CN106783411A - 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。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
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，磁吹装置长期工作情况下劣化失磁严重，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。
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设计的同时，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直流接触器设计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设计的同时，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包括：螺旋管21、磁控铁芯22、磁控隔套23；
所述螺旋管21与所述动触头片12相连接，且所述螺旋管21的下端与所述操动系统4的上端相连接；
所述磁控铁芯22嵌设于所述螺旋管21的内部；
所述磁控隔套23设置于所述螺旋管21与所述磁控铁芯22之间；
所述螺旋管21、所述磁控铁芯22、所述磁控隔套23的中心设有同轴通孔。
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围绕于在所述操动系统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的内折部围绕于在所述动铁芯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围绕于在所述磁支撑座34的内折部的外侧；
所述励磁线圈31围绕于在所述线圈骨架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的上端与所述灭弧磁控组件2活动连接，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的上端与所述螺旋管21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，且所述触头簧43套设于所述操动轴41的外侧，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位于所述螺旋管21的上端，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；灭弧磁控组件包括：螺旋管、磁控铁芯、磁控隔套，螺旋管与动触头片相连接，且螺旋管的下端与操动系统的上端相连接；磁控铁芯嵌设于螺旋管的内部；磁控隔套设置于螺旋管与磁控铁芯之间；螺旋管、磁控铁芯、磁控隔套的中心设有同轴通孔。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灭弧磁控组件结构一示意图；
图3a为灭弧磁控组件结构一的自生磁场产生及磁吹作用原理一示意图；
图3b为灭弧磁控组件结构一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灭弧磁控组件结构二示意图。
图5a为灭弧磁控组件结构二的自生磁场产生及磁吹作用原理一示意图。
图5b为灭弧磁控组件结构二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灭弧磁控组件的立体结构示意图。
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；21、螺旋管；22、磁控铁芯；23、磁控隔套；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包括：螺旋管21、磁控铁芯22、磁控隔套23；螺旋管21与动触头片12相连接，且螺旋管21的下端与操动系统4的上端相连接；磁控铁芯22嵌设于螺旋管21的内部；磁控隔套23设置于螺旋管21与磁控铁芯22之间；螺旋管21、磁控铁芯22、磁控隔套23的中心设有同轴通孔。
在灭弧磁控组件2的螺旋管21和磁控铁芯22中间设置有磁控隔套23，为避免出现短路现象影响灭弧效果，磁控隔套23采用非导磁的电绝缘材料。且灭弧磁控组件的螺旋管2，磁控铁芯22和磁控隔套23中间沿垂直方向开有同轴通孔，用于与操动单元连接。
本实施例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。如图2所示为本发明直流接触器灭弧磁控组件结构一示意图，如图3a和图3b所示的灭弧磁控组件自生磁场产生及磁吹作用原理示意图，当直流接触器所处系统需要进行直流负载分断时，接触器励磁线圈断电，在操动系统分闸簧42和触头簧43反作用力作用下，接触器静触头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结构一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方向向上，则电流将经由静触头11、电弧弧柱、动触头片12、螺旋管21、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螺旋管2的电流为I0，则I0和Iarc大小相等。根据安培环路定则，N匝灭弧磁控组件螺旋管2通过电流为I0时，将在电弧间隙产生磁感应强度为Bm的自生法向磁场，强度磁力线方向垂直于电弧弧柱并穿过螺线管水平向右，μ0为真空磁导率，d为灭弧磁控组件螺旋管2的长度。
在自生磁场Bm的作用下，直流电弧其上将产生一个横向的自生电磁力Fm，大小方向垂直于电弧弧柱和磁场Bm且水平向内，l为直流电弧弧隙长度。
受到电磁力Fm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Fm的磁吹作用也增强。因此，本发明灭弧磁控组件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结构一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的方向向下时，流经灭弧磁控组件螺旋管2的电流为I0，则I0和Iarc仍然大小相等，此时N匝灭弧磁控组件螺旋管2通过电流为I0时，在电弧间隙产生的自生法向磁场Bm强度与图3a相同，但磁力线方向垂直于电弧弧柱并穿过螺线管水平向右，在此磁场Bm的作用下，直流电弧上电磁力Fm则仍然垂直电弧弧柱和磁场Bm水平向内，与图3a中的电磁力Fm大小方向一致。因此，本发明实施例提供的灭弧磁控组件2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。
如图4所示为本发明直流接触器灭弧磁控组件结构二示意图，在灭弧磁控组件2的另一种结构中，螺旋管的旋转方向与原实施例方向相反。
如图5a和图5b所示的灭弧磁控组件结构二自生磁场产生及磁吹作用原理示意图。如图5a所示，假设电弧电流Iarc方向向上，流经N匝灭弧磁控组件螺旋管2的电流为I0，则I0和Iarc大小相等。螺旋管2电流在电弧间隙产生磁感应强度为Bm，Bm大小与图3a实施例相同，方向相反。
图5a中在自生磁场Bm的作用下，直流电弧受到的横向自生电磁力Fm大小与图3a实施例相同，但方向相反。即图5a中自生电磁力Fm方向垂直于电弧弧柱和磁场Bm水平向外，并且随开断电流Iarc和I0的增大，电磁力Fm的磁吹作用也增强。因此，通过灭弧磁控组件结构二产生的自生磁场的磁吹作用也能够实现电弧迅速熄灭。
同样的，如图5b所示，当触头间隙直流电弧电流Iarc的方向向下时，流经灭弧磁控组件的螺旋管2的电流电弧间隙产生的自生法向磁场Bm强度与图5a 相同，方向相反。但直流电弧受到电磁力Fm仍然垂直电弧弧柱和磁场Bm水平向外，与图5a中的电磁力Fm大小方向一致。因此，本发明灭弧磁控组件2新实施例产生的自生磁场的磁吹作用也可适用于无极性的直流负载开断。
如图6所示为本申请实施例所提出的一种直流接触器灭弧磁控组件的立体结构示意图。灭弧磁控组件螺旋管2为一N匝螺旋管，采用导电性能好与抗烧蚀的金属材料。灭弧磁控组件螺旋管2内部嵌套有磁控铁芯22，磁控铁芯22采用导磁性能优异的铁磁材料，螺旋管通电后磁控铁芯22在螺旋管励磁场的作用下，产生与螺旋管励磁场方向相同的磁场，两磁场的叠加，使得磁场强度得到增强，进而提高直流接触器灭弧磁控组件的磁吹灭弧效果，使高压直流接触器直流负载的开断能力更高。
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，外围磁轭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的上端与灭弧磁控组件2活动连接，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。
操动系统4的操动轴41穿过螺旋管21、磁控铁芯22和磁控隔套23的通孔，凸出部分置于螺旋管21外部并通过限位卡簧46固定。由于操动轴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。
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。所述直流灭弧气体介质51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)包括：螺旋管(21)、磁控铁芯(22)、磁控隔套(23)；
所述螺旋管(21)与所述动触头片(12)相连接，且所述螺旋管(21)的下端与所述操动系统(4)的上端相连接；
所述磁控铁芯(22)嵌设于所述螺旋管(21)的内部；
所述磁控隔套(23)设置于所述螺旋管(21)与所述磁控铁芯(22)之间；
所述螺旋管(21)、所述磁控铁芯(22)、所述磁控隔套(23)的中心设有同轴通孔。
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)围绕于在所述操动系统(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)的内折部围绕于在所述动铁芯(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)围绕于在所述磁支撑座(34)的内折部的外侧；
所述励磁线圈(31)围绕于在所述线圈骨架(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)的上端与所述灭弧磁控组件(2)活动连接，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)的上端与所述螺旋管(21)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，且所述触头簧(43)套设于所述操动轴(41)的外侧，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)位于所述螺旋管(21)的上端，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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