CN105027246A - 用于双向直流的电弧室 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的断路器(10)包括一对可分离触头(14)和电弧室(70)。可分离触头(14)包括具有上表面(43)的固定触头(42)。电弧室(70)包括布置在可分离触头(14)的任一侧的磁性构件(84A，84B，84C)。磁性构件(84A，84B，84C)具有位于固定触头的上表面(43)下方的下表面(140)。

Description

用于双向直流的电弧室

对相关申请的交叉引用

本申请要求在2013年3月13日提交的美国专利申请序列号No.13/798,222的优先权并且主张其权益，该申请通过引用并入本文中。

技术领域

所公开的概念总体上涉及电气开关设备，更具体地涉及直流电气开关设备，例如直流断路器。所公开的概念还涉及一种直流电弧室，该直流电弧室包括具有布置在固定触头下方的下表面的磁性构件。

背景技术

可以将使用暴露在空气中的可分离触头的电气开关设备构造成打开载有可察觉电流的电源线路。这些电气开关设备例如断路器通常在触头分离时发生电弧放电，并且一般结合有电弧室例如电弧室组件，以帮助熄灭电弧。这样的电弧室组件通常包括多个导电板，所述导电板通过电绝缘壳体围绕可分离触头保持彼此隔开。电弧传递至电弧板，在该电弧板上电弧被拉伸并冷却直至熄灭。

已知的模壳断路器(MCCB)不是针对在直流(DC)应用中的使用特别设计的。当已知的交流(AC)MCCB被尝试用于DC应用中时，将多个电极以串联的方式电连接，以便基于期望的系统DC电压和系统DC电流来达到所要求的中断或切换性能。

在DC电流中断/切换中——尤其是在比较低的DC电流下——的一个挑战是：将电弧驱赶至消弧室。已知的DC电气开关设备使用永磁体来驱赶电弧至分弧板内。在已知的DC电气开关设备中与这种永磁体有关的已知问题包括：DC电气开关设备的单向操作，以及必须使用两个单独的电弧室来提供双向操作，这两个电弧室中的每一个都包括多个电弧板和一组触头。这些问题使得在不显著增加尺寸和成本的情况下非常难以针对常规DC单极MCCB实施永磁体设计。

可使用具有永磁体设置和单断操作的电气开关设备来实现双向DC切换和中断。例如，沿单个电弧室的两侧使用的两个永磁体板包括单独一组多个电弧板和一个永磁体或铁磁性中央屏障以提供双电弧室结构。得到的磁场驱赶电弧至双电弧室结构的一侧并且根据DC电流的方向相应地分割电弧。

这样的单个直流电弧室包括：铁磁基部，该铁磁基部具有第一端部和相对的第二端部；从该铁磁基部的第一端部设置出的第一铁磁侧构件；从该铁磁基部的相对的第二端部设置出的第二铁磁侧构件；从该铁磁基部设置出并处于第一和第二铁磁侧构件之间的第三铁磁构件；具有第一磁极的第一永磁体，该第一永磁体布置在第一铁磁侧构件上并且面对第三铁磁构件；以及具有该第一磁极的第二永磁体，该第二永磁体布置在第二铁磁侧构件上并且面对第三铁磁构件。

这样的电弧室依然可以改进。即，当在触头分离期间形成的电弧从触头移动至电弧板时，电弧会冲击在布置于触头的任一侧的用于磁性构件的壳体上。此外，电弧会经历边缘效应，这种边缘效应会阻碍电弧的传播。即，如果永磁体的下缘处于固定触头表面位置处或其附近，则由接近固定触头区域的永磁体生成的磁场要么显著减弱，要么反转其方向。该反转方向的磁场将沿反方向驱赶电弧离开消弧室。永磁体边缘附近的磁场的减弱或方向反转被称为边缘效应(fringing effect)。

因此，需要一种构造成控制电弧的行进路径的改进的电弧室。还需要与已有的断路器壳体兼容的这样的电弧室。

发明内容

这些需求以及其它需求通过所公开并要求保护的概念的至少一个实施例满足，其提供了一种电弧室，其中，布置在可分离触头的任一侧的磁性构件具有位于固定触头的上表面下方的下表面。在此构型中，消除了会阻碍电弧传播的边缘效应。此外，所公开并要求保护的概念的至少一个实施例提供了一种电弧室，其中，在可分离触头与电弧板之间布置有电弧流道，即附加的导电构件。该电弧流道比可分离的触头宽。这提供了用于电弧从触头移动至电弧流道并允许电弧与电弧板接合的更大表面。

所公开的概念依赖于所提及的元件的构型，即，所提及的元件的尺寸、形状和位置，来解决述及的问题。

附图说明

当结合附图阅读时，可从下文对优选实施例的描述充分理解所公开并要求保护的概念，在附图中：

图1是断路器的侧视截面图。

图2是断路器的等轴测分解仰视图。

图3是断路器的等轴测俯视图。

图4是固定触头组件的等轴测分解图。

图5是下部支承组件的等轴测详图。

图6是固定触头组件的端视图。

图7是固定触头组件的等轴测局部视图。

图8是固定触头组件的侧视图。

具体实施方式

如本文中所用的，“联接(coupled)”是指两个或更多元件之间的连结，不论是直接的还是间接的，只要发生连结即可。一个物体搁置在另一个物体上仅通过重力被保持就位并非“联接”到下方的物体，除非上方的物体以其它方式被基本保持就位。即，例如，桌子上的书没有联接至桌子，但胶粘至桌子的书联接至桌子。

如本文中所用的，“直接联接”是指两个元件彼此直接接触。

如本文中所用的，“固定地联接”或“固定”是指两个部件联接成一体地移动，同时相对于彼此维持不变的取向。类似地，以“固定的关系”布置的两个或更多元件是指两个部件相对于彼此维持基本上不变的取向。

如本文中所用的，用词“一体的(unitary)”是指作为单个零件或单元形成的部件。即，包括单独形成然后联接在一起作为一个单元的零件的部件不是“一体的”部件或体部。

如本文中所用的，“相关联的”是指述及的部件彼此相关、彼此接触、和/或彼此相互作用。例如，汽车具有四个轮胎和四个轮毂，每个轮毂都与特定轮胎“相关联”。又例如，断路器可包括一定对数的可分离触头，每对可分离触头可与类似的元件(例如但不限于电弧室)相互作用。因此，每对可分离触头具有“相关联的”电弧室。

如本文中所用的，当关于齿轮或其它具有齿的部件使用时，“接合”是指齿轮的齿彼此相互作用并且一个齿轮的转动引起另一个齿轮或另一个构件也转动/移动。如本文中所用的，当关于不具有齿的部件使用时，“接合”是指这些部件抵靠彼此被偏压。

本文中使用的方向用语，例如但非限制地，顶部、底部、左、右、上、下、前、后和其派生词涉及图中示出的元件的取向并且不对权利要求构成限制，除非其中明确说明。

如本文中所用的，“对应”表示两个结构部件的尺寸、形状或功能相似。关于一个部件插入另一个部件或另一个部件中的开口，“对应”是指这些部件的尺寸确定为以最少量的摩擦彼此接合或接触。因此，对应于一个构件的开口的尺寸确定为稍大于该构件以使得该构件能以最少量的摩擦穿过该开口。如果两个部件被表述为“紧贴地”配合在一起，则此定义被修改。在此情形中，部件之间的尺寸差异甚至更小，由此摩擦量增大。如果一个或多个部件有弹性，则“紧贴地对应的”形状可包括一个部件，例如，限定开口的部件，所述开口小于插入其中的部件。此外，如本文中所用的，“松弛地对应”是指槽或开口的尺寸确定为大于布置在其中的元件。这意味着槽或开口的增大的尺寸是有意的并且大于制造公差。

如本文中所用的，“磁性构件”是指至少一个构件是永磁体并且另一个构件可以是铁磁性的。即，多个“磁性构件”可包括全部的永磁体或者至少一个永磁体和其它铁磁性构件的组合。

如本文中所用的，“在......处”是指在其上或其附近。

如图1中所示，断路器10包括壳体组件12和一定数量的导体组件13，每个导体组件都包括一对可分离的触头14。通常，一个导体组件13用于断路器10的一个极。图中示出一种示例性的三极断路器10。壳体组件12包括联接至长形的主罩盖22(图2)的长形基部20。如图3中所示，基部20包括限定出一定数量的长形腔26的多个内壁24。在一个示例性实施例中，一个腔26用于断路器10的一个极。如图2中所示，主罩盖22也包括同样限定出一定数量的长形腔32的多个内壁30。如上所述，在三极断路器10中，存在三个基部腔26和三个主罩盖腔32。基部腔26和主罩盖腔32大致彼此平行地并且平行于壳体组件12的纵向轴线延伸。基部腔26大体与主罩盖腔32对齐，以便当主罩盖22联接至基部20时，基部腔26和主罩盖腔32限定出一定数量的触头室34，在具有三极断路器10的一个示例性实施例中，具有三个触头室34。

每个导体组件13都包括基本上相似的元件，因此将仅描述一个导体组件13。将理解的是，所描述的元件与单个导体组件13相关联并且每个导体组件13都具有相似的一组相关联的元件。每个导体组件13都包括长形的固定导体40、固定触头42、可移动导体44和可移动触头46。固定触头42联接至——在一个示例性实施例中直接联接至——固定导体40并与该固定导体40电连通。在另一个示例性实施例中，固定触头42与固定导体40成一体。每个固定触头42都具有大体平坦的上表面43和一定宽度(下文中讨论)。在一个示例性实施例中，可移动触头46当处于第二位置时与固定触头上表面43接合。

可移动触头46联接至——在一个示例性实施例中直接联接至——可移动导体44并与该可移动导体44电连通。在一个示例性实施例中，可移动触头46与可移动导体44成一体。可移动触头46——更具体地可移动导体44——联接至操作机构52。操作机构52构造成使可移动触头46在触头14分离的第一断开位置与触头14处于电连通的第二闭合位置之间移动。操作机构52联接至脱扣机构54(示意性示出)和手柄56。因此，操作机构52可通过手柄56被手动致动，或者由脱扣机构54响应过电流状态而被致动。

固定导体40和固定触头42也是图4中所示的固定触头组件60的一部分。同样，应理解的是，所描述的元件与固定触头组件60相关联并且每个固定触头组件60都具有相似的一组相关联的元件。固定触头组件60还包括电弧室组件70。在一个示例性实施例中，固定导体40是包括第一端部64、中间部66和第二端部68的长形本体62。固定导体的本体的第一端部64在固定导体的本体的中间部66上方卷曲，并且在固定导体的本体的第一端部64与固定导体的本体的中间部66之间具有一定空间或间隙。即，固定导体的本体的中间部66包括平面部65和拱形部67。拱形部67在至少90度的圆弧上延伸，并且如图所示在一个实施例中在约180度的圆弧上延伸。如图所示，在一个实施例中，固定导体的本体的第一端部64是一个平面构件，其在大体平行于固定导体的本体的中间部的平面部65的平面中延伸。

每个导体组件13都具有相关联的电弧室组件70。因此，在具有三个导体组件13的示例性实施例中，存在三个电弧室组件70，一个电弧室组件70与一个导体组件13相关联。与导体组件13一样，这些电弧室组件70基本上相似，下面仅描述一个电弧室组件。每个电弧室组件70都包括如下文所述的壳体组件80和一定数量的导电构件130。壳体组件80包括一定数量的非导电支承构件82和一定数量的磁性构件84。

更具体地，壳体组件80包括上部支承组件86和下部支承组件88。如图5中所示，下部支承组件88大体是平面的，并且尺寸确定为配合在固定导体的本体的第一端部64与固定导体的本体的中间部66之间的间隙中。下部支承组件88限定了凹部90，其尺寸确定为容纳或对应于下文所述的电弧流道导电板152。下部支承组件88包括大体平面的并且大体水平延伸的两个侧向上表面92、94。

在一个示例性实施例中，图4、6和7所示的上部支承组件86包括三个支承构件；即，第一侧向支承构件100、中间支承构件102和第二侧向支承构件104。每个支承构件100、102、104都构造成支承磁性构件84。在一个示例性实施例中，磁性构件84是永磁体。在另一个示例性实施例中，由侧向支承构件100、104支承的磁性构件84是永磁体，并且由中间支承构件102支承的磁性构件84是铁磁性的。三个支承构件100、102、104大体是平面的并且布置在一个平面中，该平面大体竖直地延伸并且平行于相关联的导体组件13(即长形的固定导体40)的纵向轴线延伸。支承构件100、102、104由非导电的材料制成。在一个示例性实施例中，上部支承组件86具有大体E形的横截面(当从俯视图中观察时)，包括基部构件106(图4)，支承构件100、102、104从该基部构件106延伸。即，基部构件106在大体垂直于支承构件100、102、104的竖直平面中延伸。如图4中所示，基部构件106可具有比其它支承构件100、102、104更小的高度。每个支承构件100、102、104都限定出凹部，其尺寸确定为对应于相关联的磁性构件84A、84B、84C。即，如下文所述，磁性构件84布置在每个支承构件100、102、104的凹部内，因此每个磁性构件84都与特定的支承构件100、102、104相关联。

即，在一个示例性实施例中，每个支承构件100、102、104都包括一定数量的平面构件110和一定数量的悬垂侧壁112。悬垂侧壁大体垂直于平面构件110的平面延伸。侧向支承构件100、104布置成邻近基部内壁24。即，基部的内壁24布置成大体平行于平面构件110且与其间隔开。因此，支承构件100、102、104的平面构件110、侧壁112和基部内壁24分别限定出侧向凹部120、124。中间支承构件102包括两个平面构件110，悬垂侧壁112在其间延伸。所述两个平面构件110和悬垂侧壁112限定出中间凹部122。在一个示例性实施例中，平面构件110和侧壁112的厚度在约0.030到0.070英寸之间，在一个示例性实施例中约为0.060英寸。在此构型中，支承构件100、102、104的厚度对磁性构件84的电磁特性的影响有限，这归因于磁性构件84的透磁率和它们的厚度。

在一个示例性实施例中，所述一定数量的磁性构件84包括三个磁性构件，即，第一侧向磁性构件84A、中间磁性构件84B和第二侧向磁性构件84C。每个磁性构件84A、84B、84C都是大体平面状的。此外，每个侧向磁性构件84A、84C都分别具有大体水平的下表面140、144。每个磁性构件84A、84B、84C都分别布置在支承构件100、102、104内。即，每个磁性构件84A、84B、84C的尺寸确定为分别对应于支承构件凹部120、122、124。当磁性构件84A、84B、84C布置在它们相关联的凹部中时，各磁性构件84A、84B、84C在大体竖直的纵向平面中延伸。在此构型中，第一侧向支承构件100与中间支承构件102隔开，并且中间支承构件102与第二侧向支承构件104隔开。

电弧室组件的导电构件130布置在第一侧向支承构件100与中间支承构件102之间的空间中以及中间支承构件102与第二侧向支承构件104之间的空间中。即，如图7中所示，电弧室组件的导电构件130包括一定数量的平面本体132，这些平面本体的尺寸确定为对应于第一侧向支承构件100与中间支承构件102之间的空间以及中间支承构件102与第二侧向支承构件104之间的空间。电弧室组件的导电构件的平面本体132布置成大体平行的或稍微成扇形展开的布置，并且彼此隔开。

因此电弧室组件70布置在固定导体的本体的中间部66上方，并且邻近固定导体的本体的第一端部64，即位于该第一端部64的任一侧。电弧室组件70构造成分割和中断由触头14的分离形成的电弧。电弧室组件70的尺寸确定为对应于触头室34，即适配在触头室34中。即，电弧室组件的第一侧向支承构件100与电弧室组件的第二侧向支承平面构件104之间的间距大体对应于触头室34的宽度。

当放置在触头室34中时，第一侧向磁性构件84A和第二侧向磁性构件84C布置在一对可分离触头14的对向侧面上。侧向支承构件100、104构造成将各磁性构件的下表面140、144定位在相关联的固定触头的上表面43下方，如图8中所示。更具体地，各磁性构件的下表面140、142在固定触头的上表面43下方间隔开约34/128英寸至43/128英寸，在一个示例性实施例中，各磁性构件的下表面140、142在固定触头的上表面43下方间隔开约39/128英寸。此外，在此构型中，第一侧向支承构件100的内侧和第二侧向支承构件104的内侧与固定触头的上表面43侧向间隔开。即，如图6中所示，第一侧向支承构件100的内侧和第二侧向支承构件104的内侧与固定触头42的侧缘侧向地间隔开。在一个实施例中，每个侧向支承构件84A、84C与固定触头42侧向间隔开约8/128英寸至19/128英寸。即，从支承构件100、104到固定触头42之间的距离在约8/128英寸到19/128英寸之间。

电弧室组件的导电构件130还包括电弧流道组件150，如图5中最佳所示。电弧流道组件150包括一定数量的导电板152。在一个示例性实施例中，电弧流道组件板152设置成叠层153。即，如本文中所用的，“叠层(stack)”包括以对齐构型布置且彼此接触的具有相同的大体形状的多个平面构件。即，所述平面构件以它们的周边大体对齐的构型布置。在一个示例性实施例中，每个电弧流道组件板152都包括厚部154和薄部156。电弧流道组件板厚部154和电弧流道组件板薄部156中每一者都分别具有上表面158、160。薄部156的高度确定尺寸为对应于下部支承组件的凹部90。此外，电弧流道组件板叠层153的宽度确定尺寸为对应于下部支承组件的凹部90。在具有单个电弧流道组件板152的一个实施例中，单个电弧流道组件板152的宽度确定尺寸为对应于下部支承组件的凹部90。

电弧流道组件板叠层153布置在下部支承组件的凹部90内。如上所述，下部支承组件88的尺寸确定为适配在固定导体的本体的第一端部64与固定导体的本体的中间部66之间的间隙中。当下部支承组件88布置在固定导体的本体的第一端部64与固定导体的本体的中间部66之间的间隙中时，所述一定数量的导电板152联接至固定导体40并与其电连通。在一个示例性实施例中，电弧流道组件板的薄部的上表面160直接联接至固定导体的本体的第一端部64。在此构型中，电弧流道组件板的厚部的上表面158定位成大体平行于固定触头的大体平面状的上表面43。在此构型中，在触头14分离期间形成的电弧可移动通过固定触头的大体平面状的上表面43并且移动到电弧流道组件板的厚部的上表面158上。

此外，电弧流道组件板叠层153具有一定宽度，或者在具有单个电弧流道组件板152的实施例中，单个电弧流道组件板152具有一定宽度，其在下文中还被表述为“电弧流道组件宽度”。电弧流道组件150的宽度大于固定触头42的宽度和中间支承构件102的宽度。在一个实施例中，固定触头42具有约45/128英寸的宽度，并且电弧流道组件150具有约55/128英寸与65/128英寸之间的宽度。在一个示例性实施例中，中间支承构件102具有约0.225英寸到0.275英寸之间的宽度。在一个示例性实施例中，电弧流道组件150具有约60/128英寸的宽度。

虽然已详细描述了所公开并要求专利权的概念的特定实施例，但本领域技术人员应理解，可借鉴公开内容的整体教导对这些细节进行各种改变和变型。因此，所公开的具体设置仅为说明性的而非限制所公开并要求专利权的概念的范围，该范围由所附权利要求及其任何和全部等同方案的全部内容给出。

Claims (15)

1.一种用于直流断路器(10)的电弧室组件(70)，所述断路器(10)包括一定数量的成对的可分离触头(14)，每对可分离触头(14)都包括具有大体平面状的上表面(43)的固定触头(42)，所述电弧室(70)包括：

壳体组件(12)和一定数量的导电构件(130)；

所述壳体组件的上部组件(86)包括一定数量的支承构件(82)和一定数量的磁性构件(84A，84B，84C)，每个磁性构件(84A，84B，84C)都具有大体水平的下表面(140)；

每个磁性构件(84A，84B，84C)均联接至支承构件(82)；并且

其中，所述支承构件(82)将每个所述磁性构件的下表面(140)都定位在所述固定触头的上表面(43)下方。

2.根据权利要求1所述的电弧室组件(70)，其中：

所述一定数量的磁性构件(84)包括两个磁性构件(84A，84C)；并且

其中，所述磁性构件(84A，84C)布置在一对可分离触头(14)的对向侧面上。

3.根据权利要求2所述的电弧室组件(70)，其中：

每个磁性构件(84A，84B，84C)均为平面构件；并且

每个所述磁性构件(84A，84B，84C)都在大体竖直的纵向平面中延伸。

4.根据权利要求3所述的电弧室组件(70)，其中，所述固定触头(42)具有一定宽度，并且其中：

所述一定数量的导电构件(130)包括电弧流道组件(150)；

所述电弧流道组件(150)包括一定数量的导电板(152)；并且

所述电弧流道导电板(152)布置成邻近所述固定触头(42)并与所述固定触头(42)电连通；

所述电弧流道组件(150)的宽度大于所述固定触头(42)的宽度；并且

每个所述磁性构件(84A，84B，84C)均布置成紧邻所述电弧流道组件(150)的侧面并与所述固定触头(42)间隔开。

5.根据权利要求4所述的电弧室组件(70)，其中，每个所述磁性构件(84A，84B，84C)与所述固定触头(42)侧向间隔开约8/128英寸至19/128英寸。

6.根据权利要求1所述的电弧室组件(70)，其中，每个所述磁性构件的下表面(140，142)在所述固定触头的上表面(43)下方间隔开约34/128英寸至43/128英寸。

7.根据权利要求1所述的电弧室组件(70)，其中，每个所述磁性构件的下表面(140，142)在所述固定触头的上表面(43)下方间隔开约39/128英寸。

8.根据权利要求1所述的电弧室组件(70)，其中，所述固定触头(42)具有一定宽度，并且其中：

所述一定数量的导电构件(130)包括电弧流道组件(150)；

所述电弧流道组件(150)包括一定数量的导电板(152)；

所述电弧流道导电板(152)布置成邻近所述固定触头(42)并与所述固定触头(42)电连通；并且

所述电弧流道组件(150)的宽度大于所述固定触头(42)的宽度。

9.根据权利要求6所述的电弧室组件(70)，其中，所述固定触头(42)具有约45/128英寸的宽度，并且其中，所述电弧流道组件(150)具有约55/128英寸至65/128英寸的宽度。

10.根据权利要求6所述的电弧室组件(70)，其中，所述固定触头(42)具有约45/128英寸的宽度，并且其中，所述电弧流道组件(150)具有约60/128英寸的宽度。

11.一种断路器组件(10)，包括：

壳体组件(12)，所述壳体组件限定一定数量的触头室(34)；

一定数量的导体组件(13)，每个所述导体组件都具有所述一定数量的成对的可分离触头(14)中的一对可分离触头；

每个导体组件(13)还包括固定导体(40)，以及权利要求1所述的电弧室组件(70)；

每个所述固定导体(40)包括具有第一端部(64)和中间部(66)的长形本体(62)，所述固定导体的本体的第一端部(64)在所述固定导体的本体的中间部(66)上方卷曲；

其中，每个所述固定导体的本体的第一端部(64)都是具有大体平面状的上表面(43)的所述固定触头(42)。

12.根据权利要求11所述的断路器组件(10)，其中：

所述一定数量的磁性构件(84)包括与每对可分离触头(14)相关联的两个磁性构件(84A，84C)；并且

其中，所述磁性构件(84A，84C)布置在相关联的一对可分离触头(14)的对向侧面上。

13.根据权利要求12所述的断路器组件(10)，其中：

每个磁性构件(84A，84B，84C)都是平面构件；并且

每个所述磁性构件(84A，84B，84C)都在大体竖直的纵向平面中延伸。

14.根据权利要求13所述的断路器组件(10)，其中：

所述固定触头(42)具有一定宽度；

所述一定数量的导电构件(130)包括与每对可分离触头(14)相关联的电弧流道组件(150)；

每个所述电弧流道组件(150)都包括一定数量的导电构件；

所述电弧流道导电构件布置在相关联的固定触头(42)下方并与所述相关联的固定触头(42)电连通；

所述电弧流道导电构件的宽度大于所述相关联的固定触头(42)的宽度；并且

每个所述磁性构件(84A，84B，84C)都布置成紧邻所述电弧流道组件(150)的侧面并与所述相关联的固定触头(42)间隔开。

15.根据权利要求11所述的断路器组件(10)，其中：

每个所述固定触头(42)都具有一定宽度，并且其中：

所述一定数量的导电构件(130)包括与每对可分离触头(14)相关联的电弧流道组件(150)；

每个所述电弧流道组件(150)都包括一定数量的导电构件(130)；

所述电弧流道导电构件(130)布置在相关联的固定触头(42)下方并与所述相关联的固定触头(42)电连通；并且

每个所述电弧流道组件(150)的宽度都大于所述相关联的固定触头(42)的宽度。