CN111599642A - 具有横截面直径可变的管状或杆状镦压区的电断路开关件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有横截面直径可变的管状或杆状镦压区的电断路开关件。它具有壳体，壳体包围限定经过断路开关件的电流路径的触点单元。触点单元具有第一和第二连接触点、分离区和镦压区。触点单元经由第一连接触点可被供应电流并可经由第二连接触点自此输出电流，或反之。触点单元具有推进反射器或与推进反射器连接。推进反射器通过施加压力可从初始位置运动到最终位置，在推进反射器的最终位置中分离区被分断开并获得在第一和第二连接触点之间的绝缘距离。镦压区被设计成其在推进反射器从初始位置运动至最终位置时被镦压。镦压区设计成管状件或杆状件，其轴向延伸方向沿轴线X延伸，管状件或杆状件在垂直于轴线X来限定的横截面直径上具有一个或多个缩窄部。

Description

具有横截面直径可变的管状或杆状镦压区的电断路开关件

技术领域

本发明涉及尤其用于断开高电压下的大电流的电断路开关件。

背景技术

这样的断路开关件例如被用在发电厂技术和KFZ技术中，比如在机器和设备的开关柜的常见的机器结构和电气结构中，就像在电动车和混动车内的电动范围内，但也可以在电动直升机和飞行器中在紧急情况下被用来按规定且快速分断开强电流电路。对这种开关件的要求在于，未由此出现热气、颗粒、丁块或等离子体。另外，这话总开关件应该在断开之后保证绝缘电阻。

其它的应用领域是针对相关组件中的短路情况组件与船载电网电气隔断，例如在立式电热装置中或电制动器中，以及锂电池的紧急关断，就像它们迄今用在电动车和混动车以及飞行器中那样。电池在结构体积小的情况下具有在极小内电阻下的高达1200伏的端电压。这两者导致了达到5000安的可能短路电流，有时且暂时甚至达到30千安，在此情况下没有源电压显著击穿，这可能已经在几秒之后导致电池着火或其爆炸。在此所提出的断路开关件很好地也适用于在紧急情况下紧急关断单独的太阳能电池模块或整个太阳能电池场，因为它可被设计成可控制或可遥控。

所有在此说明的应用状况一般是直流电流关断，它不同于交流电流地不具有过零。通常，在断路开关件中仅加载有工作电压。但在断路开关件中直流电路断路的时刻，外电流电路的磁场崩溃造成电压如此显著升高，即在一个断路件的分开两端之间一般出现电弧。为了产生电弧，一般需要相对高的电压。但已经低了许多的电压就足以用于维持，一般在常见的约450伏工作电压下就是这种情况。

为了在电压峰值降低到工作电压之后也熄灭电弧，已经采用如下开关件，其具有导通电流且带有呈空心柱状的分离区的触点管，其中该空心柱沿着其横截面完全开裂、熔化或断裂以便电路断开，并以机械方式使空心柱的两端相互远离。为了空心柱体的开裂或断开，此时通常采用可激活的驱动件，其位于空心柱体的空腔内。此外，这样的断路开关件大多包含推进反射器(Treibspiegel)，其用于通过运动使分离区的分开端头相互远离。此时，推进反射器必然镦压触点管的镦压区(Stauchbereich)。通常，镦压区也涉及成管状或空心柱形且须在镦压时能良好折叠。但确定了在推进反射器快速运动和镦压区镦压时镦压区经常碎裂且同时该壳体可能不允许地导电接触，在此可能跨过已分开的连接件的绝缘。

发明内容

鉴于现有技术，本发明基于以下任务，提供一种尤其用于断开高电压下的大直流电流的断路开关件，在此，在从导通位置过渡至分离位置时防止了镦压区的材料碎裂，从而不会有碎片将已分开的且随后相对于壳体保持电绝缘的组件触点朝向壳体短路。

本发明涉及一种尤其适用于断开在高电压下的大电流的电断路开关件。它具有壳体，该壳体包围限定经过断路开关件的电流路径的触点单元。该触点单元具有第一和第二连接触点、分离区和镦压区。该触点单元被设计成其经由第一连接触点可接受电流并且可经由第二连接触点自此输出电流，或反之。该触点单元具有推进反射器或与推进反射器相连接。推进反射器被设计成其可以通过施加压力从初始位置运动到最终位置，其中在推进反射器的最终位置中该分离区被分断开，并且获得在第一和第二连接触点之间的绝缘距离。该镦压区被设计成其在推进反射器从初始位置运动到最终位置时被镦压。

根据本发明的断路开关件的特点是，该镦压区被设计成管状件或杆状件，其轴向延伸方向沿着轴线X延伸，其中该管状件或杆状件的横截面沿着轴线X具有一个或多个缩窄部，其中该横截面垂直于轴线X。

通过一个或多个缩窄部，不同于沿轴线X保持不变的横截面，可以在从导通位置过渡至分离位置时绝大程度上避免镦压区碎片崩落，从而断路开关件的已分开的触点不会相对于壳体被导电接触。由此没有大部分从镦压区撕落，而是出现镦压区的折叠但没有形成有害的碎片。

在本发明的一个设计中优选的是，该管状件或杆状件在其对置的两个端部区分别过渡至凸缘，凸缘延伸向壳体且垂直于轴线X延伸。该凸缘用于使得力可以从推进反射器起在轴线X方向上施加至镦压区，即该镦压区可被镦压。

该杆状件或管状件的横截面可以具有任何形状，例如呈圆形、椭圆形、具有或不带一个或多个角的任何圆形、三角形、四角形、五角形、六角形或多角形，其中优选圆形横截面。它是管状件，因此人们宁愿说是圆环形横截面而不是圆形横截面。

横截面缩窄在此是指，该横截面在该镦压区的区域内小于邻接区域(在轴线X的方向上)。镦压区在缩窄部具有最小横截面区，其最好朝向镦压区的两个端部区递增。

横截面递增可以在杆状件或管状件的轴向延伸方向上是连续的或断续的，即例如呈阶梯状，在这里优选连续递增。连续递增可以线性地或渐进地进行。本发明优选的是，该横截面朝向该杆状件或管状件的端部区分别呈锥形递增。还优选的是，该杆状件或管状件如此设计，它在垂直于轴线X的任何平面内具有形状相同的横截面(具有变化的面积尺寸)。此外，横截面在两个方向上朝向杆状件或管状件的端部区的横截面的增大可以是不同的或相同的，即以镜像对称方式延伸，在这里，该镜面在最小横截面区中垂直于轴线X布置。也优选的是，直至杆状件或管状件的各自端部区的横截面过渡部沿径向延伸，即具有规定的半径，以避免在此过高的切口应力，其可能不希望地在所述部位断开所述杆状件或管状件，尤其是在组件或连接件的机械载荷或振动载荷下。

在本发明的一个设计中优选的是该镦压区具有多个缩窄部，最小横截面区与最大横截面区最好周期性交替。在此情况下，该镦压区可以在表面设计成锯齿形、阶梯形或手风琴风箱状。后者最好是在镦压区设计成管状件时。

该杆状件或管状件的最小横截面区能以具有保持不变的横截面的区域形式构成。此时优选的是，从具有最小横截面的区域到横截面递增的区域的横截面过渡部沿径向延伸，就是说具有一定的半径。在一个实施方式中，也可以省掉这种具有保持不变的横截面的区域，即在最小横截面区内，多个横截面增大区域相接，也最好以径向延伸的横截面过渡部。

在一个设计中，本发明的断路开关件具有至少一个腔室，其至少部分由分离区界定。所述至少一个腔室最好填充有灭火剂

从而使得该分离区接触灭火剂。所述至少一个腔室最好处于最好呈管状件形式的分离区空腔外，即所述至少一个腔室被分离区包围。另外，本发明的断路开关件可以具有另一个腔室，其邻接分离区的管状件的外侧区域。换言之，管状件将所述至少一个腔室与另一个腔室定界分开。所述另一个腔室在其外周最好由断路开关件的壳体界定。所述另一个腔室也最好填充有灭火剂。

但也可以放弃分离区的管状件的空腔的填充，在此情况下仅给在管状连接件外的另一个腔室填充灭火剂。但在与电路感应很小相关的待切断电流很小时，也可以完全省掉灭火剂，在此周围空气于是就足以用于分离过程。

灭火剂可以是固体的、粉末状的或流态的介质。灭火剂最好是可蒸发的或可气化的介质(如硼酸，粉末在电弧影响下直接从粉末相转变至气体，在此它吸收能量且因此耗尽电弧)。灭火剂最好是流态介质，其在达到沸点或气化温度时完全或部分转入气态。同时优选的是，该灭火剂也具有良好电绝缘性能，以便电弧在该分离区的两个分开部分相隔足够远之后可被熄灭，随后在分开的触点之间存在针对在此随后不希望有的电流流动的充分隔绝。灭火剂最好是具有或没有稠化剂例如硅油的油，或者是具有尽量少的碳原子量或还更好没有碳原子量的硅烷或聚硅氧烷例如己硅烷或戊硅烷。

该推进反射器在本发明的断路开关件中有以下任务，将该分离区的两个分开的部分相互分离开，做法是它通过压力施加执行机械运动，其使分开的分离区的一部分与分开的分离区的另一部分远离。通过这种方式，在分离区的两个分开部分之间建立安全距离。

本发明的断路开关件的触发、即从导通位置到分离位置的过渡过程的触发能以被动方式或主动方式进行。

如果应该主动进行本发明断路开关件的触发，则优选的是该断路开关件包含可激活材料。最好如此布置可激活材料，即，在烟火材料点燃时，分离区承受由该可激活材料产生的气压或冲击波，从而使分离区开裂、压入或分断，推进反射器运动并且镦压区被镦压。在此该推进反射器最好如此设计，即其在可激活材料点燃时如此承受由此产生的气压或冲击波，使得推进反射器在壳体内在一个运动方向上从初始位置运动到最终位置，同时使该分离区开裂、压入或分断。

可激活材料可以是烟火材料，其起到引爆作用或爆燃作用。烟火材料存在于本发明的断路开关件、最好是所谓的微型雷管或者引火剂或饼状点火器中，但也能以其它形式被装入。

如果本发明断路开关件的触发应该被动进行、即不需要可激活材料来初次断开分离区，则优选的是所述分离区、推进反射器和灭火剂如此设计，即该分离区可以通过供应电流在超出阈电流强度时因在连接件材料的熔点处或超过熔点地变热而被分为至少两个部分，其中在分离区的两个部分之间出现的电弧将灭火剂气化，从而出现施加于推进反射器的气压，其中该推进反射器运动且镦压区被镦压。

此外，该分离区也可以具有一个或多个理论断裂位，其能以缩窄部、切口、槽或孔的形式存在。该理论断裂点最好以穿过分离区的管状件的孔的形式存在。通过这种方式，所述孔将所述至少一个腔室与另一个腔室相连。通过这种方式，在制造本发明的断路开关件时容易将灭火剂填充入该管状件内的所述至少一个腔室中。

根据本发明的镦压区的设计尤其在使用镦压区用材料时是有利的或有重大意义的，其延展性并非如通常在此所用的E铜一样好。例如，为了作为连接件用材料加工铝而必须采用硬铝，其在折叠过程中将会马上破碎成许多小碎片，即便是在连接件在其制造后软化退火之后。

根据本发明的一个设计而优选的是，该镦压区设计成管状件。在管状件内的空腔在此被称为另外的腔室。在此，所述镦压区的另外的腔室可以完全填充有灭火剂。此时优选的是，在另外的腔室与至少一个腔室之间存在呈通道形式的连通机构。通过推进反射器的运动和/或镦压区的镦压过程，所述另外的腔室的体积被如此缩小，即，灭火剂通过该通道被喷入该分离区的至少两个部分之间。由此，该灭火剂可以在镦压过程中从其它的腔室经由该通道被压入另外的腔室中并且禁止或者说进一步有效冷却或许还要出现在分离区处的电弧。同时，在所述至少一个腔室内或许已经部分分解的灭火剂通过新流入的灭火剂被稀释，因此也改善“拘谨”的灭火剂绝缘性能。在本发明的这个设计中也可能优选的是，仅一个腔室且还有另一个腔室以及相连的通道填充有灭火剂。在此可能优选的是所述另一个腔室未装有灭火剂。

本发明断路开关件的在前述实施方式中所示的特征只要他们未被相互排斥就可以根据本发明相互组合。

附图说明

以下，结合如图所示的实施方式来详述本发明。所有如图所示的单独特征只要在技术上可实现就能彼此无关地被用在根据本发明的断路开关件中。

图1示出了在镦压区开始前(导通位置)的本发明的断路开关件的示意图，其以在其横截面直径中有多个缩窄部的杆状件形式存在，

图2至图8示出了在镦压区内的本发明断路开关的触点单元的局部，其横截面直径具有不同的缩窄形式。

附图标记列表

1 断路开关件

2 壳体

3 触点单元

4 第一连接触点

5 第二连接触点

6 分离区

7 腔室

8 另一个腔室

9 推进反射器

10 可激活材料

12 镦压区

13 镦压区上的凸缘用于通过推进反射器施加压力

14 镦压区上的凸缘

L 镦压区在轴线X方向上的延伸长度

R1-R5 横截面过渡区的半径

T 在镦压区内的具有最小壁厚的柱形区的长度

w1-w4 壁厚线性递增的角度

X 轴线X

Z 在分离区内的具有最小壁厚的柱形区的长度

F 力，由推进反射器施加压力决定

具体实施方式

本发明的断路开关件1的如图1所示的实施方式包括壳体2，在壳体内安置有触点单元3，触点单元延伸穿过整个壳体2，并且包含连接触点4、5、分离区6、镦压区12和凸缘13、14。壳体2如此设计，它承受住在壳体2内产生的压力，该压力例如在断路开关件1的烟火触发时产生，但不存在损伤或甚至开裂的危险。壳体2尤其可以由合适的材料、最好是钢构成。触点单元3在所示实施例中被设计成可通过镦压区12内的推进反射器9被压迫的开关管的形式，从而它在分离区6和镦压区12内被设计成管状。触点单元3在所示实施例中具备第一连接触点4。径向向外延伸的凸缘14与第一连接触点4相接，该凸缘如此支承在由绝缘材料如塑料构成的环形绝缘件上，触点单元3无法在轴向上移出壳体2。触点单元3具有在触点单元3的轴线上与凸缘相接的镦压区12。触点单元3的壁厚在具有预定的轴线伸展尺寸的镦压区12内被如此选择且与所述材料相协调，使得在断路开关件1因触点单元3在镦压区12中塑性变形而触发时而出现了镦压区12在轴向上缩短了一预定路程。

在触点单元3的轴向上，凸缘13与镦压区12相接，在所示实施例中推进反射器9安放在凸缘上。推进反射器9被设计成电绝缘件，例如由合适的塑料最好是陶瓷材料构成。它如此包围触点单元3，使得推进反射器9的绝缘区插入在凸缘13的外周面和壳体2的内壁之间。如果压力作用于推进反射器9的表面，则产生了力F，其通过凸缘13将触点单元3的镦压区12压缩。如此选择该力F，在断路开关件1的触发过程中出现镦压区12的镦压，其中该推进反射器9从其初始位置(在断路开关件1触发之前的状态＝导通位置)运动到一个最终位置(在开关过程结束后＝分断位置)。

如图1所示可以如此选择推进反射器9，其外径基本对应于壳体2的内径，从而在开关过程中获得凸缘13的轴向引导和进而还有轴向引导的镦压运动。

在压制过程后，所述绝缘件和推进反射器9的靠近壳体2的凸起完全交错，从而在触发和镦压过程后呈蜿蜒状收合的镦压区12完全被电绝缘材料包围。

分离区6与触点单元3的推进反射器9或凸缘13相接。第二连接触点5随即与触点单元3在该侧相接。

在所示实施例中，推进反射器9在断路开关件1安装时从连接触点5侧被套装到触点单元3上。它为此被分开(未示出)。如果第二连接触点5未被分开或者说它如图所示与触点单元3一样是一体的，则推进反射器9必须是喷注的或设计成是多件的以便其能安装。

在第二连接触点5区域中的触点单元3的轴向端内，可以设置可激活材料10，在此通常也安装在微型雷管或点火螺丝(驱动件)中。通过在触点单元3的内腔中的缺口，可以将用于驱动件的电连接导线向外引导。驱动件最好设置在分离区6的管状件内的腔室7中。另一个腔室8位于分离区6的外壁与壳体2之间。

分离区6的尺寸如此设定，使得它通过所产生的驱动气压或所产生的驱动冲击波至少部分开裂，但最好是完全断裂，从而所述压力或冲击波也可以从腔室7传播到最好呈环绕的环形腔形式的外腔室8中。腔室7、8通过这种方式相互连通成一个体积。触点单元3镦压所需要的内压力也可以如此产生，即在一定的阈电流强度下该分离区6熔化，并且在两者之间产生电弧，电弧将位于腔室7和/或8内的灭火剂气化。为了使开裂变得容易，在分离区6内的触点单元3的壁也可以具有一个或多个缺口或孔和/或槽(图1未示出)。在此情况下要保证分离区6的材料良好断开驱动电流，即在考虑散热情况下不会太热以致所述材料没有快速或强烈老化。

即，在断路开关件1启用时，在推进反射器9的背对镦压区12的一侧产生压力或甚至冲击波，由此，推进反射器9承受相应的轴向力。该力通过适当设定可激活材料10的尺寸来选择，使得在镦压区12内的触点单元3塑性变形或压入，但未开裂，随后使推进反射器9运动向第一连接触点4。可激活材料10在此被如此设定尺寸，在分离区6断开或压入之后，推进反射器9的运动使两个分断半体相互分开足够远，于是与灭火剂气化合作地甚至到达一个最终位置。

即，紧接在可激活材料10的激活之后，该分离区6至少部分被开裂或压入，最好是完全断裂。如果开裂或压入并未在推进反射器9开始轴向运动之前已经在分离区6的整个范围内进行，则分离区6的尚造成导电接触的残留余部通过推进反射器9的轴向运动完全断裂，通过在此仅随即缩小的导体剩余横截面因在此流动的大电流而在此接着出现的很快速加热被增强。

根据图1的断路开关件1原则上具有与DE102017123021A1的如图1所示的断路开关件一样的结构，其具有根据本发明的差异，镦压区12不是具有连续一致的壁厚的管状件，而是管状件的横截面直径在凸缘侧端部之间的区域内具有多个缩窄部。在图1中，缩窄部是周期性重复。此外，所述缩窄部被倒圆，确切说是最好这样倒圆，该管状件的表面在横截面中沿着轴线X形成正弦形曲线。

图2至图8分别示出了触点单元3的局部区域，在该局部区域中存在镦压区12和与之相接的凸缘13、14。镦压区12在图2、图3和图5至图8中被设计成管状件，在图4中被设计成杆状件。长度L是镦压区12在轴线X方向上的延伸尺寸。镦压区12包括具有最小横截面的区域(该面积由管状件的外周面界定)，其分别朝向凸缘侧的端部即凸缘13、14递增。半径R1和R2是在镦压区12与相连的凸缘13、14之间的横截面过渡部的半径。半径R3-R5是在从最小横截面区至递增的横截面区的横截面过渡部的半径。力F在推进反射器9运动时作用于镦压区12。角度w1-w4说明横截面相对于轴线X增大的倾斜度。

图2示出了只具有最小横截面的镦压区12。横截面的递增在此也朝向镦压区12的两个凸缘侧端部同样进行。在此，角度w1和w2因此一样大，以便由此获得尽量一样的但在大小不同的角度情况下不会获得的镦压。

图3示出了镦压区12，其从一个凸缘侧端部朝向另一个凸缘侧端部呈锥形延伸。最小横截面区与凸缘13邻接。

图4和图5示出了具有多个区域的实施方式，所述区域具有最小横截面。具有最大横截面的区域位于它们之间。在这些区域之间的横截面的递增和递减在此呈锯齿状延伸。

所示横截面变化被选择为可以使镦压区的长度L增大或能利用该长度，随后镦压区未被压力载荷镦压而是会压弯，这在这里是完全不希望的：

根据第四欧拉纵弯状况(纵弯杆两端被夹紧且对杆施加压载荷)，在此关于F_krit＝4*pi²/L²*E*I计算临界纵弯载荷，此时的夹紧长度为L、杆材的弹性模量为E且杆横截面的轴向平面惯性矩为I。当达到临界纵弯载荷时，所述杆在此居中弯曲，如果是空心体则鼓凸，这在此是完全不希望有的并且应被可靠避免，以便分断开关的触点朝向壳体被短路并且将环绕绝缘件。

另一方面，期望有尽量大的镦压长度L，以便能将被输入所述组件/分断开关中的尽量多的能量塑性变换。

通过在镦压区内的所示横截面变化，近似将可供使用的镦压长度L分为多个较小的镦压距离，其镦压区随后通过该横截面变化来预定。

按照意义，上述过程适用于所有的镦压体，无论是否其横截面完全充满(在此仅出现纵弯)或是否存在类似管的镦压件(在此可以出现纵弯和隆凸)。

如图6所示，最小横截面区也可以在长度t上呈柱形并且随后才过渡至横截面递增区或递减区。

如图7和图8所示，镦压区12的表面也可以呈手风琴风箱式延伸。在图7中，镦压区12的外表面的走向呈波浪状，内表面的走向为平面。图8示出了以下实施方式，在此，不仅内表面、还有外表面都具有波浪形走向，在此情况下具有平行延伸的正弦型曲线。

Claims (8)

1.一种尤其用于断开高电压下的大电流的电断路开关件(1)，

(a)所述电断路开关件具有壳体(2)，所述壳体包围限定出经过所述断路开关件(1)的电流路径的触点单元(3)，并且

(b)其中所述触点单元(3)具有第一连接触点(4)和第二连接触点(5)、分离区(6)和镦压区(12)，

(c)其中所述触点单元(3)被设计成它能通过所述第一连接触点(4)接受电流并且能通过所述第二连接触点(5)自所述触点单元送走电流，或反之，

(d)其中所述触点单元(3)具有推进反射器(9)或者与推进反射器(9)相连接，所述推进反射器被设计成它能通过施加压力从初始位置运动到最终位置，其中在所述推进反射器的最终位置中所述分离区(6)被分断开并且获得在所述第一连接触点(4)和所述第二连接触点(5)之间的绝缘距离，

(e)其中所述镦压区(12)被设计成它在所述推进反射器从所述初始位置运动到所述最终位置时被镦压，

其特征是，

(f)所述镦压区(12)被设计成管状件或杆状件，其轴向延伸方向沿轴线(X)延伸，其中所述管状件或杆状件在其横截面中沿所述轴线(X)具有一个或多个缩窄部，其中所述横截面垂直于所述轴线(X)。

2.根据权利要求1所述的断路开关件(1)，其中所述管状件或杆状件在其对置的两个端部区分别过渡至凸缘(13,14)，所述凸缘在所述壳体(2)的方向上且垂直于所述轴线(X)延伸。

3.根据权利要求1或2所述的断路开关件(1)，其中所述镦压区(12)在所述缩窄部处具有最小横截面区，所述最小横截面区朝向所述镦压区(12)的两个端部区递增。

4.根据权利要求3所述的断路开关件(1)，其中所述横截面的递增在所述端部区的方向上以镜像对称方式延伸，其中镜面安置在垂直于所述轴线X的所述最小横截面区中。

5.根据权利要求3或4所述的断路开关件(1)，其中所述镦压区(12)具有多个缩窄部，从而所述最小横截面区与最大横截面区周期性交替。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的断路开关件(1)，其中在所述断路开关件(1)内的至少一个腔室(7)填充有灭火剂，从而使得所述分离区(6)接触所述灭火剂，所述至少一个腔室至少部分由所述分离区(6)界定。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的断路开关件(1)，其中所述断路开关件(1)包括可激活材料(10)，所述可激活材料被布置成，使得在所述可激活材料(10)点燃时所述分离区(6)承受由所述可激活材料(10)产生的气压或冲击波，从而使所述分离区(6)被撕裂、压入或分断、所述推进反射器(9)运动且所述镦压区(12)被镦压。

8.根据权利要求6或7所述的断路开关件(1)，其中所述分离区(6)、所述推进反射器(9)和所述灭火剂被设计成，使得所述分离区(6)在超出阈电流强度时通过被供应的电流能被分断为至少两个部分，其中在所述分离区(6)的两个部分之间出现的电弧将所述灭火剂气化，从而出现施加于所述推进反射器(9)的气压，其中所述推进反射器(9)运动且所述镦压区(12)被镦压。

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