CN106716579B - 用于接触器组件的弧控制 - Google Patents

Abstract

一种适用于切换电力到回路的接触器或开关组件。壳体具有内壁，所述内壁在所述内部隔室内侧向延伸以限定保护室。电流携带触点被布置在壳体的保护室中。电流携带触点包括导电本体，所述导电本体从壳体突出并且被构造成使回路闭合。弧耗散区域被设置在保护室中，并且被定位成靠近电流携带触点。磁体被设置成靠近耗散区域的端部。磁体建立磁通量或磁场，所述磁场延跨过电流携带触点。磁通量将从电流携带触点中的一个或多个辐射的电弧引导到弧耗散区域，由此增大其中所述电弧被耗散在所述耗散区域中的电弧行进的有效距离。

Description

用于接触器组件的弧控制

技术领域

本发明一般地涉及用于电回路的开关，并且更加特别地涉及具有改进的弧控制的接触器组件。

背景技术

一些已知的电回路包括通过回路控制电流流动的接触器。接触器通过打开或闭合导电路径来控制通过回路的电流流动，所述导电路径延伸通过接触器以对应地打开或闭合回路。

在传送相对高电平的直流电的回路中，当接触器从闭合状态切换到打开状态以打开回路时，将在接触器内侧产生电弧。当接触器从闭合状态切换到打开状态时，在电弧的电阻将电流驱动到零的同时，电弧将从接触器中的触点辐射。电弧能够是相对高能量的。如果电弧能量足够高并且持续时间足够长，则电弧能够损坏和/或污染接触器中的触点。如果在闭合操作期间在接触弹跳期间存在电弧，电弧还能够将触点彼此焊接。例如，电弧可以将触点焊接在一起，使得接触器不能将触点分离以打开接触器被连接到的回路。

一些已知的能够经受相对大的激增电流的接触器是大的、重的且制造费用昂贵。所述接触器可能包括相对大的触点、致动器机构和/或弧耗散构件，所述弧耗散构件是重的和/或生产成本昂贵的。由于小的接触力与弧磁体的放置相结合，其它较小和/或较轻的接触器不能够经受相对大的电流。此外，这些接触器中的触点和/或弧耗散构件更易于被从触点辐射的电弧损坏。另外，当触点受到大的激增电流时，一些触点可能彼此分离并打开回路。由于那些事件而发出的电弧可能导致灾难性的电弧事件，或者导致在重新闭合时的触点的熔化。

在一些电力切换接触器中，通过使用永磁体来促进弧控制。然而，在许多这样的装置中，磁体本放置成使得装置对于中断电流是极性敏感的。另外，永磁体的定位与触点的磁场相互作用，使得当触点被闭合并且传导电流时，接触力减小到超过由于接触点排斥力的正常贡献引起的接触力。

美国专利号8,232,499公开了具有永磁体的接触器组件。接触器组件适用于将电力切换到具有电源的回路。接触器组件包括壳体、携带触点和弧触点。壳体限定内部隔室并且包括内室壁，所述内室壁在所述隔室内侧向延伸以限定保护室。携带触点被布置在壳体的保护室中。弧触点被布置在壳体中在保护室的外侧。壳体的内室壁防止当电弧从一个或多个弧触点发出时排出的材料污染一个或多个携带触点。磁体可以被设置在在侧周壁旁边或者邻近侧周壁的内部隔室的相反侧上。磁体产生磁通量或磁场，所述磁场延伸跨过或包围弧触点。有磁通量的情况下，磁通量改变弧的路径，由此有效增大弧必须行进的距离。

虽然美国专利号8,232,499的接触器组件提供了充分的弧控制，但是仍需要更小、更轻和/或更廉价的接触器，其能够安全地接通或关断相对大的电流，同时避免熔化和对接触器中的触点的过度电弧损坏。另外，需要对极性不敏感并且当触点被移动到闭合位置时不会导致接触力减小的弧控制。

发明内容

通过一种接触器组件来提供解决方案，所述接触器组件适合于切换电力到具有电源的回路，所述接触器组件包括具有内部隔室的壳体。壳体具有内壁，所述内壁在所述内部隔室内侧向延伸以限定保护室。电流携带触点被布置在壳体的保护室中。电流携带触点包括导电本体，所述导电本体从壳体突出并且被构造成使回路闭合。弧耗散区域被设置在内部隔室的保护室中。弧耗散室被定位成靠近电流携带触点。磁体被设置成靠近耗散区域的端部。磁体产生磁通量或磁场，所述磁场延跨过电流携带触点。来自磁体的磁通量将从一个或多个电流携带触点辐射的电弧引导到弧耗散区域中，由此增大其中所述电弧被耗散在所述耗散区域中的电弧行进的有效距离。

附图说明

现在将参考附图通过举例的方式描述本发明，在附图中：

图1是根据本发明的一个实施例的包括接触器组件的回路的示意图。

图2是图1中所示的接触器组件的透视图，其中母线被移除。

图3是根据本发明的一个实施例的沿着图2中所示线3-3的接触器组件的截面视图。

图4是根据本发明的一个实施例的沿着图2中所示线4-4的接触器组件的截面视图。

图5是根据本发明的一个实施例的沿着图2中所示线5-5的接触器组件的截面视图，其中接触器组件被示出成处于打开位置。

图6是根据本发明的一个实施例的类似于图5中所示的接触器组件的截面视图，其中接触器组件被示出成处于闭合位置。

具体实施方式

在一个实施例中，接触器组件适合于切换电力到具有电源的回路，所述接触器组件包括具有内部隔室的壳体。壳体具有内壁，所述内壁在所述内部隔室内侧向延伸以限定保护室。电流携带触点被布置在壳体的保护室中。电流携带触点包括导电本体，所述导电本体从壳体突出并且被构造成使回路闭合。弧耗散区域被设置在内部隔室的保护室中。弧耗散室被定位成靠近电流携带触点。磁体被设置成靠近耗散区域的端部。磁体产生磁通量或磁场，所述磁场延伸跨过电流携带触点。来自磁体的磁通量将从一个或多个电流携带触点辐射的电弧引导到弧耗散区域中，由此增大其中所述电弧被耗散在所述耗散区域中的电弧行进的有效距离。

在另一个实施例中，公开一种开关组件，所述开关组件适合于切换电力到具有电源的回路。开关组件包括壳体，所述壳体限定内部隔室。壳体包括内壁，所述内壁在所述内部隔室内侧向延伸以限定保护室。电流携带触点被布置在壳体的保护室中。电流携带触点包括导电本体，所述导电本体从壳体突出并且被构造成使回路闭合。弧耗散区域被设置在内部隔室的保护室中，并且被定位成靠近电流携带触点。弧状磁体被设置成靠近耗散区域的端部，磁体产生跨过电流携带触点延伸的磁通量或磁场。来自磁体的磁通量将从电流携带触点辐射的电弧引导到弧耗散区域中，其中电弧的路径近似抛物线，由此有效地增大弧必须行进的距离。

在另一个实施例中，公开一种开关组件，所述开关组件适合于切换电力到具有电源的回路。开关组件包括壳体，所述壳体限定内部隔室。壳体包括内壁，所述内壁在所述内部隔室内侧向延伸以限定保护室。一对电流携带触点被布置在壳体的保护室中。该一对电流携带触点包括导电本体，所述导电本体从壳体突出并且被构造成使回路闭合。一对弧耗散区域被设置在内部隔室的保护室的相反端。弧耗散室被定位成靠近电流携带触点。一对磁体被设置成靠近耗散区域的端部。每个磁体产生磁通量或磁场，所述磁场延伸跨过相应的电流携带触点。来自每个磁体的磁通量将从相应电流携带触点辐射的电弧引导到相应的弧耗散区域中，由此增大其中所述电弧被耗散在所述耗散区域中的电弧行进的有效距离。

根据被发明的原理的说明性实施的描述旨在被与附图相联系地阅读，附图被当成是整个书面说明书的一部分。在本文所公开的本发明的实施例的描述中，关于方向或定向的任何参考，仅仅是出于描述方便的考虑，并不旨在以任何方式限制本发明的范围。相对术语诸如“下部”、“上部”、“水平”、“竖直”、“上方”、“下方”、“上”、“下”、“顶部”和“底部”及其派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等等)，应该被理解成在讨论中参考在附图中所描述的或示出的定向。这些相对术语用于描述的方便性，而不要求设备被以特定的定向构造或操作，除非被明确地指示。术语诸如“附接”、“附着”、“连接”、“联接”、“相互连接”等指示这样一种关系，其中结构被直接地附接或固定到另一个结构，或者被通过中介结构间接地附接或固定到另一个结构，并且也指示可移动或刚性附接或关系，除非另有明确的描述。此外，通过参考优选实施例来说明本发明的特征和优点。因此，本发明明确地不应限制于这样的优选实施例，这些优选实施例示出了特征的一些可能的非限制性组合，所述特征可以单独存在或者处于特征的其它组合中，本发明的范围有所附权利要求限定。

图1是根据本发明的一个实施例的包括接触器或开关组件12的回路10的示意图。回路10包括电源14，电源14经由导电路径18、20、22和接触器组件12被电联接到一个或多个电负载16。电源14可以是供应电流以对电负载16通电的各种系统、装置和设备中的任一种。例如，电源14可以是将直流电(DC)或交流电(AC)供应到电负载16的电池。

导电路径18、20、22可以包括能够传输电流的各种导电本体中的任一种。例如，导电路径18、20、22可以包括配线、线缆、母线、触点、连接器等。接触器组件12是继电器或开关，其控制通过回路10的电力输送。接触器组件12通过导电路径18、20与电源14和电负载16连结。在所示实施例中，母线24、26将导电路径18、20与接触器组件12联接。可替选地，可以使用不同数目的母线24、26或者可以使用不同的部件或组件，来将接触器组件12与回路10电连结。接触器组件12在打开状态(如图5所示)和闭合状态(如图6所示)之间交替。在闭合状态下，接触器组件12在导电路径18、20之间或者在母线24之间提供导电桥，以便使回路10闭合，并允许电流被从电源14供应到电负载16。在打开状态下，接触器组件12将在导电路径18、20之间或者在母线24之间的导电桥移除，使得回路10被打开，并不允许电流经由接触器组件12被从电源14供应到电负载16。

接触器组件12被示出在图1中，接触器组件12包括外壳体27，所述外壳体27沿着纵向轴线32在相反端28、30之间延伸。虽然外壳体27被示出成近似圆柱形罐的形状，但是可替选地，外壳体27可以具有不同的形状。外壳体27可以包括介电材料或由介电材料形成，所述介电材料诸如一个或多个聚合物。在另一个实施例中，外壳体27可以包括导电材料或由导电材料形成，所述导电材料诸如一个或多个金属合金。如以下所述，接触器组件12包括一组电流携带触点34、36(如图2所示)，所述一组电流携带触点34、36能够通过接触器组件12传送电流。接触器组件34、36闭合和打开回路10。在一个实施例中，当触点34、36闭合或打开回路10时，从电源14跨过触点34、36供应的相对高的电流的初始传输可能会使触点34、36形成电弧或这产生电弧，所述电弧在接触器组件12内从触点34、36中的一个或多个延伸。例如，接触器组件12内的在触点34、36周围的气体或大气可能被电分解并且允许电荷通过触点34、36激增(surge)从而跨过所述气体或大气跳跃或移动。电弧形成可以产生正在进行的等离子放电，等离子放电是电流流动通过通常非导电介质诸如气体或大气导致的。电弧形成能导致非常高的温度，高的温度可能使接触器组件12内的部件包括触点34、36被熔化、蒸发或损坏。根据上述一个或多个实施例，接触器组件12包括引动电弧远离触点34、36和/或耗散电弧使得电弧部损坏或污染触点34、36的特征。

壳体27的端部28包括若干个开口38，触点34、36通过开口38延伸。触点34、36通过开口38延伸，以同与回路10连结的导电本体诸如母线24、26配接(如图1所示)。在所示实施例中，触点34与母线24配接，而触点36与母线26配接。

接触器组件12包括被布置在外壳体27内的内壳体40(如图3和4所示)。内壳体40可以在相反端部42、44之间延伸，如最好地在图5和6中所示。触点34、36通过内壳体40的端部42突出，以被呈现在外壳体27的端部28处。内壳体40可以包括介电材料或由介电材料形成，所述介电材料诸如一个或多个聚合物。

如最好地在图3和4中所示，内壳体40包括限定接触器组件12的内部隔室的侧壁46、48、端壁50、52、顶壁54和底壁56。壁46、48、50、52、54、56可以包括介电材料或由介电材料形成，所述介电材料诸如但不限于一个或多个聚合物。

侧壁46、48和端壁50、52可以被称为周壁，并且顶壁54和底壁56可以被分别称为上壁和下壁。周壁46-52在下壁56和上壁54之间沿着纵向轴线32(图1)延伸。周壁46-52也围绕内部隔室58的圆周延伸。例如，在所示的实施例中，周壁46-52形成蝴蝶结或蝴蝶形状，如图3和4中所示，其中端壁50、52具有弧状构造。如图3所示，周侧壁46、48的部分彼此相对并且位于内部隔室58的相反侧上。周端壁50、52彼此相对并且位于内部隔室58的相反端上。周侧壁46、48在周端壁50、52之间侧向延伸并且与周端壁50、52相互连接或相交。周端壁50、52在周侧壁46、48之间横向延伸并且与周侧壁46、48相互连接或相交。虽然周壁46-52被示出为蝴蝶构造，但是壁46-52可以具有不同的形状和或被定向成与所示实施例中示出的不同。

如图3所示，触点34、36被布置在内部隔室58中。内部隔室58被密封并装载有惰性和/或绝缘气体，诸如但不限于，六氟化硫、氮等等。周壁46-52和上壁54及下壁56包围触点34、36，使得从触点34、36延伸的电弧被包含在内部隔室58内并且部延伸出内部隔室58以损坏接触器组件12或回路10的其它部件(如图1所示)。

如图4所示，触点34、36位于弧耗散区域60、62中。弧耗散区域60、62是内隔室58的子项或段区。在所示的实施例中，内隔室58的总容积或空间包括弧耗散区域。可替选地，可以设置一个或多个其它室、隔室等。弧耗散区域60靠近周端壁50在周侧壁46、48之间延伸，并且在上壁54和下壁56之间延伸。弧耗散区域62靠近侧向端周壁52在横向周侧壁46、48之间延伸，并且在上壁54和下壁56之间延伸。弧耗散室60、62是位于每个触点34、36的相反侧上的被扩大的区域或凹口。

耗散室60、62提供空间或容积用于耗散或“吹熄”从触点34、36辐射的电弧。例如，从触点34发出的电弧可以被引导离开触点36进入室60以包含和熄灭电弧。

在所示实施例中，弯曲的、辐射式的或弧状的弧熄灭永磁体64、66被设置在内部隔室58的相反侧上(如图3所示)。在所示的说明性实施例中，磁体64、66被插入并保持在磁体接纳凹部68、70中，磁体接纳凹部68、70被形成在内壳体40和外壳体27之间。例如，永磁体64、66可以位于内部隔室58的外侧，在侧向周端壁50、52旁边或邻近侧向周端壁50、52。可替选地，磁体64、66可以是电磁体或其它磁通量源。

弧熄灭永磁体64、66被定位成靠近或邻近耗散或弧熄灭区域60、62。因为弧熄灭永磁体64、66被布置成靠近内壳体40的端壁50、52，所以弧熄灭永磁体64、66被定位为紧邻致动器组件74的联接构件72和触点34、36，如将更详细描述的。

磁体64、66产生磁通量或磁场，所述磁场延伸跨过或包围触点34、36。例如，磁体64、66的磁极可以彼此对齐，使得磁通量或磁场被产生成大体上沿着箭头76(图3所示)的方向从磁南延伸到磁北。来自磁体64、66的磁通量可以将从触点34、36中的一个或多个辐射的电弧侧向引导到弧耗散或熄灭区域或室60、62中。例如，由磁体64、66建立的磁通量或磁场可以引导电弧远离触点34、36，并且由此增大电弧需要行进以便传播或行进的有效距离。磁通量近似沿着一个或多个相反方向76将所述弧“吹动”到触点34、36的一侧或另一侧。所述弧被吹动或引导的方向76取决于流过所述弧的电流的极性。在没有磁通量的情况下，电弧通常会行进最短的可能距离，其通常是直线。利用磁通量，磁通量将弧的路径引导成近似抛物线，由此有效增大弧必须行进的距离。有益于电弧形成的条件可以被施加的磁通量削弱。

在所示的实施例中，示出一对触点34、36。一对相应的耗散区域60、62和一对相应的磁体64、66被示出成靠近所述一对触点34、36。然而，在不背离本发明的范围的情况下，可以设置其它变型和其它数目的触点、耗散区域和磁体。

如最好地在图5和6中所示，触点34、36是在配接端78和接合端80之间延伸的伸长的本体。配接端78与回路10(如图1所示)联接，以将接触器组件12与回路10电联接例如，配接端78可以与母线24(如图1所示)连结。在所示的实施例中，接合端80包括导电垫82。导电垫82包括导电材料或者由导电材料形成，所述导电材料诸如但不限于一个或多个金属或金属合金。例如，导电垫82可以由银(Ag)合金形成。银合金的使用可以防止导电垫82焊接到致动器子组件74的导电垫84。

在所示的说明性实施例中，致动器子组件74沿着或者在与纵向轴线32平行的方向上移动，以将触点34、36彼此电联接。致动器组件74包括联接构件72。例如，联接构件72可以被形成为伸长块。联接构件72包括导电材料或者由导电材料形成，所述导电材料诸如但不限于一个或多个金属或金属合金。联接构件72包括在联接构件72的相反端上的导电垫84。

致动器子组件74沿着纵向轴线32在相反的方向上移动，以及将联接构件72朝向触点34、36移动(闭合位置，图6)和远离触点34、36移动(打开位置，图5)。例如，致动器子组件74可以朝向触点34、36的接合端80移动，以使联接构件72朝向接合端80提升。

联接构件72与触点34、36的配接使得致动器子组件74将回路10闭合。在所示的实施例中，联接构件72将触点34、36彼此连结，使得电流可以流动通过触点34、36并且在任一方向上跨过致动器子组件74。下面结合本发明的一个实施例示出和描述致动器子组件74与触点34、36的配接和解除配接。

图5是根据本发明的一个实施例的处于打开状态的致动器子组件12的截面视图。致动器子组件74包括伸长轴86，伸长轴86沿着纵向轴线32定向。使用夹具或其它已知的方法在一端处将联接构件72连结到轴86。

如图5所示，致动器组件12处于打开状态，因为致动器子组件74从触点34、36脱离。致动器子组件74与触点34、36分离使得联接构件72不与触点34、36相互连接或者不将触点34、36彼此电连结。结果，电流不能穿越触点34、36。

致动器子组件74包括联接到柱塞86的磁化本体88。本体88可以包括永磁体，所述永磁体产生沿着纵向轴线32定向的磁场或磁通量。接触器组件12包括线圈本体90，线圈本体90围绕本体88。线圈本体90可以被用作电磁体，以沿着纵向轴线32驱动轴86的磁性本体88。例如，线圈本体90可以包括围绕磁本体88的导线或其它部件。电流可以被施加到线圈本体以建立沿着纵向轴线32定向的磁场。取决于经过线圈本体90的电流的方向，由线圈本体90感应出的磁场可以具有朝向外壳体27的端部28向上定向或朝向端部30向下定向的磁北。

为了朝向触点34、36驱动致动器子组件74，线圈本体90被通电以建立沿着纵向轴线32的磁场。磁场可以将致动器组件74的磁本体88沿着纵向轴线32朝向触点34、36移动。在所示实施例中，柱塞弹簧92在磁本体88和内隔室58的下壁56之间延伸。柱塞弹簧92在向下方向上朝向外壳体27的端部30将力施加在柱塞86上。在没有通过线圈本体90建立磁场的情况下，柱塞弹簧92施加的力防止致动器子组件74朝向触点34、36移动并与触点34、36配接。由线圈本体90产生的磁场足够大或强，以便克服由柱塞弹簧92施加在柱塞86上的力，并且朝向触点34、36驱动轴86和致动器子组件74。

图6是根据本发明的一个实施例的处于闭合状态的致动器组件12的截面视图。在闭合状态下，致动器子组件74已经在致动器组件12内沿着纵向轴线32移动足够远，使得联接构件72与触点34、36配接。结果，致动器子组件74已经电联接触点34、36以使回路10闭合。当回路10如上所述被打开时，磁体64、66建立磁通量或磁场，所述磁场延伸跨过或包围触点34、36。例如，磁体64、66的磁极可以彼此对齐，使得磁通量或磁场被产生成大体上沿着箭头76的方向从磁南延伸到磁北。来自磁体64、66的磁通量可以将在触点34、36中的一个或多个与联接构件72之间辐射的电弧侧向引导到弧熄灭区域或室60、62中，由此增大电弧需要行进以便传播或行进的有效距离。磁通量近似沿着一个或多个相反方向76将所述弧“吹动”到触点34、36的一侧或另一侧。所述弧被吹动或引导的方向76取决于流过所述弧的电流的极性。在没有磁通量的情况下，电弧通常会行进最短的可能距离，其通常是直线。在具有磁通量的情况下，磁通量将弧的路径引导成近似抛物线，由此有效增大弧必须行进的距离。

磁体64、66被定尺寸成提供足够的磁通量和引导，以建立足够的弧长来确保在耗散或弧熄灭区域60、62中将弧熄灭。磁体64、66的弧状形状有助于确保将弧引导到弧熄灭区域60、66，由此便于弧稳定地形成并且便于提高弧熄灭性能。

因为弧熄灭永磁体64、66被分别包含在凹部68、70中，所以弧并不直接接触弧熄灭永磁体64、66。因此，弧熄灭永磁体64、66的磁性性能被稳定地维持以获得稳定的中断性能。

在一个实施例中，柱塞86可以持续沿着纵向轴线32朝向触点34、36移动。为了打开回路10，致动器子组件74可以沿着纵向轴线32在相反反向上移动。例如，致动器子组件74可以沿着纵向轴线32朝向致动器组件12的端部30(如图1所示)移动。通过减小经过线圈本体90的电流的大小，或者通过消除电流经过线圈本体90，致动器子组件74可以朝向端部30移动。例如，电流的大小可以被减小或消除，使得压缩的柱塞弹簧92将柱塞86和致动器子组件74沿着纵向轴线32朝向端部30驱动。

这里所述的磁体和致动器提供一种对中断的电流的极性不敏感的电力切换装置。另外，由于磁体的定位，致动器不具有由磁力的相互作用引起的接触力的不期望的减小。靠近触点间隙的端部放置磁体，而不是将磁体放置成与触点桥平行，这允许致动器获得更紧凑有效的构造。

Claims (4)

1.一种接触器组件，所述接触器组件适用于将电力切换到具有电源的回路，所述接触器组件包括：

壳体，所述壳体限定内部隔室并且包括内壁，所述内壁在所述内部隔室内侧向延伸以形成内部壳体，所述内部壳体限定保护室；

电流携带触点，所述电流携带触点被布置在所述壳体的所述保护室中，所述电流携带触点包括导电本体，所述导电本体从所述壳体突出并且被构造成使所述回路闭合；

致动器组件，所述致动器组件具有联接构件，所述联接构件与所述电流携带触点配合以使所述回路闭合和打开；

一对弧耗散区域，所述弧耗散区域被设置在所述内部隔室的所述保护室的相反端，所述弧耗散区域被定位成靠近所述电流携带触点；

一对弧状磁体，所述弧状磁体被设置成靠近所述耗散区域的弧状端壁并且靠近所述电流携带触点，所述弧状磁体被设置为它们朝向彼此成弧状，当所述回路闭合时，所述弧状磁体不会减小施加在所述联接构件与所述电流携带触点之间的接触力；

其中，每个所述弧状磁体均建立跨过各自的一个所述电流携带触点延伸的磁通量或磁场，来自所述弧状磁体的所述磁通量将从各自的所述电流携带触点辐射的电弧引导到各自的一个所述弧耗散区域中，由此增大其中所述电弧被耗散在所述耗散区域中的所述电弧行进的有效距离，

其中，限定所述保护室的内壁包括所述弧状端壁，其中所述弧状磁体被保持在形成于所述接触器的壳体与所述弧状端壁之间的磁体接纳凹部中，使得所述电弧并不直接接触所述弧状磁体，以允许所述弧状磁体保留它们的磁性性质以获得稳定的性能。

2.根据权利要求1所述的接触器组件，其中所述弧状磁体是永磁体。

3.根据权利要求1所述的接触器组件，其中所述弧状磁体是电磁体。

4.根据权利要求1所述的接触器组件，其中来自所述弧状磁体的磁通量在近似抛物线的路径上引导所述电弧。

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