CN109273314B - 一种大功率直流电器开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大功率直流电器开关，包含：灭弧罩，其下方设置有绝缘支架和位于绝缘支架下方且位于线圈上方的磁轭，灭弧罩外侧和线圈外侧均被一金属套筒所包围；与灭弧罩相配合的一对静触头，静触头下方设有与静触头接触或分离以实现直流电器开关的接通或断开的动触头组件；一对永磁铁，每个永磁铁设置在灭弧罩的侧壁与金属套筒的侧壁之间，且永磁铁与金属套筒相接触以增加磁场强度。本发明通过灭弧结构的设计使得永磁铁的磁场强度增加，解决电弧对灭弧罩烧蚀问题，并使得灭弧气体更容易扩散至金属套筒上进行散热，从而提高直流电器开关的使用寿命。

Description

一种大功率直流电器开关

技术领域

本发明涉及直流开关领域，特别涉及大功率直流电器开关。

背景技术

近年来，随着新能源电动汽车、充电桩和储能电池的发展，高电压直流电磁开关(高压直流接触器和继电器)的应用已经越来越普遍，已经成为电动汽车和充电桩中控制直流电路通断的必备电器元件。直流电磁开关通常采用由线圈和铁芯构成的电磁系统作为控制和执行部件，来驱动开关电器内部的机构使动、静触头接通或断开而实现开关功能。

电器开关在分断高电压、大电流的电路时产生电弧，直流电不像交流电一样存在便于电弧熄灭的过零点，所以直流电弧更加不容易熄灭，电弧燃烧时的温度达到几千度对电器开关有极大的损害，影响开关的电寿命。

现有直流开关技术中，永磁铁通常镶嵌在灭弧罩之内，即永磁铁与金属套筒之间通过绝缘壁隔离，永磁铁的磁场强度比较弱不利于电弧熄灭。由于利用永磁铁或灭弧气体的方式进行灭弧，然而永磁铁的磁场强度随着温度的升高而存在不可逆的衰减，使直流开关的灭弧性能逐渐降低，而灭弧气体通常被密封在灭弧室内很难将热量快速扩散出去。另外，灭弧气体与金属套筒之间也被灭弧罩的侧壁隔离，电弧容易对灭弧罩的侧壁直接烧蚀引起燃烧或增加动触头、静触头之间的杂质影响产品的接通，由此造成直流电器开关的电气寿命短、可靠性低的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大功率直流电器开关，利用电磁铁驱动机构控制电路的开关动作并通过磁吹的方式进行灭弧，实现切换高电压大电流直流电路的功能，由于结合永磁铁和灭弧气体两种方式实现灭弧，并通过设计使永磁铁的磁场强度增加并将电弧产生的热量快速传导出去，解决电弧对灭弧罩烧蚀问题，进而提高电器开关的使用可靠性，提高直流电器开关的使用寿命。

为了达到上述目的，本发明公开了一种大功率直流电器开关，包含：

灭弧罩，其下方设置有绝缘支架和位于绝缘支架下方且位于线圈上方的磁轭，所述灭弧罩外侧和所述线圈外侧均被一金属套筒所包围；所述金属套筒和所述灭弧罩放置于底座中，并通过环氧树脂覆盖；

与所述灭弧罩相配合的一对静触头，所述静触头下方设有与所述静触头接触或分离以实现直流电器开关的接通或断开的动触头组件；

沿两个静触头中心点连线方向上相对放置的一对永磁铁，每个永磁铁设置在所述灭弧罩的侧壁与所述金属套筒的侧壁之间，所述永磁铁与所述金属套筒相接触，所述永磁铁的磁性方向垂直于所述动触头组件的动触头和所述静触头之间的电流方向。

优选地，所述永磁铁与所述金属套筒直接接触，或者，所述永磁铁与所述金属套筒之间通过设置薄壁实现间接接触。

优选地，所述永磁铁与所述静触头之间通过所述灭弧罩的部分侧壁进行绝缘隔离；所述绝缘支架设有用于防止燃烧颗粒物进入动触头组件的铁芯弹簧中的环形围挡结构。

优选地，在垂直方向上，所述永磁铁的上端通过所述灭弧罩的凸缘进行限位，所述永磁铁的下端通过所述绝缘支架的突起进行限位；和/或，在垂直方向上，所述永磁铁上端面处于所述静触头下端面的上方，所述永磁铁下端面处于所述动触头上端面的下方。

优选地，所述动触头的横向长度大于两个静触头中心点连线的长度。

优选地，所述灭弧罩上设有用于限制所述动触头摆动的若干个薄壁。

优选地，所述灭弧罩上设有分别位于两个静触头中心点连线两侧的U形侧壁；所述U形侧壁包含中间部分的第一侧壁以及两侧相对设置的第二侧壁、第三侧壁。

优选地，所述灭弧罩内侧包含若干个空穴特征，所述空穴特征是由所述第二侧壁或所述第三侧壁与所述灭弧罩的外侧壁之间形成的敞开且容纳电弧运动的无障碍空间。

优选地，所述空穴特征空间内且靠近静触头一侧设有允许电弧进入的第一开口，所述空穴特征空间内且远离静触头一侧设有使所述空穴特征和所述金属套筒相互连通的第二开口。

优选地，所述第一开口和所述第二开口之间设有用于阻隔电弧的若干个隔壁，所述隔壁与所述第二侧壁或与所述第三侧壁连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过灭弧和永磁铁的结构设计使得永磁铁的磁场强度增加20％左右，解决电弧对灭弧罩烧蚀问题，并使得灭弧气体更容易扩散至金属套筒上进行散热，从而提高直流电器开关的使用寿命。

附图说明

图1本发明的直流电器开关的主视剖面示意图；

图2本发明的动触头组件的结构示意图；

图3-图4本发明的直流电器开关的俯视剖面示意图；

图5本发明的直流电器开关的静触头具体位置示意图；

图6本发明的直流电器开关上部结构的立体示意图。

具体实施方式

为了使本发明更加明显易懂，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明的大功率直流电器开关包括上盖1、底座2、两个静触头6和灭弧罩8。其中，上盖1位于灭弧罩9的上方，一对静触头6从下至上依次穿过上盖1的圆孔和灭弧罩8的圆孔并与灭弧罩8紧密配合坐落在灭弧罩8上。

灭弧罩8的下方依次为绝缘支架4和磁轭5，磁轭5放置在线圈11之上，灭弧罩8和线圈11外侧为导磁材料构成的金属套筒10。在灭弧罩8的侧壁和金属套筒10的侧壁之间放置有永磁铁3，在底座2的上部填充环氧树脂7用以实现对内部气体的密封并对静触头6进行固定。

灭弧罩8、静触头6和绝缘支架4之间构成一个灭弧室，在灭弧室内设置有一个可以往复运动的动触头组件9，该动触头组件9的上部位于灭弧室中并且动触头组件9的下部位于线圈11中。具体地，如图2所示，动触头组件9包括轴91、动触头92、动铁芯93、触头弹簧94和铁芯弹簧95，该动触头组件9的上下两端各有一个卡簧96(所述卡簧也可以为螺母等其它紧固件)与轴91配合对该动触头组件9中其它零件(例如动触头92和动铁芯93)进行限位。

当本发明中的线圈11通电后，动触头组件9在动铁芯93的带动下会向上运动，使动触头92与静触头6接触，实现电路导通；当本发明的线圈11失电后，动触头组件9在触头弹簧94和铁芯弹簧95的作用下与静触头6分离断开电路，从而实现电器开关的接通和分断。

如图1和图2结合所示，本发明的电器开关的动触头92和静触头6在接通和断开的过程中会产生电弧，灭弧室内的高压气体有助于冷却电弧使之快速熄灭。为实现对灭弧室的密封，通常采用填充环氧树脂7的方式，环氧树脂7以液态的形式填充进底座2内，将灭弧罩8和金属套筒10密封在底座2内，同时还将静触头6的中间一部分覆盖住。灭弧罩8与静触头6和金属套筒10的结合部分属于紧配合，粘稠的环氧树脂7无法流入灭弧室内，将充有环氧树脂7的直流开关组件进行烘烤后，环氧树脂7会成为坚硬的固态物质并与所接触的静触头6、灭弧罩8和底座2紧密结合实现密封效果。

但是当直流电器开关在接通或断开高电压大电流的直流电路时，静触头6和动触头92之间产生电弧，电弧对动触头、静触头进行烧蚀，并烧损附近的绝缘件，若不能及时地将电弧熄灭，则可能造成动触头、静触头之间的熔焊、或者电弧持续燃烧引起产品炸开或着火的现象。

本发明的大功率直流电器开关中，首先利用强磁吹灭弧的方式将电弧尽快熄灭，具体实现方式如下：

如图3和图4结合所示，将永磁铁3在沿着两个静触头6中心点连线方向上位于静触头6靠近金属套筒10的一侧，使得两侧永磁铁3的磁性方向与动触头92、静触头6之间的电流方向垂直。永磁铁3与其外侧的金属套筒10相接触，永磁铁3与静触头6之间通过灭弧罩8的侧壁86进行绝缘隔离，在水平方向上永磁铁3被嵌在灭弧罩8的侧壁与金属套筒10的侧壁之间；在垂直方向上永磁铁3的上端被灭弧罩8的凸缘84所限位且永磁铁3的下端被绝缘支架4的突起41所限位。

本实施例中，永磁铁3与金属套筒10直接接触并且充磁方向与接触面垂直，使得永磁铁的磁场强度显著增加(大约20％)。但本发明中，永磁铁3与金属套筒10的接触方式不限于直接接触这一种，还可通过在永磁铁3与金属套筒10之间设置薄壁实现间接接触，该薄壁的材料可以是金属材料，也可以是绝缘材料，本发明对此不做限制。其中，当采用金属薄壁填充永磁铁3与金属套筒10之间的间隙时，则两者之间的间隙大小可不做限制，即金属薄壁的厚度不做限制；当采用绝缘材料薄壁填充永磁铁3与金属套筒10之间的间隙时，则两者之间的间隙需要小于1mm，即绝缘材料薄壁的厚度小于1mm，以保证一定要求的永磁铁磁场强度。

两个永磁铁3的极性可以相同或者相反，根据电磁原理，无论两侧的永磁铁3的极性相同还是相反，电器开关在接通和断开电路时，产生的电弧在永磁铁磁场力的作用下沿着近似垂直于两个静触头6中心点连线的方向上移动，电弧所在的磁场强度越大，电弧移动速度越快，电弧更容易熄灭。

另，绝缘支架4上靠近轴91一侧设有环形围挡结构42，用以防止燃烧颗粒物进入动触头组件9的铁芯弹簧95中而影响该动触头组件9的运动。

如图5所示，动触头92的横向长度L大于两个静触头6中心点连线的长度A，但是小于两个静触头6连接线段的最大长度B(即A<L<B)，从而确保动触头、静触头之间所产生的电弧处于最佳磁场位置。其中，电弧离永磁铁越远，磁场强度越弱，电弧越不容易熄灭；电弧离永磁铁过近，磁场强度越强，但所造成的高温容易使永磁铁的磁场强度衰减，并可能烧蚀静触头6与永磁铁3之间的灭弧罩侧壁。

为了确保电弧在其移动空间内有足够的磁场强度，永磁铁3的上端面处于静触头6的下端面以上，永磁铁3的下端面处于动触头92的上端面以下，从而可以有效控制电弧的起弧位置并增加电弧运动空间内的磁场强度，使电弧移动速度更快更容易被熄灭。

如图6所示，灭弧罩8的内侧设有若干个(本实施例中为四个)空穴特征85，空穴特征85是由灭弧罩8的一对U形侧壁87、外侧壁围绕而成的部分空间，分别位于灭弧罩8的四个拐角位置处。外侧壁包含位于灭弧罩外围且靠近灭弧罩8拐角位置的弧形段外侧壁88和位于两个弧形段外侧壁88之间且平行于第二侧壁872的直线段外侧壁86。其中，一对U形侧壁87分别位于两个静触头中心点连线轴两侧，每个U形侧壁87包含中间部分的第一侧壁871以及两边相对设置的第二侧壁872、第三侧壁873。具体地，各个空穴特征85是由第一侧壁871或第二侧壁872、外侧壁86和/或外侧壁88所形成的敞开并可容纳电弧运动的无障碍空间。

其中，在空穴特征85的空间范围内且靠近静触头6一侧设置有允许电弧进入的第一开口89，并在空穴特征85的空间范围内且远离静触头6一侧设置有使空穴特征85和金属套筒10相互连通的第二开口83，第二开口83是介于外侧壁88与第一侧壁871或外侧壁88与第二侧壁872之间的开口特征。本发明的空穴特征85增加了电弧运动的空间并有效地避免电弧与灭弧罩直接接触而导致灭弧罩的材料被电弧烧损。

电弧或动、静触头之间通电时会发热导致灭弧室内温度升高，热量通过灭弧室内的气体介质进行扩散，通过第一开口89进入空穴特征85内并通过第二开口83传递到金属套筒10上，使热量可以更快地扩散到直流电器开关的外侧。另，在第一开口89和第二开口83之间设有与第一侧壁871或第二侧壁872连接的隔壁82，隔壁82可以避免在极端情况下电弧直接穿过第二开口83与金属套筒10接触造成短路。

如图6所示，本发明中的灭弧罩8上设有若干个薄壁81，各个薄壁81分别设置在第一侧壁871长度方向上的两端，薄壁81用于限制动触头92在水平方向上的摆动，使动触头92、静触头6之间的接触面和产生电弧的位置更容易控制，更容易稳定。

现有技术中，灭弧罩8的内侧壁87一般为直线型(无本发明中所述的侧壁872或侧壁873特征)并且内侧壁87两端会延伸至外侧壁88，从而构成一个闭合的空间用于阻挡电弧，目的是避免造成电弧与金属套筒接触而导致短路，但这种设计方式阻隔了气体分子的扩散导致散热慢的问题，另外可能会造成电弧对灭弧罩的烧损，烧损所产生的碳化物等杂质会有一部分聚集在动、静触头的表面，造成直流开关接通不良等问题，另外材料烧损会产生其它气体降低灭弧室内气体的纯度从而降低灭弧性能。本发明与现有技术完全不同，本发明采用U形侧壁8和空穴特征85，并且设有使空穴特征85和金属套筒10相互连通的第二开口83，该灭弧罩结构设计可以大幅度增加电弧的运动空间，避免其与灭弧罩直接接触而导致的烧损问题并提高散热效率，防止电弧与金属套筒短接而导致短路问题，并通过永磁铁与金属套筒的直接接触将永磁铁的磁场强度得到大幅提高使电弧更快地被熄灭，从而提高直流电器开关的使用可靠性和电气寿命。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种大功率直流电器开关，其特征在于，包含：

灭弧罩（8），其下方设置有绝缘支架（4）和位于绝缘支架（4）下方且位于线圈（11）上方的磁轭（5），所述灭弧罩（8）外侧和所述线圈（11）外侧均被一金属套筒（10）所包围；所述金属套筒（10）和所述灭弧罩（8）放置于底座（2）中，并通过环氧树脂（7）覆盖；

与所述灭弧罩（8）相配合的一对静触头（6），所述静触头（6）下方设有与所述静触头（6）接触或分离以实现直流电器开关的接通或断开的动触头组件（9）；

沿两个静触头（6）中心点连线方向上相对放置的一对永磁铁（3），每个永磁铁（3）设置在所述灭弧罩（8）的侧壁与所述金属套筒（10）的侧壁之间，所述永磁铁（3）与所述金属套筒（10）相接触，所述永磁铁（3）的磁性方向垂直于所述动触头组件（9）的动触头（92）和所述静触头（6）之间的电流方向；

所述永磁铁（3）与所述静触头（6）之间通过所述灭弧罩（8）的部分侧壁进行绝缘隔离；

所述绝缘支架（4）设有用于防止燃烧颗粒物进入动触头组件（9）的铁芯弹簧（95）中的环形围挡结构（42）；

所述灭弧罩（8）上设有分别位于两个静触头（6）中心点连线两侧的U形侧壁（87）；所述U形侧壁（87）包含中间部分的第一侧壁（871）以及两侧相对设置的第二侧壁（872）、第三侧壁（873）；

所述灭弧罩（8）内侧包含若干个空穴特征（85），所述空穴特征（85）是由所述第二侧壁（872）或所述第三侧壁（873）与所述灭弧罩（8）的外侧壁之间形成的敞开且容纳电弧运动的无障碍空间。

2.如权利要求1所述的大功率直流电器开关，其特征在于，

所述永磁铁（3）与所述金属套筒（10）直接接触，或者，所述永磁铁（3）与所述金属套筒（10）之间通过设置薄壁实现间接接触。

3.如权利要求1所述的大功率直流电器开关，其特征在于，

在垂直方向上，所述永磁铁（3）的上端通过所述灭弧罩（8）的凸缘（84） 进行限位，所述永磁铁（3）的下端通过所述绝缘支架（4）的突起（41）进行限位；

和/或，在垂直方向上，所述永磁铁（3）上端面处于所述静触头（6）下端面的上方，所述永磁铁（3）下端面处于所述动触头（92）上端面的下方。

4.如权利要求 1所述的大功率直流电器开关，其特征在于，

所述动触头（92）的横向长度大于两个静触头（6）中心点连线的长度。

5.如权利要求1所述的大功率直流电器开关，其特征在于，

所述灭弧罩（8）上设有用于限制所述动触头（92）摆动的若干个薄壁（81）。

6.如权利要求1所述的大功率直流电器开关，其特征在于，

所述空穴特征（85）空间内且靠近静触头（6）一侧设有允许电弧进入的第一开口（89），所述空穴特征（85）空间内且远离静触头（6）一侧设有使所述空穴特征（85）和所述金属套筒（10）相互连通的第二开口（83）。

7.如权利要求6所述的大功率直流电器开关，其特征在于，

所述第一开口（89）和所述第二开口（83）之间设有用于阻隔电弧的若干个隔壁（82），所述隔壁（82）与所述第二侧壁（872）或与所述第三侧壁（873）连接。