CN106683947B - 一种直流接触器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直流接触器，该直流接触器包括绝缘端盖(1)、上金属外壳(2)、下金属外壳(3)，上金属外壳(2)与下金属外壳(3)为杯状结构，绝缘端盖(1)与上金属外壳(2)构成第一腔室，第一腔室为密闭腔室，上金属外壳(2)与下金属外壳(3)构成第二腔室，将直流接触器一体式结构优化为分体式，仅将灭弧系统与触头系统进行密封充气，降低了励磁系统等其他部件单元产生的气体杂质对直流灭弧气体介质的污染，具有密封性能好，直流开断能力高等优点。

Description

一种直流接触器
技术领域
本发明涉及电气开关领域，特别涉及一种直流接触器。
背景技术
高电压大电流直流接触器主要用于各种新能源领域场合的直流电流通断，广泛应用在太阳能光伏系统和其它直流系统，如光伏逆变器直流侧电流的通断，车载系统如城轨、地铁、电动汽车、充电桩、储能电池组，以及其它不间断电源、通讯行业等领域。
高压直流接触器的结构主要包括四部分：触头系统、灭弧系统、操动系统和励磁系统。其工作原理是：接触器处于闭合状态时，由励磁系统通电驱动操动系统动作，保持触头系统动静触头的关合。当系统需要进行直流负载分断时，接触器励磁系统开始断电，在操动系统反作用力作用下，触头系统中的动触头与静触头分离，触头间隙产生直流电弧，电弧在灭弧系统内被拉长，游离并熄弧，完成直流负载的通断。
为更好的达到直流灭弧效果，一般需要在高压直流接触器灭弧系统中充入N2、H2、SF6、He等灭弧及保护介质，利用该类气体高的导热系数和电弧电位梯度，可瞬间拉长切断电弧，降低电弧能量，有利于直流电弧迅速熄灭。因此目前高压直流接触器灭弧系统一般采用密封结构，主流的密封工艺包括两类：环氧树脂密封和陶瓷密封。
但在上述的密封工艺下，由于传统的密封性接触器产品将灭弧腔室、传动部分、励磁线圈、绝缘件等部件集成一体密封，长期放置以及负载开断瞬间高温状态下，内部金属、塑料件及线圈等部件将产生较多的杂质气体，其杂质气体饱和蒸气压很高，这将会降低N2、H2等气体的灭弧性能，导致直流电弧电压、电弧能量升高，对直流负载开断十分不利。
发明内容
为了克服上述背景技术中的不足，本发明公开了一种直流接触器装置及其密封结构，能够增强接触器灭弧系统的密封性，优化灭弧效果，提高直流接触器的直流负载开断能力。
为达到上述目的，本发明实施例提出了一种直流接触器，所述直流接触器包括绝缘端盖(1)、上金属外壳(2)、下金属外壳(3)，上金属外壳(2)与下金属外壳(3)为杯状结构，其中：
所述绝缘端盖(1)与所述上金属外壳(2)构成第一腔室，所述第一腔室为密闭腔室；
所述上金属外壳(2)与下金属外壳(3)构成第二腔室。
优选的，所述第一腔室中设置有触头系统和灭弧系统，其中：
所述触头系统包括第一静触头(41)、第二静触头(42)和动触头(43)；
其中，所述第一静触头(41)和第二静触头(42)嵌设于所述绝缘端盖(1)中；
所述灭弧系统包括杯状绝缘罩(52)；
其中，所述杯状绝缘罩(52)覆盖于所述上金属外壳(2)的内侧表面；
所述灭弧系统还包括充斥于所述第一腔室中的直流灭弧气体介质(51)。
优选的，所述第二腔室中设置有励磁系统，其中：
所述励磁系统包括励磁线圈(61)、线圈骨架(62)、动铁芯(63)和磁支撑架(64)；
所述励磁系统的磁轭由所述上金属外壳(2)与所述下金属外壳(3)接触构成。
优选的，所述第一腔室与所述第二腔室之间设置有操动系统，所述操动系统包括操动轴(71)、触头簧(72)、波纹管(73)和分闸簧(74)构成，其中：
所述操动轴(71)为非导磁金属材料，所述操动轴(71)上具有凸起平台(77)，所述凸起平台(77)位于所述上金属外壳(2)上方；
所述操动轴(71)上具有触头簧(72)，所述触头簧(72)位于所述动触头(43)下方，且所述触头簧(72)凸起平台上方；
所述波纹管(73)为可伸缩金属筒，所述波纹管(73)的一端固定于所述凸起平台(77)下方，所述波纹管(73)的另一端固定于上金属外壳(2)的底部；
优选的，还包括：
所述操动轴(71)下部包围有所述分闸簧(74)，所述分闸簧(74)外部由所述动铁芯(63)包围；
所述分闸簧(74)的自由长度一端由所述上金属外壳(2)限位，另一端由所述动铁芯(63)凹槽限位；
所述动铁芯(63)下部通过下限位卡簧(75)固定于操动轴(71)上。
优选的，还包括：
所述绝缘端盖(1)还设置有排气管(8)；
所述下金属外壳(3)的侧壁上开有套孔。
与现有技术相比，本发明实施例提出的一种直流接触器具有以下有益效果：
将直流接触器设置为第一腔室与第二腔室，第一腔室为密闭腔室，且具有灭弧系统以及触头系统，第二腔室中具有励磁系统与操动系统，仅将灭弧系统与触头系统进行密封充气，降低了励磁系统等其他部件单元产生的气体杂质对直流灭弧气体介质的污染，具有密封性能好，直流开断能力高等优点。
附图说明
图1为本发明实施例提出的一种直流接触器的结构示意图；
图2为本发明实施例提出的一种直流接触器上金属外壳结构示意图；
图3为本发明实施例提出的一种直流接触器下金属外壳结构示意图；
图4为本发明实施例提出的一种直流接触器密封单元示意图；
图5为本发明实施例提出的一种直流接触器关合过程中励磁原理与操动系统动作示意图；
图6为本发明实施例提出的一种直流接触器装置闭合状态示意图；
图例说明：1、绝缘端盖；2、上金属外壳；3、下金属外壳；41、静触头，42、第二静触头，43、动触头；51、直流灭弧气体介质，52、杯状绝缘罩；61、励磁线圈，62、线圈骨架，63、动铁芯，64、磁支撑座，65、线圈引线端子；71、操动轴，72、触头簧，73、波纹管，74、分闸簧，75、下限位卡簧，76、上限位卡簧；8、排气管；9、密封胶套；10、绝缘外壳。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示为本发明实施例提出的一种直流接触器结构示意图，该直流接触器包括：第一腔室A和第二腔室B。所述第一腔室A由绝缘端盖1与上金属外壳2封闭构成，所述第二腔室B由上金属外壳2与下金属外壳3封闭构成。需要说明的是，上述的绝缘端盖可以为陶瓷端盖等绝缘性能较高且抗高温、腐蚀等材料构成。
第一腔室A内设置有触头系统和灭弧系统，触头系统包括静触头41，42和动触头片43，静触头41，42和动触头片43采用电性能与抗熔焊性能兼备的金属触头材料。灭弧系统由充满腔室A的直流灭弧气体介质51和杯状绝缘罩52构成。直流灭弧气体介质51采用N2、H2、SF6、He等具有导热系数、电弧电位梯度高的气体，或其混合气体，杯状绝缘罩52为杯状结构，采用耐高温、抗烧蚀、低产气的电绝缘材料，位置嵌套在上金属外壳2内部。
以下以绝缘端盖为陶瓷端盖为例进行说明，绝缘端盖1通过陶瓷金属化工艺与第一静触头41，第二静触头42钎焊端封在一起，绝缘端盖1其上开有排气孔，金属化后其上钎焊套封有无氧铜排气管8用于实现第一腔室A的预抽真空排气和充入直流灭弧气体介质51，当然对于为非陶瓷材质的绝缘端盖，则会利用其它工艺来将第一静触头与第二静触头嵌设于绝缘端盖中。
其中，上金属外壳2和下金属外壳3为杯状结构，采用磁导率优异的铁磁材料，所述上金属外壳2与陶瓷金属化处理后的绝缘端盖1通过钎焊焊接在一起，最终与绝缘端盖1、第一静触头41、第二静触头42以及排气管8共同构成密闭的第一腔室A。
因此，密闭第一腔室A能够实现内充电气惰性直流灭弧气体介质且具有良好的密闭性，减少了其他部件产生的气体对灭弧气体的污染。
如图2所示为本发明实施例提出的一种接触器上金属外壳的结构示意图，在直流接触器中，第二腔室B不需要密封，上金属外壳2底端与下金属外壳3顶端同轴紧靠，二者装配方式可以是焊接或其它自由装配。上金属外壳2底端中心处开有通孔内穿有接触器操动单元。
如图3所示，为本发明实施例提出的一种直流接触器的下金属外壳的结构示意图。在本发明的优选实施例中，第二腔室B内设置有励磁系统，该励磁系统包括励磁线圈61，线圈骨架62，动铁芯63，磁支撑座64和线圈引线端子65，线圈骨架62采用高机械强度的电绝缘材料，动铁芯63，磁支撑座64采用高磁导率的铁磁材料，动铁芯63具有凹槽，上金属外壳2和下金属外壳3接触构成励磁系统的外围磁轭，与励磁系统一起形成闭合的磁回路。
在具体的应用场景中，线圈引线端子65穿套在开有套孔的下金属外壳3外壁上伸出，用于外界电源接入控制电磁效应。
如图4所示为本发明实施例提出的一种直流接触器装置密封单元示意图；第一腔室A和第二腔室B之间设置有操动系统，操动系统包括操动轴71，触头簧72，波纹管73，分闸簧74，下限位卡簧75和上限位卡簧76构成。两腔室A和B通过波纹管73封结实现操动系统的稳定动作和第一腔室A内部的可靠密封。
在本发明优选的实施例中，操动轴71采用非导磁金属材料制成，波纹管73为可伸缩的薄壁不锈钢筒，同样非导磁，其上端焊接固定在操动轴71处，下端焊接在上金属外壳2的底端，用以实现第一腔室A和第二腔室B的密封隔离。
随着接触器合分闸操作，操动轴71动作并带动波纹管73可上下升缩，在波纹管73的上部位置操动轴71存在凸起平台77，该凸起平台77上部放置有触头簧72，在其上方的触头簧72上部放置有接触器动触头片43，并通过上限位卡簧76固定。所述操动轴71下部套有分闸簧74和动铁芯63，分闸簧74的自由长度一端由上金属外壳2限位，另一端由动铁芯63凹槽限位，所述动铁芯63下部通过下限位卡簧75与操动轴71固定，该操动系统可以实现直流接触器的合分闸过程中，第一腔室的密闭性，进而避免其他部件产生的其他气体造成灭弧气体介质的污染。
如图5所示为本发明实施例提出的直流接触器在执行关合过程中励磁原理与操动系统动作示意图。当直流接触器需要进行合闸操作时，首先电磁线圈61通电，磁感线沿动铁芯63，磁支撑座64、下金属外壳3、上金属外壳2、以及上金属外壳2与动铁芯63之间的工作气隙构成闭合磁路，通过其上的磁通为Φ，则励磁系统产生的电磁吸力为
Figure GDA0002435696360000071
μ0为真空磁导率，S为磁路截面积。
上述公式中，在电磁吸力F的作用下操动系统操动轴71，波纹管73向上运动，带动静触头41，42与动触头片43闭合完成合闸主电路导通。其中上述闭合磁路可将其可分割成两部分，动铁芯63，磁支撑座64及金属外壳2、3构成的导磁部分磁路和剩余工作气隙磁路，设定导磁部分磁路磁阻为Rm1，工作气隙磁路磁阻Rm2，则磁路总磁阻Rm＝Rm1+Rm2，其中
Figure GDA0002435696360000072
Rm2>>Rm1，但随着操动轴71的运动上金属外壳2与动铁芯63之间的工作气隙缩小，Rm2迅速衰减，励磁线圈产生的磁通Φ不断增大，电磁吸力F1也随之增强，当静触头41，42与动触头片43闭合时，上金属外壳2与动铁芯63之间的工作气隙为零，励磁线圈产生的电磁吸力F1最大，动静触头具有较大的合闸保持力，有利于降低触头接触电阻，避免主电路导通后长期通电带来的触头熔焊。
如图6所示为本发明实施例提出的直流接触器装置闭合状态示意图，在直流接触器在执行关合过程中反作用力包括，操动系统操动轴71，动铁芯63向上运动分闸簧74压缩提供的分闸簧反力F2，以及当动静触头41，42与动触头片43闭合后触头簧72压缩提供的触头簧反力F3。
以下对如图1所示为本发明实施例提出的直流接触器装置分闸状态示意图进行说明，当本发明直流接触器需要执行直流负载开断功能时，接触器励磁系统开始断电，电磁吸力F1消失，在上述分闸簧反力F2和触头簧反力F3作用下，操动系统开始向下运动完成分闸操作。
通过应用本发明实施例提出的一种直流接触器，该直流接触器包括绝缘端盖1、上金属外壳2、下金属外壳3，上金属外壳2与下金属外壳3为杯状结构，绝缘端盖1与上金属外壳2构成第一腔室，第一腔室为密闭腔室，上金属外壳2与下金属外壳3构成第二腔室，将直流接触器一体式结构优化为分体式，仅将灭弧系统与触头系统进行密封充气，降低了励磁系统等其他部件单元产生的气体杂质对直流灭弧气体介质的污染，具有密封性能好，直流开断能力高等优点。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
上述本发明序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种直流接触器，其特征在于，所述直流接触器包括绝缘端盖(1)、上金属外壳(2)、下金属外壳(3)，所述上金属外壳(2)与所述下金属外壳(3)为杯状结构，其中：
所述绝缘端盖(1)与所述上金属外壳(2)构成第一腔室，所述第一腔室为密闭腔室，所述上金属外壳(2)与下金属外壳(3)构成第二腔室；
所述第一腔室内设置有触头系统和灭弧系统，所述灭弧系统由充满腔室的直流灭弧气体介质(51)和杯状绝缘罩(52)构成；
所述第二腔室内设置有励磁系统，当电磁线圈(61)通电，磁感线沿动铁芯(63)，磁支撑座(64)、下金属外壳(3)、上金属外壳(2)、以及上金属外壳(2)与动铁芯(63)之间的工作气隙构成闭合磁路；
其中，第二腔室不需要密封，上金属外壳(2)底端与下金属外壳(3)顶端同轴紧靠，上金属外壳(2)底端中心处开有通孔内穿有接触器操动系统，两腔室通过波纹管(73)封结实现操动系统的稳定动作和第一腔室内部的可靠密封。
2.如权利要求1所述的直流接触器，其特征在于，所述第一腔室中设置有触头系统和灭弧系统，其中：
所述触头系统包括第一静触头(41)、第二静触头(42)和动触头(43)；
其中，所述第一静触头(41)和第二静触头(42)嵌设于所述绝缘端盖(1)中；
所述灭弧系统包括杯状绝缘罩(52)；
其中，所述杯状绝缘罩(52)覆盖于所述上金属外壳(2)的内侧表面；
所述灭弧系统还包括充斥于所述第一腔室中的直流灭弧气体介质(51)。
3.如权利要求1所述的直流接触器，其特征在于，所述第二腔室中设置有励磁系统，其中：
所述励磁系统包括励磁线圈(61)、线圈骨架(62)、动铁芯(63)和磁支撑架(64)；
所述励磁系统的磁轭由所述上金属外壳(2)与所述下金属外壳(3)接触构成。
4.如权利要求3所述的直流接触器，其特征在于，所述第一腔室与所述第二腔室之间设置有操动系统，所述操动系统包括操动轴(71)、触头簧(72)、波纹管(73)和分闸簧(74)构成，其中：
所述操动轴(71)为非导磁金属材料，所述操动轴(71)上具有凸起平台(77)，所述凸起平台(77)位于所述上金属外壳(2)上方；
所述操动轴(71)上具有触头簧(72)，所述触头簧(72)位于动触头(43)下方，且所述触头簧(72)凸起平台上方；
所述波纹管(73)为可伸缩金属筒，所述波纹管(73)的一端固定于所述凸起平台(77)下方，所述波纹管(73)的另一端固定于上金属外壳(2)的底部。
5.如权利要求4所述的直流接触器，其特征在于，还包括：
所述操动轴(71)下部包围有所述分闸簧(74)，所述分闸簧(74)外部由所述动铁芯(63)包围；
所述分闸簧(74)的自由长度一端由所述上金属外壳(2)限位，另一端由所述动铁芯(63)凹槽限位；
所述动铁芯(63)下部通过下限位卡簧(75)固定于操动轴(71)上。
6.如权利要求1所述的直流接触器，其特征在于，还包括：
所述绝缘端盖(1)还设置有排气管(8)；
所述下金属外壳(3)的侧壁上开有套孔。
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