CN1010527B - 带多动触头和热磁脱扣的小型开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一个装有热磁脱扣装置的大容量小型开关的多动触头组件。动触头元件包括有两个并联在一起的彼此独立的触头臂。触头臂装在支架的横轴上，并通过安装在对称的侧面上的两条金属编织带引接到壳体的盖子上。触头元件压在一个静触头垫块上形成两个触点，以降低温升。磁脱扣装置线圈延伸出一个尾部，作为双金属片的可调支撑件，电流沿厚度方向流过双金属片的底部。

Description

本发明涉及一种低压小型开关。开关装有由热磁脱扣装置控制的机构，它与一个装有模压绝缘外壳的小型开关的开断机构相连。其中包括：

装有对过负荷电流敏感的双金属片的第一个热脱扣装置;

予防短路电流的第二个电磁脱扣和装置，它包括一个控制线圈电磁铁，与用具有预定刚度的可曲性导体绕制成的螺旋线圈装配;

第一个脱扣装置的热脱扣定值调节装置。

当双金属片和电磁铁处在相对于动触头位置的同一侧时，线圈的一端用编织连接带接到双金属片头部，而与该头部相对的双金属片的底部通常是由一个金属支撑件支撑，这个支撑件连接到一个引弧电极和极触头垫块（pad）上。编织连接带把热脱扣装置和电磁脱扣装置串连起来。金属支撑件经过变形与热脱扣定值调节螺杆相配合，以改变双金属片头部与机械脱扣杆的横向间隙。因电流流过整个金属片，故双金属片是直接发热的。这种热磁脱扣装置的制造工艺很复杂。

本发明的目的在于改进大容量小型开关的热磁脱扣装置的整定调整，并缩小开关的尺寸和降低制造成本。

根据本发明，脱扣装置的特征在于：上述的电磁铁线圈延伸出一个尾部，作为双金属片的可调节支撑件，而双金属片的底部则焊入上述的尾部和具有接触垫块（pad）的电气连接装置之间，以便使电 流沿厚度方向流过双金属片底部。该尾部在双金属片底部的结合点与线圈之间有一个节点（hinge），以这种方式，则由于热脱扣定值调节装置的作用，就可使上述尾部的一个部分做相对运动，而连接到线圈上的另一部分则明显地保持不动。

用电磁线圈的尾部做双金属片的支撑件，可省去线圈与双金属片头部间的编织连接带，并且不需要专门的双金属片底部的支撑件。开关正常运行时，由于极电流流过，线圈温升会达到90℃。

把双金属片的底部直接焊接在线圈尾部可保证线圈向双金属片良好的热传导。电流沿厚度方向流过双金属片的底部可确保极电流密度和热脱扣定值之间极好的相关性。

宜通过减小上述尾部的横截面来形成一个节点，当拧动上述调节装置的螺杆使其进退时，该节点就允许所述的尾部机械变形。

有了节点就能使线圈的尾部变形，从而调节热脱扣定值，而且不会对电磁铁本体产生任何应力。这样，在对第一个脱扣装置进行调节时，就可使第二个脱扣装置的电磁脱扣定值保持不变。

热脱扣定值可通过拧动调节螺杆使其进退来增加或减小。节点绞接（articulation）轴包含有一个轴销，它与该尾部缩小的横截面部分相配合。

双金属片底部和相应的接触垫块之间的电气连接装置可包含在贴近双金属片处延伸的一根导电杆。以这样的方式，通过双金属片的热辐射，即构成间接加热的组合装置，而且通过螺杆，可传递热定值调整转矩。

这种开关有多个结构相同而又彼此独立的触头臂，这些触头臂以一定的间隙安装在同一根横轴上，横轴绞接在机构的支架上。每一个动触头臂都有一个触头部件和一条与线圈进行电气连接的编织连接 带。上述安装方式具有几条支路对称并联的结构，而每条支路都流过一部分额定极电流，从而使得与静触头组件的接触点多重化。电磁铁的分离杆（extractor）在外壳的中间平面内延伸，以便在发生短路时同时控制各条独立的触头臂。触头断开行程一开始就形成了几条并联电弧。

动触头组件宜有两根触头臂，它们相对于中间平面来说是对称的，并能与在上述支架内的轴上被穿过的扭力弹簧协同动作。该弹簧要以这样的方式安装，使得在合闸位置时每根触头臂上的接触压力互不影响。

装有一对相互独立的触头臂的动触头组件能使：

接触点成为多重从而降低温升;

由于相对于外壳中间平面的多个触头的对称结构，实现可动组件良好的平衡。

与触头臂相连的两条编织连接带有一个缩小的横截面，而且这两条带的排列要自由地使其侧面空间对称于中间平面。触头臂中电流分配取决于两条支路的阻抗。在阻抗相等时，每条支路中为极电流被2除;如触头表面偶然混入污物，电流会根据两条支路的阻抗而自动分配，由此而产生的温升也此仅采用单触头臂要低。

在断开行程的末端，触头臂同时离开燃孤室并在上边引弧角（arcing    horn）喷弧环（Puffing    loop）后面退回。动触头组件的退回使予组装的静触头组件的装配更加容易。

通过下面对本发明几个实施例的进一步描述（仅仅举例并借助附图描述），将能更清楚了解本发明的其它优点及特性。附图中：

图1为本发明的大容量开关的正视图，图中外壳的一面敞开，开关处于合闸位置;

图2为沿图1中Ⅱ-Ⅱ线的剖面图;

图3为沿图1中Ⅲ-Ⅲ线的剖面图;

图4为图1中开关触头系统的透视图;

图5为沿图1中Ⅴ-Ⅴ线的剖面图;

图6为图1中热磁脱扣装置按比例放大的详图;

图7为沿图6Ⅶ-Ⅶ线的剖面图;

图8至图10为热磁脱扣装置的另外三个实例的简图。

在附图中，大容量小型开关电极（pole）10装在用绝缘材料模压制成的外壳12内，外壳是由两个“半壳体”14、16装配成的。外壳12呈现一个平行六面体结构，它与底盘18相连接，底盘18固定在一个支持轨道上（图中没有示出）;外壳上还有一个前面板20，板20上配有一个孔22，以使手动控制把手24穿过;外壳上还有两个狭窄的相对的侧面板26、28，开关的输入、输出端子30、32就装在侧面板上。

灭弧栅（图1和图3）占据了外壳12下部的整个宽度，由消电离金属板36叠加而成。这些金属板平行于底盘18伸展。在消电离金属板36的每一边有一对电极（或称引弧角）38、40，以便把触头分离区的电弧引向灭弧栅34。电极输入端30连接到静触头42上，静触头42是由下面的引弧角38延伸部分支撑着的。输出端子的垫块32由横向连接板43接到热磁脱扣装置44上。热磁脱扣装置含有一个双金属片热脱扣部件46，46上面装有一个偏斜着的调整螺杆48;还有一个带有电磁铁49的电磁脱扣装置，这个电磁脱扣装置受园筒形线圈50控制，此线圈装在灭弧栅34上面。线 圈50的轴线平行于消电离板36，并用一个矩形截面的金属壳体52罩住，这个金属壳体是由一个U形支架和一个盖子54装配而成（见图1，4和5）。金属壳体52不超过线圈50的上部和下部，U形支架两个相对着的侧面固定在外壳12的两个“半壳体”14，16的内壁上。安装在线圈50内轴向可动铁心（没有示出）配有一个棒状分离杆56，56与多个动触头组件58相配合。可动铁心还能驱动作用于机构脱扣杆60的推杆。如果发生过负荷，双金属片46也使脱扣杆转动。

这种开关10的控制机构62就是第2，344，950号法国专利中所介绍的那种机构。每极的动触头组件58含有一对独立的触头臂64，66，它们在电气上是并联的，并且带有触头元件64a，66a。当开关处于闭合位置时，动触头64a、66a与静触头42相配合，以这种方式形成两个并列的接触点。触头臂64和66具有相同的结构，并且相互平行，被安装在同一轴68上。轴68绞接在绝缘支架70的一个支路上。机构62的手动控制把手24的安装，使它能在固定轴72上，在合闸位置F（如图1所示）与分闸位置0之间作有限制的转动。手把24的内部延伸部分构成具有弯头74的肘节73的第一个连杆。

支架70被安装在轴76上，可以转动。轴76装在外壳12的对中轴承中。支架70还在铰接点80处与肘节73的第二连杆78相耦合。铰接点80位于对着触头臂64，66的轴68的支架70的另一分支上。一个脱扣钩82可转动地安装在一根平行地固定轴84上，相对于支架70的轴76是偏心的。利用钩82的一端与脱扣杆60相配合，而利用它的对端与支持轴68的凸缘86相配合， 这样就形成了带有触头臂64，66的凸轮87。利用含有线圈50的电磁脱扣装置，或利用双金属片，可将脱扣杆60转到脱扣位置，使钩82脱扣。由于分闸弹簧88的作用，带凸缘86的凸轮87将使触头臂64，66向分闸位置运动。

扭力弹簧90（图2）在支架70内的轴68上被穿过。扭力弹簧90还包含有一根压在凸缘86上的中间横向钢绞线（strand）92，凸缘86作为触头支撑。弹簧90的每一端94、96被弯入支架内并卡在触头臂64、66上。在合闸位置，每个弹簧90在动触头组件58的每个触头臂64，66上提供一个单独的触头压力。

线圈50的一端连接到端子32旁的双金属片46的底部，而另一端焊接到电磁脱扣装置的壳体52的盖子54的内表面上。两根触头臂64，66是利用两根软导体（单独特制的铜丝编织带98，100）供电的，这两根软导体焊接到盖子54的外表面上。盖子54上的两条编织带98，100的两个固定焊点102、104之间的横向间隔（见图5）应大于触头臂64、66之间的间隙。两个固定点102、104布置在外壳12的中间平面的两侧，使编织带98、100在两个空余的、对称的侧面区内有大的活动自由度。这个空余的、对称的侧面区处于每个触头臂64、66和相应的“半壳体”16、14之间。

借助一个喷弧环108，沿燃弧室106的方向延伸，引出上引弧角40。喷弧环108的端部牢焊在盖子54上（图4和5）。喷弧环108被固定在相对于外壳12的中间平面横向偏向一边的位置上，以不致妨碍触头臂64，66向分闸位置运动。

盖子54上钻了一个小孔110，用来支撑线圈50的绝缘外罩 （没有示出）。电磁脱扣装置的可动铁心在外罩内运动，而分离杆56轴向地穿过孔110，且在外壳12的中间平面内延伸。分离杆56安装在轴68与触头64a、66a之间的中间水平位置，且插在两个触头臂64、66之间的空隙112中，以便在短路脱扣时，使触头臂64、66同时向分闸位置移动。线圈50和金属壳体52占据了外壳12的整个宽度。

根据本发明开关10的操作如下：

开关10处于合闸位置（见图1），两个动触头元件64a、66a同时压在静触头垫块42上，并通过脱扣钩82锁定在凸缘86上并越过肘节73的死点，克服弹簧88的作用力，把触头64a和66a保持在这个位置上。借助于它们各自的编织连接带98、100，把两个独立的触头臂64、66在电气上并联起来。这样，就构成两个单独支路，每个支路电流为额定相电流强度的一半。将静触头42接触点加倍可减小因焦尔效应引起的温升，从而能通过大功率，显著地提高到100安培。显然，动触头组件58可能包含许多独立的触头臂，使接触点多重化，从而使温升明显降低。同时，动触头组件58采用多重对称结构，也能改进动触头组件的平衡性能。

根据图2和图5，动触头组件58的两个触头臂64、66中的电流分布取决于两个支路的阻抗。当阻抗相等时，极电流被分为两个相等的分支电流，每个分支电流为所选择容量的额定电流强度的一半。两个分支电路的阻抗，受到偶然进入到触头（64a或66a）上污物的影响，则使电流按两个支路的阻抗自动分配。支路电流的分配不再是均等的。尽管如此，触头温升却仍然低于采用单触头臂的温升。

应该注意的是，铁磁体壳体52的盖子54，除了具有加强磁场的功能外，还实现了其它各种功能，包括：

作为两个触头臂64、66的两根编织连接带98、100与线圈50之间的第一个电气连接元件;

作为线圈50与给上引弧角40供电的喷弧环108之间的第二个电气连接元件;

作为支撑线圈50的绝缘外罩、动铁心和滑动分离杆56组件的机械装置。

利用盖子54的外表面作为两根编织连接带98、100电气上连接的手段，能使彼此独立的触头臂64、66同时供电，线圈50的尾端被焊接在盖54的内表面一点上。

在大容量开关（100A）中，盖子54可以用良导体材料（特别是铜）制成，以不影响磁脱扣的整定值。在小容量开关（小于50A）中，盖子54可是磁铁材料壳体52的一部分，以便形成一个闭合磁路。

发生短路自动脱扣时，电磁脱扣装置的分离杆56同时作用于两个触头臂64、66，使触头元件64a、66a与静触头42高速分离，同时产生两条并联的初始电弧。在断开行程中，当触头臂64、66进入上引弧角40的附近，在此处发生电弧根部向引弧角40转移。由于喷弧环108的导向作用，随后电弧向灭弧栅34迅速扩散。

在断开行程末端，触头臂64、66完全离开燃弧室106并在喷弧环108的后面退回。

动触头臂64、66在上引弧角40后面退回，就能够使予装静 触头组件装配和使开关的组装更加容易。

引弧角40及其喷弧环108可以与盖54形成一个整体部分，这就是说用钢或铜来制造成。如果所用的材料不同，引弧角40可焊接到盖54上。

图3示出了双金属片46和沿外壳12宽度方向偏置的输出端子32的横向布置图。但选用与线圈50对正的平面的布置方案也属于本发明的范围之内。

在图1到图5所示的实施例中，连接在下引弧角38的静触头42只包含有一个垫块。另一个实施例中，静触头42则包含有多个与相应的动触头臂的触头元件相配合的单独垫块。

图1中，电磁脱扣装置电磁铁49的线圈50是由可曲性导体螺旋绕制相连的有若干匝的线圈，（导体材料特别要选用有绝缘镀层的铜导体）。末端线匝143位于脱扣杆60一侧，且与分离杆56相对应。末端线匝143延伸出一个尾部144，此线圈尾部144用来支撑双金属片46。尾部144呈细长片状。构成线匝和尾部144的导体具有均匀的横截面，要使线圈50具有一定的刚度。

线圈50的尾部144明显地伸直，并斜着伸向灭弧栅34出口处的排气孔。双金属片46底部固定焊接在线圈尾部144的裸露线段的中点149，这样，可保证从线圈50到双金属片46之间有良好的热传导。把双金属片46直接焊接在线圈尾部144上，就不需要在线圈与双金属片之间加装电气连接的柔性编织连接带，也不需要特制金属零件来支撑双金属片了。

线圈尾部144的末端150与双金属片46的热脱扣定值调节装置152相配合。调节装置152（详见图6、7）包括的螺杆 48插入绝缘外壳12的斜孔156，并拧入U形定位件158的螺孔157中。线圈尾部144末端150装在定位件158中，以便在拧动调节螺杆48使其进退时，能使线圈尾部144产生微小变形，从而导致双金属片46的自由端朝向或背离脱扣杆60作相对运动。在线圈50的尾部144缩小横断面处宜开一个槽，构成节点160，节点位于双金属片46的结合点149与末端线匝143之间。线圈尾部144和调节装置152的组件由固定支架162（或外壳12的间隔164中的凸缘）支撑。支架162的上下两个平行片上具有对正的导向孔168，螺杆48通过这两个孔，并与孔壁间有间隙。螺杆48的头部压在支架的上片166的外侧面上，支架的下片167延伸出一个伸长部分170，焊接固定到线圈尾部144上节点160附近处。节点160宜安排在与尾部144装在一起的支架延伸部分170的机械连接点172和线圈末端150的定位件158之间。调节螺杆48与线圈尾部144的末端150之间成直角。

当拧动调节螺杆使其进退时，定位件158在固定支架162中作往返运动，而使线圈尾部144的末端150绕节点160做微小转动。而处于节点160与末端线匝143之间的尾部144刚性段，则由于固定支架162的延伸部分170的可靠固定，在调节时保持不动。

支架162和线圈末端150的定位件158由不易变形的金属材料制成（特别是钢），这种材料机械强度要高，其电阻率也比线圈尾部144导体的电阻率高。编织连接带176的一端焊在双金属片46的底部148上，另一端连接到连接垫块32的凸缘43上。来 自端子垫块并流经线圈50的电流沿厚度方向流过双金属片46的底部148，线圈50的尾部144的热传导必然引起双金属片46的偏移。

根据图8到图10的其他实施例，与图1中相同的参考标号表示与其相同或类似的零件。线圈尾部144的末端150直接焊接在双金属片46的底部148的一侧，而热定值调节杆180则焊接在底部148的另一侧。编织连接带182将金属杆180接到触头垫块32上，极电流流过线圈50的尾部144，并沿厚度方向流经双金属片46的底部148之后就流过金属杆180，电流不流经双金属片46的其它部分。双金属片底部148的平面上三重焊接确保了极电流密度与热脱扣定值之间极好的相关性。双金属片46的偏移起因于随着线圈50温升的热传导、电流流过双金属片底部148的局部直接加热以及杆180热辐射的间接加热。

双金属片46底部148和接到端子垫块32的编织连接带182之间靠调节杆180导电，调节杆180用来作为双金属片46的加热器。为了调节通过辐射方式的间接加热，就要对杆180的材料有所选择。用螺杆48实现借助杆180传递的调整力矩。调整螺杆48可使双金属片46的底部148围绕节点160的转动轴作微小转动。根据图8和图9，这个转动轴确实存在，它是一个轴销186。这个轴销配合在线圈尾部144缩小横截面部分188处。由绝缘外壳12的加强筋形成的档块190牢牢地卡住线圈尾部144，以防止任何机械应力传递到线圈50的金属壳体52上。

根据图10，节点的转动轴是虚构的，是由顶在线圈尾部144末端150的档块192的凸沿构成的。缩小截面部分188的可变形 区位于两个档块190、192之间，用来缓冲向着线圈50的水平运动。

Claims (13)

1、一种带绝缘外壳(12)装有由热磁脱扣装置(44)控制的机构的低压小型开关，它包括：

具有一个双金属片(46)的第一个热脱扣装置，该双金属片当过负荷电流超过一个热脱扣定值时与上述机构协同动作；

预防短路电流的第二个电磁脱扣装置，它包括一个控制线圈(50)电磁铁(49)，与用具有预定刚度的可曲性导体绕制成的螺旋线圈装配；

一个上述线圈(50)的末端线匝(143)，它以同一导体延伸出一个尾部(144)；

一个双金属片(46)的可调支撑部件，它与一个具有一个螺杆(48)的调节装置(152)配合，控制上述热脱扣定值；

其特征在于：

上述双金属片(46)的支撑部件由上述尾部(144)构成；

上述片(46)的底部(148)，通过焊接，插入上述尾部(144)和邻近的电气连接到接触垫块(32)电气连接装置(176、180)之间，使电流通过双金属片(46)的底部(148)沿厚度方向流动；

沿双金属片(46)底部(148)和线圈(50)末端线匝(143)之间的上述尾部(144)定位的节点(160)，它允许由于热脱扣定值调节装置(152)螺杆的作用而使上述尾部(144)之一部分的相对运动，该尾部(144)连接线圈(50)末端线匝的另一部分适当维持静止。

2、一种根据权利要求1的装有热磁脱扣装置的开关，其特征在于：通过缩小的横截面区域形成的一个节点（160），当将上述调节装置的螺杆（48）拧进或拧出时，可使上述尾部（144）机械变形。

3、一种根据权利要求2的装有热磁脱扣装置的开关，其特征在于：

一个U形定位件（158）具有一个与上述螺杆（48）配合的螺孔（157）;

上述尾部（144）的端部（150）容纳在上述定位件（158）之内，所述将调整螺杆（48）拧进或拧出造成上述尾部（144）轻微的变形;

一个U形金属固定支架（162）位于上述绝缘外壳（12）的一个间隔内，且其设置支撑上述尾部（144）及调节装置（152），上述支架（162）的延伸部分起到支撑设在上述节点（160）和上述线圈（50）末端线匝（143）之间的上述尾部（144）的一部分的作用;

一对对正的导向孔（168）设置在上述支架（162）的平行的片内，螺杆（48）从导向孔穿过并依与上述尾部（144）末端垂直的方向留有间隙。

4、一种根据权利要求2的装有热磁脱扣装置的开关，其特征在于：节点（160）包括一铰链轴（186），该铰接轴具有一个与线圈尾部（144）缩小的截面区域（188）相配合的轴销。

5、一种根据权利要求3的装有热磁脱扣装置的开关，其特征在于：电气连接装置包括一个导电编织带（176），支架和定位件由不易变形的金属材料制成，这种材料的电阻大于线圈尾部（144）导体的电阻。

6、一种根据权利要求1的装有热磁脱扣装置的开关，其特征在于：电气连接装置包括一个在贴近双金属片（46）处延伸的导电杆（180），以这样方式，通过双金属片的热辐射，构成间接加热的组合装置，并传递热定值调整转矩。

7、根据权利要求1的低压小型开关，其特征在于开关的每个电极都包括的组合为：

一对电极连接端子（30、32）;

一个电气上连接到一个端子上的静触头（42）组件;

一个动触头组件（58），机械上同机构相耦合，以使其在分闸位置和合闸位置之间活动，且在电气上经线圈（50）连到另一个端子上;

一个分离杆（56），牢固地固定在电磁铁的可动铁心上，在发生短路脱扣时，能以高速将动触头组件切换到分闸位置;

一个灭弧栅（34），由金属消电离板叠加而成，脱扣装置电磁铁位于灭弧栅和外壳中沿深度方向的机构之间;

一对引弧电极（38、40）或引弧角，触头分开后，其上触发电弧;

一个铰接在上述机构支架（70）上的公共横轴;

多个相同的上述动触头组件（58）的独立触头臂（64、66），该动触臂以一定的间隙安装在上述极内的轴（68）上，每个动触头臂包括一个触头部件（64a，66a）以及用于电气连接线圈的一个编织带（98，100）;

上述组件（58）具有几条支路对称并联的结构，每条支路都流过一部分额定极电流，从而使静触头组件的接触点多重化;以及

电磁铁（50）的分离杆（56）在外壳的中间平面里延伸，以便在发生短路时同时控制各条独立的触头臂（64，66），触头断开一开始就会出现几条并联电弧。

8、一种根据权利要求7的开关，其特征在于：位于灭弧栅（34）和电磁铁（50）之间的上面的引弧角（40），利用相对于外壳中间平面水平偏移的喷弧环（108），向灭弧栅延伸;其中，动触头组件（58）的触头臂（64、66），在断开行程的末端在上面的引弧角（40）之后退回。

9、一种根据权利要求7的开关，其特征在于：电磁铁线圈由一个金属壳体构架（52）围绕着，线圈的一端固定焊接到壳体（52）的内壁上，且壳体的外壁用作为柔性编织带（98、100）的电气连接装置，该编织带与独立的触头臂（64、66）联系，该装置的布置确保向上述触头臂均衡供电，线圈的端部焊在其上的一点上。

10、一种根据权利要求9的开关，其特征在于电磁铁的金属壳体（52）是矩形截面的，并且包括：

一个U形支架组件，该支架组件的两个相对着的横向面压在外壳的两个“半壳体”的内壁上;以及

装在线圈（50）的前面和动触头（58）之间的盖子（54），该盖子有一个孔（110），分离杆（56）沿轴向通过该孔;该壳体的盖子用作线圈端头、编织带（98、100）和喷弧环（108）的双侧电气连接装置。

11、一种根据权利要求7的开关，其特征在于：动触头组件（58）包括两个触头臂（64、60），相对于中间平面对称，并与在上述支架（70）内轴（68）上被穿过的扭力弹簧（90）协同操作;该弹簧安装确保在闭合位置时每个触头（64、66）上的独立的接触压力。

12、一种根据权利要求10的开关，其特征在于：上面的引弧角（40）与盖（54）构成一个整体部分，该盖子由良导电材料制成（特别是铜），而铁磁性壳体的其余部分用钢制成。

13、一种根据权利要求11的开关，其特征在于：两个独立触头臂（64、66）的触头元件压在静触头上，静触头是采取把单一垫块焊接到下面的引弧角的延伸部分形成的;脱扣装置的双金属片（46）和极输出端子（32）分别装在绝缘外壳的中间平面的两侧。

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