CN104040661A - 机车电力接触器 - Google Patents
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Abstract
公开了一种方法，用于从现有接触器(200)来制造电力接触器(400)，该现有接触器(200)具有包括灭弧线圈(214)和铁磁芯(216)的磁性放大器(212)，以及用于熄灭在电流负载下通过打开现有接触器(200)产生的电弧的灭弧室(210)。该方法包括：从现有接触器(200)移除螺栓组件(218)，以及从现有接触器(200)移除至少一个侧板(224)。该方法同样包括，从现有接触器(200)移除铁磁芯(216)。
Description
技术领域
本公开一般涉及电力接触器，并且更特别地涉及能够承受不连续电流的电力接触器。
背景技术
电力接触器是在大量的负载电流下能够闭合并且打开电路的基本切换设备。柴油-电动机车传统上使用将牵引电机连接到正电力总线的一个或多个电力接触器。通常，这些接触器包括已知为灭弧室(arc chute)的设备，以在电流流过功率传输电路的同时帮助消散当电力接触器打开时产生的电弧。一些现代机车包括在牵引电机系统的初级电流路径中诸如斩波器的脉冲宽度调制切换系统，以更有效地调节牵引电机的操作。该脉冲宽度调制切换系统在电力接触器处产生不连续电流。因此，作为被设计为主要在DC(非脉冲)应用中使用的电力接触器经受伪-AC(脉冲)电流。
常规电力接触器的一个这种示例在美国专利No.3,992,599(“’599专利”)中描述。’599专利据称公开了包括灭弧线圈的高电流容量的接触器，该灭弧线圈包括铜带的多个螺旋匝。灭弧线圈围绕通过铁磁通量承载极片被附接到接触器的铁磁芯。由于灭弧线圈处于初级电流路径内，所以不连续电流将在铁磁芯和磁通承载极片中感应电流。
特别当在需要不连续或“脉冲”电流的应用中使用时，包括由诸如在’599专利中描述的芯的铁磁芯围绕的线圈的常规电力接触器具有显著缺点。特别地，由在脉冲或不连续电流中的频繁周期性的变化导致的感应引起不在初级电流路径中的金属接触器部件(包括铁磁芯、螺栓组件和诸如侧板的任何其它金属材料)的过热。特别是在机车应用中，这种加热可能是极度的，其中电流为高并且脉冲宽度趋向于相当短。如果允许存在，极端温度可能潜在地引起材料的灾难性失效，这可导致电力接触器的故障。因为电力接触器的正确操作对于保持牵引电机的操作是关键的，所以必须减轻由于通过脉冲或不连续电流导致的感应引起的在电力接触器部件中的过高温度影响。
当前公开的机车电力接触器涉及克服以上阐述的一个或多个问题和/或在本领域中的其它问题。
发明内容
根据一个方面，本公开涉及一种方法，用于从现有接触器来制造电力接触器，该现有接触器具有包括灭弧线圈和铁磁芯的磁性放大器，以及用于熄灭在电流负载下通过打开现有接触器产生的电弧的灭弧室。该方法可包括：从现有接触器移除螺栓组件，以及从现有接触器移除至少一个侧板。该方法可同样包括，从现有接触器移除铁磁芯。
根据另一个方面，本公开涉及电力接触器。电力接触器可包括固定母线和连接到固定母线的固定触点。电力接触器可同样包括可移动触点，其能够移动成与固定触点接合。电力接触器可同样包括灭弧线圈，该灭弧线圈的一端可连接到固定母线。该灭弧线圈可包括围绕基本上非金属芯的导电材料的多个螺旋匝。
根据另一个方面，本公开涉及机车。机车可包括多个轴和多对轮子，每对轮子被附接到一个轴。机车可包括多个电枢，每个电枢可旋转地耦接到一个轴。机车可同样包括与电枢的至少一个串联连接的斩波器。机车可同样包括在斩波器的初级电流路径中连接的电力接触器。电力接触器可包括固定母线和被连接到固定母线的固定触点。电力接触器可同样包括可移动触点，其能够移动成与固定触点接合。电力接触器可同样包括灭弧线圈，该灭弧线圈的一端被连接到固定母线。该灭弧线圈可包括围绕基本上非金属芯的导电材料的多个螺旋匝。
附图说明
图1示出示例性机车；
图2示出在不连续电流条件下容易受到过热的常规接触器；
图3示出图2的常规接触器的顶视图；
图4示出在不连续电流条件下能够操作的示例性电力接触器；
图5示出图4的示例性电力接触器的顶视图；以及
图6示出功率传输电路。
具体实施方式
图1示出示例性机车100，其中牵引系统可与公开实施例一致地实施。机车100可以是利用用于推进的DC牵引电机的任何供电轨道车辆。此外，利用用于推进的DC牵引电机的任何供电车辆可同样包括与公开实施例一致的不连续电力接触器。根据在图1中示出的示例性实施例，机车100可包括六对轮子101，其中每对轮子101被附接到可旋转耦接到牵引电机103的轴102。牵引电机103可每个包括电枢104。机车100可使用供应用于操作牵引电机103电力的高功率传输电路。
高功率传输电路通常包括用于接通和中断电流路径的接触器。在用于机车100的高功率应用中，这些接触器必须能够处理达到2.8兆瓦(“MW”)的电力需求和高达2000安培(A)的电流负载。传统上，机车100将常规接触器结合到其功率传输电路中。
图2示出常规接触器200。常规接触器200可以是单极单掷开关，并且可具有1200A的接触额定值。在一些实施例中，常规接触器200能够承受高达2000安培的直流(“ADC”)。在示例性实施例中，常规接触器200可包括由Electro Motive Diesel(EMD)供应的部件号8458534。
常规接触器200可包括接通和中断直流电路的可移动触点202和固定触点204。固定触点204可被电耦接到固定母线206。例如，固定触点204可被固定到固定母线206，以使得穿过固定触点204的电流可同样流过固定母线206。固定母线206可包括导电材料，以使得当电流被施加到固定触点204时，电流流过固定母线206。可移动触点202可被电耦接到可移动母线208。可移动母线208可导致可移动触点202与固定触点204电接合，以完成在常规接触器200内的电路。可移动母线208可包括导电材料，以使得流过可移动触点202的电流可同样流过可移动母线208。
当常规接触器200在高电流下打开时，其可产生横跨可移动触点202和固定触点204的电弧。因为形成电弧的特征在于可对电部件损伤的电流(以及相应的加热)上的浪涌，所以常规接触器200可包括配合以熄灭电弧的灭弧室210和磁性放大器212。磁性放大器212可包括灭弧线圈214。随着常规接触器200在电流负载下打开，电流可穿过灭弧线圈214并且到灭弧室210中，其中电弧可被熄灭。灭弧室210可包括产生用于熄灭电弧的灭弧室210内磁场的永久磁体。当电流穿过灭弧线圈214时，磁性放大器212产生放大灭弧室210内磁场的磁场。在灭弧室210中增加的磁场使灭弧室210能够熄灭大的电弧。这允许常规接触器200在比可能的其它方式更高的电流下打开。
磁性放大器212的灭弧线圈214可包括在铁磁芯216周围卷绕的导电材料的一系列螺旋匝。在一个实施例中，灭弧线圈214可包括铜带、铜线或能够承受高电流的一些其它导体。可预见的是灭弧线圈214可包括能够传导2000A电流的任何合适材料和大小。
灭弧线圈214的导电材料的匝数可变化。在一个实施例中，灭弧线圈214可包括至少两匝。在其它实施例中，灭弧线圈214可包括三匝或更多匝。螺旋匝数可取决于常规接触器200特定应用的功率需求。此外，螺旋匝数可基于用于灭弧线圈214的材料大小和性质而变化。
灭弧线圈214的一端可电耦接到固定母线206。灭弧线圈214的其它端可电耦接到连接器板220，该连接器板220具有用于将电负载连接到常规接触器200的端子连接222。因此，闭合常规接触器200完成从连接到端子连接222的电负载并且通过连接器板220和灭弧线圈214的电路。
除了灭弧线圈214，磁性放大器212可包括如下组件，该组件放大在用于熄灭当常规接触器200打开时发生电弧的灭弧室210内的磁场。为充分放大磁场，磁性放大器212可包括铁磁芯216，其由螺栓组件218和一对侧板224保持在灭弧线圈214内。随着电流穿过由在铁磁芯216周围卷绕的灭弧线圈214提供的初级电流路径，电流在铁磁芯216内被感应，这进而增加在铁磁芯216内存储的磁通量。
一对侧板224可将磁性放大器212连接到灭弧室210，并且可被配置成电传输由磁性放大器212产生的磁通量到灭弧室210。在一个实施例中，侧板224可实施适于电传输从一个位置到另一个位置的磁通量的任何材料。每个侧板224可连接到铁磁芯216的相应端。侧板224可与灭弧室210接合，传输由灭弧线圈214和铁磁芯216产生的磁通量到灭弧室210内容纳的磁体。
图3示出常规接触器200的顶视图。侧板224可彼此平行竖直站立，并且将磁性放大器212连接到灭弧室210。铁磁芯216可被设置在侧板224之间并且被电耦接到侧板224，以使得铁磁芯216的每一端连接到相应的侧板224。螺栓组件218将铁磁芯216的每一端连接到相应的侧板224。灭弧线圈214可同样位于侧板224之间，并且灭弧线圈214的绕组可至少部分地围绕铁磁芯216。
常规接触器200不太期望与不连续(或伪-AC)电流一起使用。如上所解释的，尽管不在初级电流路径中，但是当不连续电流被施加到常规接触器200时，铁磁芯216、侧板224和螺栓组件218可能过热。在该应用中，穿过灭弧线圈214的不连续电流可感应在初级电流路径外侧的常规接触器200的部分中的电流。因此，根据一个实施例，常规接触器200可被修改以当采用不连续电流使用时防止过热。
图4和图5示出能够承受不连续电流条件的电力接触器400。与常规接触器200不同，电力接触器400不包括磁性放大器。电力接触器400可与常规接触器200共享一些电力特性。在一个实施例中，电力接触器400可被额定为在2000ADC和1500V下正常操作。电力接触器400可具有机车100的功率传输电路内的应用，其可使用2.8MW以上的功率。
图4示出电力接触器400的侧视图。电力接触器400可包括用于接通和中断电路的可移动触点402和固定触点404。固定触点404可连接到固定母线406。在一个实施例中，固定触点404可被电耦接到固定母线406，以使得穿过固定触点404的电流可同样流过固定母线406。可替代地或额外地，固定触点404可连接到固定母线406的第一端。可移动触点402可连接到可移动母线408。在一个实施例中，可移动触点402可被电耦接到可移动母线408。可移动母线408可导致可移动触点402移动成与固定触点404电接合，以完成在电力接触器400内的电路。可移动母线408可同样导致可移动触点402与固定触点404断开，以中断在电力接触器400内的电路。固定母线406和可移动母线408可包括导电材料。
电力接触器400可同样包括灭弧线圈410。灭弧线圈410可包括在非磁性芯412周围至少部分卷绕的导电材料的一系列螺旋匝。在一个实施例中，灭弧线圈410可包括铜带。可预见的是灭弧线圈410可包括能够传导2000A的电流的任何合适材料和大小。
灭弧线圈410的导电材料的螺旋匝数可变化。在一个实施例中，灭弧线圈410可包括至少两匝。在另一个实施例中，灭弧线圈410可包括三匝铜带。螺旋匝数可取决于电力接触器400特定应用的功率需求。此外，螺旋匝数可基于用于灭弧线圈410的材料大小和性质而变化。
灭弧线圈410可被电耦接到固定母线406的一端处。灭弧线圈410的其它端可被电耦接到连接器板414，该连接器板414具有用于将电负载连接到电力接触器400的端子连接416。
非磁性芯412可由抵抗大量磁通量存储的任何材料构造。在一个实施例中，非磁性芯412可包括非金属芯。例如，非磁性芯412可包括电介质芯。在另一个实施例中，非磁性芯412可包括气芯。非磁性芯412可作用为电绝缘体，以防止流过灭弧线圈410的电流感应在电力接触器400的其它部分中的电流。
与常规接触器200类似，电力接触器400可同样包括用于熄灭当可移动触点402与固定触点404在负载下电分离时产生的电弧。在没有放大容量磁性放大器212提供给常规接触器200的情况下，电力接触器400的电弧熄灭能力可能与常规接触器200的电弧熄灭能力不同。这可引起相比常规接触器200用于电力接触器400的更低中断额定值。例如，电力接触器400可具有高达1000ADC的中断额定值。
电力接触器400可被配置成在直流和不连续电流两者条件下操作。因为电力接触器400不包含位于(或接近)灭弧线圈410内的金属材料，所以特别当与常规接触器比较时，与由穿过灭弧线圈410的不连续电流导致的感应相关联的加热效应可被降低。因此，当不连续电流穿过初级电流路径时，不在初级电流路径中的电力接触器400的部分通常将不经受过量加热。
图5示出包括气芯的电力接触器400的顶视图。在该实施例中，电力接触器400不包括侧板或螺栓组件，如同在常规接触器200中。如图5所示，电力接触器400具有在图3中示出的常规接触器200的类似结构。灭弧室418可位于电力接触器400顶部的一端处。灭弧线圈410可被布置在电力接触器400顶部的其它端处。当在该实施例中非磁性芯412包括气芯时，在图5中的电力接触器400不示出一般用于将非磁性芯412附连到电力接触器400的侧板或螺栓组件。
制造电力接触器400的一个方法可包括修改现有的常规接触器200。该方法可包括从常规接触器200至少部分地移除磁性放大器212，以创建能够承受不连续电流的电力接触器400。在一个实施例中，常规接触器可以是由EMD供应的部件号8458534。可预见的是当前公开的实施例可适用于具有磁性放大器的任何电力接触器，该磁性放大器包括在金属芯周围卷绕或以其它方式围绕金属部件的灭弧线圈。
从现有的常规接触器200制造电力接触器400可包括从现有的接触器移除螺栓组件218。螺栓组件218可在常规接触器200中使用以将铁磁芯216附接到常规接触器200。通过移除螺栓组件218，现在可以断开并且移除磁性放大器212的其它部件。
制造电力接触器400可同样包括从现有的常规接触器200移除至少一个侧板224。在常规接触器200中，侧板224可将铁磁芯216附接到灭弧室210。侧板224可包括导电材料。在不连续电流条件下，侧板224可经历作为由灭弧线圈214产生的磁场结果的感应加热。移除侧板224可确保这些部件不过热，该过热可损坏电力接触器400。移除侧板224的至少一个理由是允许铁磁芯216被移除。因此，可以移除仅一个侧板224。然而，第二侧板224可被移除，并且不影响电力接触器400的功能。此外，一旦铁磁芯216已经被移除，则侧板224可被重新附接。
该方法可同样包括从现有的接触器移除铁磁芯216。在一个实施例中，这可包括从常规接触器200完全移除铁磁芯216。此外，该方法可包括用另一种类型的芯取代铁磁芯216。在一个实施例中，这可包括将非磁性芯插入到灭弧线圈410中。例如，非磁性芯可包括非金属芯。在另一个示例中，非磁性芯可包括电介质芯。在铁磁芯216用非磁性芯412取代的实施例中，侧板224和螺栓组件218可被重新结合以固定在灭弧线圈410内的非磁性芯。
电力接触器400可适于在高功率传输电路内的应用。借助于示例，图6示出用于对机车100的至少一个电枢104供电的功率传输电路600的示例性部分的示意图。电枢104可具有两个端子。电枢104的第一端子可连接到负电力总线602。电枢104的第二端子可串联连接到斩波器604。
功率传输电路600可包括斩波器604和用于动态制动的电网电阻器606。斩波器604可以是任何切换DC电流调节设备。例如斩波器604可包括DC-DC斩波器。作为切换DC电流调节设备，斩波器604可产生不连续直流。电网电阻器606可以是能够消散电能作为热量的任何设备。电网电阻器606可以与斩波器604并联连接。对于动态制动，斩波器604可使用脉冲宽度调制以改变电网电阻器606的有效电阻。
电力传输电路600可包括将斩波器604连接到正电力总线608的电力接触器400。因为电力接触器400处于在斩波器604和正电力总线608之间的直接路径中，所以必须能够在不连续电流的初级路径中操作。电力接触器400可从正电力总线608断开斩波器604和电枢104。
在功率传输电路600中，斩波器604可采用脉冲宽度调制来调节从正电力总线流到电枢104的初级电流。在周期的“接通”(“ON”)部分期间，正电力总线608通过斩波器604供应电流到电枢104，返回到负电力总线602。在周期的“关闭”(“OFF”)部分期间，电枢电流通过斩波器604放电，形成在电枢104、负电力总线602和斩波器604之间的闭合电路。在高电流操作期间，流在功率传输电路600的该部分中连续，而电流仅在周期的“接通”部分期间流过正电力总线608和电力接触器400。当斩波器604处于“关闭”位置时，电流继续流过电枢104、负电力总线602和斩波器604，以使得功率传输电路600的这些元件经历连续电流。可替代地，当斩波器604处于“关闭”位置时，电流不再从正电力总线608流过电力接触器400和斩波器604，以使得功率传输电路600的这些元件经历不连续电流。
工业适用性
通过消除当经受不连续电流时电力接触器过热的风险，用于制造在此描述的不连续电流条件下能够操作的电力接触器的公开方法提供了用于增强功率传输电路操作性的稳健解决方案。具体地，因为当前公开的电力接触器提供具有用作绝缘体而不是导体的非金属芯的初级导电线圈，所以其抵抗由在与脉冲宽度调制应用相关联的电流上的频繁变化导致的感应所产生的热量。此外，根据某些示例性实施例通过从事先存在的接触器部分地移除磁性放大器，制造电力接触器的公开方法提供用于保持在不连续电流中电力接触器操作性的可靠解决方案，而无需重新设计新的电力接触器。
当前公开的制造方法可能具有几个优点。通过从已知的电力接触器移除部件，该方法提供过热问题的简单解决方案，而不需要功率传输电路的重新设计。此外，因为常规接触器被证明在连续电流条件中可靠，所以电力接触器将保持在不连续应用中传统部件的可靠性。
此外，因为具有磁性放大器(其可在由连续电流表征的正常DC操作条件下操作)的常规接触器可使用当前公开的方法修改以在脉冲或不连续电流条件下操作，所以保持用于不连续和连续应用两者的高电力接触器的储备将仅需要所需接触器的总数，因为一种类型可修改为变成其它类型。
对本领域技术人员明显的是，可对公开的机车电力接触器和用于制造该电力接触器的相关方法做出各种修改和变化。从本公开的说明书和实践考虑，本公开的其它实施例对于本领域的技术人员将显而易见。其旨在将说明书和示例仅作为示例性考虑，其中本公开的真实范围由所附权利要求和它们的等同物指示。
Claims (9)
1.一种方法，用于从现有接触器(200)来制造电力接触器(400)，所述现有接触器(200)具有包括灭弧线圈(214)和铁磁芯(216)的磁性放大器(212)，以及用于熄灭在电流负载下通过打开所述电力接触器(200)产生的电弧的灭弧室(210)，所述方法包括：
从所述现有接触器(200)移除螺栓组件(218)；
从所述现有接触器(200)移除至少一个侧板(224)；以及
从所述现有接触器(200)移除所述铁磁芯(216)。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将非磁性芯(412)插入所述灭弧线圈(214)。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述非磁性芯(412)包括电介质芯。
4.一种电力接触器(400)，包括：
固定母线(406)；
固定触点(404)，其连接到所述固定母线(406)；
可移动触点(402)，其能够移动成与所述固定触点(404)接合；以及
灭弧线圈(410)，所述灭弧线圈(410)的一端被连接到所述固定母线(406)，所述灭弧线圈(410)包括围绕基本上非磁性芯(412)的导电材料的多个螺旋匝。
5.根据权利要求4所述的接触器，其中所述非磁性芯(412)包括电介质。
6.根据权利要求4所述的接触器，其中所述非磁性芯(412)包括气芯。
7.根据权利要求4所述的接触器，其中所述灭弧线圈(410)包括至少两匝的导电材料。
8.根据权利要求7所述的接触器，其中所述灭弧线圈(410)包括三匝铜带。
9.根据权利要求4所述的电力接触器(400)，其具有1000ADC的中断额定值。
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