連接開關二極管D8，D8連接反向門FD輸入端和電阻R9，反向門FD輸出端連接電阻R13，R13連接三極管BG1的基極，BG1的集電極連接繼電器J和二極管D7，繼電器J和二極管D7連接+12V電源頭，三極管BG1發射極接地，電阻R9接+2V電源；繼電器J的動觸頭J-4接+12V電源，電阻R5、R7連接J-4的觸點，電阻R5與發光二極管L2串聯，二極管L2負端接地，電阻R7與發光二極管L1串聯，二極管L1負端接地；缺相保護部分包括三相交流電電源連接點A、B、C分別連接繼電器J的動觸頭J-1、J-2、J-3，信號取樣器B2、B3、B4的輸入端分別連接動觸頭的相應觸點和電機D的a、b、c相；信號取樣器B2的輸出端連接電容C5，電容C5接二極管D1、D2，二極管D1接電容C4、電阻R10、二極管D9，二極管D2、電容C4、電阻R10接地；信號取樣器B3的輸出端連接電容C7，電容C7接二極管D3、D4，二極管D3接電容C6、電阻R11、二極管D10，二極管D4、電容C6、電阻R11接地；信號取樣器B4的輸出端連接電容C9，電容C9接二極管D5、D6，二極管D5接電容C8、電阻R12、二極管D11，二極管D6、電容C8、電阻R12接地；缺相保護部分與控制電路部分之間的聯絡部分包括二極管D9、1D10、D11的正極并聯到反向門FA的輸入端，反向門FA、反向門FB、電阻R8、二極管D13串聯后，D13的正極接反向門FC的輸入端；電源部分有+12V、+4V、+2V輸出頭；電源部分包括變壓器B1的初級連接220V市電，B1的次極連接整流橋D14-D17，電容C1正極連接D15、D16，電容C1負極接地，電容C1正極連接繼電器觸頭J-4、繼電器J線圈、二極管D7、電阻R1、訊號接收器(1)的VCC電源端、電容C10、發光管L4、電容L4連接電容C11、電阻R9、電容C2、發光管L3；電容C2、發光管L3、電容C10接地。
本實用新型的工作原理是操作員需要開機時，觸摸一下設置在開關上的啟動輕觸鍵S1，給本開關的電子電路一個啟動信號，該啟動信號一方面經電子電路整形、放大推動開關內的繼電器J吸合，從而使電機D通電轉動，另一方面該信號經電子電路加工后產生一個正電壓，該正電壓對電子電路內設置的電阻R6、電容C3充放電路中的電容器C3瞬間充足電能，當啟動信號消失后電容C3儲備的電能通過電阻R6放電，電容C3經電阻R6持續放電所經歷的時間即為本開關內繼電器J繼續吸合使電機轉動的自保持時間。
本開關控制的電機D被加上負載機器運轉后，安裝于機器運動部件上的發訊器(2)隨該部件運動一個周期，向訊號接收器(1)傳送一個訊號，該訊號接收器(1)和電子電路聯合處理為等同于人工啟動本開關的信號，調整電子電路內的電阻R6、電容C3放電時間，使之大于接收信號的時間周期，則本開關所控制的電機D就是連續運行的。如果電機D的負載機器停止，本開關收不到安裝于機器運動部件上發訊器(2)所發出的周期訊號，被本開關所控制的在電機D在電阻R6、電容C3放電時間一個周期時被切斷電源，停止空轉，達到節電目的。
本開關設置有一個停止輕觸鍵S2，這個停止輕觸鍵S2的工作原理是用該鍵的一對常開導電觸點并聯在電容C3兩端、當操作員觸摸一下該鍵，導電觸點短接電容C3兩端，快速地將電容C3上的電壓泄放掉，使電路失去自保持信號，開關內繼電器J釋放，切斷電機D電源，操作員在機器運行中出現異常情況時可隨時觸摸該停止輕觸鍵S2而迅速切斷電機D電源，達到保障安全生產的目的。
本開關的電子電路部分設計有對電機D運行是否缺相的監控電路，電機D出現缺相運行時，本開關會在6秒鐘時間內切斷電機D電源，達到保護電機D的目的。
本實用新型同已有技術相比具有如下優點安裝簡單、動態半自動控制方式，人工啟動和停止操作采用輕觸鍵，操作輕松容易，控制可靠，采用弱電控制強電的基本原理，控制電路不與市電直接相連，器件的使用壽命得到提高。


圖1、本實用新型采用機械圓周期運動傳感信號部分安裝主視圖。
圖2、本實用新型采用機械圓周期運動傳感信號部分安裝側視圖。
圖3、本實用新型采用機械直線周期運動傳感信號部分安裝主視圖。
圖4、本實用新型采用機械直線周期運動傳感信號部分安裝側視圖。
圖5、本實用新型中訊號接收器(1)構造的剖視圖。
圖6、本實用新型的電子控制電路原理圖。
實施例參見說明書附圖1-6，這種動態式電機開關，它包括采用機械圓(或直線)周期運動傳感信號和電子控制電路兩大部分組成。其電路連接關系如前敘部分所述。
在機械圓周期運動傳感信號部分中，選擇被這種動態式開關所控制的電機所拖動的機器作圓周期運動部件(3)上一合適點，安裝一顆永磁體發訊元件(2)，將訊號接收器(1)的接受面面對永磁體發訊元件(2)，相距1-2豪米處固定安裝訊號接收器(1)，(1)的導線分別同電子電路中的相應控制接口相連，被這種動態式開關控制的電機D所拖動的機器運動部件(3)以中心軸(4)旋轉，安裝在機器運動部件(3)上的永磁體發訊元件(2)隨著運動部件(3)每旋轉一周，則訊號接收器(1)接收一個訊號，機器運動部件(3)可以是順時針(5)的箭頭方向轉動，亦可是逆時針(6)的箭頭方向轉動，但不允許忽順時針(5)方向，忽逆時針(6)方向轉動。
信號接收器(1)用黃銅制造，構成內空柱形、柱形的外園表面有供安裝固定用的鑼紋(12)，接收磁訊號并將磁訊號轉化為電信號的霍爾元件(11)用環氧樹脂封裝在(1)的內部，霍爾元件的引線(13)同電子電路中的GND、VCC、VOUT連接。
在機械直線周期運動傳感信號部分中，選擇被這種動態式開關所控制的電機所拖動的機器作直線往復周期運動部件(7)上一合適點，安裝一顆永磁體發訊元件(2)，將訊號接收器(1)的導線分別同電子電路中的相應控制接口相連，被這種動態式開關控制的電機所拖動的的機器運行時作直線周期運動部件(7)以中心線(10)的軌跡作往運動(8)和復運動(9)，安裝在(7)上的永磁體發訊元件(2)隨著運動部件(7)每往返一周期則訊號接收器(1)接受一個訊號，訊號接收器(1)的引線(13)同電子電路中的GND，VCC、VOUT相連。
附圖6是本實用新型的電子控制電路圖，圖中，BG1是三極管，選用型號9014，(1)是訊號接收器，訊號接收器(1)采用霍爾元件，型號選用UGN3040；R1-R13是電阻、R1選用2K；R2、R3選用10K；R4、R9選用56K；R5選用4.3K；R6阻值的大小應由電子電路所需要的放電時間及C3容量的大小共同確定，R8選用100K；R10-R12選用470K；R13選用430Ω。
D1-D17是二極管；其中D14-D17選用型號1N4004；D1-D13選用型號1N4148。
L1-L4是直徑3mm的發光二極管。
C1-C13是電容；C1選用1000μF/25V；C2選用100μF/16V；C3容量的大小應由電子電路所需要的放電時間及R6的阻值大小共同確定；C4、C6、C8選用2.2μF/16V；C5、C7、C9選用4.7μF/16V；C10選用220μF/16V；C11-C13選用0.1μF的獨石電容。
FA-FD分別是集成電路芯片六施密特觸發器里的五個施密特觸發器；選用型號74HC14。
J是繼電器；選用4對常開觸點，4對常閉觸點，線圈電壓DC12V，型號DZ47-4Z。
電子電路原理圖中的A、B、C、特指三相交流電源進入本開關的A相，B相，C相；電子電路原理圖中的a，b，c，特指三相交流電經過本開關控制輸出到電機D的a相，b相，c相。
B2-B4是信號取樣器；選用外直徑22mm，內直徑11mm，高10mm的鐵氧體磁環，沿著園環體用直徑0.1mm的漆包園銅線穿繞2000匝作次級繞組，其初級繞組由A-a，B-b，C-c三相電源線分別穿過B2-B4內環構成。
S1和S2是輕觸按鍵；選用型號ST1230F-1。
動態式電機開關的電子電路由電源電路、控制電路、缺相保護電動機電路及控制與缺相保護之間的聯絡電路等四部份組成。
電源電路由電源變壓器B1將AC220V變壓為AC12V，經二極管D14-17作橋式整流，電容C1濾波，獲得DC12V，DC12V經電阻R1降壓后由發光二極管L4，L3串聯穩壓及電容C10，C2濾波后分別獲得DC4V和DC2V的穩壓電源。
DC12V供繼電器J，三極管BG1及兩個指示用發光二極管L1，L2使用。
DC4V供給訊號接收器(1)的正電源。
DC2V供系統其余部份的正電源。
主控制電路部份以集成電路芯片74HC14的FE；FC；FD為核心、輔以電阻R2，R3，R6，R13；電容C3，開關二極管D8，D12，訊號接收器(1)；輕觸按鍵S1，S2；三極管BG1，繼電路J共同組成。D7是繼電器J的續流二極管。
集成電路芯片74HC14內部為六個具有施密特觸發功能的反相門(器)，其工作過程是；在任一個反相門的輸入端輸入一個低電平(在本電路中低電平統一為OV，高電平統一為+2V)信號，在同一個門的輸出端會輸出一個高電平信號。反之，在任一個門輸入端輸入一個高電平信號，在同一個門的輸出端會輸出一個低電平信號，而每一個門內部的施密特功能也就是將輸入不規則的波形整形為輸出規則的方波，在本電路中則用以規避最終執行元件繼電器J的觸點出現似接觸非接觸現象產生。
啟動控制電路工作過程是當操作者需開機時按一下啟動按鍵S1，S1觸點將反相門FE的輸入端對地短接，FE輸入端獲得一個低電平，這時FE輸出端輸出高電平，這個高電平通過二極管D12使FC門輸入端獲得高電平，在FC的輸出端輸出低電平，通過二極管D8使門FD輸入端獲得低電平，FD輸出高電平，該高電平通過R13推動三極管BG1導通，繼電器J得電吸合，J-1、J-2、J-3、J-4同時閉合；接于abc端的電機被啟動運轉，綠色運行指示燈L1被點亮。
訊號接收器(1)，電阻R6，電容C3共同構成繼電器J自保持吸合電路，其工作過程如下當啟動S1使FE輸出高電平時，這個高電平通過D12很快將C3充電為高電平；FE輸出的高電平消失后C3通過R6放電，如果電動機未被加上負載而帶動機器運轉，那么電動機自保持運轉的時間，取決于R6·C3的放電時間常數，假定R6＝2MΩ，C3＝10μ，其自保持時間則為2×106×10-5＝20秒鐘(以下的分析均用20秒為定值，而實際使用則根據機器狀況確定R6·C3的常數)經過20秒鐘放電FC的輸入端將變成低電平，FC輸出高電平，通過D8使F·D輸出端變成低電平，BG1截止、繼電器J釋放，電動機失電，停止轉動。
當啟動S1后的20秒時間內電動機帶動負載機器運轉，安裝在機器部件(3)或(7)上的永磁體發訊頭(2)隨機運動，當運動到該發訊頭靠近訊號接收器(1)的接收面時訊號接收器(1)的VOUT端輸出一個低電平信號給FE的輸入端，FE輸出端再次被置為高電平，同樣該高電平一方面迅速將C3充電為高電平，同時該高電平經FC，D8，FD，R13，BG1使J保持吸合狀態；以此分析可得出結論永磁體發訊頭(2)連續不斷地運動且運動周期小于20秒鐘，則繼電器J就會處于長期自保持吸合論態。
一旦機器因換工件，故障，或處理其它問題時停機(這里停機僅指電動機被卸下負載使機器停轉而電機不會自動停轉)當停機時間達到20秒鐘，在動態開關的控制下，電動機也會被切斷電源，而停止轉動。
以上分析均是以機器正常條件下如何開機，如何自保持運轉及自動關電等過程；如果機器運轉出現異常現象，乃至突發事故需緊急關機時。操作者可按S2鍵使C3被快速放電，使C3兩端電壓為低電平，這時FC輸入端被置成低電平，同時FD輸出低電平，電機很快被停住。
電阻R4，R9；電容C11，C12，C13在電路中擔負穩定反相門FE，FC和FD的工作點作用。
信號取樣器B2；電容C4，C5；二極管D1，D2；電阻R10組成三相電動機的A相電源缺相保護電路；信號取樣器B3；電容C6，C7；二極管D3，D4，電阻R11組成三相電動機的B相電源缺相保護電路；信號取樣器B4；電容C8，C9；二極管D5，D6；電阻R12組成三相電動機的C相電源缺相保護電路。
由二極管D9，D10，D11，具施密特觸發功能的反相門FA，FB，電阻R8、二極管D13組成聯絡電路，這部份電路的功能是溝通缺相保護電路與主控制電路間的聯系使主挖控制電路與缺相保護電路間既能各自獨立工作又相互協調工作。
下面具體描述缺相保護電路與聯絡電路的工作過程先描述缺相保護電路當電機被啟動后正常情況下A、B、C三相都應有電流分別通過B2，B3，B4這三個信號取樣器的初級繞組，以A相為例，由于A相電流的存在B2的次級將產生一個交流電壓A。
利用二極管D1，D2的整流和導引作用，將A正負兩個半波整流為直流電壓并將該電壓分別存放在電容C5、C4上，然后又把C5，C4按極性自動相加串接起來，使R10端電壓近似為2VA(注意A為交流，VA為直流)采用這種倍壓整流的目的是為了保障在小電機的情況下缺相保護取樣信號的電壓幅值不小于2V(電路系統工作電壓幅值)。B相和C相電路的工作過程與A相完全相同。
由二極管D9、D10、D11構成一個三與門電路，三與門電路的工作過程是必須D9，D10，D11三個二極管的輸入端(負端)都獲得高電平，則在D9，D10，D11三個二極管的公共端(正端或輸出端)輸出高電平；該高電平使門FA輸出低電平，使門FB輸出高電平，通過R8和D13使門FC輸入端獲得高電平，同時在機器運行時門FE輸出端也按時間周期小于R6C3時間常數進行間歇充電，使C3保持高電平，也即D13的正端和C3的正端組成的二與門都保持高電平，從而保障整個電路的正常運行。
一旦運行中出現電動機缺相，無論電源缺相或是電機內部缺相或是缺A、B、C中任一相，則由D9、D10、D11組成的三與門及D13正端經過一段延時都變成低電平。
現在我們假設缺A相，由于時間常數(R8·C3+R10·C4)＜R6·C3，則在訊號接收器(1)輸出兩個低電平(門FE輸出高電平)信號之間，經過R8·C3+R10·C4的時間，把C3上的電放掉，從而使門FC輸出高電平，門FD輸出低電平。繼電器J釋放，切斷電機電源，達到保護電機目的。
權利要求1.一種動態式電機開關，其特征包括它由兩部分組成一部分為不帶有導線的發訊器(2)及帶有導線的訊號接收器(1)，另一部分為電子控制電路，電子控制電路包括集成電路74HC14，用其5個反向門FA，FB，FC，FD，FE，控制電路部分包括，信號接收器(1)的VCC端接電源部分的+4V頭；電阻R2接電源部分的+4V頭，電阻R4、電容C11接電源部分的+2V頭；信號接收器(1)的VOUT端接電阻R2、R3、R4、輕觸鍵S1、電容C11、C12、集成電路74HC14反向門FE輸入端；反向門FE輸出端連接開關二極管D12，D12輸出端連接輕觸鍵S2、電容C13、電阻R6、電容C3、反向門FC輸入端，信號接收器(1)的GND端、R3、S1、C12、S2、C13、R6、C3的另一端接地；反向門FC輸出端再連接開關二極管D8，D8連接反向門FD輸入端和電阻R9，反向門FD輸出端連接電阻R13，R13連接三極管BG1的基極，BG1的集電極連接繼電器J和二極管D7，繼電器J和二極管D7連接+12V電源頭，三極管BG1發射極接地，電阻R9接+2V電源；繼電器J的動觸頭J-4接+12V電源，電阻R5、R7連接J-4的觸點，電阻R5與發光二極管L2串聯，二極管L2負端接地，電阻R7與發光二極管L1串聯，二極管L1負端接地；缺相保護部分包括三相交流電電源連接點A、B、C分別連接繼電器J的動觸頭J-1、J-2、J-3，信號取樣器B2、B3、B4的輸入端分別連接動觸頭的相應觸點和電機D的a、b、c相；信號取樣器B2的輸出端連接電容C5，電容C5接二極管D1、D2，二極管D1接電容C4、電阻R10、二極管D9，二極管D2、電容C4、電阻R10接地；信號取樣器B3的輸出端連接電容C7，電容C7接二極管D3、D4，二極管D3接電容C6、電阻R11、二極管D10，二極管D4、電容C6、電阻R11接地；信號取樣器B4的輸出端連接電容C9，電容C9接二極管D5、D6，二極管D5接電容C8、電阻R12、二極管D11，二極管D6、電容C8、電阻R12接地；缺相保護部分與控制電路部分之間的聯絡部分包括二極管D9、D10、D11的正極并聯到反向門FA的輸入端，反向門FA、反向門FB、電阻R8、二極管D13串聯后，D13的正極接反向門FC的輸入端；電源部分有+12V、+4V、+2V輸出頭。
2.根據權利要求1所述的一種動態式電機開關，其特征包括電源部分包括變壓器B1的初級連接220V市電，B1的次極連接整流橋D14-D17，電容C1正極連接D15、D16，電容C1負極接地，電容C1正極連接繼電器觸頭J-4、繼電器J線圈、二極管D7、電阻R1、訊號接收器(1)的VCC電源端、電容C10、發光管L4、電容L4連接電容C11、電阻R9、電容C2、發光管L3；電容C2、發光管L3、電容C10接地。
專利摘要一種動態式電機開關,發訊器(2)安裝在負載機器上,三相交流電通過繼電器J連接電機D的三相繞組,由訊號接收器(1)接收的信號或由B2—B4取樣器接收的信號或輕觸鍵S1、S2發出的信號,經過集成電路74HC14施密特觸發器和三極管BG1、繼電器J控制電機電源的通斷,能自動檢測電機運行狀態和電機所拖動的負載機器的運行狀態,當電機出現缺相故障時或負載機器停止運轉時,自動切斷電機電源,保護電機并節電。
文檔編號H02H7/09GK2490747SQ00222280
公開日2002年5月8日 申請日期2000年2月12日 優先權日2000年2月12日
發明者李維民 申請人:李維民