CN102687225B - 用于中压断路器的双稳态磁致动器 - Google Patents

用于中压断路器的双稳态磁致动器 Download PDF

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Abstract

用于中压断路器装置的双稳态磁致动器(5)，其包括：至少一个电磁线圈(7)，所述电磁线圈用于使铁磁性衔铁(6)在电磁场的作用下在第一极限位置和第二极限位置之间转换；至少一个永磁体(8)，用于将该衔铁(6)保持在与机械连接的断路器的电学断开开关位置和电学闭合开关位置分别对应的两个极限位置中的一个，其中该衔铁(6)包括搁靠在该一个电磁线圈(7)的磁芯元件(10)上、以用于将该衔铁(6)静态保持在第一极限位置的上柱塞(9)，其中该上柱塞连接到柱塞杆(12)，该柱塞杆延伸贯穿该磁芯元件(10)并且贯穿该永磁体(8)以用于机械地连接该磁致动器(5)和该断路器装置，其中，该衔铁(6)包括下柱塞(13)，该下柱塞与该磁芯元件(10)在轴向上相隔一段距离地、可解锁地连接到该柱塞杆(12)的另一侧，并且可在该磁芯元件(10)上移动，以通过减小该上柱塞(9)中的磁通而将该衔铁(6)移向第二极限位置。

Description

用于中压断路器的双稳态磁致动器
技术领域
本发明涉及一种用于中压断路器的双稳态磁致动器，其包括：至少一个电磁线圈，所述电磁线圈用于使铁磁性衔铁在电磁场的作用下在第一极限位置和第二极限位置之间转换；至少一个永磁体，用于与机械连接的断路器的电学断开开关位置或电学闭合开关位置分别对应地将该衔铁保持在两个极限位置中的一个，其中该衔铁包括搁靠在该电磁线圈的磁芯元件上、以用于将该衔铁静态保持在第一极限位置的上柱塞，其中该上柱塞连接到柱塞杆，该柱塞杆延伸贯穿该磁芯元件并且贯穿该永磁体以用于机械地连接该磁致动器和该断路器。
额定值在1至72kV之间的中压断路器可以装配于室内用金属封闭开关设备线路中，或可以安装在户外的变电站中。如今，现代真空断路器代替空气断路器应用于室内。中压断路器的特性通过国际标准给出。特别是，真空断路器额定电流达到300安培。这些断路器通过在真空容器中生成和熄灭电弧来切断电流。这些断路器被施加的电压通常高达大约35000V，这大致对应于电力系统的中压范围。真空中断器与空气自动断路器相比，预期的使用寿命会更长。
然而，本发明不仅仅可应用于真空断路器，还可用于空气断路器或具有充满六氟化硫气体的腔室的现代SF6断路器。
背景技术
在中压技术领域中，为了中断电力而使用具有用于操作动触头的高力密度的磁致动器是公知常识。已知的磁致动器的设计是具有位于装置中央的固定磁芯以及两个可动的柱塞，一个位于该磁芯之上并且一个位于该磁芯之下，它们与一柱塞杆相连接。这样的装置会在闭合位置产生高静态保持力来闩锁断开和接触弹簧。该静态保持力的大小对于整个断路器的设计来说是关键参数，并且由于空间和重量的缘故，通常有利的是利用小型磁致动器来产生这个力。在断开位置，需要较低的静态保持力来将该断路器保持在断开位置。为了使该致动器从闭合移动到断开位置，需要将电能馈给该致动器的电磁线圈。
文献EP0898780B1描述了一种带有铁磁性衔铁的磁致动器，衔铁能在两个极限位置之间线性移动并且其机械地连接到一断路器并且其在极限位置时处于磁感应力的作用下。该衔铁和该铁磁性分流体在第一和第二抵接部之间的空间中依序布置。抵接部是磁路的磁极面，该磁路包括至少一个永磁体用来产生用于该衔铁的保持力。该已知的装置可以用来操作真空断路器。在该闭合位置，该铁磁性分流体远离该衔铁。该分流体现在可以移向该衔铁来启动该断路器的断开操作。该已知的方案基于这样的设计：由于该可动衔铁和该固定磁轭之间的有效区域被限制在该线圈的内部区域，其不能使用静态保持力的全部潜力。结果是该致动器几乎为所需的两倍大。
WO03/030188A1公开了另外一种磁致动器，其尤其用于具有大型设计的真空中断器。需要两个电磁线圈来操作该磁致动器或使连接的断路器从断开开关位置移动到闭合开关位置。第一磁通由该衔铁和该磁轭产生，从而使得该衔铁被保持在一个极限位置并且该电磁线圈产生激励该衔铁的第二磁通。该永磁体位于该磁轭和固定的磁返回元件之间，从而使得该磁通经由该磁返回元件移动。另外，位于该磁轭之外的该衔铁覆盖该磁轭的前表面，所述前表面垂直于该衔铁的位移方向。由于该永磁体被设置为将该磁芯保持在这两个极限位置中的一个，因此既不要求机械地闩锁也不要求恒定的电流供应。
同样，这个已知的方案使用该衔铁来产生两个极限位置的静态保持力。这意味着在断开的极限位置时仅从该磁体到该衔铁的第二磁路有效。该第二磁路同样增加了该磁致动器的尺寸和重量。它同样要求围绕该衔铁的闭合空间。该铁磁性分流体形成需要实现磁功能的两个抵接部。这进一步增加了该致动器的尺寸和重量。该已知的方案在断开操作期间需要驱动铁磁性分流体回到下抵接部。该驱动要求额外的能量，且对于断开操作来说是不可用的，在进行短路切换时这将是断路器的最苛刻的操作。
本发明的目标是提供一种用于中压断路器的双稳态磁致动器，其具有小尺寸并且允许低能耗的断开操作。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于中压断路器装置的双稳态磁致动器，其包括：至少一个电磁线圈，所述电磁线圈用于使铁磁性衔铁在电磁场的作用下在第一极限位置和第二极限位置之间转换；至少一个永磁体，用于与机械连接的断路器的电学断开开关位置或电学闭合开关位置分别对应地将该衔铁保持在两个极限位置中的一个，其中该衔铁包括搁靠在该一个电磁线圈的磁芯元件上、以用于将该衔铁静态保持在第一极限位置的上柱塞，其中该上柱塞连接到柱塞杆，该柱塞杆延伸贯穿该磁芯元件并且贯穿该永磁体以用于机械地连接该磁致动器和该断路器装置，其特征在于，该衔铁还包括下柱塞，该下柱塞与该磁芯元件在轴向上相隔一段距离地、可解锁地连接到该柱塞杆的另一侧，并且可在该磁芯元件上移动，以通过减小该上柱塞中的磁通而将该衔铁移向第二极限位置。
本发明基于至少一个永磁体的磁通的一部分将进入该下柱塞的效应。在从该磁芯元件到该上柱塞的过渡处，由剩余磁通产生的力不再足够闩锁对抗断路器机构的断开力的驱动，其中该断开力源自位于所述机构中的一个或更多的接触弹簧和一个或更多的断开弹簧。这些弹簧足够将该断路器和该致动器压靠在断开位置。
与现有技术相比，本发明描述了怎样能在不给致动器的线圈供电的情况下将致动器从闭合位置转到断开位置的方法。所以，需要一种完全不同的致动器的设计，其对于同样的性能需要的材料较少，从而形成更小和更轻的方案。由于可动柱塞和固定的磁芯元件之间的有效面积既包括电磁线圈内部区域也包括电磁线圈外部的两个腿的区域，因此可以使用静态保持力的全部潜力。使用专用柱塞来产生闭合位置和断开位置的静态保持力。由于该柱塞仅仅位于该磁芯元件的顶部或底部，所以这个理念能实现非常紧凑的设计。由于磁路的缘故，不需要环绕该装置的所有零件的闭合空间。简单的塑料盖可以保护磁路气隙免遭外部粒子的进入。断开操作期间该下柱塞自由地在该柱塞杆上滑动，并且该系统不产生用于移动该下柱塞的力，从而全部的力可以用于该断路器的断开操作。在该磁致动器的正常闭合操作期间，该下柱塞从该永磁体移开，特别是回到对于闭合的断路器来说是正常的位置。
该衔铁优选包括围绕该电磁线圈和该永磁体的磁轭以建立包括该上柱塞和该下柱塞的磁路。
优选地，借助于小弹簧或简单地依靠重力(如果该致动器是倒置地组装在断路器的内部的话)，断开操作可以从将柱塞从该柱塞杆解锁之后开始。
在本发明优选地实施例中，提供了连接到该柱塞杆且邻近该下柱塞的止挡元件，以限定该磁致动器的第二极限位置。
根据本发明另一个优选方案，在该下柱塞和该磁芯元件之间布置有非磁性材料的中间板，用于控制该衔铁的两部件之间的磁隙。这可用于调整该致动器在它断开位置处的静态力以满足应用的需要。同时，该中间板的厚度可用于调整启动闭合操作需要的该电磁线圈的电流大小，以及用于闭合操作的能量大小。
根据本发明进一步的优选实施例，可以通过安装在该下柱塞上的固定装置来紧固或释放该柱塞杆上的下柱塞。优选地，所述固定装置包括枢转地连接到该下柱塞的下表面的两个夹持元件，其对应于该柱塞杆的用于将该下柱塞紧固于其上的凹槽。该夹持元件可以由以螺钉安装在该下柱塞之下的金属片组成。另外，该固定装置可以包括弹簧元件，用于将该夹持元件压靠在该柱塞杆的凹槽上。该弹簧元件用来固定该形状配合式(form-fit)的机械连接。
为了容易地释放该固定装置的杠杆臂装置，可以优选地使用鲍登线缆，其由低能耗电磁致动器根据电学控制信号操作。由于该下柱塞不再被锁定在该柱塞杆上，它现在可以如上所述移向该磁芯元件来开始断开操作。
本发明的上述及其他方面将在结合附图参阅本发明的详细说明而变得更加清楚。
附图说明
图1是由磁致动器操作的中压断路器的示意图。
图2a是该磁致动器在闭合位置时的细节示意图，
图2b是该磁致动器在中间位置时的细节示意图，
图2c是该磁致动器在断开位置时的细节示意图，并且
图3是该磁致动器的在该下柱塞上的固定装置的透视示意图。
具体实施方式
如图1所示的中压断路器主要由真空中断器1组成，真空中断器1有内部固定电触头2和对应的可动电触头3。电触头2和3两者形成用于电力中断的开关。可动电触头3可通过中间轴4在闭合位置和断开位置之间移动。该中间轴4内在地将双稳态磁致动器5的机械能连接到真空中断器1的可动电触头3。磁致动器5由双稳态磁系统组成，其中通过由电磁体和永磁体装置产生的磁场实现衔铁6向着相对位置的切换。
根据图2a，磁致动器5包括电磁线圈7来使铁磁性衔铁6受磁场的影响在两个极限位置之间移动。在闭合位置(如图所示)，该磁致动器保持连接的真空中断器闭合。另外，单独的断开弹簧将被磁致动器5的静态保持力压缩，静态保持力来自布置在电磁线圈7旁边的永磁体8的磁通。在电磁线圈7中不需要额外的电力或电流来保持所示的闭合位置。
衔铁6进一步包括搁靠在电磁线圈7的磁芯元件10上的上柱塞9，用于将衔铁6静态保持在第一极限位置即闭合位置。上柱塞9连接到柱塞杆12。柱塞杆12穿过磁芯元件10轴向可动地延伸，用于将致动器5机械连接到如上所述的断路器装置。
由于上柱塞9搁靠在该磁芯元件10上，因此由永磁体8产生的磁通向上穿过磁芯元件10进入上柱塞9。这里，在从磁芯元件10到该上柱塞9的过渡处，产生大约一半总静态保持力的力。磁通在上柱塞9中分开并通过围绕电磁线圈7以及永磁体8的铁磁性轭11回流。在从上柱塞9到轭11的过渡处，产生另一半总静态保持力。
下柱塞13位于柱塞杆12上远离磁芯元件10的位置，从而不会影响磁路。
图2b示出怎样启动断开操作。借助于小弹簧元件(未示出)，下柱塞13从柱塞杆12释放并且前进到磁芯元件10。因此，永磁体8的磁通的一部分将进入下柱塞13。由磁芯元件10与上柱塞9过渡处的剩余磁通产生的力不再足够闩锁对抗连接的断路器的断开力的驱动装置。
结果，柱塞杆12移动到如图2c所示的断开位置。设置连接到柱塞杆12的止挡元件14来限定衔铁6的第二极限位置。设置由非磁性材料制成的中间板15，以控制下柱塞13到磁芯元件10的磁隙。这可用于调整该致动器在断开位置处的静态力，以适应应用的需要。在完成断开操作以后，如图3所示，下柱塞13现在可以闩锁到柱塞杆12。
根据图3，下柱塞13包括固定装置，用于将下柱塞紧固到柱塞杆12或从柱塞杆12释放。该固定装置包括两个由金属片组成并枢转连接到下柱塞13的下表面17的夹持元件16a、16b。夹持元件16a、16b都对应于柱塞杆12的用于将下柱塞13紧固于其上的凹槽18。如果该致动器没有操作，则弹簧元件19将夹持元件16a和16b可滑动地压靠在柱塞杆12的凹槽18上，使得下柱塞13被锁定并且不能沿着柱塞杆12移动。
如果致动器应该断开，则夹持元件16a、16b都可以利用可致动的杠杆臂装置20从柱塞杆12脱离。设置鲍登线缆(bowden cable)21来通过没有示出的电磁体或类似物释放该杠杆臂装置20。当下柱塞13不再被锁定在柱塞杆12上时，它现在可以如上所述移向磁芯元件10来开始断开操作。
当断开操作完成且不再拉拽鲍登线缆21时，弹簧元件19可以将夹持元件16a和16b压在柱塞杆12上，以再次锁定下柱塞13。随后，可以执行正常的闭合操作。
本发明不限于如上所述的优选实施例，优选实施例仅作为举例的方式给出，而且在所附的权利要求限定的保护范围内可以通过多种方式修改。
附图标记列表
1  真空中断器
2  电触头(固定)
3  电触头(可动)
4  中间轴
5  磁致动器
6  衔铁
7  电磁线圈
8  永磁体
9  上柱塞
10 磁芯元件
11 磁轭
12 柱塞杆
13 下柱塞
14 止挡元件
15 中间板
16 夹持元件
17 下表面
18 凹槽
19 弹簧元件
20 杠杆臂装置
21 鲍登线缆

Claims (12)

1.用于中压断路器装置的双稳态磁致动器(5)，其包括：至少一个电磁线圈(7)，所述电磁线圈用于使铁磁性衔铁(6)在电磁场的作用下在第一极限位置和第二极限位置之间转换；至少一个永磁体(8)，用于将该衔铁(6)保持在与机械连接的断路器的电学断开开关位置和电学闭合开关位置分别对应的两个极限位置中的一个，其中该衔铁(6)包括搁靠在该一个电磁线圈(7)的磁芯元件(10)上、以用于将该衔铁(6)静态保持在第一极限位置的上柱塞(9)，其中该上柱塞连接到柱塞杆(12)，该柱塞杆延伸贯穿该磁芯元件(10)并且贯穿该永磁体(8)以用于机械地连接该磁致动器(5)和该断路器装置，其中，该衔铁(6)包括下柱塞(13)，其特征在于，该下柱塞与该磁芯元件(10)在轴向上相隔一段距离地、可解锁地连接到该柱塞杆(12)的另一侧，并且可在该柱塞杆(12)上移动，以通过减小该上柱塞(9)中的磁通而将该衔铁(6)移向第二极限位置。
2.根据权利要求1的双稳态磁致动器(5)，其特征在于，该衔铁(6)进一步包括磁轭(11)，该磁轭围绕该电磁线圈(7)和该永磁体(8)，以建立包括该上柱塞(9)和该下柱塞(13)的磁路。
3.根据权利要求1的双稳态磁致动器(5)，其特征在于，提供重力或额外的弹簧弹力来在将该下柱塞从该柱塞杆(12)解锁之后实现该下柱塞(13)向着该磁芯元件(10)的初始移动。
4.根据权利要求1的双稳态磁致动器(5)，其特征在于，该衔铁(6)的第二极限位置由与该下柱塞(13)相邻地连接到该柱塞杆(12)的止挡元件(14)限定。
5.根据权利要求1的双稳态磁致动器(5)，其特征在于，非磁性材料的中间板(15)被布置在该下柱塞(13)和该磁芯元件(10)之间，以用于控制该衔铁(6)的两部件之间的磁隙。
6.根据权利要求5的双稳态磁致动器(5)，其特征在于，中间板(15)的厚度的尺寸对应于开始该衔铁(6)的移动操作所需要的该电磁线圈(10)中的电流的大小。
7.根据权利要求1的双稳态磁致动器(5)，其特征在于，该下柱塞(13)包括用于将下柱塞(13)紧固到该柱塞杆(12)上或从柱塞杆上释放的固定装置。
8.根据权利要求7的双稳态磁致动器(5)，其特征在于，该固定装置包括两个夹持元件(16a、16b)，这两个夹持元件枢转地连接到该下柱塞(13)的下表面(17)，且对应于该柱塞杆(12)中的用于将下柱塞(13)紧固于其上的凹槽(18)。
9.根据权利要求7的双稳态磁致动器(5)，其特征在于，该固定装置包括弹簧元件(19)，用于将夹持元件(16a、16b)压靠在该柱塞杆(12)的凹槽(18)上。
10.根据权利要求7的双稳态磁致动器(5)，其特征在于，该固定装置包括可致动的杠杆臂装置(20)，所述杠杆臂装置用于桥接夹持元件(16a、16b)，以将该下柱塞(13)从该柱塞杆(12)释放。
11.根据权利要求10的双稳态磁致动器(5)，其特征在于，提供鲍登线缆(21)以用于根据电学控制信号而通过由低能量操作的电学致动器来释放该杠杆臂装置(20)。
12.中压断路器，具有至少一个真空中断器(1)，各真空中断器均包括用于中断电力的可动电触头(2、3)，所述可动电触头经由公共的中间轴(4)操作，所述中间轴用于机械地连接该可动电触头(2、3)和根据在前的任一权利要求的双稳态磁致动器(5)。
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