CN107301937A - 直流电路断路器 - Google Patents

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Abstract

该直流电路断路器(1)包括第一(21；21')和第二(3)可移动电触头。断路器(1)还包括磁路(5)，该磁路(5)包括磁体(50、50')并产生能够沿灭弧室(4)的方向引导电弧的磁场，并且这些场线为此目的垂直于电弧形成室的相对侧壁(31、32)延伸，这些场线在包含接触区域的电弧形成室的中心区域中朝向灭弧室(4)会聚，同时平行于纵向平面(P1)延伸。

Description

直流电路断路器
技术领域
本发明涉及一种具有改进的电弧灭弧能力的空气灭弧直流电路断路器。
背景技术
空气灭弧的直流电路断路器是已知的，其包括电触头，该电触头连接到用于电流的输入和输出端子，并且可在闭合位置与断开位置之间相对于彼此选择性地移位，在所述闭合位置中，第一和第二电触头彼此接触，以允许第一和第二电触头之间的直流电流流动，在所述断开位置中，这些触头区域彼此远离的断开位置。
以已知的方式，这些断路器使得可以通过在检测到异常情况(例如电涌或短路等)时快速中断电流的流动来保护电气系统免受这种异常情况的影响。“快速”是指在检测到异常情况后，电流必须在小于100ms或优选小于10ms内中断。
为了中断电流的流动，导体朝向其断开位置彼此分开。通常，电弧在其接触区域之间形成。必须熄灭电弧才能中断电流的流动。在实践中，对于高强度(例如大于10安培)的电流，电弧通过在灭弧室的方向吹动而移位，该电弧在灭弧室中熄灭，从而可以中断电流的流动。在电弧本身的电流流动产生的磁场的作用下，这种吹动效果部分地是由施加在电弧上的电磁力引起的。然而，在存在较低强度(例如小于或等于10安培或1安培)的电流的情况下，由电弧本身产生的磁场不足以通过向灭弧室吹送而使其移位。然后电弧可能在两个电接触区域之间持续很长时间。这是不希望的，因为断路器不会快速地中断电流的流动，这可能导致不利于安全的情况。
FR 2 632 772 B1公开了一种断路器，其中永磁体设置在灭弧室入口处的灭弧角(arc horn)上，以便产生恒定的磁场，以便无论电流值如何而朝着灭弧室移动电弧。然而，这样的装置不是完全令人满意的，而且在工业上生产是复杂的，并且需要有时对现有的断路器进行重大修改以进行整合。
发明内容
本发明更具体地旨在通过提出具有可逆极性的直流电路断路器补救这些缺点，其中即使对于低电流强度的电流也可以可靠地中断电弧，并且能够以在工业上简单的方式生产。
为此，本发明涉及一种直流电路断路器，包括：
-直流电流的第一和第二输入和输出端子，
-第一和第二电触头，分别连接到第一和第二端子，并且可沿着断路器的纵向平面相对于彼此在以下位置之间选择性地移位：
·闭合位置，其中第一和第二电触头的相应接触区域彼此接触，以允许第一和第二电触头之间的直流电流流动；以及
·断开位置，这些接触区域彼此远离，
-电弧形成室，其中放置接触区域；
-电弧灭弧室；
断路器还包括磁路，该磁路包括磁体并产生磁场，该磁场能够在灭弧室的方向上引导在断开位置的接触区域之间形成的电弧，由磁路产生的磁场为了这个目的而展示基本上垂直于电弧形成室的相对侧壁延伸的弯曲场线，这些侧壁设置在基本上平行于纵向平面的接触区域的任一侧上，这些场线在包含接触区域的电弧形成室的中心区域的水平上朝向灭弧室会聚，同时平行于纵向平面延伸。
根据本发明，由磁体和磁路产生的磁场对电弧施加力，这首先使后者远离电接触区域并垂直于纵向平面移动。由于磁场线的构造，施加在电弧上的力随后改变方向，以便随后将电弧引向灭弧室。由于相对于纵向平面的对称构造，不管断路器中的电流的流动方向如何，电弧都会向灭弧室移动。此外，磁路容易集成到现有的断路器中，而不会对其进行显著的结构修改。
根据本发明的有利但非强制性方面，这种断路器可以包括以任何技术上可接受的组合中的一个或多个以下特征：
-磁路还包括由铁磁材料制成并且至少部分地沿着第一电触头延伸的磁芯，磁体被放置在磁芯的一端。
-磁体具有平行于包含在纵向平面中的纵向方向定向的磁轴。
-磁体与磁芯的端部之间的间隔小于或等于2mm，或者优选小于或等于1mm，或者更优选为零。
-磁体是永磁体。
-磁体由含有稀土族元素的合成合金制成，例如钐钴合金。
-磁体能够产生大于或等于0.5特斯拉的磁场，或者优选大于或等于1特斯拉。
-磁芯由钢或铁制成。
-侧壁由铁磁材料制成。
附图说明
根据仅作为示例并参照附图给出的断路器实施例的以下描述，本发明将被更好地理解，并且后者的其它优点将更清楚地显现，其中：
图1是根据本发明的直流电路断路器的内部部分的透视图的示意图；
图2是根据图1的箭头F2所示的视图的图1的断路器的一部分的示意图；
图3和图4示意性地表示由图1的断路器的磁路产生的磁场线，根据图1的平面P1的纵剖面图和图1的平面P2的横截面图。
图5是沿着图1的剖面P2的图1的断路器的一部分的示意图；
图6和图7示意性地示出了在图1的断路器中施加在两个相反的电流方向的电弧上的电磁力的方向。
具体实施方式
图1表示空气灭弧直流断路器1的一部分。这里的断路器1包括封闭的壳体，其内部设置有该断路器1的部件。该壳体例如由热成型塑料制成。为了更清楚，在图1中未示出断路器1的壳体。
断路器1包括用于输入和输出电流的电气端子2和2'。端子2和2'被配置为将断路器1电连接到希望保护的电路。端子2和2'由导电材料制成，例如铜等金属。这些端子2和2'在这里可从壳体的外部接近，以将断路器1连接到要保护的电路。
在该示例中，断路器1的极性是可逆的，也就是说，端子2和2'可以替代地并且可互换地用作断路器1中的电流的输入或输出端子。
这里的断路器1包括两个分别与端子2、2'相连的子组件1a和1b。第一子组件1a包括以下元件：连接到端子2的第一电触头21、灭弧室4和磁路5。第二子组件1b包括以下元件：连接到端子2'的电触头21'、灭弧室4'和磁路5'。
所描述的这两个子组件1a和1b中的每一个以类似的方式操作。因此，下面将仅详细描述第一子组件。
在该示例中，第二子组件1b的元件是相同的并且具有与第一子组件1a类似的功能。第二子组件1b的元件与第一子组件1a的元件具有相同的数字参考，增加了符号“'”。例如，触点21'类似于触点21，并且仅以它们在断路器1中的位置而不同。
断路器1还包括可移动部件3，其可围绕断路器1的固定轴线X1旋转。例如，可移动部件3围绕与断路器1的外壳一体的轴线枢转安装可移动部件3在这里在相对的接触区域30和30'之间导电。
“P1”表示断路器1的纵向几何平面。在该示例中，平面P1形成断路器1的对称平面。此外，断路器1的元件还相对于轴线X1对称地设置。轴线X1垂直于平面P1。“Z1”表示垂直于轴线X1并包含在平面P1中的几何轴线，并且在此限定垂直方向。
电触头21设置有接触区域22，该接触区域22旨在与部件3的对应区域30接触。例如，接触区域22和30各自包括导电接触焊盘，例如由金属材料制成，如银或铜。
电触头21与端子2电连接，而可移动部件3电连接到端子2'，如下所述。
这里，触点21相对于断路器1固定。
在该示例中，电触头21采用由导电材料(例如铜)制成的棒的形式，其平行于断路器的固定轴线Y1延伸。轴线Y1在这里相对于平面P1纵向并且在水平方向上延伸。在该说明性示例中，电触头21与端子2形成为一体。更精确地，该杆包括两个重叠的直线部分，它们沿轴线Y1彼此平行延伸并且由该杆的部分20连接在一起，该部分20被弯成“U”形。接触区域22形成在电触头21的一个直线部分上。端子2的用于与外部连接的部分制成在电触头21的相对的直线部分上。更准确地说，接触区域22制成在面对可移动部件3的相应的接触区域30的电触头21的上部。
这里的可移动部件3起到与电触头21电接触的作用。
可移动部件3和电触头21可相对于彼此可选地且可逆地在闭合位置与断开位置之间移动。在闭合位置，接触区域22和30彼此直接接触，以允许可移动部件3和电触头21之间的电流流动。在断开位置，接触区域22和30彼此远离，从而在触点22与30之间没有电弧时防止电流的流动。例如，在该断开位置，接触区域22与30相隔至少5mm，优选地最少15毫米。
箭头F1示出了可移动部件3从闭合位置到断开位置的移动方向。
在该示例中，可移动部件3在闭合位置和断开位置之间的位移沿平面P1进行，也就是说，接触区域30在位移期间的轨迹平行于平面P1。在断开位置，接触区域21和30基本上沿着平行于轴线Z1的轴线对齐。
部件3在这里直接连接到端子2'，特别是与第二子组件1b的电触头21'连接。
可移动部件3相对于电触头21'的断开和闭合位置类似地限定。电触头21'在这里沿着平行于轴线Y1的固定轴线Y1'延伸。
断路器1被布置成使得部件3相对于电触头21和21'同时处于断开位置或处于闭合位置。因此，通过对称，朝向断开位置的位移同时地对这两个子组件1a和1b中的每一个做出。当可移动部件3处于闭合位置时，电流可以在端子2和2'之间流动，同时经过接触区域21与21'，经过可移动部件3，并经过它们各自的接触区域。可移动部件3向其断开位置的位移旨在防止端子2和2'之间的这种电流的流动。当可移动部件3处于断开位置时，在电触头21、21'和可移动部件3的各个接触区域之间没有任何电弧的情况下，电流在端子2与2'之间的流动被阻止。
以已知的方式，当可移动部件3朝着断开位置移动同时电流在端子2与2'之间流动时，可以在两个接触区域22与30之间形成电弧。该电弧允许电流继续流动，因而必须被熄灭才能中断此电流。
断路器1还包括未示出的跳闸电路，其构造成当检测到操作异常时，例如在端子2与2'之间流动的电流的浪涌，使可移动部件3朝向断开位置移动。
例如，室4至少部分地由断路器的壳体的壁限定。
以已知的方式，灭弧室4包括叠置在彼此之上的导电灭弧板41的堆叠。一旦这个电弧已经穿过灭弧室4，这些板就意图熄灭电弧。在这个例子中，这些板彼此相同并且呈现内嵌在四边形之内的平面形式，其中板被制成基本上位于指向区域22和30的边缘上的“V”形切口。堆叠的板41由布置在堆叠的端板42上方的灭弧角43覆盖。
在该示例中，断路器1包括电弧形成室。该室例如由断路器1的壳体的内壁至少部分地限定。接触区域22和30位于该电弧形成室内。电弧形成室与灭弧室4连通并在其内部露出。电弧形成室和灭弧室4都充满空气。
“P2”表示垂直于平面P1并沿Z1方向延伸的几何平面。这里的平面P2形成电弧形成室的纵向截面。
作为示例，电弧形成室呈现具有平行六面体基座的棱镜形状，其侧面平行于由侧壁31、32形成的平面P1。
在该示例中，断路器还包括侧壁31和32，其界定了电弧形成室的平行于平面P1的相对面。这里，壁31和32表现出平行于平面P1的基本平面形状。相对的壁31和32设置在接触区域22和30的两侧，同时彼此面对。例如，壁31和32由诸如钢或铁的铁磁材料制成。
作为说明，壁31和32各自被放置在距离接触区域22的10mm至100mm之间的距离处，该距离在平行于轴线X1的方向上测量。
磁路5被配置为产生能够沿灭弧室4的方向引导在接触区域22和30之间形成的电弧6的磁场，该电弧在可移动部件3朝向断开位置的位移之后形成。由于接触区域22和30处于断开位置的布置，电弧6基本上沿平行于平面P1的方向延伸到轴线Z1。
关于磁路5描述的一切都适用于相对于子组件1b的相应元件的磁路5'。
图2表示从图1的箭头F2的上方观察的电弧形成室和灭弧室。编号51表示与由磁路5产生的磁场相关联的磁场线。
“R2”表示电弧形成室的中心区域，这里在两侧上由平行于触头22两侧的平面P1并沿着轴线Z1延伸的几何平面界定。
中心区域R2包括接触区域22和30。这里它呈现棱珠形状，其下底座由电触头21的上表面的一部分形成，并且在高度上基本上平行于垂直方向Z1延伸。
“R1”和“R3”表示在中心区域R2的任一侧横向移位的电弧形成室的两个横向区域。这里，这些横向区域R1和R3由壁31和32侧向外侧限定。区域R1和R3不包含接触区域22和30。
磁路5的形状如下：
-在横向区域R1和R3中，场线51基本上垂直于侧壁31和32延伸，并且
-在中心区域R2中，场线51基本上平行于平面P1延伸，同时朝着灭弧室4会聚。例如，在中心区域中，磁通量使得由电弧经受的磁场大于或等于20微特斯拉。
图3和图4分别表示根据平面P1和P2中的视图的这些场线51。
图5表示根据图1中的箭头F3所示的视角的截面P2中的电弧形成室和灭弧室4。可移动部件3示出为处于断开位置。
在该示例中，图2中的场线51通过有限元数值模拟程序计算，例如由CEDRAT公司销售的商业名称“Flux”的已知软件。
这里的磁路5包括永磁体50和铁磁芯23，其功能是至少部分地引导由磁体50产生的磁场。磁芯23至少部分地沿电触头21沿轴线Y1延伸。此处的壁31和32形成磁路5的一部分，并参与引导由磁体50产生的磁通量，特别是获得场线51的空间配置。
在这个例子中，铁芯23呈现直线状的形状，它在电触头21的两个直线部分之间延伸。这个铁芯23在这里形成为铁磁金属片堆叠的形式。作为变型，芯23由单件组件形成。
磁体50例如通过胶合固定在该部件23的一端上，此处位于与U形部分20相对的端部上。
磁体50能够产生大于或等于0.5特斯拉或优选大于或等于1特斯拉的磁场，并且这里表现出平行于轴线Y1取向的磁化轴线M。
优选地，磁体50是永磁体，例如由含有来自稀土族的元素的合成合金制成。这里使用钐钴合金。有利地，磁体50由诸如塑料的非磁性材料制成的保护壳包围。
这里，磁体50与放置在其上的芯23的端部之间的间隔小于或等于2mm，或者优选小于或等于1mm，或者更优选为零，也就是说等于0mm。这个间距在此被测量为磁体50的相邻边缘与芯部23的端部之间的距离。通过尽可能地减小磁体50与芯23的这一端之间的间隔，磁体50和磁芯23减小，从而可以确保更好地引导由磁体50产生的磁通。
图6示出根据来自灭弧室4的平面P2的视图的由磁路5产生的磁场的方向。
我们用：
-“B1”、“B2”和“B3”分别表示电弧形成腔室的区域R1、R2和R3中的磁感应矢量；
-“J”表示与电弧6相关的电流密度矢量；
-“E1”、“E2”和“E3”表示对于这些区域R1、R2和R3中的每一个在由磁路5产生的磁场的作用下施加在电弧6上的电磁力。
矢量J在这里平行于方向Z1。
电磁力E1、E2和E3是洛伦兹力，并且与对应区域R1、R2或R3中的矢量J和分别的磁感应B1、B2和B3之间的矢量积成正比。在这个例子中，由于场线51的方向和电流J的方向，力E1和E3具有平行于轴线Y1的方向且具有相反的方向。力E2平行于轴线X1定向。
因此，当在接触区域22和30之间形成电弧6时，它经历一个力E2，其将其首先引向横向区域中的一个，在这种情况下为横向区域R3。由于矢量B3相对于向量B2和矢量J的方向的垂直取向，当施加在电弧6上时，当其位于横向区域R3中时，力E3指向内侧并因此朝向灭弧板41的堆叠。因此电弧6通过力E3朝向腔室4移动。
图7类似于图6，其不同之处仅在于电弧6中的电流J的流动方向，该方向相对于图6所示的方向是相反的。在这种情况下，值得注意的是，当电弧6位于接触区域22和30之间的区域R2中时，施加在电弧6上的E2使得电弧6朝与横向区域R3相对的横向区域R1移位。然而，由于向量B1相对于向量B2的相对取向，并且由于矢量J相对于图6的情况的符号变化，因此力E1将电弧6引向灭弧室4。
因此，由于磁路5，特别是由于场线51的空间配置，电弧6朝向灭弧室4移动，而与电流的流动方向无关，并且与其强度值无关。即使电弧6的电流强度较低，电弧6将被移动到电磁力E1或E3足以使其朝向灭弧室4移动的区域。因此，断路器1的操作由此改进。
磁路5可以不同地制造。
作为变型，可移动部件3直接连接到端子2'，然后省略第二子组件1b。
上述实施例和变型可以组合在一起以产生新的实施例。

Claims (9)

1.直流电路断路器(1)，包括：
-直流电流的第一输入端子(2)和第二输出端子(2')，
-第一电触头(21；21')和第二电触头(3)，分别连接到第一和第二端子，并且可沿着断路器的纵向平面(P1)相对于彼此在以下位置之间选择性地移位：
·闭合位置，其中，第一和第二电触头的相应的接触区域(22、30)彼此接触，以便允许第一和第二电触头之间的直流电流的流动，以及
·断开位置，其中，这些接触区域彼此远离，
-电弧(6)形成室，其中放置接触区域(22、30)；
-电弧(6)灭弧室(4)；
断路器(1)的特征在于，它还包括磁路(5)，所述磁路(5)包括磁体(50、50')，并产生能够沿着灭弧室(4)的方向引导形成处于断开位置的接触区域(22、30)之间的电弧(6)的磁场，由磁路(5)产生的磁场展现出用于此目的的弯曲的场线(51)，所述场线(51)基本上垂直于电弧形成室的相对的侧壁(31、32)延伸，这些侧壁设置在接触区域(22、30)的基本上平行于纵向平面(P1)的任一侧上，这些场线(51)在包含接触区域(22、30)的电弧形成室的中心区域(R2)的水平处朝向灭弧室(4)会聚，同时平行于纵向平面(P1)延伸。
2.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于，所述磁路(5)还包括由铁磁材料制成并且至少部分地沿着第一电触头(21)延伸的磁芯(23、23')，磁体(50、50')被放置在磁芯(23、23')的一端。
3.根据权利要求2所述的断路器，其特征在于，磁体(50、50')具有平行于包含在所述纵向平面(P1)中的纵向方向(Y1)定向的磁轴。
4.根据权利要求3所述的断路器，其特征在于，磁体(50、50')和磁芯(23、23')的端部之间的间隔小于或等于2mm，或者优选小于或等于1mm，或者更优选为零。
5.根据前述权利要求中任一项所述的断路器，其特征在于，所述磁体(50、50')是永磁体。
6.根据前述权利要求中任一项所述的断路器，其特征在于，所述磁体(50、50')由含有来自所述稀土族的元素的合成合金制成，例如钐钴合金。
7.根据前述权利要求中任一项所述的断路器，其特征在于，所述磁体(50、50')能够产生大于或等于0.5特斯拉或更优选大于或等于1特斯拉的磁场。
8.根据前述权利要求中任一项所述的断路器，其特征在于，所述磁芯(23、23')由钢或铁制成。
9.根据前述权利要求中任一项所述的断路器，其特征在于，所述侧壁(31、32)由铁磁材料制成。
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