CN103493167B - 磁热致动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁热致动器，包括：磁致动器，包括串联在电路中的线圈（1），该线圈包围动铁心（2），并适于在两个位置之间驱动动铁心（2），两个位置构成致动器的两种状态，即分别为运作状态和不运作状态；第一装置（4），用于使动铁心（2）回到与致动器不运作状态对应的位置；以及热致动器，包括与部件（8）磁性接合的永磁体（10），部件（8）由具有低居里点的热敏材料制成，其目的在于，当部件（8）的温度低于居里温度时，将磁热致动器保持在不运作状态。其特征在于，热敏材料制成的部件（8）附接至零件（7，15），零件的温度随电流的增大而增加，第二返回装置（9）插入到永磁体（10）和部件（8）之间，永磁体（10）和部件（8）中的一个紧固于静止部分，另一个紧固于相对线圈活动的部分，其目的在于，当热敏部件（8）的温度超过其居里温度时，使永磁体和部件相互分开，第二返回装置（9）使永磁体和部件从第一相关位置运动到第二相关位置，第一相关位置对应于致动器的不运作状态，第二相关位置对应于致动器的运作状态。

Description

磁热致动器

技术领域

本发明涉及一种通用的磁热致动器(Magnetothermalactuator)，更具体地说涉及为电气设备，尤其是断路器式电气设备设计的磁热致动器，用于在因故障导致电流迅速增加（例如短路）或者电流缓慢增加（在电路过载时）的情况下，切断至少一电路。本发明也涉及了具有这样的磁热致动器的电气设备。

背景技术

在这样的设备中，出现上文提到的故障时，电路能够断开（opening）的原因是存在可分离的静触点和动触点，在这样的方式中，通过磁热致动器对机械触发锁的作用，使静触点和动触点分开。这两个触点定位在两个连接终端之间，使设备能够串联地插入相关线路中。

两种故障分别由磁部件和热部件负责处理，所述磁部件和所述热部件的反应时间非常不同，实际上与线路上出现的故障相关。因此，电流突然大幅度增加（通常来源于被保护电路短路），必须使触点迅速断开，以避免损坏电路上连接的设备。过载（反映线路上的与过量负荷相对应的电流需求）则启动热触发系统。热触发系统经常采用双金属片的形式，双金属片在电流过载产生的过量加热活动下变形，并且触发导致触点断开的机械锁。

机械触发通常由串联在电路中的线圈完成，线圈与磁路协作，磁路具有固定轭和输送线圈产生的磁场的运动零件，该运动零件直接或者通过撞击杆元件起到触发机械锁的作用。

为了替代热双金属片，已提出在这样的磁热致动器中插入第二磁性系统，该第二磁性系统基于永磁体的存在，与由具有低居里点的热敏材料制成的部件磁性地协作，以使得在该部件的温度低于居里点时，磁热致动器保持处于不运作状态(inoperativestate)。

在周围环境温度下，该部件和磁铁实际上被磁铁产生的力紧固。在缓慢电流过载时，产品的温度上升，尤其是由热敏材料制成的部件的温度上升。如果温度超过了制成部件的材料的居里点，那么磁铁产生的磁场对所述部件就不再具有吸引效果。因而可设计一种磁性设备，一元件在其中运动并直接或者间接地使锁的触发器动作，最后致使动触点与静触点分开。

基于该原理的设备已经存在，如德国专利DE3028900中所公开的。在该文献中，磁致动器传统上由线圈构成，线圈串联地设置在电力线路中并包围动铁心，线圈产生的磁感应强度能够在两个位置之间驱动所述铁心，这两个位置体现致动器两种状态（即分别为运作状态和不运作状态），返回装置使动铁心回到与不运作状态对应的位置。在该德国专利公开的结构中，永磁体在动铁心的轴线上，具有低居里点的热敏部件使永磁体与动铁心分开。当超过居里点时，磁铁产生的磁场对所讨论的热敏部件不再有影响，而所述动铁心又一次不受约束，且能够被线圈所产生的磁场驱动。在这样的设计中，线圈产生的磁场是动铁心的运动的源头，由此，机械锁能够触发断路机械装置。

在这样的方案中，由线圈所产生的磁场力必须足够大，使动铁心能在一般的电流过载时运动。因而有必要相应地调整线圈尺寸，即相对于具有一般磁性功能的传统致动器而增加线圈匝数，传统的致动器在这些较低的电流值时不驱动动铁心，只在电流大幅度增加（例如短路）时驱动动铁心。

这种结构涉及用于产品所要检测的两类故障的同类操作，不可能使致动器的尺寸最优化。为了产生足够大的力以克服永磁体的吸引作用，就需要增加线圈匝数而使其尺寸特别大，这样相对于传统产品就需要增加线圈的部件材料。

发明内容

这个问题在依据本发明的热致动器中得到了解决，尽管基于使用由低居里点的热敏材料制成的部件的相同原理，但本发明提出的能够去除两类故障的检测之间的相关性的技术方案。

为此，依据本发明的磁热致动器传统上包括：

磁致动器，包括串联地设置在电力线路中的线圈，该线圈围绕动铁心，并适于在构成致动器两种状态（运作状态和不运作状态）的两个位置之间驱动动铁心，第一装置用于使动铁心回到对应于致动器不运作状态的位置，以及

热致动器，包括与部件接合的永磁体，该部件由具有低居里温度的材料制成，以便当所述部件的温度低于其居里温度时，磁热致动器保持在不运作状态，

其根本特征在于，由热敏材料制成的部件附接至温度随电流增大而增加的零件，第二返回装置插入永磁体和所述部件之间，永磁体和所述部件中的一个紧固于静止部分，另一个紧固在相对线圈运动的部分，以便当热敏部件的温度超过居里温度时将所述永磁体和所述部件彼此分开，所述第二返回装置使永磁体和部件从第一相对位置运动到第二相对位置，第一相对位置对应于致动器的不运作状态，第二相对位置对应于致动器的运作状态。

因此，热致动器具有活动零件，目的在于致动触发器，该活动零件的运动不再使用磁性能量，而是使用来源于第二返回装置的机械能量。

根据第一种可能性，热致动器的所述活动零件是导热的，其温度作为电流强度的函数而变化，所述活动零件相对于线圈定位以便由线圈加热该活动零件。或者，该活动零件可设置为导电的，具有高电阻率并与线圈串联。这样，该零件由焦耳效应加热。

在第一种情况中，所述活动零件将其热量传递给热敏材料制成的部件，使得热敏材料制成的部件达到其居里点，且一定会从温度在线路故障情况下必然增加的元件处吸热：在这种情况下，所使用线圈的构成和空间结构允许在有限空间内的热传递和收集。

优选地，致动器包括必须由动铁心和热致动器的活动部件驱动的致动装置。根据此类设备的相关的传统可能情况，所述致动装置可由活动的撞击杆构成，撞击杆撞击机械锁的触发器，导致触点断开。

根据一种可能的情况，具有低居里点的热敏部件可由铁镍合金构成。

根据一种优选的结构，撞击杆可由动铁心驱动，动铁心抵抗压缩弹簧沿线圈的轴线运动，压缩弹簧搁置在磁致动器的静铁心上，撞击杆穿过所述磁致动器的静铁心，接着相继穿越热致动器的固定零件和活动零件，弹簧置于该热致动器的固定零件和活动零件之间，用于将所述零件分开，撞击杆在靠近其自由端处包括一支承凸缘，该支承凸缘在动铁心的所述远端活动零件的表面上。

由此，撞击杆在磁致动器朝向热驱动器的方向上活动。如下文所提及的可替代结构，反向也可实施。

由此，撞击杆由热致动器的活动零件驱动，热致动器的活动零件在置于热致动器的活动零件和固定零件之间的弹簧作用下，抵抗静止在磁致动器的静铁心上的压缩弹簧沿线圈的轴线运动，撞击杆在穿过动铁心之后穿过所述磁致动器的静铁心，撞击杆包括一支承凸缘，该支承凸缘在动铁心的径向壁和静铁心的近端内壁上。

在这两种条件下，热致动器的固定零件可由连接至线圈的导电零件、在所述零件旁边的热感部件和由绝缘材料制成的外壳构成，该外壳由引导热致动器的活动零件平移的第一套筒构成，紧固到线圈缠绕的、与第一套筒共轴的第二套筒上，第二套筒并且引导磁致动器的活动零件平移。

还是在这两个可能的条件下，一种替代的条件包括，由在导电零件旁边的热敏部件构成的所述固定零件和由导热材料制成的外壳，外壳由引导热致动器的活动零件平移的第一套筒构成，紧固到线圈缠绕的、与第一套筒共轴的第二套筒上，并且引导磁致动器的活动零件平移。

从热零件与磁致动器空间上分开的程度上严格来说，这些结构排除了现有技术的限制，导致能够去除两个功能的相关性。

活动零件可依次由与闸板紧固的磁体构成，该闸板由铁磁性材料制成，活动零件具有能够在第一套筒中引导自身运动的圆柱形状，并和热敏部件形成磁性回路，热敏部件和/或导电零件固定到分隔两个共轴套筒的径向壁上。

或者，该活动零件可由与闸板紧固的磁体构成，该闸板由铁磁性材料制成，活动零件具有能够在第一套筒中引导自身运动的圆柱形状，并与热敏部件形成磁性回路，热敏部件和/或导电零件固定到在第一套筒的末端把第一套筒封闭的径向壁上，与该径向壁相对的径向壁将两个共轴的套筒分隔。

如前面指出的，本发明不仅涉及磁热致动器，还涉及用于断路器式的线路保护电气设备的磁热触发系统，该磁热触发系统包括致动器，其中线圈串联地设置在所述线路中，致动器的特征在于具有致动装置，以在过压或者短路时触发用于断开电路的机械锁。

本发明还涉及包括磁热触发系统的断路器式的线路保护电气设备。

附图说明

下面参考附图对本发明进行更加详细的描述，附图中：

‐图1示出依据本发明的一种磁热致动器结构的图示剖面图，其中由具有低居里点的热敏材料制造的部件电性地连接到线圈。

‐图2示出图1的一个替代选择的剖面图，其热致动器的运动零件和固定零件反向。

‐图3示出依据本发明的磁热致动器的剖面图，其中由具有低居里点的热敏材料制造的部件由线圈加热。以及

‐图4示出图3结构的一个替代选择的剖面图，倒转了磁热致动器的运动零件和固定零件。

具体实施方式

图中包括的不同结构所共享的元件、部件和零件具有相同的参考标识。因而，在图1中，磁致动器包括线圈1、动铁心2、静铁心3和第一返回装置，所述第一返回装置由弹簧构成。由动铁心2驱动的撞击杆5可以作为机械锁的触发器。磁致动器的操作是传统的：电流I大幅度上升（例如由于短路），线圈1所产生的磁场引起动铁心2克服弹簧4运动，并驱动撞击杆5。所述动铁心2在静铁心3的方向上运动，静铁心3在其平移运动中也起接合作用。套筒6包围和引导在套筒内滑动的动铁心2）

热致动器位于磁致动器的延伸部分，热致动器的构成主要包括：电流I流过的零件7；由具有低居里点的热敏材料制造的部件8；采用第二弹簧9形式的第二返回装置；永磁体10；以及，形成用于永磁体10磁路的磁轭11的闸板（paddle）。在依据本发明的结构中，这些示例元件围绕轴呈圆形对称，该轴也是线圈1和/或撞击杆运动的轴线。撞击杆利用中心孔，穿过所有组成热致动器的元件。这些元件放置在外壳12中，外壳由不具备任何热磁特性的材料制成，例如塑料，外壳和套筒6紧固到和/或单一的片上。撞击杆5还具有与闸板11协作的凸缘13，闸板在热致动器触发时沿力F的方向驱动撞击杆。

运作如下：当电流线路遭受电流缓慢上升（例如发生过载）时，线圈产生的磁场不足以使动铁心2克服弹簧装置4而运动。然而，由图1结构中通过的电流直接加热的零件7增加了热敏部件8的温度，闸板11由于被永磁体10产生的磁场所吸引而朝向热敏部件8运动。设置了第二返回装置9，使得在周围环境温度下永磁体10所产生的磁力要大于弹簧9的回弹力。

当温度达到热敏材料8的居里点时，该部件8消磁，在弹簧9的作用下导致其与闸板11形成的磁路打开。闸板在箭头F的方向上运动，驱动撞击杆5，在带有机械锁的电气设备的条件下，撞击杆致动触发器，该触发器是所述机械锁的一部分。

在图2中，由电流I的通道直接加热的零件7不再靠近线圈1，而是位于所述线圈1的远端热致动器的末端。那样的话，当部件8达到居里温度时，弹簧9朝线圈1推动闸板11，因而撞击杆5必然在该方向上运动，且其沿箭头F’的方向运动。动铁心2必然因此在相同方向上运动，且位于靠近热致动器处，与图1所示的结构相反。这样，撞击杆5的凸缘13位于动铁心2的凹槽中，以便当电流I的急剧增加而在线圈中产生能够使所述动铁心2抵抗弹簧4运动的磁场时，所述凸缘能够由动铁心2驱动。

图3示出一种排除了电流流通的传导零件7的结构。在该方案中，线圈的加热是间接的，且只有线圈是电流流通的。套筒6经由第二套筒12’延伸形成容纳热致动器不同元件的外壳，其现由传热材料构成，主要是由所述外壳的较厚基底15加热由具有低居里点的热敏材料制成的部件8。如同前述结构，这些元件的接触面呈径向发展，构成最大的可能接触面以便热能量从一个传递到另一个。除了零件7的存在和套筒或外壳6的材料变化，图3中提出的替代选择的结构和运作与图1中的完全相同。

这些是区分图4和图2结构的相同修改：不再有零件7，且外壳（6’，12’）现由为其传热能力而选择的材料制成。

图1-4所提出的结构当然没有穷尽本发明，其还包含了替代选择，例如在形状和材料的选择方面，替代选择直接由提出的结构所产生。

Claims (16)

1.一种磁热致动器，包括：

‐磁致动器，包括串联地设置在电力线路中的线圈(1)，该线圈(1)包围动铁心(2)，并且适于在两个位置之间驱动所述动铁心(2)，所述两个位置构成致动器的两种状态，即运作状态和不运作状态，第一装置(4)用于使所述动铁心(2)回到与致动器的不运作状态对应的位置，以及

‐热致动器，包括与一热敏部件(8)接合的永磁体(10)，该热敏部件由具有低居里温度的热敏材料制成，以便当所述热敏部件(8)的温度低于其居里温度时，所述磁热致动器保持在不运作状态，

其特征在于，由热敏材料制成的所述热敏部件(8)附接至一零件(7，15)，所述零件(7，15)的温度随电流增大而增加，第二返回装置(9)插入永磁体(10)和所述热敏部件(8)之间，所述永磁体和所述热敏部件中的一个紧固于静止部分，另一个紧固于能够相对所述线圈(1)运动的活动部分，以便当所述热敏部件(8)的温度超过居里温度时而将所述永磁体和所述热敏部件彼此分开，所述第二返回装置(9)使所述永磁体和所述热敏部件从第一相对位置运动到第二相对位置，第一相对位置对应于致动器的不运作状态，第二相对位置对应于致动器的运作状态。

2.如权利要求1所述的磁热致动器，其特征在于，所述热致动器的所述零件(15)是导热的，且相对于所述线圈(1)定位以便能够由所述线圈加热。

3.如权利要求1所述的磁热致动器，其特征在于，所述热致动器的所述零件(15)是导电的，具有高电阻率，并与所述线圈(1)串联地连接。

4.如权利要求1所述的磁热致动器，其特征在于，所述磁热致动器包含了致动装置，所述致动装置由所述动铁心(2)和所述热致动器的活动部分驱动。

5.如权利要求4所述的磁热致动器，其特征在于，所述致动装置由撞击杆(5)构成。

6.如以上权利要求中任一项所述的磁热致动器，其特征在于，具有低居里点的所述部件(8)由铁镍合金构成。

7.如权利要求5所述的磁热致动器，其特征在于，所述撞击杆(5)由所述动铁心(2)驱动，所述动铁心(2)抵抗压缩弹簧(4)而沿所述线圈(1)的轴线运动，所述压缩弹簧搁置在磁致动器的静铁心(3)上，所述撞击杆(5)穿过所述磁致动器的静铁心(3)，接着相继穿越所述热致动器的静止部分和活动部分，弹簧(9)置于所述热致动器的静止部分和活动部分之间，并用于将所述静止部分和活动部分分开，所述撞击杆(5)在靠近其自由端处包括一支承凸缘(13)，所述支承凸缘(13)接触所述动铁心(2)的在远端的所述活动部分的表面。

8.如权利要求5所述的磁热致动器，其特征在于，所述撞击杆(5)由所述热致动器的活动部分驱动，在置于所述热致动器的活动部分和静止部分之间的弹簧(9)作用下，所述热致动器的活动部分抵抗压缩弹簧(4)而沿所述线圈(1)的轴线运动，所述压缩弹簧搁置在磁致动器的静铁心(3)上，所述撞击杆(5)在穿过所述动铁心(2)之后穿过所述磁致动器的静铁心(3)，所述撞击杆(5)包括一支承凸缘(13)，所述支承凸缘(13)位于所述动铁心(2)的径向壁和所述静铁心(3)的近端内壁上。

9.如权利要求7或8所述的磁热致动器，其特征在于，所述热致动器的静止部分由连接至所述线圈(1)的所述零件(7)、在所述零件(7)旁边的所述热敏部件(8)和由绝缘材料制成的外壳构成，所述外壳由引导所述热致动器的活动部分平移的第一套筒(12)构成，紧固到所述线圈(1)缠绕的、与所述第一套筒共轴的第二套筒(6)上，并且引导所述磁致动器的所述动铁心(2)平移。

10.如权利要求9所述的磁热致动器，其特征在于，所述活动部分由与铁磁性材料制成的闸板(11)紧固的永磁体(10)构成，所述活动部分具有能够在所述第一套筒(12，12’)中引导自身运动的圆柱形状，并与所述热敏部件(8)形成磁性回路，所述热敏部件和/或所述零件(7)固定到分隔两个共轴套筒(12,12’；6,6’)的径向壁上。

11.如权利要求9所述的磁热致动器，其特征在于，所述活动部分由与铁磁体材料制成的闸板(11)紧固的永磁体(10)构成，所述活动部分具有能够在第一套筒(12，12’)中引导自身运动的圆柱形状，并与所述热敏部件(8)形成磁性回路，所述热敏部件和/或所述零件(7)固定到在所述第一套筒(12，12’)的末端把所述第一套筒(12，12’)封闭的径向壁上，与该径向壁相对的径向壁将两个共轴的套筒(12,12’；6,6’)分开。

12.如权利要求7或8所述的磁热致动器，其特征在于，所述热致动器的静止部分由在所述零件(15)旁边的热敏部件(8)和由导热材料制成的外壳构成，所述外壳由引导所述热致动器的活动部分平移的第一套筒(12’)构成，紧固到所述线圈(1)缠绕的、与所述第一套筒共轴的第二套筒(6’)上，并且引导所述磁致动器的动铁心(2)平移。

13.如权利要求12所述的磁热致动器，其特征在于，所述活动部分由与铁磁性材料制成的闸板(11)紧固的永磁体(10)构成，所述活动部分具有能够在所述第一套筒(12，12’)中引导自身运动的圆柱形状，并与所述热敏部件(8)形成磁性回路，所述热敏部件和/或所述零件(7)固定到分隔两个共轴套筒(12,12’；6,6’)的径向壁上。

14.如权利要求12所述的磁热致动器，其特征在于，所述活动部分由与铁磁体材料制成的闸板(11)紧固的永磁体(10)构成，所述活动部分具有能够在第一套筒(12，12’)中引导自身运动的圆柱形状，并与所述热敏部件(8)形成磁性回路，所述热敏部件和/或所述零件(7)固定到在所述第一套筒(12，12’)的末端把所述第一套筒(12，12’)封闭的径向壁上，与该径向壁相对的径向壁将两个共轴的套筒(12,12’；6,6’)分开。

15.一种用于断路器式的线路保护电气设备的磁热触发系统，其特征在于，包括如权利要求1-14中任一项所述的磁热致动器，所述线圈(1)串联地设置在所述线路中，触发具有致动装置，所述致动装置在过压或者短路时触发用于断开所述线路的机械锁。

16.一种断路器式的线路保护电气设备，包括如权利要求15所述的磁热触发系统。