CN104599910B - 断路器的弹簧机构 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种断路器的弹簧机构，包括两根并列设置的弹簧，弹簧机构提供弹簧力使得断路器能够分闸或合闸、或者将断路器保持在脱扣位置，两根并列设置的弹簧包括：主弹簧和次弹簧。主弹簧提供分闸和合闸的弹簧力，次弹簧提供将断路器保持在脱扣位置的弹簧力。主弹簧的弹簧力大于次弹簧的弹簧力，主弹簧的体积大于次弹簧的体积。本发明的弹簧机构适用于塑壳断路器，特别是小型化、经济型的塑壳断路器，通过配置大小不等的两个弹簧，在保证弹簧功能的前提下减小了弹簧机构的体积，从而减小断路器的整体体积。

Description

断路器的弹簧机构
技术领域
本发明涉及低压电器领域，更具体地说，涉及塑壳断路器。
背景技术
塑壳断路器通过其操作机构可以实现几个动作：分闸（再扣）、合闸、脱扣。塑壳断路器的操作机构的运动通过弹簧机构实现，弹簧机构控制断路器的运动。一般对于200A以上电流的塑壳断路器，都采用两根相同弹簧，两根弹簧并排设置形成弹簧机构，弹簧机构实现断路器的各个动作。
图1揭示了现有技术中采用的弹簧机构的结构图。如图1所示，现有技术中的弹簧机构100采用并列设置的两根相同的弹簧。这两根弹簧提供分闸（再扣）/合闸时候的弹簧力，让断路器的操作机构能够快速分/合闸，起到快速动作保护电路的作用。在脱扣的时候，弹簧机构还起到将断路器保持在脱扣位置的作用。
为了保证弹簧机构在运动的过程中有充分的空间，断路器的内部空间的长宽高必须包含弹簧机构运动到各个位置的所有路径，所以断路器的最终体积受到弹簧机构大小的直接影响。弹簧机构的体积越大，那么断路器的体积也越大，如果能够缩小弹簧机构的体积，那么就能够缩小断路器的体积，满足断路器小型化的需求。
发明内容
本发明旨在提出一种弹簧机构，通过设置大小不等的弹簧来减小弹簧机构的体积。
根据本发明的一实施例，提出一种断路器的弹簧机构，包括两根并列设置的弹簧，弹簧机构提供弹簧力使得断路器能够分闸或合闸、或者将断路器保持在脱扣位置，两根并列设置的弹簧包括：主弹簧和次弹簧。主弹簧提供分闸和合闸的弹簧力，次弹簧提供将断路器保持在脱扣位置的弹簧力。主弹簧的弹簧力大于次弹簧的弹簧力，主弹簧的体积大于次弹簧的体积。
在一个实施例中，主弹簧的中径和线径都大于次弹簧的中径和线径。
在一个实施例中，将现有技术中采用的两根相同的弹簧作为基准弹簧，则：主弹簧的中径和拉伸量小于一基准弹簧的中径和拉伸量，主弹簧的剪切弹性模量和线径等于基准弹簧的剪切弹性模量和线径，主弹簧的圈数被调整以使得主弹簧的弹簧力大于基准弹簧的弹簧力。次弹簧的中径和线径小于一基准弹簧的中径和线径，次弹簧的剪切弹性模量等于基准弹簧的剪切弹性模量，次弹簧的拉伸量和圈数被调整以使得次弹簧的弹簧力小于基准弹簧的弹簧力。主弹簧的中径小于一基准弹簧的中径，主弹簧的线径等于基准弹簧的线径，主弹簧的许用应力大于基准弹簧的许用应力，主弹簧的允许极限负荷大于基准弹簧的允许极限负荷。次弹簧的中径、线径和许用应力均小于基准弹簧的中径、线径和许用应力，次弹簧的允许极限负荷小于基准弹簧的允许极限负荷。主弹簧和次弹簧的体积均小于基准弹簧。
本发明的弹簧机构适用于塑壳断路器，特别是小型化、经济型的塑壳断路器，通过配置大小不等的两个弹簧，在保证弹簧功能的前提下减小了弹簧机构的体积，从而减小断路器的整体体积。
附图说明
本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
图1揭示了现有技术中采用的弹簧机构的结构图。
图2揭示了弹簧的各项参数指标。
图3揭示了根据本发明的断路器的弹簧机构的结构图。
具体实施方式
下面首先结合图2介绍本发明的理论原理。图2揭示了弹簧的各项参数指标。包括中径D2、线径d、原长l0。
弹簧拉力计算公式如下：
P=F×P'
其中，
P是弹簧力，即工作负荷；
F是弹簧拉伸量；
P’是弹簧刚度。
弹簧刚度P’的计算公式如下：
其中，
G为剪切弹性模量；
d为弹簧线径；
D2为弹簧中径；
n为弹簧的圈数。
本发明的基本设计思路是在不改变弹簧机构功效的情况下减小弹簧机构的体积。在现有技术中，弹簧机构包括两根相同的弹簧，共同起到使得断路器分闸或合闸、以及将断路器保持在脱扣位置的作用。
但实际上，使得断路器合闸或分闸所需要的弹簧力较大，而将断路器保持在脱扣位置所需要的弹簧力较小。所以，本发明的弹簧机构中的两根弹簧分别起到不同的作用，主弹簧起到控制弹簧力的作用，次弹簧起到控制弹簧长度的作用。主弹簧用于提供分闸（再扣）/合闸时候的弹簧力，让断路器的操作机构一旦过了死点之后能够快速分/合闸，起到快速动作保护电路的作用。次弹簧起到将断路器保持在脱扣位置的作用，当断路器处于脱扣位置时，主弹簧是是松弛的或者此时受到的拉力很小，所以此时的弹簧力主要由次弹簧来提供，将断路器保持在脱扣位置所需要的弹簧力比较小，所以次弹簧可以做得比较小。
此外，通过合理的参数设计，可以使得主弹簧在提供足够弹簧力的前提下也将体积缩小，这样主弹簧和次弹簧的体积比现有技术中的弹簧都小，可以有效减小弹簧机构和断路器的体积。
和传统技术中的两根相同的弹簧相比较，本发明的弹簧机构中使用一大一小两根不同的弹簧。各参数改变关系见下表：
因为主（大）弹簧的中径D2是三次方的反比，所以主弹簧的弹簧力相比基准弹簧是增大。此处的基准弹簧是以传统弹簧为准。
因为次（小）弹簧的线径d是四次方正比，中径D2是三次方的反比，所以线径d的影响大过中径D2，所以次弹簧的弹簧力相比基准弹簧是减小。
至于拉伸量F和圈数n，可以作适当的调整，比如减小或者增加，以确保主弹簧的弹簧力大于基准弹簧的弹簧力，而次弹簧的弹簧力小于基准弹簧的弹簧力。
在一个实施例中，主弹簧和次弹簧的弹簧力的总和与两根基准弹簧的弹簧力的总和基本一致。
弹簧的允许极限负荷的计算公式为：
其中：
PJ是弹簧的允许极限负荷
d是弹簧线径；
D2是弹簧中径；
τj是弹簧的许用应力。
和传统技术中的两根相同的弹簧相比较，本发明的弹簧机构中使用一大一小两根不同的弹簧。各参数改变关系见下表：
因为主（大）弹簧的许用应力τj增大，而中径D2是反比，所以主弹簧的允许极限负荷变大了，对产品设计没有不良影响。
因为次（小）弹簧的τj减小，线径d是三次方正比，中径D2是反比，所以设计需在次弹簧的允许极限负荷内，弹簧就不会在操作后永久变形，这一般都是可以达到的。
弹簧占用体积的计算
把基准弹簧的体积和本发明弹簧体积作对比，见下表：
其中原长l0是弹簧未被拉伸时的长度，长度l是弹簧被拉伸后的长度。
主（大）弹簧的中径D2，减小了，原长l0增大，就占用的空间来说，主弹簧的体积还是减小了。
次（小）弹簧的线径d、中径D2都减小了，所以占用的空间，即体积也减小了。
比起现有技术中的设计，本发明的弹簧机构的两根弹簧的零件体积都缩小了，在实际使用中，弹簧的运动是走过一路径的，这样其实减少了更加多的机构体积。因此可以设计出更小型化的断路器。
从弹簧力的角度分析，只要维持主（大）弹簧足够大，就可以满足机构分闸和合闸所需弹簧力的要求。而次（小）弹簧的弹簧力只要能在脱扣位置拉住机构保持在脱扣位置上即可。由此使得两个弹簧的体积相加比原来两根一样大的弹簧要有所减小。
由此，本发明提出一种断路器的弹簧机构，如图3所示，该弹簧机构300包括两根并列设置的弹簧，弹簧机构提供弹簧力使得断路器能够分闸或合闸、或者将断路器保持在脱扣位置，两根并列设置的弹簧包括主弹簧和次弹簧。主弹簧提供分闸和合闸的弹簧力。次弹簧提供将断路器保持在脱扣位置的弹簧力。主弹簧的弹簧力大于次弹簧的弹簧力，主弹簧的体积大于次弹簧的体积。
在一个实施例中，主弹簧的中径和线径都大于次弹簧的中径和线径。
将传统的两根相同的弹簧作为比较的基准，即基准弹簧，则本发明的主弹簧和次弹簧在参数上和基准弹簧存在如下的调整：
关于弹簧力：
主弹簧的中径和拉伸量小于一基准弹簧的中径和拉伸量，主弹簧的剪切弹性模量和线径等于基准弹簧的剪切弹性模量和线径，主弹簧的圈数被调整以使得主弹簧的弹簧力大于基准弹簧的弹簧力。
次弹簧的中径和线径小于一基准弹簧的中径和线径，次弹簧的剪切弹性模量等于基准弹簧的剪切弹性模量，次弹簧的拉伸量和圈数被调整以使得次弹簧的弹簧力小于基准弹簧的弹簧力。
关于弹簧的允许极限负荷：
主弹簧的中径小于一基准弹簧的中径，主弹簧的线径等于基准弹簧的线径，主弹簧的许用应力大于基准弹簧的许用应力，主弹簧的允许极限负荷大于基准弹簧的允许极限负荷。
次弹簧的中径、线径和许用应力均小于基准弹簧的中径、线径和许用应力，次弹簧的允许极限负荷小于基准弹簧的允许极限负荷。
关于弹簧体积：
主弹簧和次弹簧的体积均小于基准弹簧。
本发明的弹簧机构适用于塑壳断路器，特别是小型化、经济型的塑壳断路器，通过配置大小不等的两个弹簧，在保证弹簧功能的前提下减小了弹簧机构的体积，从而减小断路器的整体体积。
上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (7)

1.一种断路器的弹簧机构，包括两根并列设置的弹簧，弹簧机构提供弹簧力使得断路器能够分闸或合闸、或者将断路器保持在脱扣位置，其特征在于，所述两根并列设置的弹簧包括：
主弹簧，主弹簧提供分闸和合闸的弹簧力；
次弹簧，次弹簧提供将断路器保持在脱扣位置的弹簧力；
主弹簧的弹簧力大于次弹簧的弹簧力，主弹簧的体积大于次弹簧的体积。
2.如权利要求1所述的断路器的弹簧机构，其特征在于，所述主弹簧的中径和线径都大于次弹簧的中径和线径。
3.如权利要求1所述的断路器的弹簧机构，其特征在于，所述主弹簧的中径和拉伸量小于一基准弹簧的中径和拉伸量，所述主弹簧的剪切弹性模量和线径等于基准弹簧的剪切弹性模量和线径，所述主弹簧的圈数被调整以使得主弹簧的弹簧力大于基准弹簧的弹簧力。
4.如权利要求1所述的断路器的弹簧机构，其特征在于，所述次弹簧的中径和线径小于一基准弹簧的中径和线径，所述次弹簧的剪切弹性模量等于基准弹簧的剪切弹性模量，所述次弹簧的拉伸量和圈数被调整以使得次弹簧的弹簧力小于基准弹簧的弹簧力。
5.如权利要求1所述的断路器的弹簧机构，其特征在于，所述主弹簧的中径小于一基准弹簧的中径，所述主弹簧的线径等于基准弹簧的线径，所述主弹簧的许用应力大于基准弹簧的许用应力，所述主弹簧的允许极限负荷大于基准弹簧的允许极限负荷。
6.如权利要求1所述的断路器的弹簧机构，其特征在于，所述次弹簧的中径、线径和许用应力均小于基准弹簧的中径、线径和许用应力，所述次弹簧的允许极限负荷小于基准弹簧的允许极限负荷。
7.如权利要求1所述的断路器的弹簧机构，其特征在于，所述主弹簧和次弹簧的体积均小于一基准弹簧。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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GB1374768A (en) * 1972-04-24 1974-11-20 Dorman Smith Switchgear Ltd Electrical circuit breakers
CN2598124Y (zh) * 2003-01-15 2004-01-07 正泰集团公司 漏电脱扣器操作机构
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