CN117457421A - 高压灭弧系统和包括该高压灭弧系统的电开关装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于抑制跨电开关装置的至少一个触头对的电弧的灭弧系统。灭弧系统通过将触头对处产生的电弧放电磁吹向专用灭弧室，而提供了与开关装置操作的优选极性直接相关的增强的电弧抑制，该专用灭弧室相对地定位在针对电弧放电的一个给定方向产生的洛伦兹力的方向上。结果，除了由磁辅助灭弧提供的优点之外，设置在开关装置中的灭弧室的数量可以减少到最小，因为每个触头对只需要一个灭弧室来接收和消除在每个触头对产生的电弧放电。本发明还提供了包括灭弧系统的电开关装置。

Description

高压灭弧系统和包括该高压灭弧系统的电开关装置

技术领域

本发明涉及电弧抑制领域，更具体地，涉及用于抑制设计成在高负载下操作的开关装置(例如接触器和高压继电器)的触头之间的电弧的灭弧系统，以及包括该灭弧系统的开关装置。

背景技术

诸如接触器和高压继电器之类的电开关装置被广泛用于需要向负载电路安全供应高功率的大范围应用中，例如在车辆、用于对动力电池充电的设备、工业设施等中。

普通配置中的接触器或继电器通常包括动触头和各自的静触头，在正常供电操作期间，通过闭合负载电路的供电路径，这些触头保持彼此直接接触。当动触头移离静触头时，接触器或继电器断开，从而中断供电路径。然而，由于流过或将要流过动触头和静触头的高电流，当断开和/或闭合接触器或高压继电器时，仍会跨动触头和静触头之间的分离间隙产生高电流放电(或电弧电流)。为此，通常在这种开关装置中包括安全机构，用于抑制(或消除)电弧电流并保护它们以及负载电路免受电弧放电的负面影响。例如，用于切断电弧的灭弧室已经广泛地与引弧板结合使用，所述引弧板将电弧直接引导和输送到灭弧室。

用于电弧抑制的安全系统的效率和可靠性的重要参数是触头距离(即，在断开状态下动触头和相应的静触头之间的距离)和预期的电压降。例如，以800V电压负载工作的高压接触器可能比以较低电压工作的继电器需要更大的接触距离来断开电弧。然而，触头距离的增加不仅意味着继电器将具有增加的整体尺寸，而且负责移动动触头的致动器需要更强，以便覆盖用于将动触头从断开状态返回到闭合状态的更大的触头距离。例如，在电磁继电器的情况下，实现足够强以闭合具有大接触距离的继电器的线圈感应磁形致动器可能是不可行的。

因此，鉴于对可在增加的高压负载下操作同时具有紧凑尺寸的安全设备的持续需求，已经尝试了几种方法，以便通过仅依赖于动触头和静触头之间的物理间距的增加的其他因素来增强电弧抑制。例如，已经使用了将接触电压除以2的电桥方法。然而，在普通接触器和继电器中使用的触头距离处，每个触头的电弧放电可能仍然足够强或难以切断。此外，这种解决方案仍然存在这样的问题，即对于大范围的高电压和小的接触距离，继电器不能切断电弧。

另一种方法依赖于使用磁电弧抑制来补偿减小的接触距离，并在使用小接触距离的同时帮助实现相同或增强的电弧抑制。这种方法基于通过增加能够在动触头和静触头之间的区域产生磁场的磁体来延长电弧在触头之间行进的路径，该磁场足够强以沿着延长的电弧长度移动电弧电流。如果这种延伸的路径大于可用于克服它的能量，那么可以实现电弧抑制的增强。然而，这种方法有几个局限性。例如，实现所需的电弧抑制增强效果所需的磁体尺寸可能会对接触器或高压继电器的紧凑性产生负面影响。价格可承受的磁体可能不具有实现所需电弧抑制所需要的强度。

因此，鉴于用于在越来越高的电压下操作的电气设备的不断发展，仍然需要能够为电开关装置提供增强的高压电弧抑制而不损害开关装置的紧凑性和总成本的解决方案。

发明内容

本发明是鉴于现有技术的缺点和不足而做出的，其目的是提供能够提供增强的高压电弧抑制而不损害尺寸紧凑性和总成本的灭弧系统和电开关装置。本发明的另一个目的是提供一种灭弧系统和包括该灭弧系统的开关装置，该灭弧系统具有能够延伸电弧放电路径并使其偏离开关装置的触头之间的间隙区域的结构，以便为给定的高压负载提供有效的电弧抑制，而不必过度改变间隙区域的宽度。

这些目的通过所附独立权利要求的主题来解决。本发明的有利实施例是所附从属权利要求的主题。

本发明的基本概念是基于提供高压灭弧解决方案，该解决方案能够通过添加能够将电弧磁性吹离(即偏离)放电区并吹向靠近触头对定位的灭弧室以切断电弧的磁性特征，来有效地抑制在电开关装置的动触头和静触头之间产生的电弧。

根据本发明，提供了一种用于抑制跨电开关装置的至少一个触头对的电弧的灭弧系统，每个触头对具有静触头和动触头，动触头可相对于静触头在闭合状态和断开状态之间移动，在闭合状态下，动触头接触静触头，在断开状态下，动触头与静触头在动触头和静触头之间的相对移动方向上隔开一间隙，灭弧系统包括：至少一个消弧单元，其中针对所述至少一个触头对中的每一对提供一个消弧单元，以消除在相应触头对从闭合状态到断开状态的开关操作时产生的电弧放电；以及至少一个吹弧磁性单元，配置为产生磁场，所述磁场具有沿着相应的预定磁场方向跨经每个触头对的间隙区域的磁力线，其中，所述至少一个吹弧磁性单元被配置成产生具有一取向的所述磁力线，以便将在相应触头对的间隙区域处产生的电弧放电朝向与所述触头对相关联的消弧单元磁吹，其中，该取向是基于相应触头对的静触头的优选电极性和相关联的消弧单元的定位而预定的。

在进一步的改进中，所述至少一个触头对包括沿横向于相对运动方向的纵向方向彼此相邻设置的第一触头对和第二触头对，其中所述至少一个吹弧磁性单元包括一个吹弧磁性单元，该吹弧磁性单元被配置成产生所述磁场，该磁场具有沿所述预定磁场方向并跨经第一和第二触头对的间隙区域的磁力线，该吹弧磁性单元适于相对于第一和第二触头对布置，使得预定磁场方向平行于纵向方向，和/或其中至少一个消弧单元包括适于面向第一触头对定位的第一消弧单元和适于面向第二触头对定位的第二消弧单元，第一消弧位于对称平面的一侧，该对称平面沿着相对运动的方向并平行于所述纵向方向跨经第一和第二触头对。

在进一步的改进中，所述至少一个触头对包括第一触头对和第二触头对，所述第一触头对和第二触头对沿着横向于相对运动方向的纵向方向彼此相邻设置；所述至少一个吹弧磁性单元包括：第一吹弧磁性单元，被配置为在第一触头对的间隙区域内产生具有沿着第一预定磁场方向的磁力线的第一磁场，以及第二吹弧磁性单元，被配置为在第二触头对的间隙区域内产生具有沿着第二预定磁场方向的磁力线的第二磁场，其中第二吹弧磁性单元与第一吹弧磁性单元分离；和/或其中至少一个消弧单元包括适于面向第一触头对定位的第一消弧单元和适于面向第二触头对定位的第二消弧单元，第一消弧单元将定位在第一和第二触头对之间的对称平面的一侧，该对称平面沿着相对运动的方向并且横向于所述纵向方向。

在进一步的改进中，第一和第二触头对的静触头具有相反的极性，并且与第二触头对相关联的第二消弧单元定位在对称平面的一侧，该侧与和第一触头对相关联的第一消弧单元定位的那侧相对。

在进一步的改进中，所述至少一个消弧单元中的每一个包括多个分压叶片，所述分压叶片彼此平行布置并且适于对消弧单元两端的电弧放电的电压进行分压。

在进一步的改进中，多个分压叶片是具有L形的多个板，并且被布置为这样的取向：L形的较短边朝向相关联的触头对的间隙区域突出，并且多个分压叶片还被布置成横向于相对运动的方向。

在进一步的改进中，至少一个消弧单元中的每一个包括电接触元件，该电接触元件适于在分压叶片和开关装置的端子之间形成直接电连接，相应触头对的静触头安装在该端子上；和/或其中每个消弧单元面向相应触头对的间隙区域定位。

在进一步的改进中，所述至少一个吹弧磁性单元中的每一个包括第一永磁体和第二永磁体，第一永磁体和第二永磁体被设置成前侧彼此面对，使得相关触头对的间隙区域内的磁通线沿着所述预定磁场方向从第一永磁体的前侧流向第二永磁体的前侧。

在进一步的改进中，吹弧磁性单元还包括磁通框架，第一永磁体和第二永磁体安装在该磁通框架上，并且该磁通框架被配置为，针对从第二永磁体的后侧流入第一永磁体的后侧的磁力线提供磁通量路径。

在进一步的改进中，磁通框架是具有U形的板，由中心板和分别从中心板的左侧和右侧延伸的两个延伸臂限定；中心板适于将磁通框架安装到开关装置的机架上；并且第一永磁体和第二永磁体分别设置在磁通框架的延伸臂上，并且与中心板相距一距离，当磁通框架安装到开关装置的机架上时，该距离适于将第一永磁体和第二永磁体定位成与相应触头对的间隙区域对准。

在进一步的改进中，第一永磁体和第二永磁体的磁极化被选择为，使得所产生的磁力线在相应触头对的间隙区域内并且根据为相应静触头的优选电极性设置的取向而从第一永磁体朝向第二永磁体取向。

根据本发明，还提供了一种电开关装置，包括：沿着电开关装置的纵向方向彼此相邻设置的第一触头对和第二触头对，第一和第二触头对中的每一个包括静触头和动触头，动触头可相对于静触头在闭合状态和断开状态之间移动，在闭合状态下，动触头接触静触头，在断开状态下，动触头与静触头在动触头和静触头之间的相对移动方向上隔开一间隙；以及根据权利要求1至11中任一项所述的灭弧系统，其中，所述灭弧系统布置成与所述第一和第二触头对对准，使得所述至少一个吹弧磁性单元产生所述磁场，所述磁场具有沿着相应的预定磁场方向跨经每个触头对的间隙区域的磁力线，并且每个消弧单元面向相应的触头对定位。

在进一步的改进中，电开关装置还包括分别连接到第一触头对和第二触头对的静触头的第一端子和第二端子，其中第一端子和第二端子适于根据开关装置操作的优选极性将开关装置电连接到外部电势或负载电路。

在进一步的改进中，开关装置是接触器或高压继电器。

在进一步的改进中，电开关装置和灭弧系统不具有用于直接将跨经第一和第二触头对的电弧放电引向相关消弧单元的引弧板。

因此，本发明通过使用基于洛伦兹力原理的磁吹效应作为替代来将电弧直接传送到灭弧室，从而免除了传统开关装置中通常使用的用于将电弧导向灭弧室的引弧板的使用。此外，由于磁吹效应在触头对的动触头和静触头之间产生电弧路径的有效延伸，所以对于相同的触头距离，电弧抑制得到增强。除了磁性增强的电弧抑制之外，所要求保护的发明的另外的有利效果是，它需要更少的空间来实现，延长了接触寿命，增加了接触电压，并且甚至可以减小接触距离。

本发明可以用于任何需要提高电弧电压耐受性的应用中。特别地，所要求保护的发明可以有利地用于低电阻接触器和继电器、防止电池放电的保护设备、工业设施和车辆(例如电动汽车)中的电力设备。

附图被结合到说明书中，并形成说明书的一部分，以说明本发明的几个实施例。这些附图和描述一起用于解释本发明的原理。附图仅仅是为了说明如何制造和使用本发明的优选和可替换的例子，而不应该被解释为将本发明仅仅限制于所说明和描述的实施例。此外，实施例的几个方面可以单独或以不同的组合形成根据本发明的解决方案。因此，下面描述的实施例可以单独考虑，也可以任意组合考虑。

附图说明

如附图所示，从以下对本发明的各种实施例的更具体描述中，进一步的特征和优点将变得显而易见，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，其中：

图1是根据本发明实施例的灭弧系统和开关装置的透视图；

图2是示出沿着图1中画出的交叉线AA’跨经图1的开关装置的截面的截面侧视图(从正Y方向看)；

图3是根据本发明实施例的灭弧系统的吹弧磁性单元的透视图；

图4示意性地示出了由图3的吹弧磁性单元在布置了动触头和静触头的中间区域内产生的磁场(B_mag)的磁力线的取向、由沿着开关装置的两个触头对之间的触头桥流动的电流产生的磁场(B_Bridge)的方向以及由在每个触头对处产生的电弧柱产生的磁场(B_arc)的方向；由于与在每个触头对处产生的电弧放电相关联的电流的相反方向，致动到每个电弧柱上的作为结果的洛伦兹力(F)具有相反方向；

图5是示出根据本发明另一实施例的灭弧系统和开关装置的透视图；

图6是沿着图5中的线BB’跨经图5的开关装置的截面的示意性截面图(从正Y方向看)；和

图7是描绘根据本发明实施例的触头对的一对静触头和动触头以及灭弧室的示意图，所述灭弧室通过导电元件直接连接到静触头的端子。

具体实施方式

现在将参照附图更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应该被解释为局限于这里阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使公开内容彻底和完整，并将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。

图1示出了根据本发明实施例的开关装置100和用于保护开关装置100的触头组件的灭弧系统(arc-quenching system)的示意性透视图。开关装置100可以是接触器、高压继电器等。为了便于表示根据本发明的灭弧系统的特征和解释其工作原理，在图1中省略了开关装置的部件，例如用于操作开关装置触头组件的电磁驱动机构、壳体等。为了便于参考，当涉及根据本发明原理的开关装置时，术语“接触器”将在下面的描述中使用。然而，应当理解，本公开也适用于其他类型的开关装置，例如高压继电器。

如图1所示，接触器100包括触头组件，该触头组件可操作以在闭合和断开状态之间切换，用于将接触器100连接到外部电源和/或负载电路(未示出)的线路和从其断开。具体而言，触头组件包括多个静触头，例如，如图所示构造中的两个静触头102和104，它们沿着接触器100的纵向方向L(即，图1中的Y方向)彼此相邻设置。每个静触头102和104布置在各自的端子106、108上，接触器100通过端子106、108连接到外部电势，例如电源设备和/或负载(未示出)的端子。触头102和104是静态的，因为它们不会相对于接触器100的其他固定部分(例如接触器机架130)移动。

触头组件还包括沿着纵向方向L彼此相邻设置的多个动触头112和114(优选地与静触头102和104的数量相同)。在接触器100的闭合状态和闭合状态之间，动触头112和114可以沿着相对运动方向T相对于机架130和静触头102、104移动，该方向T垂直于设置静触头102、104和动触头112和114所沿的纵向方向L。动触头112和114中的每一个被设置成与静触头102、104中的相应的一个相对并对准，从而形成相应的触头对。当动触头102和静触头112彼此直接接触(闭合状态)时，每个触头对，例如动触头和静触头102、112的对，建立电通路，并且在进行相对运动方向T上移动动触头112远离静触头102的操作(断开状态)时，电通路被中断。在断开状态下，动触头112和114在相对运动方向T上与静触头102、104间隔开给定接触距离的间隙。

动触头112和114优选安装在触头桥120上，触头桥120平行于纵向方向L延伸，并且在开关操作时，可以在驱动机构(例如电磁驱动器(未示出)的电枢)的致动下沿着相对运动方向T朝向和远离静触头102、104移动，其中，该开关操作使动触头112、114与相应的静触头102、104直接接触以闭合触头对，或者分离动触头102和静触头104。触头桥120优选由导电材料制成，用于将动触头112、114彼此电连接。然后，当动触头112、114分别与相应的静触头102、104直接接触或分离时，可以建立或中断从端子106到端子108并跨经接触器100的电流路径。如图2所示，触头桥120可以通过弹簧124固定到接触器100的机架130，弹簧124允许触头桥120在断开和闭合状态之间在相对运动方向T上位移。

如上所述，在用于断开开关装置100的开关操作时，将在每个触头对(例如图1所示的触头对102、112和触头对104、114)的静触头和动触头之间的间隙上产生电弧。在断开状态下，每个动触头112、114在相对运动方向T上与相应的静触头102、104分开一个间隙。方向T上的间隙宽度，也称为接触距离，将取决于开关装置100的特性和具体应用，例如触头组件周围的绝缘介质和开关装置100承载的高压负载。随着接触距离的减小和高压负载的增加，仅通过绝缘介质抑制触头间隙上电弧的能力降低。因此，对于给定的接触距离和高压负载，提供能够有效地消除电弧并避免损坏开关装置100的灭弧系统是有利的。

本发明通过提供灭弧系统来防止电弧放电损坏开关装置100，该灭弧系统使电弧放电偏离触头间隙区域并朝向灭弧特征偏离，以安全地消除或灭掉电弧，该灭弧特征布置在间隙区域附近但在布置了触头102、104、112、114的腔室外部。更具体地，灭弧系统基于提供吹弧磁性单元(arc-blowing magnetic unit)的原理，该吹弧磁性单元在每个触头对的间隙区域中产生永久磁场，并且能够延伸电弧路径，电弧沿着该电弧路径朝向专用消弧单元(dedicated arc-extinguishing unit)消除，所述专用消弧单元位于触头组件102、112、104和114的区域外部且用于消除偏离的电弧，如将在以下实施例中描述的。

参考图1，接触器100具有灭弧系统，该灭弧系统包括多个吹弧磁性单元140、150，每个吹弧磁性单元140、150与相应的触头对相对应，用于磁性吹动在触头对的静触头和动触头之间产生的电弧放电。具体地，灭弧系统具有：第一吹弧磁性单元140，用于将跨越第一触头对102、112之间的间隙产生的电弧放电磁性吹离相应的触头间隙；以及第二吹弧磁性单元150，用于将跨越第二触头对104、114之间的间隙产生的电弧放电磁性吹离相应的触头间隙。换句话说，在这种配置中，灭弧系统设置有多个吹弧磁性单元，这些吹弧磁性单元的数量对应于要防止电弧放电的触头对的数量。

吹弧磁性单元140、150固定在接触器机架130上，并沿触头组件的纵向方向L间隔设置，并分别与相关触头对的位置对准。多个吹弧磁性单元140、150中的每一个被配置成在对应触头对的间隙区域中产生永久磁场，其中间隙区域中的磁力线基本上沿着与纵向方向L和横向方向T都正交的方向取向。

具体地，第一吹弧磁性单元140包括设置在触头对102、112和触头组件102、112、104、114的一侧(即，在图1中的开关装置的后侧上)的第一磁体142，以及相对于平行于图1所示线AA’的对称平面与第一磁体142相对设置并位于触头对102、112和触头组件102、112、104、114的相对侧(即，在图1的开关装置的前侧上)的第二磁体144。第一吹弧磁性单元140与第一触头对102、112对准(即不与第二触头对104、114重叠)，以便在第一触头对102、112的间隙区域内产生沿(即平行于)预定磁场方向的磁力线的第一磁场。

第一和第二磁体142、144优选为永磁体。然而，根据应用，可以使用其他类型的磁体，例如由软磁材料制成的磁体。

第一永磁体142和第二永磁体144设置成前侧彼此面对，使得间隙区域内的磁通线沿着预定磁场方向从第一永磁体142的前侧流向第二永磁体144的前侧。此外，第一和第二永磁体142、144被定位在离机架130基本上相同的距离处，并且以相反的极化彼此平行地取向，所述极化被选择以产生磁场，该磁场具有磁力线，磁力线基本沿着横向于纵向方向L和相对运动方向T的方向、在静触头和动触头102、112之间的间隙周围的区域中排布。此外，优选选择第一和第二永磁体142、144的尺寸，以便在相应触头对102、112的间隙区域上产生近似均匀的磁场。第一和第二永磁体142、144的磁场强度将取决于期望的吹弧磁性效应的强度，因此取决于接触器100的具体应用和特性。

在相关触头对具有类似的特性、例如类似的接触距离和电弧放电强度，的情况下，第二吹弧磁性单元150设置有类似于上述第一吹弧磁性单元140的结构和磁性特征，以便产生具有基本相同强度的平行磁场。然而，第一和第二吹弧磁性单元140、150是分开的和独立的单元，因为它们彼此不共享那些能产生相应磁场的特征。具体地，第二吹弧磁性单元150包括设置在触头对104、114和触头组件102、112、104、114的一侧(即，在图1中开关装置的后侧)的第一磁体152，以及相对于平行于图1中表示的线AA’的对称平面与第一磁体152相对设置并位于触头对104、114和触头组件102、112、104的相对侧的第二磁体154，114(即，在图1中的开关装置的前侧)。然后，第二吹弧磁性单元150定位成与第二触头对104、114对准(并且不与第一触头对102、112重叠)，以在第二触头对104、114的间隙区域内产生具有沿着(即平行于)预定磁场方向的磁力线的第二磁场。

此外，第一吹弧磁性单元140包括磁通框架146，第一和第二永磁体142、144安装在磁通框架146上，并且磁通框架146还用作将第一和第二永磁体142、144定位在接触器机架130上的支撑件。

类似地，第二吹弧磁性单元150也包括磁通框架156，该磁通框架156承载第一和第二永磁体152、154，并且将被安装在接触器机架130上。磁通框架146和156中的每一个为磁力线提供相应的磁通量路径，该磁力线从相应的第二永磁体144和154的后侧流向相应的第一永磁体142和152的后侧。优选地，磁通框架146和156是U形板，具有适于容易地将吹弧磁性单元140、150安装在接触器机架130上的中央平坦区域，并且具有以直角从中心板延伸的左臂和右臂(即，远离机架130并朝向端子106和108)，使得第一和第二永磁体142，146以彼此平行的方向安装，并且平行于相对横向运动方向T。U形磁通框架146，156的左臂和右臂具有适合于在磁通框架安装到机架130上时将相应的第一和第二永磁体定位成与相应的触头对102，112和104，114的间隙区域对准的长度。第一和第二永磁体142、144的磁极化被选择成使得所产生的磁力线在间隙区域内从第一永磁体142朝向第二永磁体144取向，并且遵循为静触头102的优选电极性(对应于端子106的电极性)所确定的取向，这将在下面描述。

如图1所示，灭弧系统还包括多个消弧单元(arc-extinguishing unit)160、170，即数量与触头对的数量相同。消弧单元160和170中的每一个与相应的触头对(即触头对102、112和104、114)相对应地定位，用于接收和消除在相关触头对的静触头和动触头之间产生的电弧放电，并且电弧放电由吹弧磁性单元140、150独立地偏移。更具体地，第一消弧单元160定位在触头组件102、104、112、114的横向侧，并且对应于第一触头对102、112和第一吹弧磁性单元140。与第二触头对104、114相关联的第二消弧单元170定位在触头组件102、104、112、114的相对横向侧，并且对应于第二触头对104、114和第二吹弧磁性单元150。由于两个消弧单元160和170都设置在触头组件102、104、112、114的横向侧(即，在布置触头组件102、104、112、114的区域的外侧)，所以灭弧系统可以容易地结合到现有的开关装置中，因为不需要修改开关装置端子之间的间距、触头桥的尺寸等来适应靠近相应触头对的消弧单元。

为了将在触头对处产生的电弧放电引导至相应定位的消弧单元，例如触头对102、112和消弧单元160，相应的吹弧磁性单元140的第一和第二永磁体142、144的相对极化对应于接触器端子106、108的电极性来选择，以便设定所产生的磁吹效应的优选方向，该磁吹效应将在触头102、112的断开操作期间产生的电弧放电偏移开。更具体地，接触器端子106、108的电极性决定了在闭合状态下流经接触器100和触头对102、112的电流的方向，该方向将与在断开接触器100的开关操作时在触头对102、112上产生的电弧放电的方向相同。电弧放电的方向和由第一和第二永磁体142、144产生的、跨经间隙区域的磁力线的方向又决定了施加到电弧电流的电荷上的洛伦兹力的方向。于是，对每个触头对提供在触头对附近并定位在所产生的洛伦兹力的方向上的单个消弧单元就足够了。因此，通过根据优先连接到接触器100的相应静触头102(或端子106)的电极性来关联第一和第二永磁体142、144的极化，确保了由吹弧磁性单元140产生的磁吹效应使电弧路径朝向具体位于磁吹方向上的相应消弧单元150延伸和偏离。

参考图1，在端子106和108被设置为分别连接到正电位和负电位的情况下，触头对102、112的电弧电流的方向通常是向上的。因此，第一吹弧磁性单元140的第一和第二永磁体142、144的极化被选择为，使得磁力线从第一永磁体142跨经触头102、112之间的间隙区域朝向到第二永磁体144取向。结果，在断开接触器100的开关操作时在间隙区域内产生的电弧放电由于产生的洛伦兹力而被朝向消弧单元160偏移。

关于连接到负端子108的触头对104、114，在断开接触器100的开关操作时产生的电弧电流被向下引导，并且消弧单元170布置在触头对104、114的左侧。在这种情况下，第二吹弧磁性单元150的第一和第二永磁体152、154的极化被选择为，使得磁力线从第一永磁体152跨经触头104、114之间的间隙区域朝向第二永磁体154取向，即具有与吹弧磁性单元140中相同的相对极化。例如，第一永磁体142可以相对于第二永磁体144取向，使得其前侧与N极重合，而第二永磁体144的前侧对应于S极。结果，在触头对104、114的间隙区域内产生的电弧放电被所产生的洛伦兹力向左偏移，即朝向消弧单元170偏移。

因此，根据本发明原理的灭弧系统提供了与开关装置的优选操作模式(即，静触头的优选电极性(preferred electrical polarity))直接相关的增强的电弧抑制，因为在特定触头对处产生的电弧放电将被朝向专用灭弧室(dedicated arc chute)磁吹，该专用灭弧室位于触头组件外部的区域上，并且相对地位于针对电弧放电的一个特定方向来产生的洛伦兹力的方向上，以便捕获被磁吹的电弧。结果，除了由磁辅助灭弧提供的优点之外，设置在开关装置中的灭弧室的数量可以减少到最小，因为每个触头对只需要一个灭弧室来接收和消除在每个触头对处产生的电弧放电。因此，灭弧系统允许减少开关装置的部件数量、整体尺寸和相关的生产成本，在施加到开关装置端子的极性方面有小的折衷。

第一和第二消弧单元160、170可以是灭弧室，每个灭弧室都具有多个灭弧元件，例如扁平分压叶片或鳍片，这些灭弧元件彼此平行且以近距离布置，用于对在灭弧室中捕获的电弧的电压进行分压。如图1所示，第一和第二消弧单元160、170中的每一个可被布置成具有横向于相对运动方向T取向的平行分压叶片(splitting blade；分压栅片)。

此外，第一消弧单元160的分压叶片之一优选电连接到接触器100的端子106，以便保持相同的电势，如图7所示。接触端子106优选通过负载180连接到高电压电位V2。例如，可使用225V的高压电势V2和0.2Ω的负载，并且触头桥120保持在0V的电势V1。然而，这些仅仅是示例性的值，并且不应该被认为是对本发明的限制。类似地，第二消弧单元170的分压叶片之一电连接到接触器100的端子108。消弧单元160、170的下部分压叶片分别电连接到与相应端子106和108相同的电势，这允许防止在断开操作时在静触头和动触头102、112和104、114上产生的电弧放电由于定位在相应触头对102、112和104、114极近处而被第一和第二消弧单元160、170的分压叶片增强。

分压叶片从第一和第二消弧单元160、170到接触器端子106、108的电连接可通过导电元件实现，例如由导电材料制成的条164、174或导线。该导电元件164、174被设置用于将相应的分压叶片保持在与它们所连接的端子相同的电势，并且因此不同于在传统灭弧室中用于将电弧放电直接引导和传递到灭弧室的引弧板(guiding runner)。

在图1所示的开关装置100的配置中，灭弧系统为每个触头对提供一个吹弧磁性单元(即，与触头对102、112相关联的第一吹弧磁性单元140和与触头对104、114相关联的第二吹弧磁性单元150)，并且在触头组件102、104、112、114的左侧和右侧之间(即在相应的开关装置100的左侧和右侧之间)相对于跨经第一触头对102、112和第二触头对104、114之间的中间区域的对称平面(未示出)、沿相对运动方向T并在横向于纵向方向L的方向上，划分消弧单元160和170的布置。如图1所示，消弧单元160和170因此被布置成在纵向方向L上间隔开并位于电开关装置100的相对侧。

在替代配置中，磁吹效应可以通过使用单个吹弧磁性单元来实现，该单个吹弧磁性单元具有一些类似于参考图1所述的特征，但是其被设计和取向成产生磁场，该磁场作用在形成开关装置的触头组件的所有或至少两个触头对的间隙区域上。然后，可以使用同一的磁场为所有电弧柱产生期望的磁吹效应，现在将参照图3和图4对此进行解释。

图3和图4示出了根据另一实施例的用于开关装置200的灭弧系统的吹弧磁性单元210。上面参照图1和图2描述的开关装置100的端子106和108、静触头102和104、动触头1112和114以及导电桥120的结构、操作和相对定位与本实施例中的开关装置200相同，因此，这里将不再重复对开关装置200的这些特征的描述。

参考图3，吹弧磁性单元210包括：设置在第一触头对102、112的一侧上的第一永磁体212，该侧是由第一和第二触头对102、112和104、114形成的触头组件的横向侧(即，相对于触头组件102、112、104、114的前侧在左侧，如图3所示)；以及第二永磁体214，该第二永磁体214设置在纵向方向L上，与第一永磁体212径向相对，并且位于触头组件102、112、104和114的相对横向侧(即，相对于触头组件102、112、104、114的前侧在右侧，其与图3所示的Y轴线的正方向一致)。第一和第二永磁体212、214被定位在离开关装置机架(未示出)基本相同的距离处，并且以相反的极化彼此平行地取向，以便产生具有磁力线的磁场，该磁力线在触头对102、112和104、114之间的区域上延伸，并且因此至少在静触头和动触头102、112和104、114之间的间隙周围的区域中，基本沿着平行于纵向方向L并且横向于相对运动方向T的方向排布。第一和第二永磁体212、214的尺寸和磁场强度被选择为，使得在第一触头对102、112和第二触头对104、114的间隙区域上产生近似均匀的磁场。此外，第一和第二永磁体212、214的磁场强度也基于期望的电弧磁吹效应的强度和触头对102、112和104、114之间的距离来选择，并且因此基于开关装置200的具体应用和特性来选择。

类似于前述实施例，吹弧磁性单元210包括磁通框架230，第一和第二永磁体212和214安装在磁通框架230上，并且磁通框架230还用作将第一和第二永磁体212和214定位在接触器机架130上的支撑件。优选地，磁通框架230是具有中央平坦区域的U形板，该U形板被设计成沿着纵向方向L延伸，并且具有适于覆盖第一对静触头和动触头102和112以及第二对静触头和动触头104和114的长度，因此，将第一和第二永磁体212和214定位在触头组件102、112、104和114的每个横向侧上。磁通框架230还包括朝向触头组件102、112、104和114的前侧(即朝向图3中X轴线的正方向)延伸的左臂和右臂232、234，并且第一永磁体212和第二永磁体214以彼此平行的方向分别安装在左臂和右臂上，U形磁通框架230的左臂和右臂232和234具有适合于定位永磁体212和214的长度，永磁体212和214与第一对静触头和动触头102和112以及第二对静触头和动触头104和114的间隙区域对准。

如图4所示，第一和第二永磁体212和214被选择为具有相对极化，使得所产生的磁力线(B_mag)沿着触头组件102、112、104和114被布置的区域从第一永磁体212朝向第二永磁体214取向。由吹弧磁性单元210产生的磁场与由流过触头对的静触头和动触头的电流产生的磁场一起，产生电磁合力F，该总电磁力F基本上在远离每个触头对的间隙中心的方向上取向。电磁合力F作用在触头之间产生的电弧的电荷上，从而使电弧柱在电磁合力F的方向上延伸和变形。如上面参照图1和2的结构所解释的，合成的磁吹效应的指向(sense)，即电弧柱是偏向触头组件102、112、104和114的前侧还是后侧(如在图3的配置中)仍然与电弧放电电流的指向相关，并且因此取决于端子106和108的电极性(其对应于静触头102和104的电极性)。例如，在端子106和108被设置为分别连接到正电位和负电位的情况下，电弧电流的方向是向上跨经第一触头对102、112，向下跨经第二触头对104、114，如图4所示。

因此，吹弧磁性单元210的第一和第二永磁体212、214之间的相对极化可以被选择为，使得磁力线从第一永磁体212朝向第二永磁体214，跨经第一触头对的静触头和动触头102、112之间的间隙区域，以及跨经第二触头对的静触头和动触头104、114之间的间隙区域。结果，在对称相反的洛伦兹力的驱动下，在触头对102、112和104、114处产生的电弧柱将在相反的方向上延伸和偏离(即，磁吹)。

由吹弧磁性单元210磁吹的电弧柱可在与每个触头对相关联的相应消弧单元中被捕获和消灭，并且这些消弧单元与相应的触头对和端子极性相对应地定位，如将参照图5和图6所示的实施例所述的。

图5是示出根据一实施例的灭弧系统和开关装置200的透视图，其中灭弧系统包括吹弧磁性单元210。此外，灭弧系统包括多个消弧单元240和250，每个消弧单元对应于相关触头对102、112和104、114以及端子106和108中的相应一个。第一和第二消弧单元240和250靠近相应的触头对102、112和104、114定位，并且位于由吹弧磁性单元210在每个触头对102、112和104、114的间隙区域处产生的磁吹方向上，该磁吹方向又由相应端子106和108的电极性确定。

因此，对于端子106相对于端子108的极性为正并且第一和第二磁体212、214被磁极化以产生从第一磁体212朝向第二磁体214取向的磁力线的极性配置，如参考图3和4所解释的，消弧系统包括与静触头和动触头102的第一触头对相关联的第一消弧单元240，112，其位于触头组件102，104，112，114的前侧(即，在图6中所示的X轴线的正方向上)，并且对应于静触头和动触头102，112之间的间隙区域，以便接收和消除在断开操作时跨第一触头对102，112的间隙产生的电弧放电。电弧放电通过由吹弧磁性单元210产生的洛伦兹合力从触头间隙区域吹向第一消弧单元240。

此外，消弧系统包括与第二对静触头和动触头104、114相关联的第二消弧单元250，该第二消弧单元250与静触头和动触头104、114之间的间隙区域相对应地以及在断开操作期间跨第二触头对104、114的间隙区域产生的电弧电流的方向上定位。因此，由于作用在跨第二触头对104、114的电弧放电上的洛伦兹力方向相对于跨第一触头对102、112的间隙区域产生的洛伦兹力反向(电弧电流的方向由于第二端子108的相反极性而反向)，第二消弧单元250位于触头组件102、104、112、114和触头对104的后侧(即，在与布置了第一消弧单元240的一侧相对的一侧上)，用于接收在断开操作时跨第二触头对104，114的间隙区域产生的电弧放电，并且电弧放电被吹弧磁性单元210朝向触头组件102，104，112，114的后侧磁吹。

因此，本配置中的灭弧系统相对于一对称平面在触头组件102、104、112、114的前侧和后侧之间(即在对应的开关装置200的前侧和后侧之间)划分消弧单元240和250的布置，所述对称平面沿着相对运动方向T跨经两个触头对102、112和104、114，并且平行于电开关装置200的纵向方向L(在所示的结构中，其基本上与预定的磁场方向对准)。

结果，本实施例的灭弧系统允许提供具有增强的电弧放电抑制并且仍然具有紧凑尺寸的开关装置200，因为开关装置200的每个触头对(或端子)仅使用一个消弧单元，并且不必在静触头和相应端子之间保留额外的空间来容纳灭弧特征。本灭弧系统还可以有利地用于或容易地实施在现有的开关装置中，因为吹弧磁性单元210以及消弧单元240、250可以简单地容纳在各个触头对和端子周围的区域上，因此不需要改变开关装置的结构特征，例如增加端子之间和/或静触头和动触头之间的间距、触头桥的驱动机构等，以便将灭弧室容纳在触头对和/或端子之间的空间内。使用单个吹弧磁性单元210来偏转来自第一触头对102、112和第二触头对104、114的电弧放电还具有减少磁性部件的数量、组装步骤并因此减少总生产成本的优点。通过根据将影响在每个单独的触头对处产生的合成洛伦兹力的方向的相应开关装置端子的极性，提供与每个触头对相对应并定位在触头组件的相同前侧或后侧上的相应消弧单元，灭弧系统的这种配置也可以容易地在具有沿方向L纵向设置的多于两个端子的开关装置中实现。

类似于参照图1和图2描述的实施例，第一和第二消弧单元240、250可以是灭弧室，每个灭弧室具有多个灭弧元件242和252，例如分压叶片或翅片。图5示出了一种配置，其中第一和第二消弧单元240、250的分压叶片242、252被布置成彼此平行并且横向于相对运动方向T，该方向与每个触头对102、112和104、114的静触头和动触头之间的间隙的方向一致。此外，第一和第二消弧单元240、250的分压叶片242、252被设计成具有L形的平板，这允许将分压叶片布置成更靠近相应的触头对，并最小化距触头间隙的距离。例如，如图5和图6所示，第一消弧单元240的L形分压叶片242布置为，L形的较短边取向成朝向触头102、112之间的间隙突出，这允许减小电弧放电必须被吹弧磁性单元210偏离的距离。L形分压叶片242的较长边布置成沿着纵向方向L并朝向灭弧系统的中心延伸，这允许实现灭弧系统的紧凑性。结果，与诸如参照图1和图2描述的方形分压叶片相比，从间隙区域到消弧单元240的L形分压叶片242的距离可以减小，并且磁吹电弧放电在较早阶段被捕获。此外，L形设计允许电弧放电的大部分在L形的较长边上被消除，因此，仍然与静触头和动触头102、112保持安全距离。与为单个触头对设置并且使用类似强度永磁体的吹弧磁性单元(例如前述实施例的吹弧磁性单元140、150)中的磁体距离相比，分压叶片的L形设计和取向还允许补偿由于本实施例中吹弧磁性单元210的第一永磁体212和第二永磁体214之间的距离增加而导致的磁场强度的减小。类似地，第二消弧单元250的分压叶片252相对于第二触头对104、114取向，使得L形的较短边布置成非常接近并朝向静触头和动触头104、114之间的间隙区域突出。分压叶片252的较长边布置成沿着纵向方向L并朝向灭弧系统的中心延伸。类似于图1的实施例，第一和第二消弧单元240、250中的每一个均可具有一个分压叶片，该分压叶片分别经由导电元件(例如由导电材料等制成的条244、254)直接连接到接触器端子106和108，以便将相应的分压叶片保持在相应端子106和108的电势。例如，在图5的配置中，第一消弧单元240的最下面的叶片电连接到端子106(即，最靠近端子106的下侧的叶片)。类似地，第二消弧单元250的最下面的叶片电连接到端子108。如上所述，提供导电元件244、254的目的是将相应的灭弧元件保持在与它们电连接到的端子相同的电势，因此，不具有传统灭弧室中使用的引弧板的功能。

应当注意，上文参照图5至图7的实施例描述的分压叶片242和252的L形和取向也可以在参照图1和图2描述的灭弧系统的配置中实施。

此外，应当注意，上述实施例中描述的消弧单元的分压叶片的形状、尺寸和数量以及它们与相关触头对的距离可以根据电开关装置的具体特性(例如，静触头和动触头之间的分离间隙、操作电压等)而变化，因此，可以例如基于模拟分析和/或通过实验，针对电开关装置的具体设计和应用而有利地确定和优化。

总之，根据本发明原理的灭弧系统允许为开关装置提供增强的电弧放电抑制，并且仍然具有紧凑的尺寸，因为它们利用由开关装置端子的极性所施加的磁吹效应的方向性来将消弧单元的数量减少到每个触头对(或端子)一个。因此，不需要在静触头、触头对和/或相应的端子之间保留额外的空间来容纳灭弧特征。本发明的灭弧系统也可以有利地用于或容易地实施在现有的开关装置中，因为它们可以简单地容纳在相应的触头对和端子周围，并固定到现有开关装置的机架上，而不需要改变开关装置的结构特征，例如端子之间的间隔、静触头和动触头、触头桥的驱动机构等。此外，通过根据相应开关装置端子的极性和由吹弧磁性单元在每个单独的触头对处产生的合成洛伦兹力，提供与每个触头对相对应的并定位在触头组件的前侧或后侧的相应消弧单元，以上参照图3至图6描述的灭弧系统的配置可以容易地实施或适用于具有一个或两个以上沿方向L纵向设置的端子的开关装置。

尽管参考附图使用了诸如“前侧”、“后侧”、“左”、“右”、“上”和“下”的相对术语来描述上述示例性实施例的某些特征，但是这些术语应被理解为参考相应附图中描绘的坐标系来定义。除非说明书中另有说明，否则术语“前侧”、“右侧”和“上侧”用于描述相对于开关装置的其它特征分别位于坐标轴线X、Y和Z的正方向上的特征。尽管如此，应当理解，这些术语仅出于便于描述各个特征以及它们如何相对于彼此定位/取向的目的，并且不应当被解释为将所要求保护的发明或其任何组件限制于特定空间取向中的安装或使用。此外，在本公开的上下文中，诸如“沿着预定方向”的措辞应理解为描述与“预定方向”基本一致或平行的方向。此外，术语“取向”在磁通线的上下文中用来指沿着磁力线的磁通矢量的方向和指向(sense)。最后，尽管上面已经参照电开关装置，例如接触器和高压继电器，描述了本发明，但是本发明的原理也可以有利地应用于其他类型的开关装置，这些设备可以受益于对跨接触端子的开口的电弧放电的保护。

附图标记列表

100开关装置

102，104静触头

106，108电端子

112，114动触头

120触头桥

124触头桥支撑弹簧

130机架

140第一吹弧磁性单元

142、144第一和第二永磁体

146，156磁通框架

150第二吹弧磁性单元

152、154第一和第二永磁体

160、170第一和第二消弧单元

164，174电接触条

180负载

V2 V1电压电势

200开关装置

210吹弧磁性单元

212、214第一和第二永磁体

230磁通框架

232、234U形磁通框架的臂

240、250第一和第二消弧单元

242，252分压叶片

244，254电接触条

Claims (15)

1.一种灭弧系统，用于抑制跨电开关装置的至少一个触头对的电弧，每个触头对具有静触头和动触头，动触头能相对于静触头在闭合状态和断开状态之间移动，在闭合状态下，动触头接触静触头，在断开状态下，动触头在动触头和静触头之间的相对移动方向上与静触头间隔开一间隙，该灭弧系统包括：

至少一个消弧单元，其中针对所述至少一个触头对中的每一对提供一个消弧单元，以消除在相应触头对从闭合状态到断开状态的开关操作时产生的电弧放电；和

至少一个吹弧磁性单元，配置为产生磁场，所述磁场具有沿着相应的预定磁场方向跨经每个触头对的间隙区域的磁力线，

其中，所述至少一个吹弧磁性单元被配置成产生具有一取向的所述磁力线，以便将在相应触头对的间隙区域处产生的电弧放电朝向与所述触头对相关联的消弧单元磁吹，其中，该取向是基于相应触头对的静触头的优选电极性和相关联的消弧单元的定位而预定的。

2.根据权利要求1所述的灭弧系统，其中

所述至少一个触头对包括沿横向于相对运动方向的纵向方向彼此相邻设置的第一触头对和第二触头对；和

其中所述至少一个吹弧磁性单元包括一个吹弧磁性单元，该吹弧磁性单元被配置成产生具有沿着所述预定磁场方向的磁力线的所述磁场，并且该磁力线跨经第一和第二触头对的间隙区域，

该吹弧磁性单元适于相对于第一和第二触头对布置，使得预定磁场方向平行于纵向方向；和/或

其中所述至少一个消弧单元包括适于面向第一触头对定位的第一消弧单元和适于面向第二触头对定位的第二消弧单元，第一消弧单元定位在对称平面的一侧，该对称平面沿着相对运动的方向并且平行于所述纵向方向跨经第一和第二触头对。

3.根据权利要求1所述的灭弧系统，其中：

所述至少一个触头对包括沿横向于相对运动方向的纵向方向彼此相邻设置的第一触头对和第二触头对；

所述至少一个吹弧磁性单元包括：

第一吹弧磁性单元，被配置为在第一触头对的间隙区域内产生具有沿着第一预定磁场方向的磁力线的第一磁场，以及

第二吹弧磁性单元，被配置为在第二触头对的间隙区域内产生具有沿着第二预定磁场方向的磁力线的第二磁场，

其中第二吹弧磁性单元与第一吹弧磁性单元分离；和/或

其中，所述至少一个消弧单元包括适于面向第一触头对定位的第一消弧单元和适于面向第二触头对定位的第二消弧单元，第一消弧单元将定位在第一和第二触头对之间的对称平面的一侧，该对称平面沿着相对运动的方向并且横向于所述纵向方向。

4.根据权利要求2至3中任一项所述的灭弧系统，其中

第一和第二触头对的静触头具有相反的极性，并且

与第二触头对相关联的第二消弧单元位于对称平面的一侧，该侧与和第一触头对相关联的第一消弧单元所在的那侧相对。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的灭弧系统，其中

所述至少一个消弧单元中的每一个包括多个分压叶片，所述分压叶片彼此平行布置并适于对消弧单元两端的电弧放电的电压进行分压。

6.根据权利要求5所述的灭弧系统，其中

所述多个分压叶片是多个板，其具有L形并且被布置为这样的取向：L形的较短边朝向相关联的触头对的间隙区域突出，并且

多个分压叶片还横向于相对运动的方向布置。

7.根据权利要求5或6所述的灭弧系统，其中

至少一个消弧单元中的每一个包括电接触元件，该电接触元件适于在分压叶片和开关装置的端子之间形成直接电连接，相应触头对的静触头安装在该端子上；和/或

其中每个消弧单元面向相应触头对的间隙区域定位。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的灭弧系统，其中

至少一个吹弧磁性单元中的每一个包括第一永磁体和第二永磁体，

所述第一永磁体和第二永磁体被设置成前侧彼此面对，使得相关触头对的间隙区域内的磁通线沿着所述预定磁场方向从第一永磁体的前侧流向第二永磁体的前侧。

9.根据权利要求8所述的灭弧系统，其中

吹弧磁性单元还包括磁通框架，第一永磁体和第二永磁体安装在该磁通框架上，并且

该磁通框架被配置为针对从第二永磁体的后侧流入第一永磁体的后侧的磁力线提供磁通量路径。

10.根据权利要求9所述的灭弧系统，其中：

磁通框架是由中心板和分别从中心板的左侧和右侧延伸的两个延伸臂限定的具有U形的板；

所述中心板适于将磁通框架安装到开关装置的机架上；和

第一永磁体和第二永磁体分别设置在磁通框架的延伸臂上，并且与中心板相距一段距离，当磁通框架安装到开关装置的机架上时，该距离适于将第一永磁体和第二永磁体定位成与相应触头对的间隙区域对准。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的灭弧系统，其中

第一永磁体和第二永磁体的磁极化被选择为，使得所产生的磁力线在相应触头对的间隙区域内并且根据为相应静触头的优选电极性设置的取向而从第一永磁体朝向第二永磁体取向。

12.一种电开关装置，包括：

沿着电开关装置的纵向方向彼此相邻设置的第一触头对和第二触头对，

第一和第二触头对中的每一个包括静触头和动触头，动触头能相对于静触头在闭合状态和断开状态之间移动，在闭合状态下，动触头接触静触头，在断开状态下，动触头与静触头在动触头和静触头之间的相对移动方向上隔开一间隙；和

根据权利要求1至11中任一项所述的灭弧系统，

其中所述灭弧系统布置成与所述第一和第二触头对对准，使得所述至少一个吹弧磁性单元产生所述磁场，所述磁场具有沿着相应的预定磁场方向跨经每个触头对的间隙区域的磁力线，并且

每个消弧单元面向各自的触头对定位。

13.根据权利要求12所述的电开关装置，进一步包括

分别连接到第一触头对和第二触头对的静触头的第一端子和第二端子，

其中第一和第二端子适于根据开关装置操作的优选极性将开关装置电连接到外部电势或负载电路。

14.根据权利要求12或13所述的电开关装置，其中

开关装置是接触器或高压继电器。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的电开关装置，其中

电开关装置和灭弧系统不具有用于直接将跨经第一和第二触头对的电弧放电引向相关消弧单元的引弧板。