CN104332365A - 选择性保护式微型断路器的短延时脱扣机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的选择性保护式微型断路器的短延时脱扣机构，属于断路器制造的技术领域，包括电磁机构、触头连杆机构以及与其装配在一起的主触头、阻碍触头连杆机构运动的承载扭簧，电磁机构包括：动铁心、静铁心、电磁线圈、运动顶杆、外磁轭支撑架、载荷分界板、第一弹簧、第二弹簧、V型平面槽，承载扭簧，承载扭簧固定架、第一连接轴、第二连接轴和第三连接轴，采用载荷分界板和第一弹簧或第二弹簧力结合以及与承载扭簧的V型平面槽运动的协调配合结构形式，解决了电磁机构E、CS特性下的短路延时脱扣动作不准的问题。

Description

选择性保护式微型断路器的短延时脱扣机构
技术领域
本发明涉及一种脱扣机构，尤其是选择性保护式微型断路器的短延时脱扣机构，属于断路器制造的技术领域。
背景技术
我国正在建设以“坚强、互动、自愈、优质、兼容、协调”为主要特征的智能电网，从而对用电安全性、可靠性和连续性提出了更高的要求。在终端配电系统中，级联配合的微型断路器（MCB，Miniature Circuit Breaker）在出现短路故障时会发生越级跳闸现象，极大地影响了供电系统的连续性、稳定性和可靠性。选择性保护式微型断路器（SMCB，Selective protection of Miniature Circuit Breaker）就是为克服这一问题而发展起来的一种新型低压开关电器，它提升了级联匹配方面的性能，真正实现了终端配电系统的全电流范围选择性保护。
电磁机构能否瞬间产生较大的出力特性，E特性、CS等特性下能否有效控制动作的阈值点，短路条件下能否瞬间顶开触头连杆机构使主触头快速斥开等运动特性，是决定SMCB主触头能否成功开断，从而实现选择性保护的关键。
然而，目前SMCB的电磁机构的设计更多的还是凭借工程师的经验，通过样机制作和大量试验来确定方案，导致无法精确确定动静铁心间的电磁力、运动顶杆与触头连杆机构中连杆平面支撑端面的摩擦力以及承载扭簧的扭力能否达到最优的力学配合特性，从而最终导致短路延时的E特性下的短路电流为5In（额度电流）时电磁机构不动作，短路电流为6.25In时电磁机构立即动作，CS特性下短路电流为6.5In电磁机构不动作，短路电流为10In时立即动作的保护特性失败，严重影响SMCB的整体工作性能。
现有的选择性保护式微型断路器电磁机构有以下缺点：在配电系统发生短路电流时，电磁机构不能很精确的控制达到E或CS特性下5In或6.5In（额度电流）时不动作，6.25In或10In（额度电流）必须顶开并可达到最大开距，且应有较小电磁力下的保持效果。本发明旨在对上述问题予以解决。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种选择性保护式微型断路器的短延时脱扣机构，通过载荷分界板与第一弹簧的配合或者载荷分界板与第二弹簧的配合，使得运动顶杆与连杆平面支撑结构延伸端面的摩擦力以及承载扭簧的扭力与电磁机构的电磁顶力最优配合，实现主触头的可靠斥开。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案。
选择性保护式微型断路器的短延时脱扣机构，包括电磁机构、触头连杆机构、阻碍触头连杆机构运动的承载扭簧，其中，电磁机构包括：动铁心以及缠绕在其外围的电磁线圈，静铁心，包围在动铁心外部的外磁轭支撑架，运动顶杆，静铁心的一个端面通过与外磁轭支撑架连接固定于外壳中，动铁心通过运动顶杆固定支撑在外壳中，电磁机构还包括：载荷分界板、第一弹簧、第二弹簧、第二连接轴，外磁轭支撑架延伸有垂直板，垂直板上安装有第一连接轴，所述触头连杆机构安装在第二连接轴上且包括：连杆平面支撑结构和连杆垂直支撑结构，载荷分界板通过第一连接轴和外磁轭支撑架连接，第一弹簧的一端固定在外磁轭支撑架垂直板上，第一弹簧另一端固定在载荷分界板上，第二弹簧一端固定在载荷分界板上，第二弹簧另一端固定在连杆垂直支撑结构上。
作为所述选择性保护式微型断路器的短延时脱扣机构的进一步优化方案，脱扣机构还包括：安装在第二连接轴上的V型平面槽以及第三连接轴，承载扭簧固定架具有容纳V型平面槽的空间，承载扭簧固定架固定在第二连接轴与第三连接轴上，承载扭簧一端固定在第三连接轴上，承载扭簧另一端固定在V型平面槽内壁面上。
作为所述选择性保护式微型断路器的短延时脱扣机构的进一步优化方案，动铁心的高度加上动铁心与静铁心之间气隙高度之和需大于或等于外磁轭支撑架的下端面到静铁心下端面的高度，以实现动铁心与静铁心之间的高密度聚磁效果。
作为所述选择性保护式微型断路器的短延时脱扣机构的进一步优化方案，连杆平面支撑结构延伸有与载荷分界板面接触的端面，以实现运动顶杆和载荷分界板向上运动的摩擦阻力最小的机构特性。
作为所述选择性保护式微型断路器的短延时脱扣机构的进一步优化方案，V型平面槽的内部平面为光滑端面，承载扭簧的一端扭臂置于V型平面槽内，可有效调整承载扭簧的扭矩承载体，实现在驱动机构下的点在平面上运动，使其趋于动态平衡的最优有效扭角，可提高主触头的斥开速度。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：精确控制了动静铁心间的电磁力、运动顶杆与触头连杆机构中连杆平面支撑端面的摩擦力以及连杆机构承载扭簧的扭力之间的最优力学配合，提高了配电系统中短路电流下的短路保护延时的脱扣准确性，进而有效地提高了选择性保护式微型断路器的工作可靠性。
附图说明
图1（a）为选择性保护式微型断路器的短延时脱扣机构立体结构示意图，图1（b）为第一弹簧、第二弹簧和载荷分界板、触头连杆机构装配结构的局部放大图。
 图2（a）、图2（b）分别为V型平面槽的剖面图、承载扭簧固定架的立体图。
图3为载荷分界板和第一弹簧配合结构示意图。
图4为载荷分界板和第一弹簧配合结构后运动顶杆动作示意图。
 图5为载荷分界板和第二弹簧配合结构示意图。
 图6为载荷分界板和第二弹簧配合结构后运动顶杆动作示意图。
 图7（a）动铁心的高度加上动铁心与静铁心之间气隙高度之和小于外磁轭支撑架的下端面到静铁心下端面高度的结构模型磁场分布图，图7（b）为图7（a）所对应的结构模型位移-电磁力趋势图，图7（c）为动铁心的高度加上动铁心与静铁心之间气隙高度之和大于外磁轭支撑架的下端面到静铁心下端面高度的结构模型磁场分布图、图7（d）为图7（c）所对应的结构模型位移-电磁力趋势图。
图中标号说明：1、动铁心，2、静铁心，3、主触头，4、线圈，5、运动顶杆，6、外磁轭支撑架，7、载荷分界板，8、第一弹簧，9、第二弹簧，10、触头连杆机构，10a、连杆平面支撑结构，10b、连杆垂直支撑结构，11、V型平面槽，12、承载扭簧，13、承载扭簧固定架，14、第一连接轴，15、第二连接轴，16、第三连接轴。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。本发明实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
选择性保护式微型断路器的短延时脱扣机构立体结构示意图如图1（a）所示，包括动铁心1、静铁心2、电磁线圈4、运动顶杆5、外磁轭支撑架6、载荷分界板7、第一弹簧8、第二弹簧9、触头连杆机构10、V型平面槽11、承载扭簧12、承载扭簧固定架13、第一连接轴14、第二连接轴15和第三连接轴16，其中触头连杆机构10包括连杆平面支撑结构10a和连杆垂直支撑结构10b。电磁线圈4缠绕在动铁心1外围，外磁轭支撑架6包围在动铁心1外部，主触头3与触头连杆机构10装配在一起，静铁心2的一个端面通过与外磁轭支撑架6连接固定于外壳中，动铁心1通过运动顶杆5、载荷分界板7和微型断路器的外壳支撑固定。外磁轭支撑架6延伸有垂直板，垂直板上安装有第一连接轴14，触头连杆机构10安装在第二连接轴15上。如图1（b）所示，载荷分界板7通过第一连接轴14和外磁轭支撑架6连接，第一弹簧8的一端固定在外磁轭支撑架6垂直板上，第一弹簧8另一端固定在载荷分界板7上，第二弹簧9一端固定在载荷分界板7上，第二弹簧9另一端固定在连杆垂直支撑结构10b上。如图2（a）所示的V型平面槽11、如图2（b）所示的承载扭簧固定架13安装在第二连接轴15与第三连接轴16上，承载扭簧12一端固定在第三连接轴16上，承载扭簧12另一端固定在V型平面槽11内壁面上。
配电系统正常工作时，微型断路器主触头3处于合闸位置，电磁机构不动作。配电系统发生短路时，当短路电流为5In或6.5In额定电流时，电磁机构中动铁心1与静铁心2之间产生的电磁力小于载荷分界板7的重力和第一弹簧8或第二弹簧9的弹性力之和，当短路电流为6.25In或10In额定电流时，电磁机构中动铁心1与静铁心2之间产生的电磁力大于载荷分界板7的重力和第一弹簧8或第二弹簧9的弹性力之和，通过运动顶杆5瞬间顶开触头连杆机构的连杆平面支撑结构10a，并运动到最大开距，使微型断路器主触头断开。
载荷分界板7、第一弹簧8和第二弹簧9的有两种结构配合形式，当载荷分界板7重力较轻时，第一弹簧8和载荷分界板7配合的结构形式，配合结构示意图如图3所示。当载荷分界板7较轻时，其满足E或CS特性下5In或6.25In（额度电流）时不动作的初始力能特性由载荷分界板7和第一弹簧8的拉力的合力承担。为了降低由于第一弹簧8在运动顶杆5运动过程中的拉力越来越大的问题，在结构装配的时候，采取了第一弹簧8靠近第一连接轴14安装的特点，使运动顶杆5的运动过程距离相对于第一连接轴14大于第一弹簧8相对于第一连接轴14的运动距离，从而使第一弹簧8在运动顶杆5的运动过程中线性增加的弹性力很小；此外，为降低运动顶杆5和载荷分界板7向上运动过程中的摩擦阻力，连杆平面支撑结构10a的下端面结构形状为平行的端面，以实现运动顶杆5和载荷分界板7向上运动的摩擦阻力最小的机构特性；同时，为降低运动顶杆5和载荷分界板7向上运动过程中的承载扭簧12扭矩的增加，构建一个V型平面槽11，且使V型平面槽11与第二连接轴15相连，V型平面槽11的内部平面为光滑端面，承载扭簧12的一端扭臂置于V型平面槽11内，可有效调整运动顶杆5和载荷分界板7向上运动过程时承载扭簧的扭矩承载体，实现在驱动机构下的点在平面上运动，使其趋于扭矩动态平衡的最优有效扭角。从而综合这个摩擦阻力加上承载扭簧的扭力和电磁机构的电磁顶力相互最优配合，更易实现E或CS特性下6.5In或10In（额度电流）动作的脱扣特性。
其载荷分界板7和第一弹簧8配合结构后运动顶杆动作示意图如图4所示。运动原理为：当短路电流为6.25In（额度电流）时或10In（额度电流）时，动铁心1与静铁心2之间产生电磁力，此电磁力克服载荷分界板7和第一弹簧8的拉力的合力，动铁心推动运动顶杆5向上运动，当接触到连杆平面支撑结构10a，此电磁力克服载荷分界板7和第一弹簧8的拉力的合力，再加上承载扭簧12的扭力（此时，承载扭簧在V型平面槽光滑内壁面上运动），运动顶杆5推动载荷分界板7继续向上运动，触头连杆机构10带动主触头3向断开位置运动，主触头3直到开距达到最大位置。
当载荷分界板7重力较重时，第二弹簧9和载荷分界板7配合的结构形式，配合结构示意图如图5所示。当载荷分界板7较重时，其满足E或CS特性下5In或6.25In（额度电流）时不动作的初始力能特性由载荷分界板7和第二弹簧9的拉力的合力承担。第二弹簧9的一端固定于载荷分界板7左侧面，第二弹簧9的另一端固定于触头连杆机构的连杆垂直支撑结构10b上，第二弹簧9的装配结构形式在运动顶杆5和载荷分界板7向上运动过程中呈现出向上的拉力趋势，且随运动距离的增加，弹性力减小的趋势。更有利于实现E或CS特性下6.5In或10In（额度电流）动作的脱扣特性。
其载荷分界板7和第二弹簧9配合结构后运动顶杆动作示意图如图6所示。运动原理为：当短路电流为6.25In（额度电流）时或10In（额度电流）时，动铁心1与静铁心2之间产生电磁力，此电磁力克服载荷分界板7和第二弹簧9的拉力的合力，动铁心推动运动顶杆5向上运动，当接触到连杆平面支撑结构10a，此电磁力克服载荷分界板7和第二弹簧9的拉力的合力，再加上承载扭簧12的扭力（此时，承载扭簧在V型平面槽光滑内壁面上运动），运动顶杆5推动载荷分界板7继续向上运动，触头连杆机构10带动主触头3向断开位置运动，主触头3直到开距达到最大位置。
动铁心1的高度加上动铁心1与静铁心2之间气隙高度之和需大于或等于外磁轭支撑架6的下端面到静铁心2下端面的高度，以实现动铁心1与静铁心2之间的高密度聚磁效果。如图7（a）所示为动铁心1的高度加上动铁心1与静铁心2之间气隙高度之和小于外磁轭支撑架6的下端面到静铁心2下端面的高度的磁场分布，从该磁场分布可以看出当运动顶杆5和载荷分界板7向上运动过程中，当动铁心1与静铁心2之间气隙为1.7mm时，此时的电磁力只为13.61N，且动铁心1与外磁轭支撑架6支间的漏磁增加，导致电磁力应该是逐渐增加的趋势突然出现一个最低值的电磁力，这个突然降低的电磁力可导致短路短延时保护失败，损坏选择性保护式微型断路器的主触头机构，其位移-电磁力的趋势图如图7（b）所示。为了解决这个漏磁问题，通过改进动铁心1、静铁心2以及外磁轭支撑架6的结构形式，使动铁心1的高度加上动铁心1与静铁心2之间气隙高度之和大于外磁轭支撑架6的下端面到静铁心2下端面的高度，如图7（c）所示为其磁场分布图，当动铁心1与静铁心2之间气隙为1.7mm时，此时的电磁力为28.05N，从而使当运动顶杆5和载荷分界板7向上运动过程中，电磁力是逐渐增加的趋势，最终实现短路短延时的保护特性，其位移-电磁力的趋势图如图7（d）所示。

Claims (5)

1.选择性保护式微型断路器的短延时脱扣机构，包括：电磁机构、触头连杆机构（10）、阻碍触头连杆机构（10）运动的承载扭簧（12），其中，电磁机构包括：动铁心（1）以及缠绕在其外围的电磁线圈（4），静铁心（2），包围在动铁心（1）外部的外磁轭支撑架（6），运动顶杆（5），静铁心（2）的一个端面通过与外磁轭支撑架（6）连接固定于外壳中，动铁心（1）通过运动顶杆（5）固定支撑在外壳中，其特征在于：所述电磁机构还包括：载荷分界板（7）、第一弹簧（8）、第二弹簧（9）、第二连接轴（15），外磁轭支撑架（6）延伸有垂直板，垂直板上安装有第一连接轴（14），所述触头连杆机构（10）安装在第二连接轴（15）上且具有连杆平面支撑结构（10a）和连杆垂直支撑结构（10b），载荷分界板（7）通过第一连接轴（14）和外磁轭支撑架（6）连接，第一弹簧（8）的一端固定在外磁轭支撑架（6）垂直板上，第一弹簧（8）另一端固定在载荷分界板（7）上，第二弹簧（9）一端固定在载荷分界板（7）上，第二弹簧（9）另一端固定在连杆垂直支撑结构（10b）上。
2.如权利要求1所述选择性保护式微型断路器的短延时脱扣机构，其特征在于，所述脱扣机构还包括：安装在第二连接轴（15）上的V型平面槽（11）以及第三连接轴（16），承载扭簧固定架（13）具有容纳V型平面槽（11）的空间，承载扭簧固定架（13）固定在第二连接轴（15）与第三连接轴（16）上，承载扭簧（12）一端固定在第三连接轴（16）上，承载扭簧（12）另一端固定在V型平面槽（11）内壁面上。
3.如权利要求1或2所述选择性保护式微型断路器的短延时脱扣机构，其特征在于：动铁心（1）高度与动铁心（1）与静铁心（2）之间气隙高度之和大于或等于外磁轭支撑架（6）下端面到静铁心（2）下端面之间的高度。
4.如权利要求1或2所述选择性保护式微型断路器的短延时脱扣机构，其特征在于：所述连杆平面支撑结构（10a）延伸有与载荷分界板（7）面接触的端面。
5.如权利要求2所述选择性保护式微型断路器的短延时脱扣机构，其特征在于：V型平面槽（11）内壁面为使与其连接承载扭簧（12）端头在驱动杆作用下实现点在平面运动的光滑端面。
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