CN103515162A - 一种小型断路器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小型断路器，包括绝缘材料制成的外壳(1)、手动操作装置(11、12、13)，断开和闭合接触装置(15、16)、脱扣执行装置(14)、大电流驱动脱扣执行装置的磁脱扣器(17)，磁脱扣器包括磁轭(41)、动铁芯(21)、线圈(51)、磁性回复装置(61)、管状元件(31)，其中的线圈(51)、动铁芯(21)、管状元件(31)为非圆形截面结构；磁性回复装置(61)设置在动铁芯的前端或后端。动铁芯(21)在磁力的作用下，克服磁性回复装置(61)的吸力，运动一段距离后打击脱扣执行装置(14)使断路器脱扣。本发明减小了断路器的宽度、缩小了断路器体积、增加了现有的成套开关柜内的断路器安放数量，具有操作可靠性高、结构简单、成本低等优点。

Description

一种小型断路器

技术领域

本发明涉及一种小型断路器，属于低压电器领域。

背景技术

目前，市场上广泛应用的小型断路器宽度普遍为18mm，随着城市及农村电网的发展，输配电***容量不断增大，***集成度不断提高，对于断路器的性能提出了更高的要求。同时电网中需要集中控制的回路数越来越多，为了便于管理，实现单位空间内控制回路数的最大化，即提高保护电器的空间利用率，只有缩小保护电器体积，以增加现有的成套开关柜内的断路器安放数量。另外，断路器的小型化还能节约材料，降低制造成本。对于量大面广的小型断路器来说此问题更加突出，因此，高性能、小型化断路器已成为电器发展的一种必然趋势。

传统的应用在18mm的断路器的磁脱扣结构如图2所示：由圆形动铁芯1、圆形静铁芯5、圆形线圈4、圆形套管2、复位弹簧3、磁轭6组成。

圆形动铁芯在远离圆形静铁芯的方向被塑料外壳或固定在塑料外壳上的定位元件固定，不能向远离静铁芯的方向运动；复位弹簧3位于圆形套管内，动静铁芯之间，处于压缩状态，力值f1，使圆形动铁芯与固定在磁轭上的圆形静铁芯保持一定距离。

磁脱扣***在线圈中的电流小于预定值时，圆形动铁芯受到向圆形静铁芯方向的磁力F，复位弹簧3的阻力f1应大于磁力F，以保证动铁芯不动作，与脱扣杆保持一定的距离，没有力度施加于脱扣杆，断路器不脱扣；

磁脱扣***在线圈中的电流大于预定值时，圆形动铁芯受到向圆形静铁芯方向的磁力F，复位弹簧3的阻力f1应小于磁力F，圆形动铁芯向圆形静铁芯方向运动，以一定的速度冲击脱扣杆，使断路器脱扣。

磁脱扣结构的磁力计算公式

$F=6.4{\left(\mathrm{IW}\right)}^2\×{10}^{-7}[\frac{s}{{\mathrm{\δ}}^2}+\frac{g}{{\mathrm{\μ}}_0}{\left(\frac{Z}{l_c}\right)}^2]$

I——线圈通过的电流有效值(A)；

W——线圈的匝数；

δ——铁芯与衔铁之间的气隙(cm)。

s——动、静铁芯的横截面积(cm²)；

Z——动铁芯***螺管线圈部分的长度(cm)；

lc——螺管磁轭的内腔长度(cm)；

μ₀——空气的导磁系数μ₀＝0.4π×10^-8(H/cm)；

g——螺管电磁铁的气隙磁导，

g＝2πμ₀/ln[(2C+2r)/2r](H)，该式中：C——铁芯外径至螺管内壁之间的距离(cm)；r——动(静)铁芯的半径(cm)。

当小型断路器的宽度由18mm改成9mm之后，可绕的线圈的匝数W减小约一半，动、静铁芯的横截面积s减小约为1/4，此种圆形结构铁芯、圆形结构线圈的磁力F减小1/16左右。

磁脱扣***在线圈中的电流大于预定值时，产生的磁力非常小，若要克服复位弹簧3的阻力f1，可以将弹簧设计成非常小，但是若为B型小安培产品，弹簧将小到超出设计范围，且极不稳定，因此断路器将无法实现预定电流动作的功能。

因此磁脱扣***圆形截面的结构难以适应现在缩小保护电器体积，提高保护电器的空间利用率，增加现有的成套开关柜内的断路器安放数量的趋势。

发明内容

基于上述，为了克服现有技术方案中的问题，本发明旨在提供超薄型的9mm的小型断路器，该断路器具有操作可靠性高、结构简单、成本低等优点。

为此，本发明采取的技术方案是：

一种小型断路器，包括绝缘材料制成的外壳、手动操作装置，断开和闭合接触装置、脱扣执行装置、大电流驱动脱扣执行装置的磁脱扣器，其特征在于磁脱扣器包括：动铁芯，用于驱动上述脱扣执行装置，动铁芯垂直于轴线的截面为非圆形；非磁性材料制成的管状元件，其截面为中空非圆形，用于装配上述动铁芯，并对动铁芯在轴线方向的运动进行导向；由绝缘导线制成的缠绕在上述管状元件周围的非圆形截面的线圈；磁轭，由导磁材料制成，设置在上述线圈周围；磁性回复装置，设置在动铁芯运动方向的前端或后端，用于在静止状态时保持动铁芯距脱扣执行装置一定距离；当线圈中的电流大于预定值时，磁脱扣器被线圈中的电流励磁，动铁芯克服磁性回复装置的吸力，向脱扣执行装置方向运动。

进一步地：

所述的磁性回复装置是用永磁材料制成的永磁铁，永磁铁的磁通密度分布中心线与动铁芯的中心轴线一致。

所述磁轭上设置有静铁芯，该静铁芯垂直于轴线的截面为非圆形。

所述磁脱扣器有一个用于固定永磁体的固定盖，固定盖是一个与外壳分离的具有适当壁厚的穴室，与外壳具有确定的位置关系，固定盖内部有用于容纳上述永磁体的凹槽，该凹槽的深度不大于永磁体在轴线方向上的长度。

所述磁脱扣器有一个用于固定永磁体的固定盖，固定盖是一个与外壳一体的永磁铁支撑面，固定盖内部有用于容纳上述永磁体的凹槽，该凹槽的深度不大于永磁体在轴线方向上的长度。

与现有技术相比，本发明的小型断路器的磁脱扣结构宽度为7mm，断路器的宽度为9mm，减小了断路器的宽度、缩小了断路器体积、增加了现有的成套开关柜内的断路器安放数量，具有操作可靠性高、结构简单、成本低等优点。

附图说明

图1为本发明小型断路器内部的结构示意图；

图2为传统的小型断路器的磁脱扣结构组成示意图；

图3为本发明小型断路器的磁脱扣结构组成示意图；

图4为本发明小型断路器的磁脱扣结构盖板示意图；

图5为本发明小型断路器的磁脱扣结构固定盖示意图；

图6为本发明小型断路器的磁脱扣结构未激发状态下位置示意图；

图7为本发明小型断路器的磁脱扣结构激发状态下位置示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种小型断路器，包括绝缘材料制成的外壳、手动操作装置，断开和闭合接触装置、脱扣执行装置、大电流驱动脱扣执行装置的磁脱扣器，其特征在于磁脱扣器包括：动铁芯，用于驱动上述脱扣执行装置，动铁芯垂直于轴线的截面为非圆形；非磁性材料制成的管状元件，其截面为中空非圆形，用于装配上述动铁芯，并对动铁芯在轴线方向的运动进行导向；由绝缘导线制成的缠绕在上述管状元件周围的非圆形截面的线圈；磁轭，由导磁材料制成，设置在上述线圈周围；磁性回复装置，设置在动铁芯运动方向的前端或后端，用于在静止状态时保持动铁芯距脱扣执行装置一定距离；当线圈中的电流大于预定值时，磁脱扣器被线圈中的电流励磁，动铁芯克服磁性回复装置的吸力，向脱扣执行装置方向运动。

进一步地：

所述的磁性回复装置是用永磁材料制成的永磁铁，永磁铁的磁通密度分布中心线与动铁芯的中心轴线一致。

所述磁轭上设置有静铁芯，该静铁芯垂直于轴线的截面为非圆形。

所述磁脱扣器有一个用于固定永磁体的固定盖，固定盖是一个与外壳分离的具有适当壁厚的穴室，与外壳具有确定的位置关系，固定盖内部有用于容纳上述永磁体的凹槽，该凹槽的深度不大于永磁体在轴线方向上的长度。

所述磁脱扣器有一个用于固定永磁体的固定盖，固定盖是一个与外壳一体的永磁铁支撑面，固定盖内部有用于容纳上述永磁体的凹槽，该凹槽的深度不大于永磁体在轴线方向上的长度。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

一种小型断路器，其宽度为9mm，如图1所示，其包括绝缘材料制成的外壳1、手动操作装置11-13、断开和闭合接触装置15和16、脱扣执行装置14、大电流驱动脱扣执行装置的磁脱扣器17。如图3所示，磁脱扣器包括：固定盖71、动铁芯21、顶杆23、管状元件31、磁轭41、磁性回复装置61、线圈51、静铁芯25。其中：

动铁芯21与顶杆23固定，用于驱动脱扣执行装置14，动铁芯21的横截面为圆角长方形；

管状元件31由非磁性材料制成，其截面为中空圆角长方形，用于装配动铁芯21，并对动铁芯21在轴线方向的运动进行导向；

线圈51由绝缘导线制成，缠绕在上述管状元件31周围，其截面为圆角长方形；

磁轭41由导磁材料制成长方型设置在上述线圈51周围；

磁性回复装置61，设置在动铁芯21运动方向的前端或后端，用于在静止状态时保持动铁芯距脱扣执行装置14一定距离。

当线圈51中的电流大于预定值时，磁脱扣器被线圈51中的电流励磁，动铁芯21向脱扣执行装置14的方向运动。

本优选实例中，线圈51、动铁芯21设计为圆角长方形结构，相比同等宽度条件下的圆形结构的动铁芯面积，圆角长方形结构面积明显增大。原18mm的小型断路器的铁芯直径为5.8mm，面积为26mm²。在本发明9mm的小型断路器内，磁脱扣结构的宽度最大到7mm，减去线圈及套管所占空间，铁芯的最大宽度为3.4mm，若为圆形铁芯结构，其面积为9mm²，若为圆角长方形，宽度为3.4mm，长度可以达到7.4mm，面积则达到了25mm²。对于额定电流小的B型断路器，导磁面积增大对磁力的提高尤为重要。

磁性回复装置61是一个用永磁材料制成的永磁铁，永磁铁的磁通密度分布中心线与动铁芯的中心轴线一致。永磁体具有性能稳定、产生的磁吸力设计范围广的特点，解决了弹簧力值受体积限制较大的问题，比弹簧更可靠。永磁体取代复位弹簧作为磁脱扣***对动铁芯的固定作用。

静铁芯25固定在磁轭41上，与永磁体、动铁芯21的中心轴线在同一条轴线上。静铁芯25垂直于轴线的截面为圆角长方形。

如图6所示：磁脱扣***在线圈通过小于或者等于预定电流时，动铁芯3受到的磁力为F，永磁体对动铁芯的磁力f1大于磁力F，动铁芯21被永磁体吸引、接触，保证了动铁芯不动作，与脱扣执行装置14保持一定的距离，没有力度施加于脱扣执行装置14，断路器不脱扣。

如图7所示，磁脱扣***在线圈通过大于或者等于动作电流时，动铁芯21受到的磁力为F，永磁体对动铁芯21的磁力f1小于磁力F，动铁芯21克服永磁体吸引开始运动。动铁芯21推动操作***的脱扣执行装置14带动动、静触头分闸，实现电路的断开。

在动铁芯21的运动过程中，根据：

$F=6.4{\left(\mathrm{IW}\right)}^2\×{10}^{-7}[\frac{s}{{\mathrm{\δ}}^2}+\frac{g}{{\mathrm{\μ}}_0}{\left(\frac{Z}{l_c}\right)}^2]$

可知动铁芯21受到的电磁力F随着与磁轭(或静铁芯)的距离变小迅速变大，动铁芯21随着与永磁体距离的增大受到的磁力f1迅速减小，而传统复位弹簧在动铁芯21的运动过程中压缩量越来越大，阻力也越来越大。因此，本发明中的动铁芯21打击脱扣杆的冲击力和速度均大于传统结构里的复位弹簧，使断路器脱扣更安全可靠。

如图3、6、7所示，磁脱扣***中的圆角长方形截面的管状元件31，位于动铁芯21和线圈51之间，其横截面在至少一个方向上窄于永磁体的横截面，能与磁轭和绝缘塑料外壳共同作用防止永磁体向管状元件31方向平移。

如图3、4所示，磁轭41的凸台46、凸台47与对应盖板43的凹槽44、凹槽45配合形成磁脱扣***的磁回路，组成磁轭41。

如图5所示，固定盖71的内端具有凹槽72，其形状与永磁体的外表面相同，深度不大于永磁体在轴线方向上的长度。容纳有永磁体的固定盖71的凸台74与盖板对应的凹槽44插接，固定盖71的内面75与磁轭的面48贴合。如图1所示，固定盖71、盖板43、磁轭41放置在绝缘塑料外壳对应的穴室中，进而能防止永磁体向管状元件31以外方向上的平移。

实施例2

实施案例2与实施案例1的不同之处在于，磁脱扣器的结构中不包含静铁芯25与顶杆23。当线圈51通过大电流时，动铁芯在螺旋线圈产生的磁场的磁力的作用下，向脱扣执行装置14的方向运动，打击脱扣执行装置14，使断路器脱扣。相比实施案例1，当线圈51通过相同电流时，此结构产生的对动铁芯的磁力小，在额定电流大的产品上，具有节省静铁芯成本的优点。

本发明的小型断路器宽度为9mm，适应提高保护电器的空间利用率，缩小保护电器体积，以增加现有的成套开关柜内的断路器安放数量的趋势。且本小型断路器的磁脱扣结构采用永磁体和圆角长方形截面动铁芯的方式，保证了断路器的操作可靠性高、结构简单、成本低等要求。

上述的实施案例并不对本发明所要求的保护范围构成任何形式的限制，本发明的权利要求书覆盖了所有的修改和变更。

Claims (5)

1.一种小型断路器，包括绝缘材料制成的外壳(1)、手动操作装置(11、12、13)，断开和闭合接触装置(15、16)、脱扣执行装置(14)、大电流驱动脱扣执行装置的磁脱扣器(17)，其特征在于磁脱扣器包括：

动铁芯(21)，用于驱动上述脱扣执行装置(14)，动铁芯(21)垂直于轴线的截面为非圆形；

非磁性材料制成的管状元件(31)，其截面为中空非圆形，用于装配上述动铁芯(21)，并对动铁芯(21)在轴线方向的运动进行导向；

由绝缘导线制成的缠绕在上述管状元件(31)周围的非圆形截面的线圈(51)；

磁轭(41)，由导磁材料制成，设置在上述线圈(51)周围；

磁性回复装置(61)，设置在动铁芯(21)运动方向的前端或后端，用于在静止状态时保持动铁芯(21)距脱扣执行装置(17)一定距离；

当线圈(51)中的电流大于预定值时，磁脱扣器被线圈(51)中的电流励磁，动铁芯(21)克服磁性回复装置(61)的吸力，向脱扣执行装置(14)方向运动。

2.如权利要求1所述的小型断路器，其特征在于：

所述的磁性回复装置(61)是用永磁材料制成的永磁铁，永磁铁的磁通密度分布中心线与动铁芯的中心轴线一致。

3.如权利要求1所述的小型断路器，其特征在于：

所述磁轭上设置有静铁芯(25)，该静铁芯垂直于轴线的截面为非圆形。

4.如权利要求1所述的小型断路器，其特征在于：

所述磁脱扣器有一个用于固定永磁体的固定盖(71)，固定盖(71)是一个与外壳(1)分离的具有适当壁厚的穴窒，与外壳(1)具有确定的位置关系，固定盖(71)内部有用于容纳上述永磁体的凹槽，该凹槽的深度不大于永磁体在轴线方向上的长度。

5.如权利要求1所述的小型断路器，其特征在于：

所述磁脱扣器有一个用于固定永磁体的固定盖(71)，固定盖(71)是一个与外壳(1)一体的永磁铁支撑面，固定盖内部有用于容纳上述永磁体的凹槽，该凹槽的深度不大于永磁体在轴线方向上的长度。

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