CN102246250A - 具有灭弧磁体的触头桥 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于单向的直流操作的具有磁灭弧的接触器。除灭弧磁体之外，接触器装备有用于补偿在触头桥附近的磁场的永久磁体以便防止触头悬浮，也就是由于由流动通过触头桥的强电流产生的磁力所致的触头的不受控制的打开。为此，补偿永久磁体安置在触头桥附近并且与灭弧磁体相反方向地极化。补偿磁体和流动通过触头桥的电流的磁场产生作用在触头桥上并趋于保持电触头闭合的磁力。

Description

具有灭弧磁体的触头桥
技术领域
本发明涉及具有用于熄灭电弧的灭弧(blowout)磁体的接触器。
背景技术
在现有技术中已知数种用于熄灭在接触器的切换操作过程中形成在固定触头和活动触头之间的电弧的技术，包括磁性灭弧技术。对于磁性灭弧，线圈或者永久磁体安置在触头附近以使得磁场的方向垂直于电弧。磁场将在电弧上施加洛伦兹力，由此所述电弧在期望的方向被驱动，例如驱动到电弧室中，在那里电弧与分隔板接触，以便冷却和熄灭。
例如，从参考文献DE 1246851，已知一种直流开关设备，其中两个反向的永久磁体安置在触头桥的两个触点的每一个附近以便根据电流的方向对两个电弧的至少一个进行灭弧。
相似的构型同样从每个专利申请US 2008/0030289已知。根据该参考文献，提供安置在两个触点附近的具有触头桥和两个反向的永久磁体的接触器。取决于通过开关的电流的方向，两个电弧的任一个被吹入到灭弧室中，在那里电弧将快速地被除去。
但是，具有用于磁性灭弧的永久磁体的传统的接触器的问题在于，它几乎不能避免灭弧区域同样影响活动触头安装所在的触头桥。因此，磁场同样将施加洛伦兹力在触头桥上。如果灭弧磁体安置为以使得电弧被推出开关，如为了灭弧所需要的，该力同样将趋于在正是这个方向推动触头桥。在闭合触头上具有非常高的电流(典型地大于1kA)的最坏条件的情形下，该力会克服触头吸持力，从而导致触头的不受控制的打开。在这样的条件下产生的电弧将快速地产生大量的热，从而导致完全破坏接触器。
从美国专利No.5,815,058已知高电流开关，其装备有用于防止在故障情形下触头被流动通过开关的大电流产生的排斥磁力打开的触头改进设备。根据该参考文献，开关的触头桥设置有铁杆以便对位于触头桥下的另一铁杆产生吸引电磁力。该吸引电磁力将抵消推斥力以保证触头保持闭合，即使当大的电流流动通过开关时。但是，该开关并未装备有灭弧装置。
发明内容
因此，本发明的目的是提供具有灭弧磁体和高电流承载能力的接触器。本发明的进一步的目的是提供具有灭弧磁体的接触器，其中可以避免触头的任何不受控制的打开。
这通过在独立权利要求中提出的特征实现。优选实施例是从属权利要求的主题。
本发明的特定的方法是在触头桥附近安置与灭弧磁体的方向相反地极化的另一永久磁体。
根据本发明，提供一种接触器，包括：具有安置在触头桥的各末端的第一和第二触头的触头桥；分别安置在第一和第二触头附近的第一和第二永久磁体，该第一和第二永久磁体在相同方向极化以使得在第一或者第二触头上产生的电弧在远离触头桥的方向吹动；以及安置在触头桥附近并且在第一和第二永久磁体之间的第三永久磁体，第三永久磁体在与第一和第二永久磁体相反方向被极化。
优选地，第三永久磁体适于补偿由第一和第二永久磁体在触头桥的中央部产生的磁场。以这种方式，磁吹场限制在发生电弧的区域，并且不会影响触头桥。这减小触头不受控制地开口的危险。
更优选地，第三永久磁体同样适于补偿由流动通过第一和第二触头的电流在触头桥的中央部产生的磁场。在这种情况中，在触头桥的中央部的总磁场大致为零。因此，触头悬浮的问题得以解决，而不会增大移动触头桥到打开位置所需的机械力。而且，接触器的载流能力能够得以改善，而无需对它的机电致动器进行任何修改。
根据另一优选实施例第三永久磁体适于过补偿由第一和第二永久磁体产生的磁场和由流动通过第一和第二触头的电流，特别地接触器的最大额定电流，在触头桥的中央部产生的磁场。在这种情况中，第三永久磁体与流动通过触头桥的电流结合产生总磁力，该总磁力作用在触头桥上并趋于关于第一和第二触头保持触头桥在闭合位置。
接触器的最大额定电流优选地是在100A至10kA的范围内，特别地，在1kA的数量级。整个数量级大小的电流典型地发生在混合汽车、电动汽车以及其它高电流应用的情形中。
根据优选实施例，第三永久磁体的尺寸、强度和配置的至少一个被适配以便实现趋于保持触头桥在闭合位置的磁力与作用在电弧上的磁力的期望比率。尺寸，尤其是沿着触头桥的方向的宽度，和配置，尤其是相对于触头桥的布置，能够容易地进行控制，以便实现关于引入的磁力的强度比的设计目标。
优选地，接触器进一步包括用于最大化在触头桥中央部的第三永久磁体的磁场的极板。极板还可用于优化磁场在触头桥和触头附近的磁场的分布。具体地，极板可以安置为以使得磁吹场在触头处最大，而第三磁体的反向的补偿场在触头桥的中央部最大，并限制到触头桥的中央部。
根据优选实施例，第三永久磁体包括一对两个的永久磁体，其在与第一和第二永久磁体相反的方向极化，并安置在触头桥的两个面对的侧面。以这种方式，可以产生特别强和均匀的磁场，该磁场聚集在触头桥的中央部。
附图说明
本发明的上面及其他目的和特征将从下面结合附图给出的描述和优选实施例变得更加明显，其中：
图1A是示出在电弧和触头桥上的磁性灭弧场的影响的示意图；
图1B是类似于图1A的示意图，但是具有逆向的电流；
图2A是根据本发明的优选实施例的接触器的触头区域中的永久磁体的配置的顶部视图；
图2B是根据本发明的优选实施例的接触器的触头区域中的永久磁体的配置的侧视图；
图3A是根据本发明的优选实施例的接触器的触头区域中的永久磁体的配置的顶部视图；
图3B是沿着图3A中的剖面A-A的截面视图；以及
图3C是沿着图3A中的剖面B-B的截面视图。
具体实施方式
图1A和1B是示出在传统的接触器中的电弧和触头桥上的磁性灭弧场的影响的示意图，该接触器包括用于产生和中断两个端子+A1和-A2之间的电接触的触头桥(12)，以及用于产生垂直于图形平面的磁场Bperm的永久磁体(未示出)。
在图1A中，直流电从端子-A2流动到端子+A1。在接触器的闭合位置，电磁致动器(未示出)施加机械力Fspring在触头桥(12)上以便保持电触头闭合。触头桥一开始移动到打开位置，电弧就将形成在桥的两个触头(10，14)上。在所述图形中，在左边触头(10)上通过电弧的电流流动是向下的，而在右边触头(14)上通过电弧的电流流动是向上的。因此，电流流动和磁场彼此垂直，从而产生在左边触头(10)导向到左侧以及在右边触头(14)导向到右侧的力，以使得两个电弧远离触头桥被推出触头区域。因此，电弧可以被迅速熄灭，例如由于将它们单独拉出，或者通过使得它们接触分隔板(未示出)或者其它的灭弧装置。
从图1A同样明显的是，通过触头桥的电流流动同样垂直于磁场Bperm，从而产生作用于触头桥的电磁力Fcurrent。根据电力学的已知的定理，该力是向下，也就是与机械吸持力Fspring相反方向，导向的。取决于电流和磁场的强度，电磁力可补偿和克服机械吸持力Fspring，从而导致电触头的不受控制的打开。该效应，其同样称作触头悬浮，施加严格的上限到接触器的载流能力。
触头悬浮效应通过接触器自身的内在的磁场，也就是通过由流动通过接触器的电流产生的场，进一步加重。具体地，流动通过垂直于触头桥定向的导体部分的电流产生磁场，该磁场增加到通过灭弧磁体产生的磁场Bperm。在图2A中，例如，在竖直方向流动通过端子-A2和+A1的电流产生旋转磁场，该旋转磁场正向地叠加到触头桥上的磁场。因此，即使没有灭弧用的永久磁体，流动通过接触器的电流也会产生趋于打开触头桥的力。顺便提及地，应当注意到，该发现也是根据楞次定律。
遵循电力学的定理，如果电流流动的方向反向，电磁力Fcurrent的方向将反向。这种情形示出在图1B中，其中直流电从端子+A1流动到端子-A2。逆向电流产生向上力Fcurrent，其增加到机械吸持力Fspring。尽管这解决了触头悬浮的问题，但是，当电触头再次打开时，增大的保持力同样是不期望的。
但是，更坏的是这样的效果：电流流动反向就将使得灭弧功能不能工作，因为作用在电弧上的力的反向同样反向。因此，电弧不再被推动远离触头桥，而是被拉到桥配置中。由于没有熄灭电弧，接触器将迟早被破坏。图1的接触器因此是仅用于单向的直流操作，触头悬浮的问题不能通过反向电流流动方向而得以解决。
根据本发明，触头悬浮的问题通过抑制在触头桥区域中的磁场而得以解决。为此，至少一个额外的永久磁体设置在触头桥的中心部分附近。该额外的永久磁体在与灭弧磁体相反的方向被极化。由于磁场的线性叠加，在触头桥的中心位置的磁场的有效强度将与传统的接触器相比至少减小。取决于沿着触头桥的实际的场分布，在触头桥上产生的电磁力将相应地减少。
由于额外永久磁体的取向，桥配置的内在的磁场也得以补偿。因此，即使在没有灭弧磁体的情形下，电接触的不受控制的打开也可以通过由额外的永久磁体产生的电磁力和流动通过触头桥的电流产生的电磁力而得以防止。该力作用在触头桥上并趋于将其保持在它的闭合位置。
就力而非场方面而言，还注意到，额外的永久磁体与流动通过触头桥的电流结合产生趋于保持触头桥在闭合位置的力。作用在触头桥上的总的力是涉及的所有力的总和，即由灭弧磁体产生的电磁力、由内在的磁场产生的电磁力、由额外的永久磁体产生的电磁力和由致动器产生的机械力。根据本发明，提供额外的永久磁体以便保持总的力在期望的极限值内，特别地以避免触头的任何不受控制的打开。
由额外的永久磁体产生的磁场的强度和分布可以适于特定的要求。例如，该磁场的强度可以被要求为足够高的以防止即便在短路状态(电流在10kA的数量级)下触头的不受控制的打开，而在正常操作(电流在1kA的数量级)过程中触头的受控的打开和闭合将不会受到影响。这可以通过适配额外的永久磁体的配置和尺寸以及通过特别地参照额外永久磁体的矫顽力而选取额外永久磁体的适当材料而得以实现。
进一步地，因为在电弧上的力和趋于保持触头桥在闭合位置的力都取决于流动通过接触器的电流，所以额外的永久磁体的强度和配置可以被适配以实现这两个力的期望的比率。
图2A-3C示出根据本发明的优选实施例的接触器的触头趋于的示例性的构型。图2A和2B分别示出触头趋于的上视图和侧面图。进一步地，图3B和3C示出沿着由图3A中标的剖面A-A和B-B的触头趋于的截面视图。在所有这些附图中，相同的元件用相同的附图标记表示。
活动触头桥(3)安置用于产生和中断两个端子(1，2)之间的电接触。为此，触头桥的每个末端接合两个固定触头的各自一个。两组灭弧磁体(4，4a，5，5a)设置在两个触头附近以便熄灭中断电流时形成在这些触头上的电弧(7，7a)。这些组的每一个包括两个在相同方向极化的永久磁体以便在它们之间产生均匀的场，如在图2A中由字母N和S表示的。
根据本发明，另一组的永久磁体(6，6a)设置在触头桥的中央部附近，也就是在灭弧磁体(4，4a，5，5a)之间，以便抑制在触头桥上产生的磁场。以类似于灭弧磁体的方式，另一组的永久磁体包括两个在相同方向极化但是与灭弧磁体相反的永久磁体，以便在它们之间产生均匀的补偿场。
应当注意到，磁体的数量以及它们两对的配置仅仅是通过例子的形式的，本发明并不限于图2和3所示的构型。事实上，相似的优点可以通过任何数量的永久磁体实现，只要安置来接近于触头桥的中央部的磁体与安置来接近于在触头桥的末端部分处的开关触头的磁体的极性相反。
此外，极板可以被提供用于优化磁场强度以及它在整个触头桥配置上的分布。极板可以流入安置用于如图2和3所示的每对磁体，以建立用于最大化磁场的返回磁通路径。
根据本发明，触头悬浮可以可靠地得以防止，而无需对接触器的致动机构进行任何修改。因此，本发明提供对触头悬浮问题的简单且成本有效的解决方案。而且，本发明展示了传统的接触器的载流能力如何能够得以增大而仅需对它的设计进行小的修改。
总而言之，本发明涉及用于单向的直流操作的具有磁灭弧的接触器。除灭弧磁体之外，接触器装备有用于补偿在触头桥附近的磁场的永久磁体以便防止触头悬浮，也就是由于由流动通过触头桥的强电流产生的磁力所致的触头的不受控制的打开。为此，补偿永久磁体安置在触头桥附近并且与灭弧磁体相反方向地极化。补偿磁体和流动通过触头桥的电流的磁场产生作用在触头桥上并趋于保持电触头闭合的磁力。

Claims (10)

1.一种接触器，包括：
触头桥(3)；
安置在所述触头桥(3)的各末端的第一和第二触头(1，2)；和
分别安置在所述第一和第二触头(1，2)的附近的第一和第二永久磁体(4，5)，所述第一和第二永久磁体(4，5)在相同方向极化以使得在所述第一或者第二触头(1，2)上产生的电弧在远离所述触头桥(3)的方向被吹灭，
其特征在于，
第三永久磁体(6)安置在所述触头桥(3)附近并且在所述第一和第二永久磁体(4，5)之间，该第三永久磁体(6)在与所述第一和第二永久磁体(4，5)相反的方向被极化。
2.如权利要求1所述的接触器，其中，所述第三永久磁体(6)适于补偿由所述第一和第二永久磁体(4，5)在所述触头桥(3)的中央部产生的磁场。
3.如权利要求1或者2所述的接触器，其中所述第三永久磁体(6)适于补偿由流动通过所述第一和第二触头(1，2)的电流在所述触头桥(3)的中央部产生的磁场。
4.如权利要求1-3之一所述的接触器，其中，所述第三永久磁体(6)适于过补偿由所述第一和第二永久磁体(4，5)产生的磁场和由流动通过所述第一和第二触头(1，2)的电流在所述触头桥(3)的中央部产生的磁场。
5.如权利要求1-4之一所述的接触器，其中，所述第三永久磁体(6)适于与流动通过所述触头桥(3)的电流结合产生作用在所述触头桥(3)上并趋于关于所述第一和第二触头(1，2)保持所述触头桥在闭合位置的总磁力。
6.如权利要求3-5之一所述的接触器，其中，流动通过所述触头桥(3)和通过所述第一和第二触头(1，2)的电流是接触器的最大额定电流。
7.如权利要求6所述的接触器，其中，所述接触器的最大额定电流是在100A-10kA的范围，优选地在1kA的数量级。
8.如权利要求1-7之一所述的接触器，其中所述第三永久磁体(6)的尺寸、强度和配置的至少一个被适配以便实现趋于保持所述触头桥(3)在闭合位置的磁力和作用于电弧上的磁力的期望比率。
9.如权利要求1-8之一所述的接触器，进一步包括用于最大化所述第三永久磁体(6)在所述触头桥(3)的中央部的磁场的极板。
10.如权利要求1-9之一所述的接触器，其中，所述第三永久磁体(6)包括一对两个永久磁体(6，6a)，该两个永久磁体在与所述第一和第二永久磁体(4，5)相反的方向极化并安置在所述触头桥(3)的两个面对的侧面处。
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