CN106710968A - 一种直流接触器 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例公开了一种直流接触器，包括：触头单元、灭弧磁控组件、励磁线圈系统和操动系统，其中：触头单元包括静触头和动触头片，触头单元位于灭弧磁控组件上方，由陶瓷端盖支撑；灭弧磁控组件为几字形或螺旋管形导电片，灭弧磁控组件与动触头片相连接；操动系统的上端与灭弧磁控组件活动连接。本发明设计的直流接触器可通过灭弧磁控组件产生自生磁场，实现对直流电弧的磁吹灭弧，消除了传统高压直流接触器对外置磁吹装置的依赖，避免外置磁吹装置劣化失效、析气、强度单一等对直流灭弧的影响，同时本发明采用无极性直流磁吹灭弧，具有反向直流负载开断能力高的优点。

Description

一种直流接触器
技术领域
本申请涉及电学领域，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。
直流电流由于没有自然过零点，且开断时电弧的燃弧时间及过电压条件也更苛刻，因此，相比交流电流的开断，直流电流的开断则要困难很多。为提高直流接触器的直流开断能力，高压直流接触器往往采取耗散开断时直流电弧能量的措施，常用的灭弧方式有自然灭弧、栅片灭弧、真空灭弧、磁铁磁吹灭弧、压气灭弧等，其中，传统的高压直流接触器多采用在电弧间隙外加磁铁装置，通过磁吹作用使开断电弧运动，从而拉长电弧，增大电弧电压，以实现直流电弧的熄灭，完成直流负载的通断。
申请人在实现本申请的过程中发现，上述现有的处理方案至少存在如下的问题：
随着应用领域电气系统功耗日益增大，对直流接触器电气容量的要求不断提高，对接触器反向电流切换能力的要求也更加苛刻，而传统直流接触器的磁吹装置作为一外置部件，设置在密闭的灭弧腔室内，其结构形式复杂，成本较高，同时，其灭弧效果也存在弊端，首先，受到直流开断过程中电弧高温的影响，磁吹装置在长期工作状态下劣化失磁严重，磁吹作用显著降低，导致直流开断能力降低；其次，该磁吹装置多采用铁氧体、钕铁硼等铁磁材料，开断过程中将析出较多的杂质气体，其杂质气体饱和蒸气压很高，这将导致直流电弧电压、电弧能量升高，对直流负载开断也十分不利；再次，传统磁吹装置的磁场强度大小不变，开断过载或过低直流负载时的磁吹效果无法保证；最后，由于传统接触器磁吹系统利用直流电的单向性，磁吹方向多为单极性，只能够保证直流电弧向相反外侧拉弧熄灭，而无法承受接触器反向电流切换。
因此，如何在保证磁吹效果的同时，减小对外置磁吹装置的依赖，并提升直流接触器的反向直流负载开断能力成为了本领域亟待解决的问题。
发明内容
本申请实施例提供一种直流接触器，以实现在保证磁吹效果的同时，减小对外置磁吹装置的依赖，并提升直流接触器的反向直流负载开断能力。
为了达到上述技术目的，本申请提供了一种直流接触器，其特征在于，包括：触头单元1、灭弧磁控组件2、励磁线圈系统3和操动系统4，其中：
所述触头单元1包括静触头11和动触头片12，所述触头单元1位于所述灭弧磁控组件2上方，由陶瓷端盖5支撑；
所述灭弧磁控组件2为几字形或螺旋管形导电片，所述灭弧磁控组件2的几字形导电片中心开孔或所述灭弧磁控组件2的螺旋管形导电片底部中心开孔，所述灭弧磁控组件2与所述动触头片12相连接；
所述操动系统4的上端与所述灭弧磁控组件2活动连接。
优选地，所述励磁线圈系统3围绕于所述操动系统4的下端，所述励磁线圈系统3包括：励磁线圈31，线圈骨架32，动铁芯33，磁支撑座34和静磁轭片35，其中：
所述动铁芯33具有凹槽，所述动铁芯33围绕于所述操动系统4的下端；
所述磁支撑座34为中心向上弯折形成的内折部，所述磁支撑座34的内折部围绕于所述动铁芯33的外侧，所述磁支撑座34的下端与U形金属壳6的底部相连接；
所述线圈骨架32围绕于所述磁支撑座34的内折部的外侧；
所述励磁线圈31围绕于所述线圈骨架32的外侧；
所述静磁轭片35的下端与所述线圈骨架32的上端相连接。
优选地，所述操动系统4包括操动轴41，分闸簧42，触头簧43，限位挡片44，限位卡簧45、限位卡簧46，其中：
所述操动轴41的中部存在一个平台，所述操动轴41的平台位于所述静磁轭片35的上端，所述操动轴41的上端与所述灭弧磁控组件2活动连接；
所述限位挡片44套设于所述操动轴41的上部，所述限位挡片44的上端与所述灭弧磁控组件2的下端相连接；
所述触头簧43的上端与所述限位挡片44的下端相连接，所述触头簧43套设于所述操动轴41的外围，且位于所述操动轴41的平台上端；
所述分闸簧42位于所述动铁芯33的凹槽内，且所述分闸簧42套设于所述操动轴41的中部；
所述限位卡簧46位于所述灭弧磁控组件2的几字形导电片中心孔上端或所述灭弧磁控组件2的螺旋形导电片底部中心孔上端，且所述限位卡簧46与所述操动轴41的上端相连接；
所述限位卡簧45位于所述动铁芯33的下端，且所述限位卡簧45与所述操动轴41的下端相连接。
优选地，所述直流接触器还包括U形金属壳6，其中：
所述U形金属壳6上端与所述陶瓷端盖5的下端相连接，所述U形金属壳6与所述陶瓷端盖5、所述静触头11构成密闭的腔室。
优选地，所述直流接触器还包括灭弧绝缘罩7，其中：
所述灭弧绝缘罩7为杯状结构，所述灭弧绝缘罩7的下端与所述静磁轭片35的上端相连接。
优选地，所述直流接触器还包括排气管8，其中：
所述排气管8嵌设于所述陶瓷端盖5的中心。
优选地，所述直流接触器还包括密封胶套9，其中：
所述密封胶套9包裹在所述静触头11、所述陶瓷端盖5、所述U形金属壳6和所述排气管8的外围。
优选地，所述直流接触器还包括绝缘外壳10，其中：
所述绝缘外壳10为浇注在所述密封胶套9的外围。
本申请实施例公开了一种直流接触器，包括：触头单元、灭弧磁控组件、励磁线圈系统和操动系统，其中：触头单元包括静触头和动触头片，触头单元位于灭弧磁控组件上方，由陶瓷端盖支撑；灭弧磁控组件为几字形或螺旋管形导电片，灭弧磁控组件与动触头片相连接；操动系统的上端与灭弧磁控组件活动连接。本发明设计的直流接触器可通过灭弧磁控组件产生自生磁场，实现对直流电弧的磁吹灭弧，消除了传统高压直流接触器对外置磁吹装置的依赖，避免外置磁吹装置劣化失效、析气、强度单一等对直流灭弧的影响，同时本发明采用无极性直流磁吹灭弧，具有反向直流负载开断能力高的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提出的一种直流接触器的结构示意图；
图2为本申请实施例提出的几字形灭弧磁控组件的结构示意图；
图3a为几字形灭弧磁控组件的自生磁场产生及磁吹作用原理一示意图；
图3b为几字形灭弧磁控组件的自生磁场产生及磁吹作用原理二示意图；
图4为本申请实施例提出的螺旋形灭弧磁控组件的结构示意图；
图5a为螺旋形灭弧磁控组件的自生磁场产生及磁吹作用原理一示意图；
图5b为螺旋形灭弧磁控组件的自生磁场产生及磁吹作用原理二示意图；
图6为本申请实施例提出的一种直流接触器的另一种结构示意图。
图例说明
1、触头单元；11、静触头；12、动触头片；2、灭弧磁控组件；3，励磁线圈系统；31、励磁线圈；32、线圈骨架；33、动铁芯；34、磁支撑座；35、静磁轭片；4、操动系统；41操动轴；42、分闸簧；43、触头簧；44、限位挡片；45/46、限位卡簧；5、陶瓷端盖；6、U形金属壳；7、灭弧绝缘罩；8、排气管；9、密封胶套；10绝缘外壳。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明实施例的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本申请实施例所提出的一种直流接触器的结构示意图，该直流接触器包括：触头单元1、灭弧磁控组件2、励磁线圈系统3和操动系统4。
触头单元1包括静触头11和动触头片12，触头单元1位于灭弧磁控组件2上方，由陶瓷端盖5支撑；灭弧磁控组件2为几字形或螺旋管形导电片，灭弧磁控组件2的几字形导电片中心开孔或灭弧磁控组件2的螺旋管形导电片底部中心开孔，灭弧磁控组件2与动触头片12相连接；操动系统4的上端与灭弧磁控组件2活动连接。
在本发明实施例提供的直流接触器中，灭弧磁控组件2采用导电性能好与抗烧蚀的金属材料，为了保证磁吹效果，灭弧磁控组件2与动触头片12的连接采用无缝连接或加工为一体。
同时，灭弧磁控组件2有两种形态可供选择，如图2所示的几字形灭弧磁控组件和如图4所示的螺旋管形导电片，其中，螺旋管形导电片可以加工成圆形、方形或其它结构形式，针对不同的应用环境可以选择不同结构形式的导电片。
在灭弧磁控组件2的下端中心开孔，用于与操动系统4的上端活动连接，该活动连接可以选用可拆卸连接，便于后期维护。
本发明为无极性直流磁吹灭弧，具有反向直流负载开断能力高的优点。当灭弧磁控组件选用几字形导电片时，如图3a和图3b所示的几字形灭弧磁控组件自生磁场产生及磁吹作用原理示意图中，当采用几字形导电片的直流接触器所处系统需要进行直流负载分断时，励磁线圈31断电，在分闸簧42和触头簧43反作用力作用下，静触头11和动触头片12分离触头间隙产生直流电弧，电弧电流为Iarc。
如图3a所示的灭弧磁控组件的自生磁场产生及磁吹作用原理一示意图，假设电弧电流Iarc方向向下，则电流将经由静触头11、电弧弧柱、动触头片12、灭弧磁控组件2、另一侧的动触头片12、另一侧的静触头11构成电气回路。假定流经灭弧磁控组件2上的电流为I0，则I0和Iarc平行，且大小相等方向相反。据安培环路定则，流经灭弧磁控组件2的电流I0将在电弧间隙产生磁感应强度为B0的自生法向磁场，方向垂直于电弧弧柱且水平向内，μ0为真空磁导率，r为电流I0和Iarc之间的距离。
在磁场B0的作用下，直流电弧上将产生一个横向的自生电磁力F0，大小F0＝B0Iarcl，方向垂直于电弧弧柱和磁场B0且水平向右，l为直流电弧弧隙长度，则由于I0和Iarc大小相等，则
受到电磁力F0的磁吹作用，直流电弧在直流接触器内被瞬间拉长，致使电弧能量降低，电弧内部离子、电子等微观粒子快速消游离并熄弧，完成直流负载的通断。同时，随开断电流Iarc和I0的增大，电磁力F0的磁吹作用也增强，因此，本实施例提供的灭弧磁控组件所产生的自生磁场的磁吹作用能够实现电弧迅速熄灭，有利于直流接触器负载开断能力的提高。
同样的，如图3b所示的灭弧磁控组件的自生磁场产生及磁吹作用原理二示意图，当触头间隙直流电弧电流Iarc的方向向上时，流经灭弧磁控组件2上的电流为I0，则I0和Iarc仍然平行，且大小相等方向相反，此时，电流I0在电弧间隙产生的自生法向磁场B0垂直于电弧弧柱，但方向为水平向外，而在此磁场B0的作用下，直流电弧上电磁力F0则仍然垂直于电弧弧柱和磁场B0水平向右，与图3a中的电磁力F0大小方向一致。因此，本发明实施例提供的灭弧磁控组件产生的自生磁场的磁吹作用可适用于无极性的直流负载开断。
当灭弧磁控组件选用螺旋形导电片时，由于电流流经螺旋形导电片的长度大于电流流经几字形导电片的长度，所以，采用螺旋形导电片的灭弧磁控组件的电弧磁吹效果优于采用几字形导电片的灭弧磁控组件，其直流负载开断能力更高。如图5a和图5b所示的螺旋形灭弧磁控组件自生磁场产生及磁吹作用原理示意图中，当采用螺旋形导电片的直流接触器所处系统需要进行直流负载分断时，励磁线圈31断电，在分闸簧42和触头簧43反作用力作用下，静触头11和动触头片12分离触头间隙产生直流电弧，电弧电流为Iarc。
如图5a所示为螺旋形灭弧磁控组件的自生磁场产生及磁吹作用原理一示意图，假设电弧电流Iarc方向向下，流经灭弧磁控组件2的N匝螺旋管上的每一匝电流为Ix，则Ix和Iarc大小相等。螺旋管上每匝电流在电弧间隙产生的自生磁场为Bx，则的螺旋管上的N匝电流在电弧间隙产生的总的自生磁场Bm为Bx的矢量和，即方向垂直于电弧弧柱并水平向内。
在磁场Bx的作用下，螺旋管上每匝电流在电弧间隙产生横向电磁力Fx，则的螺旋管上的N匝电流在电弧间隙产生的总的横向电磁力Fm为Fx的矢量和，即方向垂直于电弧弧柱和磁场Bm水平向右，其中因此，相比几字形灭弧磁控组件，螺旋形灭弧磁控组件的自生磁场电磁力Fm的磁吹作用更强，电弧拉弧熄灭更加迅速，直流负载开断能力也更高。
同样的，如图5b所示的灭弧磁控组件的自生磁场产生及磁吹作用原理二示意图，当触头间隙直流电弧电流Iarc的方向向上时，流经灭弧磁控组件2的N匝螺旋管上的每一匝电流为Ix，螺旋管上每匝电流在电弧间隙产生的自生磁场为Bx和N匝电流在电弧间隙产生的总的自生磁场Bm分别与图5a中的Bx和Bm大小相等，方向相反。在自生磁场Bm的作用下，直流电弧上受到的总的电磁力Fm则仍然垂直电弧弧柱和磁场Bm水平向右，与图5a中的电磁力Fm大小方向一致。因此，螺旋形灭弧磁控组件产生的自生磁场的磁吹作用仍然可适用于无极性的直流负载开断，并且直流接触器反向负载开断的能力更高。针对不同强度的应用环境，可以根据实际情况选择不同结构形式的导电片。
如图6所示为本申请实施例提出的一种直流接触器的另一种结构示意图，当灭弧磁控组件选用螺旋形导电片时直流接触器的结构如图6。
在本发明实施例提供的直流接触器中，励磁线圈系统3围绕于操动系统4的下端，励磁线圈系统3包括：励磁线圈31，线圈骨架32，动铁芯33，磁支撑座34和静磁轭片35。
动铁芯33具有凹槽，动铁芯33围绕于操动系统4的下端；磁支撑座34为中心向上弯折形成的内折部，磁支撑座34的内折部围绕于动铁芯33的外侧，磁支撑座34的下端与U形金属壳6的底部相连接；线圈骨架32围绕于磁支撑座34的内折部的外侧；励磁线圈31围绕于线圈骨架32的外侧；静磁轭片35的下端与线圈骨架32的上端相连接。
由于直流电流由于没有自然过零点，开断时电弧的燃弧时间及过电压条件较为苛刻，所以线圈骨架32采用高机械强度的电绝缘材料，动铁芯33、磁支撑座34采用高磁导率的铁磁材料。
动铁芯33具有凹槽，与U形金属壳6构成励磁线圈系统的外围磁轭，同时与励磁线圈系统一起形成闭合的磁回路。
静磁轭片35中心处开有通孔，内穿有接触器操动单元。
本发明实施例提供的直流接触器中，操动系统4包括操动轴41，分闸簧42，触头簧43，限位挡片44，限位卡簧45、限位卡簧46。
操动轴41的中部存在一个平台，操动轴41的平台位于静磁轭片35的上端，操动轴41的上端与灭弧磁控组件2活动连接；限位挡片44套设于操动轴41的上部，限位挡片44的上端与灭弧磁控组件2的下端相连接；触头簧43的上端与限位挡片44的下端相连接，触头簧43套设于操动轴41的外围，且位于操动轴41的平台上端；分闸簧42位于动铁芯33的凹槽内，且分闸簧42套设于操动轴41的中部；限位卡簧46位于灭弧磁控组件2的几字形导电片中心孔上端或所述灭弧磁控组件(2)的螺旋形导电片底部中心孔上端，且限位卡簧46与操动轴41的上端相连接；限位卡簧45位于动铁芯33的下端，且限位卡簧45与操动轴41的下端相连接。
操动轴41在直流接触器中用于将操动系统4与灭弧磁控组件连接，所以，操动轴41为非导磁金属杆，其中部存在一个平台，其上部放置有触头簧43，其下部套有分闸簧42和动铁芯33。
本发明实施例提供的直流接触器还包括U形金属壳6，U形金属壳6上端与陶瓷端盖5的下端相连接，U形金属壳6与陶瓷端盖5、静触头11构成密闭的腔室。
在本实施例提出的直流接触器中，陶瓷端盖5通过金属化处理后与静触头11、U形金属壳6钎焊在一起，并构成密闭的腔室。U形金属壳6为杯状结构，采用磁导率优异的铁磁材料，用以构成励磁线圈系统的外围磁轭，与励磁线圈系统一起形成闭合的磁回路。
本发明实施例提供的直流接触器还包括灭弧绝缘罩7，灭弧绝缘罩7为杯状结构，灭弧绝缘罩7的下端与静磁轭片35的上端相连接。
在本实施例提出的直流接触器中，U形金属壳6与陶瓷端盖5、静触头11构成密闭的腔室内还嵌有灭弧绝缘罩7，灭弧绝缘罩7为杯状结构，置于静磁轭片35上。为了保证灭弧效果，灭弧绝缘罩7采用耐高温、抗烧蚀、低产气的电绝缘材料。
本发明实施例提供的直流接触器还包括排气管8，排气管8嵌设于所述陶瓷端盖5的中心。
为了对上述腔室预抽真空排气和充入适用于直流灭弧气体，在本实施例提出的直流接触器中，陶瓷端盖5上套封有排气管8，以实现对上述腔室预抽真空排气和充入适用于直流灭弧气体。直流灭弧气体介质采用N2、H2、SF6、He等具有导热系数、高电弧电位梯度气体，或其混合气体。
为了保证相关人员的安全，以及灭弧效果，本发明实施例提供的直流接触器还包括密封胶套9，密封胶套9包裹在静触头11、陶瓷端盖5、U形金属壳6和排气管8的外围。
为了保证相关人员的安全，避免发生意外事故，本发明实施例提供的直流接触器还包括绝缘外壳10，绝缘外壳10为浇注在密封胶套9的外围。
从上述描述中可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
本发明设计的直流接触器可通过灭弧磁控组件产生自生磁场，实现对直流电弧的磁吹灭弧，消除了传统高压直流接触器对外置磁吹装置的依赖，避免外置磁吹装置劣化失效、析气、强度单一等对直流灭弧的影响，同时本发明采用无极性直流磁吹灭弧，具有反向直流负载开断能力高的优点。
最后说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种直流接触器，其特征在于，包括：触头单元(1)、灭弧磁控组件(2)、励磁线圈系统(3)和操动系统(4)，其中：
所述触头单元(1)包括静触头(11)和动触头片(12)，所述触头单元(1)位于所述灭弧磁控组件(2)上方，由陶瓷端盖(5)支撑；
所述灭弧磁控组件(2)为几字形或螺旋管形导电片，所述灭弧磁控组件(2)的几字形导电片中心开孔或所述灭弧磁控组件(2)的螺旋管形导电片底部中心开孔，所述灭弧磁控组件(2)与所述动触头片(12)相连接；
所述操动系统(4)的上端与所述灭弧磁控组件(2)活动连接。
2.如权利要求1所述的直流接触器，其特征在于，所述励磁线圈系统(3)围绕于所述操动系统(4)的下端，所述励磁线圈系统(3)包括：励磁线圈(31)，线圈骨架(32)，动铁芯(33)，磁支撑座(34)和静磁轭片(35)，其中：
所述动铁芯(33)具有凹槽，所述动铁芯(33)围绕于所述操动系统(4)的下端；
所述磁支撑座(34)为中心向上弯折形成的内折部，所述磁支撑座(34)的内折部围绕于所述动铁芯(33)的外侧，所述磁支撑座(34)的下端与U形金属壳(6)的底部相连接；
所述线圈骨架(32)围绕于所述磁支撑座(34)的内折部的外侧；
所述励磁线圈(31)围绕于所述线圈骨架(32)的外侧；
所述静磁轭片(35)的下端与所述线圈骨架(32)的上端相连接。
3.如权利要求1所述的直流接触器，其特征在于，所述操动系统(4)包括操动轴(41)，分闸簧(42)，触头簧(43)，限位挡片(44)，限位卡簧(45)、限位卡簧(46)，其中：
所述操动轴(41)的中部存在一个平台，所述操动轴(41)的平台位于所述静磁轭片(35)的上端，所述操动轴(41)的上端与所述灭弧磁控组件(2)活动连接；
所述限位挡片(44)套设于所述操动轴(41)的上部，所述限位挡片(44)的上端与所述灭弧磁控组件(2)的下端相连接；
所述触头簧(43)的上端与所述限位挡片(44)的下端相连接，所述触头簧(43)套设于所述操动轴(41)的外围，且位于所述操动轴(41)的平台上端；
所述分闸簧(42)位于所述动铁芯(33)的凹槽内，且所述分闸簧(42)套设于所述操动轴(41)的中部；
所述限位卡簧(46)位于所述灭弧磁控组件(2)的几字形导电片中心孔上端或所述灭弧磁控组件(2)的螺旋形导电片底部中心孔上端，且所述限位卡簧(46)与所述操动轴(41)的上端相连接；
所述限位卡簧(45)位于所述动铁芯(33)的下端，且所述限位卡簧(45)与所述操动轴(41)的下端相连接。
4.如权利要求1所述的直流接触器，其特征在于，所述直流接触器还包括U形金属壳(6)，其中：
所述U形金属壳(6)上端与所述陶瓷端盖(5)的下端相连接，所述U形金属壳(6)与所述陶瓷端盖(5)、所述静触头(11)构成密闭的腔室。
5.如权利要求1所述的直流接触器，其特征在于，所述直流接触器还包括灭弧绝缘罩(7)，其中：
所述灭弧绝缘罩(7)为杯状结构，所述灭弧绝缘罩(7)的下端与所述静磁轭片(35)的上端相连接。
6.如权利要求1所述的直流接触器，其特征在于，所述直流接触器还包括排气管(8)，其中：
所述排气管(8)嵌设于所述陶瓷端盖(5)的中心。
7.如权利要求1所述的直流接触器，其特征在于，所述直流接触器还包括密封胶套(9)，其中：
所述密封胶套(9)包裹在所述静触头(11)、所述陶瓷端盖(5)、所述U形金属壳(6)和所述排气管(8)的外围。
8.如权利要求1所述的直流接触器，其特征在于，所述直流接触器还包括绝缘外壳(10)，其中：
所述绝缘外壳(10)为浇注在所述密封胶套(9)的外围。
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