CN103348430A - 具有灭弧室的开关 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种开关，所述开关快速、可靠地熄灭所产生的电弧而与电流方向无关，并且其适于多级操作。开关（1）包括至少两个开关室（11a和11b），其中每个开关室（11a和11b）包括单断路器且包括：具有第一接触区（21）的固定触点；具有第二接触区（31）的可动导电触点部分（30），用于在开关（1）的接通状态下在第一接触区（21）和第二接触区（31）之间产生导电连接，以及在开关（1）的关断状态下断开第一接触区（21）和第二接触区（31）之间的连接；两个灭弧室，用于在切换到关断状态时熄灭在第一接触区（21）和第二接触区（31）之间可能形成的电弧（5）；以及还具有至少两个磁体（71、72），用于至少在开关室（11a和11b）的在第一接触区（21）和第二接触区（31）的区域中产生磁场（M）的，以在电弧（5）上施加使每个电弧（5）朝向所述灭弧室（4）中的一个的方向驱动的磁力（F）而与电弧（5）中的电流方向（I）无关，其中开关室（11a和11b）的可动触点部分（30）被布置为基本平行于开关室（11a和11b）中的磁场（M），并且它们进行平移运动。

Description

具有灭弧室的开关

本发明技术领域

本发明涉及具有灭弧室的开关，用于在断开过程中快速熄灭电弧。

现有技术

电气开关是电路的组件，其具有内部导电触点以创建导电连接（开关状态“接通”或接通状态）或断开这些连接（开关状态“关断”或关断状态）。在需要分离载流连接的情况下，电流流过触点直到触点被断开。当感应电路通过使用开关断开时，流过触点的电流不能马上降至零。在这种情况下，在触点之间形成电弧。电弧是在非导电介质（例如空气）中的气体放电。在交流操作中（AC）的开关中，电弧在交流电过零点时周期性熄灭。因为在断开触点（关断）时，在直流操作（DC）中的开关中没有过零点，当电弧电压显著低于工作电压时形成稳定燃烧的电弧。当电路以足够的电流和电压（典型地超过1A以及超过50V）工作时，电弧将不会自行熄灭。为此，这些开关装配有用于灭弧的灭弧室。电弧时间（电弧燃烧持续时间）应该保持得尽可能地少，因为电弧产生大量的热，并且这导致触点的烧毁和/或导致开关中的触点桥上的热负荷并且因此导致开关的使用寿命缩短。在具有两个或更多个开关室的两极或多极开关的情况下，电弧产生相应的比单极开关的情况更大量的热。在这种情况下，使电弧快速熄灭是特别重要的。

通常通过利用磁场来加速灭弧，所述磁场的极性设置为在电弧上产生向着灭弧室方向的驱动力。驱动力的大小取决于（一个或多个）磁体的强度。通常使用永磁体来产生强磁场。不利的是，仅仅在特定的电流方向的前提下才能产生向着灭弧室方向的磁场的驱动力。为了避免因为不正确的极性引起的开关的错误安装，或是在需要用于两个电流方向的开关时，开关应该能够快速熄灭在断开的触点之间产生的电弧，而与当前的极性无关。尤其期望具有不会比单极开关结构复杂得多的双极开关。

发明内容

本发明的一个功能是提供一种能够多极操作的开关，所述开关能快速、可靠地熄灭所产生的电弧而与电流方向无关。

本功能通过能够利用一种能够极性无关地多极直流操作且具有至少两个开关室的开关来实现，其中每个开关室包括单断路器，其包括：具有第一接触区的固定触点；具有第二接触区的可动导电触点，用于在开关的接通状态下创建第一接触区和第二接触区之间的导电连接，以及在开关的关断状态下断开第一接触区和第二接触区之间的连接；两个灭弧室，用于在切换到关断状态时熄灭在第一接触区和第二接触区之间形成的电弧；以及还具有至少两个磁体，用于至少在开关室的第一接触区和第二接触区的区域中产生磁场，以在电弧上产生使得每个电弧朝向一个或另一个灭弧室的方向转移的磁力而与电流方向无关，其中开关室的可动触点被布置为基本平行于开关室中产生的磁场。在本发明中示出的开关具有快速、可靠的灭弧作用而与电流方向无关，因此防止了因为不正确的极性造成的错误安装，并且这样的开关能用在需要用于两个电流方向的开关的应用中。通过快速灭弧，也最小化了触点桥上的热负荷。由于本发明示出的开关的组件，开关可以具有对称的结构，并且因此更加节约成本。当断开以及闭合触点时，单断路器执行平移运动。在本发明情况中，“基本”的表述包括与标称值或平均值偏差少于10%的所有实施方式。

本发明示出的开关涵盖适于多极操作的所有类型的开关。这些开关可以是例如两极或多极开关。开关室的数量为两个或更多，其中开关室优选彼此平行布置。这些开关的例子如触点、负载断开开关或电源开关。开关适于直流操作，然而也能被用于交流操作。本发明的替代实施例可以包括两个或更多开关室串联连接的开关，并且因此它们实际上作为单极开关工作。然而，因为它们只需要改变开关室的电路就能用于多极操作，所以这些开关适于多极操作。在极性无关的直流操作中，开关在直流电路中工作，并且在此情况中在开关中快速熄灭电弧与开关中的电流方向无关并且因此与电弧的电流方向无关。在这种情况中，电弧可以在开关室的第一接触区和第二接触区中形成，在此情况中电流从第一接触区流向第二接触区或从第二接触区流向第一接触区。具有固定方向（通过在开关中设置的磁体确定）的基本恒定的磁场使得固定电流方向的电弧总是受到朝向洛仑兹力所限定的方向的力，并且因此在相反电流方向（=电弧中的不同电流方向）操作开关的情况下应该设有为了快速灭弧实施的其它措施，即，对每个开关室安装用于由电弧中可能的两种电流方向引起的其他可能方向的力的第二灭弧室。所要求的布置使得开关具有结构简单、对称并且因此节省成本的优点。

在此上下文中单断路器指提供电路的简单中断的机械组件。为此，相比于双断路器，单断路器配置为仅仅具有第一接触区和第二接触区，其中在关断状态下电流通过隔离接触区断开。单断路器的隔离距离（在关断状态下第一接触区和第二接触区之间的距离）应当被设计为相应的双断路器的隔离距离的两倍。在每个单断路器中，第一接触区和第二接触区指固定触点的表面和可动触点的表面，在闭合开关（接通状态）后固定触点的表面和可动触点的表面直接接触。在接通状态下，电流从固定触点流过第一接触区流入触点的第二接触区，由此形成连接。固定触点以及第一和第二接触区和可动触点部分因此由导电材料制成。为了闭合触点（接通状态），具有第二接触区的触点运动到第一接触区之上。第一接触区和第二接触区可以是位于固定触点或触点部分上的固定触点或触点部分的子区域或单独组件。上述运动沿着触点部分的运动轴、垂直于接触区的表面区域实现。触点部分例如是由非导电材料（主要是塑料）制成的触点桥，其利用弹簧被保持在可移动位置，所述弹簧在开关的接通状态下施加所需的接触压力。开关通过向相反方向移动触点部分而断开。触点部分的运动轴与灭弧室中的电弧的运动方向基本垂直布置。触点部分可以手动或电动地运动。第一接触区和第二接触区可以具有不同形式并且可以由不同材料制成。第一接触区和第二接触区的表面可以在大表面和点状触点之间变化。接触区可以由任意导电材料制成，例如银氧化锡。

在电弧处的磁场越强，电弧越快被沿着桥式板驱入灭弧室；并且在这个过程中电弧被熄灭。在电弧上施加驱动力的磁场优选在至少在第一接触区和第二接触区的区域中是基本均匀的。“基本”的表述在本发明情况中包括所有与标称值或平均值偏差少于10%的实施方式。在电弧处的磁场越强，在电弧上洛仑兹驱动力的效果越强。因此在本发明的一个实施例中使用永磁体。通过使用永磁体例如稀土磁体可以产生非常强的永磁场。稀土磁体例如由NdFeB或SmCo合金制成。这些材料产生非常强的矫顽场并且因此所使用的磁体可以具有例如非常薄的板状，并且因此开关可以具有非常紧凑的结构。

在本发明的一个实施例中，磁体以它们至少沿着电弧导向板延伸的形式布置。在优选实施例中，磁体甚至延伸超过灭弧室。用于将电弧驱入灭弧室并且沿着桥式板驱动所需的时间取决于磁场的强度以及取决于磁场的均匀性。因此磁体优选以它们产生垂直于电弧中电流以及垂直于电弧的期望运动方向的形式布置。专业人员可以选择本发明的磁体部分的合适的形式。磁体优选两两磁体地成对布置，因此优选在开关中使用两个或更多个磁体。在不同的实施例中，使用至少两个板状磁体，优选为永磁体，并且它们的表面被布置为彼此平行。磁体的表面优选布置为平行于电弧的运动方向。为了在两个电流方向的情况下快速灭弧，如果在两个电流方向的电弧的运动区域中能有强磁场驱动电弧是有益的。当磁体相应布置时，它们能产生通向灭弧室的均匀的磁场。

在本发明的实施例中，至少在一个开关室中，电弧导向板在两个相反的方向从第一接触区和第二接触区延伸到位于电弧导向板两端的两个灭弧室。“延伸”的表述包括了电弧导向板突出到相应的接触区和/或灭弧室而不被永久固定到其上的可能实施方式，或者电弧导向板可以具有至少与第一接触区和/或灭弧室的固定连接。但是电弧导向板优选固定到第一接触区。因此至少在固定触点的情况下，对电弧运动没有例如空气间隙的阻碍。电弧导向板在触点部分延伸至少接近第二接触区以便于电弧快速从第二接触区转移。可替代地，用于第二接触区的电弧导向板可以连接到触点部分，并且在电弧导向板的另一端其可延伸靠近灭弧室。灭弧室包括适于灭弧的所有类型的组件。在一个实施例中，灭弧室包括在第一电弧导向板之间的多个灭弧板，第一电弧导向板彼此平行地布置在灭弧室中。为了快速灭弧，磁体优选在电弧进入灭弧室之前的期间在电弧上施加洛仑兹力。如果开关中有足够的空间，将永磁体布置为尽可能地靠近灭弧室或甚至侧向地布置在灭弧室之上是有益的。灭弧室中的灭弧板例如是V形的。在灭弧室中电弧被***成多个电弧部分（去电离室）。维持电弧所需的最小电压与安装在灭弧室中的灭弧板的数量是成比例的，并且因此维持电弧所需的电压超过可用电压，并且因此电弧被熄灭。因此，在灭弧功能总是通过使用一个灭弧室（总是仅使用一个或另一个灭弧室）实现的单断路器中，灭弧室中所需的灭弧板的数量总是高于具有相同工作电压的双断路器的灭弧室中的数量。灭弧板装配在绝缘材料中，并且电弧导向板也装配在相同的绝缘材料中。电弧导向板可以是在第一灭弧室中适于偏转电弧的任意形式。电弧导向板也可以由冲压部件制成。电弧导向板的厚度和宽度也可以变化。上、下电弧导向板之间的距离可以随着距第一触点和第二触点的距离的增大而增大。

在本发明的一个实施例中，相邻开关室的触点部分在公共触点桥上装配为形成它们的耦联运动。触点桥被设计成确保两个相邻开关室的单断路器的触点部分同时运动，因此两个触点部分运动至开关的接通状态或者是运动至关断状态。两个触点部分不是彼此独立运动的。通过它们的联合运动，它们同时接通和关断，并且开关的复杂性降低以确保制造过程更节省成本。在不同的实施例中，触点桥被设计成确保相邻开关室的触点部分彼此绝缘。因此在相邻触点部分之间不会短路，并且尤其在使用公共触点桥的情况下这样的设置使得开关的可靠操作更易实现。在优选实施例中，触点桥包括由电绝缘材料制成的装配组件，且相邻开关室的触点部分装配在这个组件之上。此绝缘材料可以例如是塑料。如果触点部分装配在公共装配组件上，触点部分简单地通过选择合适的装配组件材料彼此绝缘。此外，触点部分在此装配组件上的共同装配方便了触点部分随着公共装配组件的运动的简单机械运动。

在一个实施例中，包括相邻开关室的触点部分以及装配组件的触点桥构成单个机械单元。机械单元执行平移运动。与现有技术的开关相比，触点断开的运动不包括任何旋转成分，并且因此本发明示出的开关不需要机械传动装置。因此开关的制造过程变得更加简单且更加节省成本。

在一个实施例中，开关室的触点部分利用绞线连接到接线夹。以这种方式，通过具有可动装配组件并且将触点部分装配在此装配组件上，触点部分被连接。可动绞线例如由挠性的铜制成。绞线优选紧固到触点桥的装配组件并且利用导电连接装配到触点部分。

在本发明示出的开关的实施例中，至少两个开关室布置在一个平面内，且所有开关室优选布置在一个平面内。这给开关提供了具有更简单的对称结构和低安装高度以及因此制造过程更节省成本的优点。在优选实施例中，相邻开关室的触点部分、电弧导向板和灭弧室布置在一个平面内。以这种方式，开关室可以非常紧凑的结构集成在开关中。在更进一步的实施例中，磁体横向安装在开关室外侧且布置为，使得布置在一个平面内的所有开关室中的至少第一接触区和第二接触区的区域中产生基本均匀的磁场。通过这样的磁体的布置方式，一方面最小化了使用的磁体的数量，并且这降低了开关的复杂度，使得制造起来更加节约成本。另一方面，因为减少了组件的数量（仅有两个磁体），可以制造更加紧凑的开关。因为磁体优选产生穿过两个或更多开关室的均匀磁场，所以在该设置中优选使用由具有高矫顽场强度的材料制成的永磁体。

在本发明示出的替代实施例中，至少两个开关室布置为彼此叠置。具有这样设置的开关可以具有不同的尺寸，并且相比于布置在一个平面内的开关室可以用于相应的应用。在不同的实施例中，开关室彼此叠置的布置可以与开关室在一个平面内的布置组合。两个开关室可以例如布置在一个平面内而另两个开关室布置在不同的平面内且布置在前两个开关室之上。在这种设置下，具有两对在一个平面内的相邻开关室以及两对布置为彼此叠置的开关室。这样的开关将因此足够用于四极开关操作。上述例子中的开关数量可以在本发明的框架内被专家通过以下方式来扩大或改变：在一个平面内布置3、4、5或更多开关室，或者将3、4、5个或更多开关室布置为彼此叠置、或者通过开关室并排和彼此叠置的任意组合。通过可行的开关室的对称布置，可以例如由四个开关室组成开关，并且这样的开关非常紧凑并且因此节约空间。

在一个实施例中，触点部分的运动轴在开关室布置为彼此叠置的情况下重合。以这种方式，开关可以被制作得更加紧凑。

在进一步的实施例中，磁体横向安装在开关室的外侧，并且布置为使得在布置为彼此叠置的所有开关室中的至少第一接触区和第二接触区的区域中产生基本均匀的磁场。以这种方式，开关可以被制造得更加紧凑，同时确保了相似的良好的驱动电弧表现。

附图说明

本发明的这些以及其他方面在附图中进行详细地呈现。

图1为如本发明示出的具有布置在一个平面内的两个开关室的处于关断状态的开关的一个实施例的（a）透视图以及（b）顶视图。

图2为根据图1的处于关断状态ZA的开关1的侧视图。

图3为开关的一个不同实施例的（a）透视图以及（b）顶视图。

具体实施方式

图1（a）为如本发明示出的具有布置在一个平面内的用于两级操作的两个开关室11a和11b的处于关断状态ZA的开关1的一个实施例的透视图。开关室11a和11b两者都包括单个断路器且包括具有第一接触区21的固定触点2和具有第二接触区31的可动导电触点部分30。可动触点部分30用于在开关1的接通状态下创建第一接触区21和第二接触区31之间的导电连接，以及在开关1的关断状态下断开第一接触区21和第二接触区31之间的连接。相邻开关室11a和11b的触点部分30在此与公共触点桥3一起配合以确保它们沿着运动方向BA的耦联运动。触点部分利用触点桥3的装配组件32部分来安装以确保它们彼此的电绝缘，装配组件32由电绝缘材料（例如塑料）制成并且装配在触点部分30上。触点部分30利用可动绞线34连接到用于开关室11a和11b的触点部分30的接线夹35。两个开关室的触点部分31都安装在装配组件32上，并且同时通过由塑料制成的装配组件32彼此电绝缘。相邻开关室11a和11b的装配组件32以及两个触点部分30组成一个牢固的机械单元。开关室11a和11b中的每一个包括具有灭弧板8的两个灭弧室4，用于熄灭当开关移动到关断状态时在第一接触区21和第二接触区31之间可能形成的电弧5。在这个实施例中，为了产生磁场以在电弧5上产生可能的强磁力F，磁体72从开关室11a和11b的第一接触区21和第二接触区31横向延伸超过灭弧室4到达灭弧室的端部。为了提供清晰的概观，在图1（b）中仅示出磁体71。在这个实施例中，在开关室中磁体72产生磁场的磁北极并且磁体71产生磁南极。磁场的方向用虚线箭头M示出在图1（b)中。根据电弧从第二接触区到第一接触区或在相反方向的电流方向I（在图1（a）中在接触区21和31之间用虚线箭头示出），在两个开关室11a和11b的第一接触区21和第二接触区31之间产生的电弧5上施加力F，并且所述力将电弧驱动到相应的灭弧室4中。更进一步地，电弧导向板6在两个相反方向从第一接触区21和第二接触区31延伸到位于电弧导向板6的两端的两个灭弧室4。相应的（上部）电弧导向板类似于灭弧室4从触点部分31延伸出。在这个设置中，上部电弧导向板与可动触点部分30配合并且它延伸得尽可能地靠近灭弧室4。在一个替代实施例中，上部电弧导向板可以紧固到灭弧室并且在这种方式下它们可以延伸得尽可能地靠近触点部分。以这种方式电弧5通过恒定存在的力F被极其快速地驱入灭弧室4。通过对于开关室11a和11b中的每一个使用两个灭弧室4，每个电弧5被向着一个灭弧室4的方向驱动而与电弧5中的电流方向无关，并且开关室11a和11b的可动触点部分30布置为基本垂直于电弧5的运动方向T以确保多个开关室尽可能紧凑地布置在一个平面内，参见图1（b）。类似于触点部分30的接线夹35，开关室11a和11b利用用于固定触点2的相应的接线夹22装配。

图2示出了根据图1的处于关断状态的开关1的侧视图。为了提供清楚的概览，相比于图1，两个开关室11a和11b的部分组件没有示出。触点桥3包括装配组件32（在此没有清楚示出），其通过利用弹簧33在触点桥3的引导下沿着运动方向BA可移动地支承。装配组件确保了与触点部分30相邻的开关室11a和11b的共同安装，并且它们布置在同一平面内。第二开关室11b在图2中示出为后部的开关室。在其面对第一接触区21的一侧，触点部分30具有第二接触区31。第一接触区21和第二接触区31在此以框形的组件示出，并且它们分别安装在固定触点2或触点部分30上。在接通状态下，触点桥3中的弹簧33以所需的接触压力将第一接触区21和第二接触区31压到一起以建立电接触。接触区21和31可以利用相应的接线夹22和35连接到电路。为此，固定触点的电弧导向板6连接到接线夹22。接线夹35利用可动绞线34连接到触点部分30。以这种方式，电压可以施加到可动触点部分30而与触点部分30的位置无关。可动绞线34由挠性的铜制成。绞线34紧固到触点桥3的装配组件32并且其电连接到触点部分30。

图3示出了处于关断状态ZA的开关1的一个不同实施例的（a）透视图和（b）顶视图。在此实施例中也包括如在图1和2中示出的相同的组件。然而在这个实施例中，可动触点部分30不像图1那样沿一直线布置，而是彼此平行地安装在偏移位置。相应地，装配组件32基本垂直地延伸到触点部分30。触点部分30利用绞线34电连接到接线夹35。通过将触点部分30布置在公共触点桥3的偏移位置以形成单个机械单元，开关1可以以更紧凑的形式制造。

本发明在这部分的详细展示以及附图应该被理解为在本发明框架内的可能实施方式的例子，并且因此它们不应被限制性地解释。尤其是具体提到的尺寸应由专业人员根据开关的工作条件（电流强度、电压）调整。因此所有具体提到的尺寸应被理解为特定实施方式的例子。

专业人员可能想到的在本发明的框架内的替代实施例也被包括在本发明的保护范围内。在权利要求中，“一个/一”的表述也包括复数形式。在权利要求中使用的附图标记不应被限制性地理解。

附图标记列表

1        根据本发明的开关

11a和11b 开关1中的开关室

2        固定触点

21       第一接触区

22       固定触点的连接夹

3        触点桥

30       可动触点部分

31       第二接触区

32       装配组件

33       触点桥的弹簧

34       绞线

35       触点桥的连接夹

4        灭弧室

5        电弧

6        电弧导向板

71、72   磁体，优选为永磁体

BA       可动触点部分的运动轴

I        电弧的电流方向

M        磁场

T        电弧的运动方向

F        作用在电弧上的洛仑兹力

ZA       断开的开关（关断状态）

Claims (15)

1.一种开关（1），其用于极性无关的多级直流操作且具有至少两个开关室（11a，11b），其中每个开关室（11a，11b）包括单断路器，其包括：具有第一接触区（21）的固定触点（2）；具有第二接触区（31）的可动导电触点部分（30），用于在开关（1）的接通状态下创建第一接触区（21）和第二接触区（31）之间的导电连接，以及在开关（1）的关断状态下断开第一接触区（21）和第二接触区（31）之间的连接；以及两个灭弧室（4），用于在切换至关断状态时熄灭在第一接触区（21）和第二接触区（31）之间形成的电弧（5）；以及还具有至少两个磁体（71，72），用于至少在开关室（11a，11b）的第一接触区（21）和第二接触区（31）的区域中产生磁场（M），以在电弧（5）上施加使每个电弧（5）朝向所述灭弧室（4）中的一个的方向驱动的磁力（F）而与电弧（5）中的电流方向（I）无关，其中开关室（11a，11b）的可动触点部分（30）被布置为基本平行于开关室（11a，11b）中的磁场（M）的方向。

2.根据权利要求1的开关（1），其特征在于，至少在一个开关室（11a，11b）中，电弧导向板（6）在两个相反的方向从第一接触区（21）和第二接触区（31）延伸到位于电弧导向板（6）两端的两个灭弧室（4）。

3.根据权利要求1或2的开关（1），其特征在于，相邻开关室（11a，11b）的触点部分（30）通过公共触点桥（3）被设置为耦联运动。

4.根据权利要求3的开关（1），其特征在于，触点桥（3）被设计成使得相邻开关室（11a，11b）的触点部分（30）彼此电绝缘。

5.根据权利要求4的开关（1），其特征在于，触点桥（3）包括由电绝缘材料制成的装配组件（32）并且相邻开关室（11a，11b）的触点部分（30）装配在所述装配组件（32）上。

6.根据权利要求5的开关（1），其特征在于，包括相邻开关室（11a，11b）的触点部分（30）和装配组件（32）的触点桥（3）构成单个机械单元。

7.根据上述权利要求之一的开关（1），其特征在于，开关室（11a，11b）的触点部分（30）利用可动绞线（34）连接到接线夹（35）。

8.根据上述权利要求之一的开关（1），其特征在于，磁体（71、72）至少沿着电弧导向板（6）延伸到达灭弧室（4）并且优选超过灭弧室（4）。

9.根据上述权利要求之一的开关（1），其特征在于，磁体（71、72）以至少两个板状磁体的形式实施，并且它们的表面区域被布置为彼此平行。

10.根据上述权利要求之一的开关（1），其特征在于，至少两个开关室（11a，11b）布置在单个平面内。

11.根据权利要求10的开关装置（1），其特征在于，相邻开关室（11a，11b）的触点部分（30）、电弧导向板（6）和灭弧室（4）布置在单个平面内。

12.根据权利要求10或11的开关（1），其特征在于，磁体（71、72）被横向布置在开关室（11a，11b）的外侧，使得在布置在同一平面内的所有开关室（11a，11b）中的至少第一接触区（21）和第二接触区（31）的区域中产生基本均匀的磁场（M）。

13.根据权利要求1至9之一的开关（1），其特征在于，所述至少两个开关室（11a，11b）布置为彼此叠置。

14.根据权利要求13的开关（1），其特征在于，所有的触点部分（30）的运动轴（BA）重合。

15.根据权利要求13或14的开关（1），其特征在于，磁体（71、72）被横向布置在开关室（11a，11b）的外侧，使得在彼此叠置的所有的开关室（11a，11b）中的至少第一接触区（21）和第二接触区（31）的区域中产生基本均匀的磁场（M）。

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