CN104054154B - 用于断路器的热磁释放机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于保护输电网络中的电路的断路器并且特别地用于保护电能接收器的电路以免短路或过载的断路器的热磁释放机构。用于电力断路器（2）的热磁释放机构（4，4ˊ）包括电路和磁路，二者与断路器的驱动元件（5）机械连接且电连接。磁路包括永磁体（8）和连接到它的极的软磁材料的元件，这些元件是磁路的轭（9a，9b）或（9a，9bˊ），在其之间定位所述磁路的衔铁。本发明的特征在于，衔铁是由两个可分离的芯制成的电磁体（10），一个不可移动（10a）而一个可移动（10b）或（10bˊ），各自与相应的一对轭（9a，9b）或（9a，9bˊ）连接并且在释放机构（4，4ˊ）的闭合状态时迎面彼此接触，并且它由铁磁材料制成，该铁磁材料在被加热到居里温度（T_C）以上时使它的特性从铁磁变成顺磁，并且电磁体（10）的线圈（11a，11b）在芯（10a，10b或10bˊ）的可分离的元件上关于该两个可分离的元件在与彼此相反的方向上缠绕。

Description

用于断路器的热磁释放机构

技术领域

本发明涉及用于保护输电网络中的电路的断路器的热磁释放机构并且特别地涉及用于保护电能接收器的电路以免短路或过载的断路器的热磁释放机构。

背景技术

通常存在用于释放保护电路的断路器的已知装置，其中使用两个独立机构。一个是电磁释放器，其对短路电流（即，值超出受保护装置的额定电流值许多倍的电流）的出现作出反应。另一个是热双金属元件，其对过载电流（即，值超出受保护装置的额定电流值不超过几十百分比的增长缓慢的电流）的出现作出反应。

专利描述EP1526560描述断路器，其包括定位在共同外壳中的电磁释放器和热释放器。断路器的主电流路径包含主断路器的触点、电磁释放器和热释放器。电磁释放器是放置在磁芯上的主电流线圈。如果短路电流流过主路径中的线圈绕组，电磁释放器促使主断路器的触点断开。如果出现过载电流，定位在辅助电流路径中的热释放器激活额外的断开机构，其使主断路器的触点断开。热释放器是电磁回路（electromagneticcircuit），其包括磁芯、放置在芯轭上的辅助电流线圈、磁衔铁和热双金属元件或由具有可变导磁率的材料制成的永磁体。电流线圈使热双金属元件或永磁体加热，其在达到适当的温度后促使磁衔铁移动，这使热释放器的磁路闭合并且激活对于主断路器触点的额外断开机构。呈现的技术方案包括用于释放断路器的两个独立机构，这使释放器的设计复杂化并且延长了断路器的电流路径。

发明内容

用于电力断路器的热磁释放机构的要素包括电路和磁路，二者与断路器的驱动机构机械连接且电连接，其中磁路包括永磁体和连接到它的极的由软磁材料制成的元件，这些元件是磁路的轭（磁路衔铁定位在其之间），该衔铁是由两个可分离的芯制成的电磁体，一个不可移动并且一个可移动，各自与相应的一对轭连接并且在释放机构的闭合状态时彼此迎面接触。芯由铁磁材料制成，该铁磁材料在被加热到居里温度（T_C）以上时使它的特性从铁磁变成顺磁。电磁体的线圈在线圈的可分离元件上关于两个可分离元件在彼此相反的方向上缠绕。

优选地，电磁体的可移动芯与磁路的通过枢轴固定到永磁体的极的轭永久连接。

优选地，具有小于电磁体芯的元件之间的吸引力（其由永磁体产生）的拉力的拉伸弹簧固定到通过枢轴而固定到永磁体的极的轭。

备选地，电磁体的可移动芯与磁路的永久固定到永磁体的极的轭能滑动地连接，并且它与位于轭开口中并且突出到轭外表面之外的推杆的一端永久连接。

优选地，在突出到轭外表面之外的推杆上，定位有拉伸弹簧，其一端靠在轭的外表面上并且另一端靠在固定到推杆另一端的电阻元件上。拉伸弹簧的张力小于电磁体的芯之间由永磁体产生的吸引力。

优选地，电磁体的芯由居里温度T_C在从60至150℃的范围之中的材料制成。

优选地，电磁体的芯由以下制成：软磁材料的烧结物或铁粉，采用纳米或微米大小的铁磁微粒的粉末、烧结物、悬浮或其他形式的形式的超顺磁材料，钆基合金或复合物，钙钛矿结构。

优选地，线圈（11a，11b）的匝数是不同的。

优选地，定位在不可移动芯上的电磁体线圈凭借导热膏或水泥而与该芯连接。

根据本发明的热磁释放机构的优势是它允许用对受保护电路的短路以及过载都作出反应的一个机构来代替两个独立释放机构的简单设计。这导致保护断路器中的电流路径的简化。释放机构能适用于需要小尺寸的释放机构以及简化封闭在断路器（其保护电路）中的电流路径的断路器。

附图说明

本发明的主旨在图中作为实施例呈现，其中

图1示意地示出保护系统，其具有包含根据本发明的释放机构的断路器，

图2－在本发明的第一实施例中处于闭合状态的释放机构，

图3－在本发明的第一实施例中处于断开状态的释放机构，

图4－在本发明的第二实施例中处于闭合状态的释放机构，

图5－在本发明的第二实施例中处于断开状态的释放机构。

具体实施方式

保护系统包括电源1、断路器2和受保护能量接收器6。该电源1通过导体3a和释放机构4、4'而与断路器2连接。断路器2通过导体3b而与受保护接收器6电连接。接收器6通过导体3c而与电源1连接。电源1、导体3a、释放机构4、4'、断路器2、导体3b、接收器6和导体3c在一起形成闭合电路。释放机构4、4'采用磁路的形式构造。断路器2与驱动元件5（其优选地与释放机构4、4'机械连接）连接并且它与受保护接收器6电连接。断路器2、驱动元件5和释放机构4、4'可以定位在共同外壳7中。

释放机构4、4'包含永磁体8，其极与由软磁材料制成的元件（其形成释放机构的磁路的轭）连接，第一不可移动轭9a与永磁体8的第一极永久连接并且第二可移动轭9b与永磁体8的第二极旋转连接（如在本发明的第一实施例中），或第一不可移动轭9a与永磁体8的第一极永久连接，并且第二不可移动轭9b'与永磁体8的第二极永久连接（如在本发明的第二实施例中）。轭9a、9b和9b'具有由软磁材料制成的板（其处于彼此相对）的形式。在轭9a与9b或9a与9b'之间定位有释放机构4、4'的磁路的衔铁，其在本发明的第一实施例中是由两个芯10a、10b形成的电磁体10，或在本发明的第二实施例中是10a和10b'。与断路器2并且通过导体3a与电源1电连接的电线圈11a和11b在彼此相反的方向上缠绕在芯10a和10b上，或在芯10a和10b'上。线圈11a直接缠绕在芯10a上或它凭借导热水泥或导热膏（其未在图中示出）而固定。线圈11b采用芯可以在线圈内部自由移动并且线圈11b的缠绕方向与线圈11a的缠绕方向相反这样的方式缠绕在芯10b或10b'上。电磁体的芯10a、10b、10b'由软磁铁磁材料制成，其在超出居里温度T_C后使它的特性从铁磁变成顺磁。在居里温度T_C以下的温度，电磁体芯10a、10b、10b'表现为铁磁体并且它们对由永磁体8产生的磁通呈现便利的路径，即它们具有低磁阻。当超出居里温度T_C时，电磁体芯10a、10b、10b'使它的磁阻增加并且中断由永磁体8产生的磁通的路径。在释放机构4、4'中，电磁体10的芯10a、10b、10b'由居里温度T_C在从60℃至150℃的范围内的铁磁材料制成。下列材料具有这样的性质：

－铁粉或烧结的软磁材料（即氧化铁、镁、镍和锌），其居里温度T_C高于60℃并且低于150℃，

－超顺磁体，即铁磁性铁、钴、铬、镍、钆的粉末、烧结材料、悬浮或其他形式，采用纳米或微米大小，其在高于60℃且低于150℃的居里温度T_C示出经过铁磁到顺磁态的效应，

－钆基合金或复合物，

－钙钛矿结构，例如铁磁陶瓷，即具有近似120℃的居里温度T_C的钛酸钡。

在本发明的第一实施例中，不可移动轭9a永久固定到永磁体8的其中一个极。可移动轭9b凭借枢轴12采用轭9b可以在枢轴12的旋转轴线周围的有限范围内旋转而不失去与永磁体8的接触这样的方式固定到永磁体8的另一极。磁芯10a和10b采用在释放机构4的闭合状态时芯的自由端彼此迎面接触这样的方式永久附连到轭9a和9b的自由端。在芯10a和10b上，存在在彼此相反方向上缠绕的电线圈11a和11b（优选地是铜线），其与导体3a和断路器2电接触。线圈11a、11b用于在芯10a和10b中产生磁场。电线圈11a和11b彼此相反缠绕方向意指磁芯10a上的线圈11a在一个方向上缠绕，并且磁芯10b上的线圈11b在相反方向上缠绕，并且由此，线圈11a以与线圈11b所磁化的芯10b的磁极化相反的磁极化来使芯10a磁化。相反磁化的芯将互相排斥并且排斥力将取决于流过线圈11a和11b的电流值。永磁体8、软磁材料的轭9a、9b和芯10a、10b形成磁路，其在芯10a、10b彼此接触（即在释放机构的闭合时）时闭合。拉伸弹簧13固定到可移动轭9b，其一端永久连接到断路器外壳，其未在图中示出。根据磁路（其形成由永磁体8产生的磁通的磁路径）的可移动轭9b的位置改变，磁芯10a和10b可以彼此接触或断开。磁通（其源是永磁体8）产生这样的磁吸引力，使得可移动轭9b的芯10b被吸引并且迎面接触磁路的不可移动轭9a的芯10a。附连到可移动轭9b的弹簧13的拉力对抗由永磁体8产生的磁吸引力。由芯10a和10b产生的排斥力也对抗磁吸引力。如果弹簧13的拉力与芯10a和10b的互斥相比小于由永磁体8引起的磁吸引力，则磁路保持闭合，即它保持在释放机构4的闭合状态－图2。

根据本发明的第一实施例的释放机构4的操作原理取决于引起释放机构的动作的因素类型并且它在由断路器保护的系统中在出现短路的情况下和出现过载的情况下是不同的。

在短路的情况下，释放机构4采用下列方式操作。

当短路电流流过线圈11a和11b，线圈11a在电磁体的第一芯10a中产生磁场并且线圈11b在电磁体的另一个芯10b中产生磁场。当线圈的两个部分在彼此相反的方向上缠绕时，在两个芯10a和10b中产生的磁场（由于相同的电流的流动而产生）也将在彼此相反的方向上被引导。两个芯中相反引导的磁场将互相排斥，从而形成磁场排斥力，在图中由箭头F_C指示。如果两个芯10a和10b中的力F_C大于由永磁体8产生的并且减去弹簧13的拉力（在图中由箭头F_S指示）的这些芯的磁吸引力（在图中由箭头F_M指示），则芯10a和10b将互相排斥，并且可移动轭9b连同芯10b和推杆15一起将绕枢轴12的旋转轴线转动角度α－图3。轭9b的旋转和推杆15的位置改变激活断路器2的驱动器5。

在过载的情况下，释放机构4采用下列方式操作。

负载电流流过电线圈11a和11b，其由具有比电阻的导体（例如，铜线）制成。负载电流通过线圈11a和11b的流动导致采用热形式耗散的功率损失。发热量取决于接收器6的负载电流的强度。电流强度的增加使发热量增加，其影响线圈11a和11b的温度增加。因为线圈11a和11b缠绕在芯10a和10b上，这些芯10a和10b从它们加热。大于额定电流的负载电流将使芯10a、10b更强烈地加热。如果芯10a、10b的温度增长到居里温度T_C以上，芯10a、10b将经过铁磁态到顺磁态，从而使磁路（由永磁体8产生的磁通通过该磁路而闭合）的磁阻增加。因此，由永磁体8产生的磁通减小并且芯10a和10b的磁吸引力（在图中由箭头F_M指示）减小。如果力F_M小于弹簧13的拉力（在图中由箭头F_S指示），则可移动轭9b连同芯10b和推杆15一起绕枢轴12的旋转轴线转动角度α－图3。轭9b的转动和推杆15的位置改变致动断路器2的驱动器5。

在本发明的第二实施例中，另一端与芯10a永久连接的不可移动轭9a（由软磁材料制成）永久连接到永磁体8的一个极。永磁体8的另一极与第二不可移动轭9b'永久连接。在轭9b'中存在开口14，可移动芯10b'可移动通过该开口。磁通（其源是永磁体8）产生这样的磁吸引力，使得不可移动轭9b'的可移动芯10b'被吸引并且迎面接触磁路的轭9a的不可移动芯10a。在这样的情况下，对于由永磁体8产生的通量形成闭合磁路。芯10b'具有附连到它的机械元件15，其采用在其上定位伸展弹簧16的推杆或拉杆的形式。利用它的一端，伸展弹簧靠在轭9b'的外表面上，并且另一端靠在电阻元件17（其固定到推杆15的另一端）上。机械元件15传递弹簧16的张力，其试图使芯10b'朝轭9b'中的开口14移动并且中断由永磁体8产生的磁通的磁路。如果弹簧16的张力小于由永磁体8引起的磁吸引力，磁路保持闭合，即处于释放机构4'的闭合状态－图4。

根据本发明的第二实施例的释放机构4'的操作原理取决于引起释放机构动作的因素类型并且它在由断路器保护的系统中在出现短路的情况下和出现过载的情况下是不同的。

在短路的情况下，释放机构4采用下列方式操作。

当短路电流流过线圈11a和11b，线圈11a在电磁体的第一芯10a中产生磁场并且线圈11b在电磁体的另一个芯10b'中产生磁场。当线圈的两个部分在彼此相反的方向上缠绕时，在两个芯10a和10b'中产生的磁场（由于相同的电流的流动而产生）也将在彼此相反的方向上被引导。两个芯中相反引导的磁场将互相排斥，从而形成磁场排斥力，在图中由箭头F_C指示。如果两个芯10a和10b'中的力F_C大于由永磁体8产生的并且减去弹簧16的张力（在图中由箭头F_S指示）的磁吸引力（在图中由箭头F_M指示），则芯10a和10b'将互相排斥，并且可移动芯10b'将朝开口14移动距离x（在图中指示），同时使推杆15移到释放机构4'外部－图5。推杆15移位距离x激活断路器2的驱动器5。

在过载的情况下，释放机构4'采用下列方式操作。

负载电流流过电线圈11a和11b，其由具有比电阻的导体（例如，铜线）制成。负载电流通过线圈11a和11b的流动导致采用热形式耗散的功率损失。发热量取决于接收器6的负载电流的强度。电流强度的增加使发热量增加，其影响线圈11a和11b的温度增加。因为线圈11a和11b缠绕在芯10a和10b'上，这些芯10a和10b'从它们加热。大于额定电流的负载电流将使芯10a、10b更强烈地加热。如果芯10a、10b'的温度增长到居里温度T_C以上，芯10a、10b'将经过铁磁态到顺磁态，从而使磁路（由永磁体8产生的磁通通过该磁路而闭合）的磁阻增加。因此，由永磁体8产生的磁通减小并且芯10a和10b'的磁吸引力（在图中由箭头F_M指示）减小。如果力F_M小于弹簧16的张力（在图中由箭头F_S指示），可移动芯10b'将在图中朝开口14移动距离x，同时使推杆15移到释放机构4'的外部－图5。推杆15移位距离x致动断路器2的驱动器5。

对于两个实施例，轭9a、9b和9b'可采取与在本发明实施例的示例中描述的不同的形状。轭9a、9b和9b'可以是永磁体8的一部分，即它的极，或它们可以形成电磁体10的合适形状的磁芯。根据释放机构4、4'的操作需要，缠绕在芯10a、10b和10b'上的个体线圈11a、11b可以具有不同的匝数。

部件列表

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Claims (9)

1.一种用于电力断路器（2）的热磁释放机构（4，4'），其包括电路和磁路，所述电路和磁路与所述断路器的驱动机构（5）机械连接且电连接，

其中所述磁路包括永磁体（8）和连接到所述永磁体的极的软磁材料元件，所述软磁材料元件形成所述磁路的第一轭（9a）和第二轭（9b，9b'），所述磁路的衔铁定位在所述第一轭（9a）和第二轭（9b，9b'）之间，

其特征在于，

所述衔铁是由两个可分离的芯制成的电磁体（10），其中一个芯是与所述第一轭（9a）连接的不可移动的芯（10a）并且一个芯是与所述第二轭（9b，9b'）连接的可移动的芯（10b，10b'），所述两个可分离的芯在所述热磁释放机构（4，4'）的闭合状态时迎面彼此接触，并且

所述衔铁由铁磁材料制成，其在被加热到居里温度（T_C）以上时将其铁磁特性变成顺磁特性，并且所述电磁体（10）的线圈（11a，11b）在所述两个可分离的芯（10a，10b或10b'）上关于所述两个可分离的芯在彼此相反的方向上缠绕。

2.如权利要求1所述的热磁释放机构，其特征在于，所述电磁体（10）的可移动的芯（10b）与所述磁路的通过枢轴固定到所述永磁体（8）的极的所述第二轭（9b）永久连接。

3.如权利要求2所述的热磁释放机构，其特征在于，具有小于所述电磁体的所述两个可分离的芯（10a，10b）之间的磁吸引力（F_M）的拉力（F_S）的拉伸弹簧（13）附连到所述磁路的所述第二轭（9b），所述磁吸引力（F_M）由所述永磁体（8）产生。

4.如权利要求1所述的热磁释放机构，其特征在于，所述电磁体（10）的可移动的芯（10b'）与所述磁路的永久固定到所述永磁体（8）的极的所述第二轭（9b'）能滑动地连接，并且所述可移动的芯（10b'）与位于所述第二轭（9b'）的开口（14）中并且突出到所述第二轭（9b'）的外表面之外的推杆（15）的一端永久连接。

5.如权利要求4所述的热磁释放机构，其特征在于，所述推杆（15）上定位有伸展弹簧（16），所述伸展弹簧（16）一端靠在所述第二轭（9b'）的外表面上并且另一端靠在固定到所述推杆（15）的另一端的电阻元件（17）上，所述伸展弹簧（16）的张力（F_S）小于所述电磁体（10）的所述两个可分离的芯（10a，10b'）之间的由所述永磁体（8）产生的磁吸引力（F_M）。

6.如权利要求1-5中任一项所述的热磁释放机构，其特征在于，所述两个可分离的芯（10a，10b，10b'）由居里温度T_C在60℃至150℃的范围中的材料制成。

7.如权利要求1-5中任一项所述的热磁释放机构，其特征在于，所述电磁体（10）的所述两个可分离的芯由以下其中之一制成：

软磁材料的烧结物或铁粉；

超顺磁材料，选自以下其中之一：采用纳米或微米大小的铁磁微粒的粉末、烧结物或悬浮；

钆基合金或复合物；或

钙钛矿结构的材料。

8.如权利要求1-5中任一项所述的热磁释放机构，其特征在于，在所述两个可分离的芯上缠绕的所述线圈（11a，11b）的匝数是不同的。

9.如权利要求1-5中任一项所述的热磁释放机构，其特征在于，所述线圈其中之一（11a）凭借导热膏或水泥而与所述电磁体的所述不可移动的芯（10a）连接。