CN111354580A - 用于中压断路器的致动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于中压断路器的致动器。该致动器包括转子、定子、以及至少一个线圈。转子被配置为固定安装到中压开关设备的断路器的主轴，使得转子和主轴一起旋转。定子被配置为至少部分地被安装在转子周围。至少一个线圈围绕定子的至少一部分被缠绕。转子相对于定子的旋转角度受到限制。

Description

用于中压断路器的致动器

技术领域

本发明涉及一种用于中压断路器的致动器，并且涉及具有这种致动器的中压断路器。

背景技术

传统中压开关设备解决方案使用负载弹簧进行断开操作和闭合操作。然而，这种断开和闭合行为在组装后不会受到影响。通过电磁致动器替换用于闭合操作的弹簧允许借助于电流控制来控制闭合操作。在电压等级介于10kV和30kV之间的配电网中，每个配电电路设有中压开关，该中压开关在发生短路或过载的情况下或在该电路的封闭环境中进行维护工作的情况下会断开。断开操作通常通过将真空室内的两个极的接触分离来完成，从而引起以电离的极材料的形式的承载电弧电流的真空电弧的点火。极的快速分离和适当的室设计有助于中断电弧，从而中断电流。闭合操作还应当通过相位的两个极中的至少一个极的快速运动来执行。现有技术的中压断路器使用弹簧驱动的致动器。这些使用弹簧驱动的致动器缺乏可控性。一个潜在缺点是，无论特定操作的速度要求如何，该机构始终以最大可用力来致动。另一缺点是操作行为可能会在不同的环境条件和老化下发生改变。而且，弹簧驱动的致动器通常由许多移动部件组成，使得它们易于发生机械故障。对电磁致动器是被内在控制的，意味着可以借助于电子控制单元控制每个单独操作的速度。因此，已经提出了用于中压断路器的电磁致动器。电磁驱动器的挑战主要在于：成本(与低成本弹簧竞争)；紧凑体积中的高转矩要求(与很高的弹簧力密度竞争)；鲁棒性(需要电子器件才能进行受控操作)；以及模块化(可以在使电路断路器拆卸最少的情况下安装/卸载当前弹簧驱动的致动器。根据备选电磁驱动器，有望实现类似模块化。)

需要解决这些问题。

发明内容

具有用于中压断路器的改进的致动器会是有利的。

通过独立权利要求的主题解决了本发明的目的，其中其他实施例并入从属权利要求中。

在第一方面中，提供了一种用于中压断路器的致动器，该致动器包括：

-转子；

-定子；以及

-至少一个线圈。

该转子被配置为被固定地安装到中压开关设备的断路器的主轴，使得转子和主轴一起旋转。该定子被配置为至少部分地围绕转子被安装。至少一个线圈围绕定子的至少一部分被缠绕。转子相对于定子的旋转角度受到限制。

换句话说，提供了有限的角度行程的旋转致动器，其直接环绕中压断路器的主轴(直接驱动)。

将旋转致动器直接安装在断路器的主轴避免了使用附加连杆机构，从而降低了成本并且提高了可靠性。

具有有限的旋转行程使得使用单相致动器成为可能，从而消除了对多相控制器的需求，进一步降低了成本并且提高了可靠性。

通过使用用于转矩生成的磁阻原理，可以避免使用永磁体，从而再次降低了致动器的成本，同时维持转矩生成能力。在没有永磁体的情况下，则设计的鲁棒性会提高，因为永磁体在较高温度下可能会削弱或在机械上变脆。

在示例中，转子相对于定子的旋转角度受到驱动电磁力分布的限制。换句话说，非零驱动电磁力只能被施加在转子的有限的旋转位置范围内。

因此，转子相对于定子的旋转可以通过机械止动件来限制，其中例如两个部分在自由行程结束时彼此接触，其中这些部分中的至少一个部分可以是突起。然而，在没有这种机械端部止动件的情况下，仍然会提供这些旋转的限制，这是因为致动器只能在有限的角度位置的范围内生成转矩，而在这些角度位置的范围之外，致动器无法主动旋转转子。然而，转子仍然可以通过致动器外部的力旋转。

在示例中，定子被配置为周向地围绕转子安装。

在示例中，定子被配置为安装到断路器的固定外壳。

本文中的固定意味着断路器的主轴相对于固定外壳旋转。

在示例中，转子包括铁磁材料。

在示例中，定子包括铁磁材料。

换句话说，致动器是磁阻电机或磁阻致动器，其中具有线圈的定子在通过电流激励时生成磁通量，其导致非零转矩被施加到转子。

在示例中，当被安装到断路器的主轴时，致动器被配置为从第一未对准位置移动到第二对准位置，在第二对准位置中，转子极和定子极对准。因此，致动器的转子而非整个致动器组件移动，并且由于电磁转矩引起该移动，其是电流在一个或多个线圈中流动的结果。

在示例中，在第一未对准位置中，转子极和定子极不重叠。

在示例中，在从第一未对准位置移动到第二对准位置时，在转子极和定子极开始重叠之前，转子相对于定子旋转限定的量。

换句话说，在最终闭合对准位置中，转子极和定子极重叠，而在起动断开未对准位置中，转子极和定子极不重叠，并且转子必须旋转一定量以使极开始重叠。以这种方式，可以获得最大可用转矩，该最大可用转矩把定子线圈中的电感考虑在内，意味着一旦线圈被激励，电流就会以一定斜率上升。上升电流使得转子旋转。因此，起动未对准位置可以被定义为使得当电流达到其最大值时，转子极和定子极刚好在重叠边缘，以使“起动”转矩最大化。

在示例中，当处于对准位置时，角度恒定的气隙将面向定子的内表面的转子的外表面分离。

在示例中，转子的外表面具有曲率半径，并且定子极的内表面具有曲率半径。在该示例中，曲率半径共享以断路器的主轴的轴线为中心的共同原点。

在示例中，当处于对准位置时，角度变化的气隙将面向定子的内表面的转子的外表面分离。

在示例中，转子的外表面具有曲率半径，并且定子的内表面具有曲率半径。在该示例中，曲率半径没有共享共同原点。

在示例中，在从第一未对准位置移动到第二对准位置时，气隙减小。

在示例中，在对准位置中，逐步变化的气隙将面向定子的内表面的转子的外表面分离。

在示例中，转子的外表面具有多个曲率半径并且定子的内表面具有曲率半径，或者转子的外表面具有曲率半径并且定子的内表面具有多个曲率半径，或者转子的外表面具有多个曲率半径并且定子的内表面具有多个曲率半径。

在示例中，对于逐步变化的气隙，曲率半径共享以断路器的主轴的轴线为中心的共同原点。

在示例中，转子的曲率半径和定子的曲率半径没有共享共同原点。

在示例中，转子的曲率半径中的至少两个曲率半径彼此没有共享共同原点。

在示例中，定子的曲率半径中的至少两个曲率半径彼此没有共享共同原点。

在示例中，至少一个线圈围绕第一定子极的至少一部分被缠绕和/或至少一个线圈围绕第二定子极的至少一部分被缠绕。

在示例中，转子包括两个部分。

在示例中，定子包括两个部分。

在示例中，定子被配置为使得转子相对于定子的旋转角度受到限制。

在示例中，定子包括至少一个突起，其中第一定子极包括突起和/或第二定子极包括突起，以及其中当由于转子旋转而致动时，转子接近至少一个突起。

在第二方面中，提供了一种具有至少一个真空断续器的中压断路器，每个真空断续器包括用于电力中断的可移动电触头，该可移动电触头经由主轴操作，根据第一方面的致动器被安装到主轴。

参照下文描述的实施例，上述方面和示例将变得明显，并且得以阐明。

附图说明

下文参考以下附图对示例性实施例进行描述：

图1示出了用于中压断路器的致动器的横截面视图和磁通量线；

图2示出了致动器在中压断路器中的的放置示例；

图3示出了在中压断路器的闭合操作期间的运动学布置和运动的示意性示例；以及

图4示出了连续地、阶梯状地以及偏心的转子形状的示例。

具体实施方式

图1至图4示出了如本文中所提供的用于中压断路器的致动器以及它们如何与中压断路器一起操作。

这些图示出了用于中压断路器的致动器。该致动器包括转子、定子、以及至少一个线圈。该定子被配置为被固定地安装到中压开关设备的断路器的主轴，使得转子和主轴一起旋转。该定子被配置为至少部分围绕转子被安装。至少一个线圈围绕定子的至少一部分被缠绕。转子相对于定子的旋转角度受到限制。

根据示例，转子相对于定子的旋转角度受到驱动电磁力的限制。

在示例中，转子的旋转角度被限制为小于围绕主轴的轴线的一整周。

根据示例，定子被配置为周向地围绕转子安装。

根据示例，定子被配置为安装到断路器的固定外壳。

根据示例，转子包括铁磁材料。

根据示例，定子包括铁磁材料。

根据示例，当被安装到断路器的主轴时，致动器被配置为从第一未对准位置移动到第二对准位置，在该第二对准位置中，转子极和定子极对准。未对准位置还可以被认为是起动位置，而对准位置可以被认为是结束位置。此外，参照图1，定子极是定子(芯)的一部分，围绕该部分缠绕有线圈。

根据示例，在第一未对准位置中，转子极和定子极不重叠。

根据示例，在从第一未对准位置移动到第二对准位置时，在转子极和定子极开始重叠之前，转子相对于定子旋转限定量。

根据示例，当在对准位置中时，角度恒定的气隙将转子的外表面分离，该转子的外表面面向定子的内表面。

根据示例，转子的外表面具有曲率半径，并且定子极的内表面具有曲率半径。在该示例中，曲率半径共享以断路器的主轴的轴线为中心的共同原点。

根据示例，当在对准位置中时，角度变化的气隙将面向定子的内表面的转子的外表面分离。

根据示例，转子的外表面具有曲率半径，并且定子的内表面具有曲率半径。在该示例中，曲率半径没有共享共同原点。

在示例中，转子的外表面的曲率半径的原点是主轴的轴线，或者定子极的内表面的曲率半径的原点是主轴的轴线。

根据示例，在从第一未对准位置移动到第二对准位置时，气隙减小。

根据示例，当在对准位置中时，逐步变化的气隙将面向定子的内表面的转子的外表面分离。

根据示例，转子的外表面具有多个曲率半径并且定子的内表面具有曲率半径，或者转子的外表面具有曲率半径并且定子的内表面具有多个曲率半径，或者转子的外表面具有多个曲率半径并且定子的内表面具有多个曲率半径。

根据示例，转子的曲率半径和定子的曲率半径没有共享共同原点。

根据示例，转子的曲率半径中的至少两个曲率半径彼此没有共享共同原点。

换句话说，定子半径可以具有与主旋转轴线重合的原点，但是转子曲率的半径在其他位置具有两个不同的中心。

根据示例，定子的曲率半径中的至少两个曲率半径彼此没有共享共同原点。

换句话说，转子半径的原点可以与主旋转轴线重合，但是定子曲率的半径在其他位置具有两个不同的中心。

根据逐步变化的气隙的示例，曲率半径共享以断路器的主轴的轴线为中心的共同原点。

根据示例，至少一个线圈围绕第一定子极的至少一部分被缠绕和/或所述至少一个线圈围绕第二定子极的至少一部分被缠绕。

根据示例，转子包括两个部分。在示例中，两个部分相同。在示例中，两个部分不同。因此，转子极不必相同。

根据示例，定子包括两个部分。在示例中，两个部分相同。在示例中，两个部分不同。因此，定子极不必相同。

在示例中，定子包括铁磁轭，该铁磁轭被配置为将磁通量从第一定子极引导到第二定子极。

在示例中，定子的磁轭在定子的两个周向侧面均等地延伸。这样，为从气隙跨越到定子极的磁通量提供了两个相等磁路。

在示例中，磁轭在定子的两个周向侧面上不均等地延伸。这样，为通量提供了一种渗透性更大的路径和一个渗透性更小的路径。这可以使得致动器能够适配到围绕主轴两侧的空间不等的外壳中。

在示例中，磁轭只能从一个侧连接到定子极，从而仅在定子极的一个侧上为通量提供单个路径。

根据示例，定子被配置为使得转子相对于定子的旋转角度受到限制。

根据示例，定子包括至少一个突起，其中第一定子极包括突起和/或第二定子极包括突起，以及其中当由于转子旋转而致动时，转子接近至少一个突起。

附图还示出了具有至少一个真空断续器的中压断路器，每个真空断续器包括用于电力中断的可移动电触头，该可移动电触头经由主轴操作，如上所述的致动器被安装到主轴。

关于图1至图4描述的本发明的致动器通过使用直接环绕断路器的主轴的有限角度旋转致动器解决电磁致动器在中压开关设备的环境内的挑战。将旋转致动器直接安装在主轴避免使用附加连杆机构，从而降低了成本并且提高了可靠性。有限旋转行程使得使用单相致动器成为可能，从而消除了对多相电子控制器的需求，从而降低了成本并且同时提高了可靠性。可以避免使用永磁体，并且将磁阻原理用于转矩的生成，其降低了致动器的成本，并且可以提高其鲁棒性，同时又不会显着损害转矩能力。

如图所示，具有磁凸极的转子环绕主轴并且与主轴一起旋转。定子周向地围绕在固定断路器外壳的转子固定。定子上的一个或多个线圈所生成的磁通量通过径向气隙跨越到转子中，然后返回以完成其路径。由磁通量生成的电磁转矩施加在转子上，并且将其从其初始磁性未对准位置旋转到转子极和定子极对准的位置。主轴的旋转行程经由包含杠杆臂、机械接头和推杆的传动装置转换为移动触头的线性运动。在主轴从其起动位置旋转到其最终位置期间，由致动器提供的机械动力首先使移动触头与固定触头接触(自由行进阶段)，然后通过装载触头弹簧(触头弹簧压缩阶段)来增加它们之间的触头力。

提供了各种实施例，其中来自不同实施例的特征可以组合在一起。

(a)具有单个阶段的实施例：

定子包含至少一个线圈，其当使用电流激励时，生成磁通量。这导致在转子的限定的旋转角度范围内在转子上施加非零转矩，该范围小于围绕轴线的一整周(受限行程)。在定子上存在多于一个线圈的情况下，则这些线圈被串联和/或并联电连接以形成一个电路(单个阶段)。在该单个阶段的有限角度行程致动器中，总角度行程与断路器主轴的有限旋转匹配。这样做就避免了昂贵的多相驱动电子装置(与电机驱动器相反，例如，如P.Bertolotto、M.Bonaconsa、L.Chenet、M.Riva、F.Viaro在论文中所描述的：中压断路器的未来演进：新发展和可能应用，CIGRE 2018，论文A3-304))。这降低了成本并且同时增加了可靠性。

(b)具有软铁磁材料的实施例：

致动器的转子和定子两者均由软铁磁材料组成，并且没有使用永磁体。(换句话说，致动器是磁阻电机或磁阻致动器)。缺乏永磁体降低了成本并且可以提高鲁棒性。

(c)具有偏心距、阶梯状转子和恒定气隙的实施例(参见图4)。

在一个实施例中，转子和定子没有设计偏心距。换句话说，转子的最外表面和定子极的最内表面遵循两个同轴圆，两者的中心都位于断路器的主轴的轴线上。径向气隙等于那些圆的半径之差，并且沿轴向方向和周向方向在转子极和定子极的重叠区域内都是恒定的。在另一实施例中，由转子极和定子极形状的设计限定的偏心率意味着气隙周向地变化。例如，随着转子朝向对准位置旋转，径向气隙减小，导致转子朝向行程结束时的转矩增加(假设线圈中有恒定电流流动)。这对应于负载转矩的行为，该负载转矩在闭合操作的最终触头弹簧压缩阶段要比早期自由行进阶段显着更高。在另一实施例中，转子极和/或定子极中的其一或两者的外半径(对于转子)和/或内半径(对于定子)逐步改变。这导致随着转子旋转，气隙逐步改变，而非先前实施例中所描述的连续改变。对致动器转矩分布的影响相似，但以更逐步的方式而非连续的方式。

(d)切割定子/转子的实施例(参见图1)：

在实施例中，转子被制造为两个部分，其可以借助于简单螺母和螺栓而被安装在已经组装好的主轴，而无需拆卸主轴。有利地，两个转子部分设计为相同半部。同样，定子可以制造成两个有利地相同的半部，这两者都有利地包含定子的至少一个极。

(e)具有E形定子和C形定子的实施例

在一个实施例中，定子的磁轭在定子极的两个周向侧面上均等地延伸，从而为从气隙跨越到定子极的磁通量提供两条相等磁路。备选地，轭可以在两个侧面上不均等地延伸，从而为通量提供了一个渗透性更大的路径和一个渗透性更小的路径。这可以使得致动器能够适配到围绕主轴两侧上的空间不等的外壳中。在一情况下，轭只能从一个侧连接到定子极，从而仅在定子极的一个侧上为通量提供单个路径。

(f)具有对称极和非对称极的实施例

与定子极的两个周向侧上轭厚度不等的实施例(如上所述)类似，定子极本身可以被设计为不同。极的周向厚度由所需转矩曲线和角度行程定义。然而，对于单个定子极，极沿径向方向的高度可以不同。这对于将致动器适配在受限空间中是有利的，在该受限空间中，可用空间不均等地围绕主轴分布。

(g)具有初始角度偏移的实施例(见图4)

在气隙恒定的设计中，致动器的转矩/安培比在未对准位置处最高，在完全对准位置处达到零。因此，将起动位置定义为转子极和定子极不重叠但刚好位于重叠边缘处的角度是直观的，以使起动转矩最大。然而，由于致动器线圈的电感，所以一旦线圈被激励，电流就会以有限斜率上升。随着电流的增加，转矩也会增加，从而开始旋转转子。这可能导致转子在电流达到最大值之前已经开始朝向对准位置移动(因此，使位置的转矩/安培比最高)。这进而意味着不能获得来自致动器的最大可用转矩。为了解决这个问题，可以将转子的初始位置调整为在转子极和定子极开始重叠之前转子需要旋转限定量的位置。

(h)具有磁性端部止动件的实施例

转子在其旋转行进结束时接近的定子极中的至少一个定子极的突起具有两个益处：

-提供在旋转期间闭合的附加磁性气隙提供朝向行程结束增加的附加转矩分量(即使转子极和定子极的其余部分形成恒定气隙)

-对于转子极和定子极的偏心设计，所定义的坚硬止动件确保了转子极和定子极之间的径向气隙最小。

通过在断路器外壳处转子定子系统外部添加旋转运动的附加端部止动件，避免了坚硬接触。

关于上文描述，应当指出，定子芯和转子芯可以有利地被制成隔离金属板材(叠层)，如从变压器或旋转电机中众所周知的。在典型的示例中，单个板材厚度可以在0.1mm至2mm之间变化。这减少了芯中的涡流，从而提高了效率和动态性能。然而，为了降低成本，本文中所提出的致动器还可以使用实心块来制造。

Claims (26)

1.一种用于中压断路器的致动器，所述致动器包括：

转子；

定子；以及

至少一个线圈；

其中所述转子被配置为被固定地安装到中压开关设备的断路器的主轴，使得所述转子和所述主轴一起旋转；

其中所述定子被配置为至少部分地围绕所述转子被安装；

其中所述至少一个线圈围绕所述定子的至少一部分被缠绕；以及

其中所述转子相对于所述定子的旋转角度受到限制。

2.根据权利要求1所述的致动器，其中所述转子相对于所述定子的所述旋转角度受到驱动电磁力分布的限制。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的致动器，其中所述定子被配置为周向地围绕所述转子被安装。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的致动器，其中所述定子被配置为被安装到所述断路器的固定外壳。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的致动器，其中所述转子包括铁磁材料。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的致动器，其中所述定子包括铁磁材料。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的致动器，其中当被安装到所述断路器的所述主轴时，所述致动器的所述转子被配置为从第一未对准位置移动到第二对准位置，在所述第二对准位置中，转子极和定子极对准。

8.根据权利要求7所述的致动器，其中在所述第一未对准位置中，所述转子极和所述定子极不重叠。

9.根据权利要求8所述的致动器，其中在从所述第一未对准位置移动到所述第二对准位置时，在所述转子极和所述定子极开始重叠之前，所述转子相对于所述定子旋转限定的量。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的致动器，其中当在所述对准位置中时，角度恒定的气隙将所述转子的外表面与所述定子的内表面分离。

11.根据权利要求10所述的致动器，其中所述转子的所述外表面具有曲率半径，并且所述定子极的所述内表面具有曲率半径，以及其中所述曲率半径共享以所述断路器的所述主轴的轴线为中心的共同原点。

12.根据权利要求7至9中任一项所述的致动器，其中当在所述对准位置时，角度变化的气隙将面向所述定子的内表面的所述转子的外表面分离。

13.根据权利要求12所述的致动器，其中所述转子的所述外表面具有曲率半径，并且所述定子的所述内表面具有曲率半径，以及其中所述曲率半径没有共享共同原点。

14.根据权利要求13所述的致动器，其中在从所述第一未对准位置移动到所述第二对准位置时，所述气隙减小。

15.根据权利要求7至9中任一项所述的致动器，其中当在所述对准位置中时，逐步变化的气隙将面向所述定子的内表面的所述转子的外表面分离。

16.根据权利要求15所述的致动器，其中所述转子的所述外表面具有多个曲率半径并且所述定子的所述内表面具有曲率半径，或者所述转子的所述外表面具有曲率半径并且所述定子的所述内表面具有多个曲率半径，或者所述转子的所述外表面具有多个曲率半径并且所述定子的所述内表面具有多个曲率半径。

17.根据权利要求16所述的致动器，其中所述曲率半径共享以所述断路器的所述主轴的轴线为中心的共同原点。

18.根据权利要求16所述的致动器，其中所述转子的所述曲率半径和所述定子的所述曲率半径没有共享共同原点。

19.根据权利要求16所述的致动器，其中所述转子的曲率半径中的至少两个曲率半径彼此没有共享共同原点。

20.根据权利要求16所述的致动器，其中所述定子的曲率半径中的至少两个曲率半径彼此没有共享共同原点。

21.根据权利要求1至20中任一项所述的致动器，其中所述至少一个线圈围绕第一定子极的至少一部分被缠绕和/或所述至少一个线圈围绕第二定子极的至少一部分被缠绕。

22.根据权利要求1至21中任一项所述的致动器，其中所述转子包括至少两个部分。

23.根据权利要求1至22中任一项所述的致动器，其中所述定子包括至少两个部分。

24.根据权利要求1至23中任一项所述的致动器，其中所述定子被配置为使得所述转子相对于所述定子的所述旋转角度受到限制。

25.根据权利要求24所述的致动器，其中所述定子包括至少一个突起，其中第一定子极包括突起和/或第二定子极包括突起，以及其中当由于所述转子旋转而致动时，所述转子接近所述至少一个突起。

26.一种具有至少一个真空断续器的中压断路器，每个真空断续器包括用于电力中断的可移动电触头，所述可移动电触头经由主轴操作，根据权利要求1至25中任一项所述的致动器被安装到所述主轴。

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