CN109801798B - 双断路器开关 - Google Patents

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Abstract

一种双断路器开关(100)包括以传递力的方式在连接点(204)处连接至致动器(202)的接触桥(200)，以传递力的方式经由第一臂(210)连接至该连接点的第一触头布置(500)，并且在该开关的闭合状态下，第一触头布置(500)在第一接触点(501)处电接触第一桥接触头(230)和相对的第一固定触头(300)，以传递力的方式经由第二臂(220)连接至该连接点的第二触头布置(600)，并且在该开关的闭合状态下，第二触头布置(900)在第二接触点(602)和第三接触点(603)处电接触第二桥接触头(240)和相对的第二固定触头(400)，并且其中该第二臂比该第一臂长。

Description

双断路器开关
技术领域
本发明涉及双断路器开关。
背景技术
迄今为止，已经开发了多种技术用于电气开关，特别是接触器和继电器。通常，电气开关适合于通过电控电压闭合或打开至少一个电路，并且用于以下应用领域：
-切换由小功率控制的高功率，
-分离不同的电压电平，例如输入侧的低电压和输出侧的网络电压，
-分离直流和交流电路，
-通过单个控制信号同时切换多个电路，
-链接信息，并且从而构建控制程序。
特别地，用于不同切换任务的开关用于汽车电子领域。在这种情况下，具有电动机的车辆使用开关，所述车辆例如电池电动车辆(BEV)、混合动力电动车辆(HEV)或插电式混合动力电动车辆(PHEV)。例如，可以使用用于中等功率范围的混合动力和电动车辆的高压接触器。因此，这种接触器可用作400V锂离子蓄电池的主开关。这种高压接触器可以配置为用于例如175A的恒定电流和5kA的短路电容。因此，这种高压接触器满足中等电流负载的要求。
通常但不是必须地，继电器被描述为单断路器开关，而双断路器开关被描述为接触器。例如，双断路器开关可以具有两个牢固地连接到开关的固定触头和两个桥接触头，它们安装在可在开关中移动的接触桥上。
此外，继电器通常被配置用于相对低的开关功率并且通常不具有任何火花熄灭室，而接触器被配置用于相对大的开关功率并且通常还具有火花熄灭室。
由于相对较大的开关功率，接触器通常需要更大的触头。通常，如果电气或电子电路在短路期间没有在输出端受到任何损坏，则将其称为短路电阻。短路电阻确保在过载或短路事件期间，电路不会因过大的电压或电流或热负载而损坏或破坏。
例如，通过桥接触头与固定触头的强力压缩可以增加短路电阻。由此，可以避免在高短路电流下焊接触头或破坏双断路器开关。
从出版物“Untersuchungen an der
Figure BDA0001868224840000021
und des
Figure BDA0001868224840000022
von Kontaktanordnungen in nicht hermetisch gedichtetenSchaltkammern bei 400V”【第21届Albert-Keil联系研讨会，卡尔斯鲁厄，2011年9月28日至30日，VDE-Fachbereich 67，VDE VERLAG GMBH，柏林，奥芬巴赫】(研究400V下的非气密开关室中的触头布置的载流能力和开关容量)中可知，在两个可分离触头之间的接触点可以产生排斥力。特别地，图11以侧视图且图12以平面图示出了根据该公开的引起触头排斥的电流路径的示意图。
从WO 2014/093045 A1中还已知一种用于双断路器开关的解决方案，以防止可察觉的噪声和振动。该解决方案在可移动桥上提供三个表面触头，其可与两个固定触头接触。特别地，接触桥的臂是对称的，以便从致动器传递力。
发明内容
本发明的目的是增加开关使用寿命期间的短路电阻，减少所用材料并减少例如由于快速周期性负载电流变化而产生的啸声(whistling)噪声。
此外，本发明的目的是找到一种解决方案，该解决方案可以在现有系统中进行改装并且具有成本效益。
上述目的通过独立权利要求来实现。有利的发展例是从属权利要求的组成部分。
根据一个实施例，双断路器开关包括接触桥，该接触桥以传递力的方式连接到连接点处的致动器。双断路器开关还包括第一触头布置，其以传递力的方式经由第一臂连接到连接点，并且在开关的闭合状态下第一接触点处点接触第一桥接触头与相对的第一固定触头。双断路器开关还包括第二触头布置，其以传递力的方式经由第二臂连接至连接点，并且在开关的闭合状态下在第二接触点和第三接触点处电接触第二桥接触头与相对的第二固定触头，并且其中，第二臂比第一臂长。
作为这种开关的结果，电流I可以在第一闭合状态下被承载。在开关的第二打开状态中，电流被中断两次。在这种情况下，开关的闭合状态和打开状态不同，这是由于接触桥的相对于牢固地固定至开关的固定触头的位置的第一位置和第二位置。有利地，接触桥通过致动器在第一位置和第二位置之间移动。
特别地，电流I的线路横截面在接触点处的闭合状态下是最小的。此外，在开关的闭合状态下，在接触点处连接且彼此相对的固定触头和桥接触头具有有限的延伸度。在这种情况下，固定触头和桥接触头的周长大于接触点的周长。因此，为了流过接触点，电流I在接触点的一侧聚焦，并且在接触点的相对侧散焦。特别是在圆形固定触头和桥接触头的情况下，在导体中形成径向对称的场，其中接触点形成场的中心点。换句话说，接触点以星形方式供电。在这种情况下，相对的固定触头和桥接触头中的电流方向各自相反，因为电流单次朝向接触点流动，并且在相对侧流动远离接触点。对于本领域技术人员清楚的是，固定触头和桥接触头具有除圆形之外的外周形状，也就是说，例如矩形、椭圆或任意多边形，其作为第一近似形在接触点的区域中也形成径向对称的场，其中，接触点形成这一场的中心点。
电流I在相对导体中沿相反方向流动，这种具有径向对称电流场的相对的载流导体由于洛伦兹力而被排斥。因此，在处于闭合状态的这一双断路器开关中，在固定触头和桥接触头的每个之间产生排斥力F。在这种情况下，接触点中的力R通常与电流I的强度的平方成正比，也就是说，F～I2。
如果电流I现在由第一触头布置和第二触头布置承载，则可以计算作用在第一臂上的力F1和作用在第二臂上的力F2,3。详细说明，第一排斥力F1＝k*I2作用在第一桥接触头和第一固定触头之间，其中k是常数。在第二触头布置的情况下，电流I可以在第二接触点和第三接触点上分流。如果电流I在第二和第三接触点上均匀地分流，也就是说，电流J＝I/2流过第二和第三接触点中的每一个，则可能会是特别有利的。因此，力F2＝m*J2＝m*I2/4，然后产生第二接触点，并且力F3＝n*J2＝n*I2/42，然后产生第三接触点，其中，m和n是常数。因此，排斥力F2,3＝(F2+F3)作用在第二桥接触头和第二固定触头之间。不考虑常数，即，例如，在k＝m＝n的情况下，结果是第二臂上的力减小，因为电流由两个接触点均匀地承载。特别是在J＝I/2的情况下，力F2,3减半。
本领域技术人员清楚的是，力也通过常数k，m和n的值来确定。在这种情况下，常数k，m和n也至少考虑了固定触头和桥接触头的特性。常数特别考虑了固定触头和桥接触头的形状。在这种情况下，形状包含诸如固定和桥接触头的周长以及相对的固定触头和桥接触头的表面特性的变量。例如，排斥力随着固定触头和桥接触头的周长而增加。表面的特性可以是曲率半径，接触点形成在固定或桥接触头上。例如，接触点可以由固定或桥接触头的锥形形成。
必须补偿排斥力F1和F2,3，以便将开关保持在闭合状态。为此，致动器以传递力方式连接到连接点处的接触桥。特别是，至少必要的力FB可以通过杠杆原理在执行器上计算。因此，发现优选地，臂的长度和力的乘积各自相同。因此，第一臂的长度a乘以力F1优选地等于第二臂b的长度乘以力F2,3。通过适当选择常数和臂长a和b，可以减小致动器必须传递到接触桥上的力。特别是，如果第二臂比第一臂长，则可以减小力。
因此，致动器必须提供较小的力以便补偿固定触头和桥接触头之间的排斥力。同时，如果消耗相同的力，则可以减小短路阻力。
有利的是，如果第一桥接触头和第二桥接触头电连接，其中有利地，第一桥接触头和第二桥接触头布置在接触桥的相反端。
优选地，三个接触点限定一平面。因此，接触桥可以相对于固定触头以稳定的方式定位。如果平面的法线指向致动器传递的力的方向，则是特别有利的。因此，可以通过致动器优化力传递。此外，如果三个接触点形成等腰三角形可能会是有利的，因为作为结果，力最佳地传递并且桥接触头可以相对于固定触头以特别稳定的方式定位。
此外，如果固定触头和桥接触头中的至少一个包括连接到体积元件的触头突起，则可能会是有利的，其中，触头突起的周长小于体积元件的周长。
对于本领域技术人员来说清楚的是，在这种情况下，触头突起也可以理解为体积元件的接触碰触面。或者，接触突起可以是具有接触碰触点的接触尖端。这样的体积元件是特别有利的，因为它提供通过接触火花而侵蚀的材料。如果体积元件的周长大于触头突起的周长，则在开关的使用寿命期间，体积元件主要在所述表面上侵蚀，并且同时，体积元件的高度得以保护。在这种情况下，在开关的使用寿命期间的高度方面的侵蚀可以通过致动器的更大的力FB来补偿。如果触头突起的直径为几毫米，例如2毫米，并且体积元件的直径为其两倍到三倍大，则可能会是特别有利的。
特别有利的是，具有也可以是触头尖端的触头突起的体积元件具有在体积元件的高度h上恒定的接触横截面。例如，具有半径r的圆形接触横截面形成具有触头突起的圆柱形体积元件，触头突起也可以是触头尖端，具有周长2*π*r和体积2*π*r*h。本领域技术人员清楚，触头横截面还可以替代性地具有椭圆形、三角形、四边形外周，或者例如可以由多边形描述的任何外周。特别地，这种恒定的触头横截面是有利的，因为尖锐的触头，也就是说，例如，具有触头尖端的锥形体积元件，其也可以是触头碰触点，最初磨损更快。特别地，本领域技术人员清楚的是，排斥力是接触片直径与实际金属导电触头碰触点的比例的对数。也就是说，如果触头直径减小2倍，则排斥力减小10％。
特别地，在选择触头突起(也可以是接触碰触触点)的周长和体积元件的周长之间的尺寸比时，可以考虑不同的变量。例如，如果触头直径接近于零，也就是说，看起来像铅笔芯、锥形或截头锥形，则对于排斥力是有利的。同时，这会导致更强力的磨损，并且因此提升电枢进一步需要更多的材料。如果固定触头和桥接触头中的至少一个包括银或银合金，则是进一步有利的。有利地，所有固定触头和桥接触头都是由银制成的。
如果第二固定触头和桥接触头中的至少一个被细分为分离的单独触头，则可能会是更有利的。有利地，这些分离的单独触头具有相同的尺寸。如果第一固定触头和桥接触头中的至少一个具有与单独触头相同的尺寸，则是特别有利的。这种至少部分地相同的固定触头和桥接触头可以更经济地生产。此外，由于相同部件的组装更能抵抗误差，因此可以优化生产。如果所有单个触头和双触头相同并且特别是具有相同的尺寸，已发现是特别有利的。
可替代地，如果第二固定触头和桥接触头中的至少一个具有带有两个触头突起的异形双触头，则可能会是有利的，所述两个触头突起连接到体积元件。这种解决方案是特别有利的，因为它可以容易地在现有系统中进行改装。
如果双断路器开关包括用于致动器的电磁驱动器则可能会是进一步有利的。然而，本发明不限于这种驱动器，因为致动器例如也可以被气动驱动。
如果双断路器开关还包括灭弧磁体(blow magnet)以减少由切换电弧产生的接触火花可能会是有利的。此外，本领域技术人员清楚的是，这种灭弧磁场可以在电流从中通过的接触桥上施加力FM。特别地，在计算最佳连接点时考虑该力FM可能会是有利的。特别地，这种灭弧磁场还导致第一臂和第二臂的不同长度。
如果在第二和第三接触点上均匀地分流电流可能会是有利的，也就是说，J＝I/2，选择相同的常数，也就是说，k＝m＝n，并且没有其他力作用，也就是说，FM＝0或FM在连接点处作用于接触桥，使得第二臂的长度是第一臂的两倍。根据替代实施例，电流被分流成非均匀方式。然后，致动器必须施加的力FB减小，因为第二臂的长度小于第一臂的长度的两倍。
附图说明
为了更好地理解本发明，参考以下附图中所示的实施例更详细地解释本发明。在这种情况下，相同的部件用相同的附图标记和相同的部件名称表示。此外，来自所示出和描述的不同实施例的一些特征或特征组合还可以描绘本身独立的本发明的解决方案或根据本发明的解决方案。
在附图中：
图1示出了固定触头和接触桥的透视图，
图2示出了固定触头和接触桥的另一透视图，
图3示出了固定触头和接触桥的侧视图，
图4示出了双断路器开关的侧视图，
图5示出了由接触桥接触的固定触头的示意图，
图6示出了图5的布置中的电子运动的示意图，
图7示出了图5的布置中的作用力的示意图，
图8示出了图5的布置中的合力的示意图，
图9示出了三个接触点的布置的示意平面图，
图10示出了三个接触点的另一布置的示意平面图，
图11示出了引起触头排斥的电流路径的示意侧视图，
图12示出了引起触头排斥的电流路径的示意平面图。
具体实施方式
现在将参考附图且最初参考图1至3描述本发明。从图1中可以最清楚地看出，双断路器开关100由接触桥200、第一固定触头300和第二固定触头400组成。
如图3所示，致动器202在连接点204处以传递力的方式连接至接触桥200。接触桥200还包括第一臂210和第二臂220，其以传递力的方式连接至连接点204。在第一臂210上，第一桥接触头230被构造在第一桥端206处，第二桥接触头240被构造在第二臂220上在第二桥端208处，第二桥端208与第一桥端206相反。此外，接触桥200通过连接点204处的弹性元件205弹性地连接到致动器202。
根据所描绘的实施例，在开关100的打开状态下，第一固定触头300与第一桥接触头230相对，第二固定触头400与第二桥接触头240相对。对于本领域技术人员显而易见的是，这一布置不限制本发明。可替代地，桥接触头230和240也可以布置成在开关100的打开状态下相对于固定触头300和400横向偏移。
此外，如在图1中可以最好看到的，第一固定触头300被构造成具有第一体积元件304的单个触头。第二固定触头400被构造成双触头，并且包括第二体积元件404和第三体积元件406。
类似地，如在图2中可以最好看到的，第一桥接触头230被构造成具有第四体积元件234的单个触头。第二桥接触头240被构造成双触头，并且包括第五体积元件244和第六体积元件246。
对于本领域技术人员显而易见的是，本发明不限于第二固定触头400和/或第二桥接触头240被配置为双触头。例如，在开关100的闭合状态下，也可以产生第二臂220上的双触头，其中双触头仅构造在第二固定触头400上，或者双触头仅构造在第二桥接触头上240。可替代地，也可以将两者，即第二固定触头400和第二桥接触头240构造为单个触头，并且在开关100的闭合状态下在接触的第二固定触头400和第二桥接触头240之间引入绝缘装置(例如，绝缘线)。
此外，并且如特别在图5中可以看到的，根据一个实施例，六个体积元件中的每一个可以连接到触头突起。每个触头突起也可以是体积元件的触头尖端。具体地，第一体积元件304连接到第一触头突起302，第二体积元件404连接到第二触头突起402，第三体积元件406连接到第三触头突起405。此外，第四体积元件234连接到第四触头突起232，第五体积元件244连接到第五触头突起242，第六体积元件246连接到第六触头突起245。
根据图5中所示的实施例，触头突起被配置为圆形截头圆锥的第一近似形。特别地，触头突起的周长小于连接到触头突起的体积元件的周长。这种布置是特别有利的，因为体积元件因此提供了在开关的使用寿命期间由于接触火花而侵蚀的材料。特别是由于体积元件的周长与触头突起的周长相比相对较大，体积元件的材料的侵蚀在表面积方面比在高度方面更显著。因此，在开关100的使用寿命期间，开关闭合状态下触头的间距减小到比体积元件的周长等于或小于触头突起的周长的情况的更小的程度，因此，在使用寿命期间在高度方面会更有力地侵蚀。
例如，对于大约2mm的触头突起的直径和大约5mm的体积元件的直径，在开关的使用寿命期间，产生0.2mm的体积元件的高度的减小。此外，体积元件的与触头突起相比相对更大的直径是有利的，因为这种触头还提供横向公差。然而，由于体积元件的相对大的周长，相对的固定触头300和400与桥接触头230和240之间的排斥力增加。
对于本领域技术人员显而易见的是，触头突起不一定必须由圆形截头圆锥形成，以便在圆周方面小于体积元件。例如，触头突起可以由体积元件上的突起形成。如果体积元件和触头突起一体地制造，则可能会是特别有利的。
根据一实施例，如图所示，例如，在图1至图4中，桥接触头230和240以及固定触头300和400的六个体积元件234、244、246、304、404和406被配置为长方体。在图1至4中未示出的触头突起优选地在固定触头和桥接触头的体积元件的相对的基面上居中地构造。这些基面是方形的，并且边长大于体积元件的高度。
在未示出的替代实施例中，体积元件被构造为圆柱。触头突起优选地居中地布置在圆柱的相对的圆面上。优选地，圆柱的高度小于圆柱的直径。
通常，由基面和高度描述的体积元件可以用作触头，即是说，用作固定触头和桥接触头两者。基面以及特别基面的周边可以由多边形描述。基面在接触点处接触相对的触头，该接触点优选地居中布置在基面上并且优选地由触头突起形成。在这一情况下，基面的中间直径优选地大于体积元件的高度。
根据本发明，如图9和图10中可以看出的，开关100在闭合状态下包括第一触头布置500和第二触头布置600。
第一触头布置500包括第一接触点501，其由第一桥接触头230与相对的第一固定触头300在开关100的闭合状态下形成。根据实施例，第一接触点501由第一触头突起301和第四触头突起232形成。
第二触头布置600包括第二接触点602和第三接触点603，其由第二桥接触头240与相对的第二固定触头400在开关100的闭合状态下形成。根据实施例，第二接触点602由第二触头突起402和第五触头突起242形成，并且第三接触点603由第三触头突起405和第六触头突起245形成。
如图6所示，带负电的电子流过第一触头布置500和第二触头布置600。可替代地，这些效应也可以通过正空穴传导来描述。特别地，电子在到达接触点501、602和603时集中，并且电子在离开接触点501、602和603时发散。相互反向移动的电荷形成相反的磁场，其导致在每个接触点501，602和603中的排斥洛伦兹力。
作用在接触桥200上的力如图7所示。特别地，力F1作用在第一桥接触头230上的第一接触点501，力F2作用在第二桥接触头240上的第二接触点602，并且力F3也作用在第二桥接触头240上的第三接触点603上。进一步，由致动器202传递的力FB在接触桥200上沿相反方向作用在连接点204处。本领域技术人员清楚的是，力也总是根据作用和反作用原理产生具有相反方向的反作用力。清楚起见，这些未在图7和8中示出。
图8描绘了作用在假想辅助平面209上的合力。辅助平面209位于接触桥200内。可替代地，由三个接触点501，602和603形成辅助平面是有利的。辅助平面209用于建立作用在第一臂210和第二臂220上的合力。例如，可使用杠杆原理进行计算。特别地，然后，发现作用在辅助平面209上的第一力F1和作用在辅助平面209上的致动器FB的力通过杠杆臂a连接。此外，力F2和F3可以表示为力F23。作用在辅助平面209上的力F23和作用在辅助平面209上的致动器的力FB通过杠杆臂b连接。特别是在由于灭弧磁体的力FM可以忽略的情况下，然后发现FB必须≥a*F1+b*F23，以便将开关100保持在闭合状态。
同一电流I在闭合状态下流动通过第一触头布置500和第二触头布置600。由于第二触头布置600具有两个接触点602和603，并且力与电流强度的平方成比例，其遵循F23<F1且如果电流I被均匀地分流并且接触特性被忽略，则为极值F23＝0.5*F1。因此，在杠杆臂b比杠杆臂a长的情况下，致动器必须施加的力FB减小。因此，第一触头布置500与第一臂210的配合以及第二触头布置600与第二臂220的配合导致必须由致动器必须施加的力FB最小化的效果。
可以以类似的方式考虑其他效果，例如由灭弧磁体产生的力FM的存在。特别地，由此可以使用杠杆原理。例如，力F1可以通过杠杆臂c连接到力FM。特别地，由此可以产生不同长度的臂210和220。优选地，a<b<2*a。
根据图1至图4以及图9，三个接触点501、602和603形成等腰三角形。图10中示出了另一种触头装置，其中，触点形成不规则的钝角三角形。在未示出的另一实施例中，三个触头形成不规则的锐角三角形。
通常，双断路器开关总是形成三重(three-fold)触头。超过三个接触点是不可能的，因为否则系统将超定并且不会在至少一个点处接触。此外，三个接触点不是位于直线上而是定义一平面。
此外，固定触头300、400和桥接触头230、240中的每一个可以具有银部分。
根据图4中所示的另一个实施例，开关100包括致动器202，其被电磁驱动。特别地，为此，驱动器具有铁芯250、线圈252和提升电枢254。
根据未示出的另一实施例，双断路器开关100包括灭弧磁体和火花熄灭室，以便在开关打开时由于切换电弧而使磨损最小化。
附图标记列表
Figure BDA0001868224840000111
Figure BDA0001868224840000121

Claims (14)

1.一种双断路器开关（100），包括：
接触桥（200），其以传递力的方式，在连接点（204）处连接至致动器（202），
第一触头布置（500），其以传递力的方式经由第一臂（210）连接至所述连接点，并且，在所述开关的闭合状态下，所述第一触头布置（500）在第一接触点（501）处将第一桥接触头（230）与相对的第一固定触头（300）电接触，
第二触头布置（600），其以传递力的方式经由第二臂（220）连接至所述连接点，并且，在所述开关的闭合状态下，所述第二触头布置（600）在第二接触点（602）和第三接触点（603）处将第二桥接触头（240）与相对的第二固定触头（400）电接触，以及
其中，所述第二臂长于所述第一臂，并且
所述固定触头和桥接触头中的至少一个包括连接至体积元件（234，244，404，504）的触头突起（232，242，402，502），其中，所述触头突起的周长小于所述体积元件的周长。
2.根据权利要求1所述的双断路器开关，其中，所述第一桥接触头和所述第二桥接触头电连接。
3.根据权利要求1或2所述的双断路器开关，其中，所述第一桥接触头和所述第二桥接触头布置在所述接触桥的相反的端部（206，208）。
4.根据权利要求1或2所述的双断路器开关，其中，所述三个接触点限定一平面。
5.根据权利要求4所述的双断路器开关，其中，所述平面的法线指向由所述致动器传递的力的方向。
6.根据权利要求1或2所述的双断路器开关，其中，所述三个接触点形成等腰三角形。
7.根据权利要求1或2所述的双断路器开关，其中，所述固定触头和桥接触头中的至少一个包括银或银合金。
8.根据权利要求1或2所述的双断路器开关，其中，所述第二固定触头和桥接触头中的至少一个细分为分离的单独触头。
9.根据权利要求8所述的双断路器开关，其中，所述分离的单独触头具有同样的尺寸。
10.根据权利要求9项所述的双断路器开关，其中，所述第一固定触头和桥接触头中的至少一个具有与所述单独触头相同的尺寸。
11.根据权利要求1或2所述的双断路器开关，其中，所述第二固定触头和桥接触头中的至少一个具有异形双触头，所述异形双触头具有连接至体积元件的两个触头突起。
12.根据权利要求1或2所述的双断路器开关，还包括用于致动器的电磁驱动器（102）。
13.根据权利要求1或2所述的双断路器开关，还包括灭弧磁体。
14.根据权利要求1或2所述的双断路器开关，其中，所述第二臂的长度小于或等于所述第一臂的长度的两倍。
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