CN105453213B - 磁热致动器 - Google Patents

Abstract

一种磁热致动器，包括：磁致动器，该磁致动器由线圈(5)组成，该线圈串联地放置在电力线路中，包围固定磁芯(1)和活动磁芯(4)并且在分别表示致动器的非致动状态和致动状态这两种状态的两个位置之间驱动活动磁芯(4)，所述活动磁芯(4)能够借助于第一复位装置(3)被返回到与致动器的非致动状态相对应的位置；热致动器，所述热致动器包括由热敏感材料制成的可变形构件(10)，该热敏感材料能够在围绕该热敏感材料而产生的热的作用下从初始形状变化到最终形状，该初始形状和最终形状分别表示致动器的非致动状态和致动状态的这两种状态；所述磁致动器和所述热致动器沿着旋转轴线(X)是共线的。所述磁热致动器的特征在于：所述热致动器包括被放置为与所述线圈(5)串联的、由传热材料制成的加热部件(11)，所述加热部件(11)与所述可变形构件(10)热协作并且能够围绕可变形构件(10)产生热量。

Description

磁热致动器

技术领域

本公开总体上涉及一种磁热致动器，并且更具体地涉及一种显著的断路器类型的电气装置，该磁热致动器被设置为在出现故障的情况下通过打开至少一个电力线路而保证保护，该故障导致电流的升高或者电流变快，例如进一步造成短路，或者在电路中的过度负载的情况下电流变慢。本发明还涉及一种装配有此种磁热致动器的电气装置。

背景技术

在出现如上所述的故障现象的情况下，线路的打开源自于在此种装置中存在能够彼此分离的固定触点和移动触点，在能够彼此分离的假设下，此种分离通过机械式触发锁上的磁热致动器的行动而完成。这两个触点被设置在两个连接端子之间，这样允许装置被串联地插入到相关的线路中。

两种类型的故障分别由致动器的磁部件和热部件处理，这些磁部件和热部件的反应时间非常不同并且实际上与出现在线路中的故障相对应。一般地源自于待保护的线路中的短路的电流的忽然和显著升高必须因此引起触点的快速打开，从而避免损坏连接到电路的装置。反映线路上对电流的需求的且与过高的负载相对应的过载替代地调用热触发系统。热触发系统经常采用双金属条的形式，该双金属条在源自于电流过载的过度加热的作用下变形，并且构成一种机械锁触发器，从而导致触点打开。

磁触发通常由串联连接在电路中的线圈提供，该线圈与具有固定磁轭和移动部件的磁路协作，该移动部件导通由线圈所产生的磁场，移动单元直接或者经由撞针起触发机械锁的构件的作用。

在文件EP 0353816中已经明显地提及了热双金属条的替代物，在该文件中，在该磁热致动器中插入系统，该系统基于存在的由热敏感材料制成的可变形构件，该可变形构件与线圈热协作，当所述构件的温度低于特定阈值时，该构件对热磁致动器不起作用。

该构件由弹簧组成，该弹簧由形状记忆合金制成。通过限定，形状记忆合金在特定的温度范围中能够经历较小百分比的明显的塑性变形，并且通过再加热完全返回到其初始/原始形状：这就是形状记忆效应。

该形状记忆弹簧在其内部温度由于线圈所产生的热量而超过阈值时能够被放松从而返回到其原始形状，并且当其内部温度降回到所述阈值之下时能够在压缩力的作用下再次变形。

电流所流过的线圈因此在缓慢的电流过载期间发现其内部温度升高并且在其自身周围辐射热量。因此，该线圈间接地加热可变形构件。该线圈因此起着致动器的磁触发和热触发的双重重要作用。

该类型的构造的缺点在于：线圈的高温滞后。事实上，线圈需要时间加热，并且可变形构件因此需要时间返回到其原始形状，因此与根据热保护曲线的期望的触发性能相比，导致了热致动器的延迟触发。此外，由于构成磁致动器和热致动器的元件的靠近，线圈不仅加热可变形构件还加热出现在其周围的磁子组件。加热空间太大，从而操作的效率因此较低。

以同样的方式，线圈需要时间冷却，并且可变形构件因此需要时间冷却并且返回到其被压缩位置，因此，阻碍产品及时地重设。

对该冷却温度的滞后添加了形状记忆弹簧的滞后效应，与返回到其原始的展开位置所需的时间相比，该形状记忆弹簧需要稍微更长的时间返回到其被压缩状态。

最后，对于能够在自身周围产生足够的热量而达到上述的效果的线圈而言，线圈的尺寸必须被相应地具体化，也就是说，组成该线圈的线匝的数量与传统地指定有简单的磁功能的致动器相比必须更多；对于线圈的截面而言，这是强加的，因此是不可变的。以此种方式被规定尺寸的线圈一方面在期望紧凑的装置中是较大的，并且另一方面，与传统的产品相比增加了对构成线圈的材料的需求。

发明内容

这些问题通过本发明的磁热致动器而解决，本发明提及了一种解决方案，在该解决方案中，虽然热功能依靠同样的基于由热敏感材料制成的可变形构件的原理，但是允许热致动器的触发和重设性能的明显改进。

为此，本发明的热磁致动器典型地由线圈组成，该线圈串联地放置在电力线路中的，包围固定磁芯和活动磁芯并且在分别表示致动器的非致动状态和致动状态这两种状态的两个位置之间驱动活动磁芯。所述活动磁芯能够借助于第一复位装置被返回到与致动器的非致动状态相对应的位置。该热磁致动器此外由热致动器组成，所述热致动器包括由热敏感材料制成的可变形构件，该热敏感材料能够在围绕该热敏感材料而产生的热的作用下从初始形状变化到最终形状，该初始形状和最终形状分别表示致动器的非致动状态和致动状态的这两种状态。最后，该构造使得所述磁致动器和所述热致动器沿着旋转轴线(X)是共线的。

事实上，本发明的磁热致动器的特征主要在于：所述磁热致动器包括由被放置为与所述线圈串联的传热材料制成的加热部件，所述加热部件与可变形构件热协作并且能够围绕可变形构件产生热量。

因此，不再是线圈加热可变形构件，而是加热部件完成该功能。对于线圈，其仅专用于致动器的磁子组件的功能，这保持为传统的。

加热部件与线圈串联地放置，因此相同的电流从加热部件中通过。因此，当短路电流从加热部件中通过时，该加热部件加热，与过载的情况类似。

不具有加热所述热子组件的功能的线圈，然后能够针对其所属于的磁子组件被正常地规定尺寸。物理意义上，线匝的数量被减少，有效地导致了致动器内部的对其空间需求的减少，并且导致了制造方面的经济效益。

根据一种可能的构造，加热部件由如下的部件组成：该部件具有垫圈类型的平坦形状，相对于轴线(X)被定中心，在致动器内部径向地延伸并且提供传热表面，该传热表面的中心部分与可变形构件直接接触。

在加热部件和可变形构件之间存在直接接触的事实使得可变形构件通过直接传热以更加有效的方式吸收热量。与可变形构件必须以间接的方式从其外部环境中吸收热量的情况相比，该类型的直接加热使得该可变形构件更快地加热。

此外，加热部件的形状是垫圈形状，因此具有相对较薄的厚度，该垫圈沿轴线(X)的对齐使得其能够在减少空间需求的情况下容易地集成到致动器中。

该加热部件仅以诸如钢、黄铜或铜等的传热材料来设计，该加热部件容易被制造，并且与诸如在现有技术中描述的尺寸过大的线圈的成本相比，其成本较低。

有利地，所述热致动器包括围绕可变形构件(10)分布和集中热量的装置，从而避免致动器中的热量扩散，并且因此避免磁子组件的无用加热。

更准确地，围绕可变形构件分布和集中热量的所述装置由套筒组成，该套筒具有轴线(X)并且由围绕可变形构件的整个长度的传热材料制成，该套筒在第一开口末端处包括径向地延伸的凸缘，该凸缘的外表面被安装在加热部件的传热表面上。

该套筒的凸缘与加热部件直接接触，因此使得能够创建“热圆筒”，在该热圆筒中，可变形构件能够根据流过加热部件的电流快速地加热和冷却。

在线路中出现过载的情况下，套筒围绕整个可变形构件分布热量，然而加热部件经由可变形构件的与传热表面的中心部分接触的部分而起作用。套筒和加热部件的相关联因此使得在致动器内部进行热量的最佳导通和正确引导，以有效地加热可变形构件。

加热部件的温度滞后和套筒的温度滞后比线圈的温度滞后低，因为这些元件明显地比线圈体积更小，并且由能够快速地跟上温度变化的材料设计而成。

有利地，根据本发明的磁热致动器在磁致动器和热致动器之间包括第一热隔离装置。该隔离装置能够防止热朝向磁子组件传递，从而从长期来看不损坏构件，并且将经受温度变化的区域的体积限定在致动器内部。体积越小，温度滞后越小，并且更能提高该过程的效率。

根据一种可能性，所述第一热隔离装置由空气窄带组成，该空气窄带使得磁致动器与热致动器分开。事实上，所述空气窄带使得所述套筒与活动磁芯分开，所述套筒被局部地插入到活动磁芯的壳体中，套筒和活动磁芯沿着轴线(X)是共线的。

根据本发明，可变形构件由形状记忆弹簧组成，该形状记忆弹簧具有中心轴线(X)，当该形状记忆弹簧通过加热而返回到其原始的展开形状时，形状记忆弹簧能够朝向与致动器的致动状态相对应的位置驱动与磁芯共线的第一撞针，形状记忆弹簧和第一撞针被定位在所述套筒内部中，开口被设置在套筒的第二末端的壁中从而允许第一撞针通过，所述第一撞针和活动磁芯能够朝向与致动器的致动状态相对应的位置平移地驱动第二撞针。形状记忆弹簧和第一撞针通过定位在所述套筒内部中的第二复位装置而返回到与致动器的非致动状态相对应的位置。形状记忆弹簧因此在第二复位装置的作用下在被压缩位置处结束。

优选地，本发明的磁热致动器在线圈和热致动器之间包括第二热隔离装置，所述第二热隔离装置由部件组成，该部件是圆筒形状的，并且具有轴线(X)，并且由塑料类型的隔离材料制成，并且将线圈与磁热致动器的所有其他构件分开。这些第二热隔离装置的优点是防止线圈加热致动器的其他构件。因为，线路电流流过线圈，事实上，所述线圈在过载的情况下也加热。随着线圈因此不再起热触发的作用，所以线圈能够产生的热量可以不影响热触发。因此，优选地，将该线圈与致动器的其他所有构件隔离。

更精确地，该隔离部件包括圆筒状壳体，线圈缠绕在该圆筒状壳体上，并且在该圆筒状壳体内部定位有固定磁芯和活动磁芯，第一复位装置、第二撞针以及热致动器套筒的包围第一撞针和第二复位装置的一部分。该壳体因此与磁子组件的典型框架相对应。盖在圆筒状壳体的靠近加热部件的末端处闭合所述壳体并且将加热组件，即加热部件、套筒的凸缘、可变形构件以及套筒的包围可变形构件的部分与线圈和磁致动器的其他构件分开，开口被设置在盖的内部中，从而使得套筒的包围第一撞针的部分能够通过。

可选地，用于触发热致动器的温度阈值能够通过控制装置而被调整，该控制装置例如在第二复位装置所位于其中的壳体的长度上起作用，从而改变它们施加在形状记忆弹簧上的预拉伸。

本发明还涉及包括磁热触发系统的一种断路器类型的电力线路保护装置。

附图说明

以下将参考附图更加详细地说明本发明。

图1是根据本发明的磁热致动器构造的示意性剖视图，其中，由热敏感材料制成的构件是形状记忆弹簧；

图2是该磁热致动器构造的分解图。

具体实施方式

在图1和2中，磁致动器由线圈5、活动磁芯4、固定磁芯1以及包括弹簧3的第一复位装置。将被称为“第二撞针”从而与说明书的第一部件相一致的且由活动磁芯4驱动的撞针2使得如果有必要能够对机械锁的触发器起作用。磁致动器的功能是传统的：例如由于短路，在电流出现显著上升的情况下，由线圈5产生的磁场导致活动磁芯4抵抗弹簧3而移动，从而驱动撞针2。所述活动磁芯4在固定磁芯1的方向上移动，该固定磁芯1在活动磁芯4的平移运动期间进一步用作止挡件。线圈5所缠绕的壳体6a围绕和引导活动磁芯4，该活动磁芯在壳体6a中滑动。

热致动器被定位在磁致动器的延长部分中，并且基本上由传输电流的加热构件11，；可变形构件10，其中该可变形构件10由以下部件组成：能够被加热部件11加热的热敏感材料制成；成第二弹簧8形状的第二复位装置；另一撞针9，该撞针也被称为“第一撞针”从而与说明书的第一部件相一致；以及围绕可变形构件10、第二弹簧8和第一撞针9的套筒7。在本发明的构造中，这些元件例如具有围绕轴线X的圆形对称，该轴线X也是线圈5的轴线和/或第二撞针2的移动的轴线。

可变形构件由形状记忆弹簧10组成，当较冷时，即处于室温时，该形状记忆弹簧10由第二复位弹簧8压缩，并且当较热时该形状记忆弹簧10通过反抗第二复位弹簧8而轴向地展开从而恢复到其原始形状。

第一撞针9具有末端套环15，形状记忆弹簧10被支撑在该套环15的一侧上，并且复位弹簧8被支撑在套环15的另一内侧上。

一般的功能如下：当电力线路经历电流的缓慢上升时，例如进一步地导致过载，由线圈5所产生的磁场不足够抵抗弹簧装置3而使得活动磁芯4移动。另一方面，由流过的电流直接加热的加热部件11增加形状记忆弹簧10的温度。复位弹簧8被设计为使得，在特定的温度阈值之上，由形状记忆弹簧10施加在第一撞针9的凸缘上的压力比弹簧8的复位力更大。

因此，当可变形构件10中的温度达到所述温度阈值时，所述部件10变形，也就是，弹簧10放松并且返回到其原始形状，并且在箭头F的方向上驱动第一撞针9，这继而在该相同的方向上驱动第二撞针2，在假设电气装置具有机械锁的情况下，该第二撞针2致动作为所述锁的一部分的触发器，从而导致触点打开。

因此，具有热致动器的移动部件，即，其移动旨在致动触发器的第一撞针9不再与磁能量有关，但是与来自形状记忆弹簧10的机械能有关。

加热部件11被设置为可导电的，并且具有特别高的阻抗，并且与线圈5串联。因此通过焦耳效应而加热该加热部件并且加热部件的温度可以与从加热部件中流过的电流的密度成比例。该加热部件11根据致动器所放置于其中的保护装置的口径由诸如钢、黄铜或铜等材料制成。该加热部件11采用垫圈的形状，该垫圈在致动器内部径向地延伸并且具有朝向形状记忆弹簧10取向的传热表面。

更精确地，该传热表面的中心部分14被安装在形状记忆弹簧10的第一末端上并且直接加热该末端。当形状记忆弹簧10展开以恢复到其原始形状，形状记忆弹簧10抵靠在该中心部分14上，从而沿着方向F推动第二撞针9。该传热表面的圆周部件被安装在套筒7的末端凸缘13上并且直接加热该末端凸缘13，该末端凸缘13还在致动器的内部径向延伸。该凸缘13包括与加热部件11接触的较大接触表面，该较大接触表面使得热量从一个部件有效地传递到另一个部件。该凸缘13然后使得热量扩散通过套筒7的圆筒部件，该圆筒部件同时包围形状记忆弹簧10、第一撞针9和复位弹簧8。套筒7事实上由诸如铝等的导热材料制成，并且形成容纳热致动器的不同元件的封装器，从而将热分布和集中在形状记忆弹簧10周围。

套筒7的围绕第一撞针9和复位弹簧8的圆筒部件被定位在活动磁芯4的容纳部中。第一撞针9沿着轴线X抵抗复位弹簧8而移动，该复位弹簧8抵靠在套筒7的与凸缘13所位于的位置相反的闭合末端17上。第一撞针9的与包括套环15的末端相反的自由末端16在方向F上经由开口连续地通过套筒7的闭合末端17和活动磁芯4，直到第一撞针9撞击到第二撞针2并且导致热触发。第二撞针2因此或者通过活动磁芯4的用于磁触发的移动或者通过第一撞针9的用于热触发的移动而被致动。

所以，由套筒所产生的热保持热子组件处的导通，并且相对于磁子组件被隔离，空气窄带12被设置在套筒7的圆筒部件和活动磁芯4的容纳部的内壁之间。热量因此不在整个致动器中扩散。

此外，由隔离材料制成的部件6被构建在致动器中，从而使得线圈5与致动器的其他构件隔离。如上所述，该部件6由线圈5所缠绕于的所述圆筒状壳体6a以及在所述圆筒状壳体6a的靠近加热部件11的末端闭合壳体的盖6b组成。该盖6b因此使得加热组件(即、加热部件11、套筒7的凸缘13、形状记忆弹簧10、套筒7的包围形状记忆弹簧10的部分)与磁子组件的构件隔离。

该热磁致动器因此具有两个水平的隔离，使得热子组件的反应被优化，并且因此导致其一般的温度滞后被降低。

作为一个选择方案，用于触发热致动器的阈值温度能够通过控制装置而被调整，该控制装置例如在复位弹簧8所位于的容纳部的长度上起作用，该长度被界定在套筒7的闭合末端17和第一撞针9的套环15之间。

为了改变该长度，可以将第二套环放置在撞针9上，该撞针的纵向位置是可调整的，并且复位弹簧8可以被支撑在该第二套环上，第一套环15因此只用作用于形状记忆弹簧10的支撑件。

该第二套环15的纵向位置使得复位弹簧8能够更多或更少地被压缩，从而当磁热致动器处于静止状态时改变其施加在形状记忆弹簧10上的预拉伸。

当然，提议的构造是本发明的非排他性构造，该构造同样包括所有的变体，例如材料的形状和选择，这些变体可以直接源自于所提议的构造。

Claims (13)

1.一种磁热致动器，包括：

磁致动器，所述磁致动器包括线圈，所述线圈串联地放置在电力线路中，包围固定磁芯和活动磁芯并且在分别表示磁致动器的非致动状态和致动状态的这两种状态的两个位置之间驱动活动磁芯，所述活动磁芯能够借助于第一复位装置被返回到与磁致动器的非致动状态相对应的位置；

热致动器，所述热致动器包括由热敏感材料制成的可变形构件，所述热敏感材料能够在围绕所述热敏感材料而产生的热的作用下从初始形状变化到最终形状，所述初始形状和最终形状分别表示热致动器的非致动状态和致动状态的这两种状态；

所述磁致动器和所述热致动器沿着旋转轴线是共线的；

其特征在于，所述热致动器包括被放置为与所述线圈串联的、由传热材料制成的加热部件，所述加热部件与可变形构件热协作并且能够围绕可变形构件产生热量，加热部件包括如下的部件：所述部件具有垫圈类型的平坦形状，相对于轴线被定中心，在热致动器内部径向地延伸并且提供传热表面，所述传热表面的中心部分与可变形构件直接接触。

2.根据权利要求1所述的磁热致动器，其特征在于，所述热致动器包括围绕可变形构件分布和集中所述热量的装置。

3.根据权利要求2所述的磁热致动器，其特征在于，围绕可变形构件分布和集中所述热量的装置包括套筒，所述套筒具有轴线并且由围绕可变形构件的整个长度的传热材料制成，所述套筒在第一开口末端处包括径向地延伸的凸缘，所述凸缘的外表面被安装在加热部件的传热表面上。

4.根据权利要求3所述的磁热致动器，其特征在于，加热部件的温度滞后和套筒的温度滞后比线圈的温度滞后更低。

5.根据权利要求3或4所述的磁热致动器，其特征在于，所述磁热致动器包括位于磁致动器和热致动器之间的第一热隔离装置。

6.根据权利要求5所述的磁热致动器，其特征在于，所述第一热隔离装置包括空气窄带，所述空气窄带使得磁致动器与热致动器分开。

7.根据权利要求6所述的磁热致动器，其特征在于，所述空气窄带使得所述套筒与活动磁芯分开，所述套筒被部分地插入到活动磁芯的容纳部中，套筒和活动磁芯沿着轴线是共线的。

8.根据权利要求3-4和6-7中的任一项所述的磁热致动器，其特征在于，可变形构件包括形状记忆弹簧，所述形状记忆弹簧具有中心轴线，当所述形状记忆弹簧通过加热而返回到其原始的展开形状时，所述形状记忆弹簧能够朝向与热致动器的致动状态相对应的位置驱动与活动磁芯共线的第一撞针，形状记忆弹簧和第一撞针都被定位在所述套筒内部，开口被设置在套筒的第二末端的壁中从而允许第一撞针通过所述开口，所述第一撞针和活动磁芯能够抵抗第一复位装置朝向与磁致动器的致动状态相对应的位置平移地驱动第二撞针。

9.根据权利要求8所述的磁热致动器，其特征在于，形状记忆弹簧和第一撞针通过定位在所述套筒内部的第二复位装置而返回到与热致动器的非致动状态相对应的位置。

10.根据权利要求1-4，6-7和9中的任一项所述的磁热致动器，其特征在于，所述磁热致动器包括位于线圈和热致动器之间的第二热隔离装置。

11.根据权利要求10所述的磁热致动器，其特征在于，所述第二热隔离装置由隔离部件组成，所述隔离部件是圆筒形状的，并且具有轴线，并且由塑料类型的隔离材料制成，并且将线圈与磁热致动器的所有其他构件分开。

12.根据权利要求11所述的磁热致动器，其特征在于，所述隔离部件包括：

-圆筒状壳体，线圈缠绕在所述圆筒状壳体上，并且在所述圆筒状壳体内部定位有固定磁芯和活动磁芯、第一复位装置、第二撞针以及热致动器套筒的包围第一撞针和第二复位装置的部分；

-盖，所述盖在圆筒状壳体的靠近加热部件的末端处闭合所述圆筒状壳体并且将加热组件，即加热部件、套筒的凸缘、可变形构件以及套筒的包围可变形构件的部分与线圈和磁致动器的其他构件分开，开口被设置在盖的内部中从而使得套筒的包围第一撞针的部分能够通过所述开口。

13.一种断路器类型的电力线路保护装置，包括根据前述权利要求中的任一项所述的磁热致动器。