CN1290949A - 电磁断路器 - Google Patents

Abstract

本发明描述一种电磁断路器,它特别适用于故障电流保护开关。该断路器有一个活动铁心,由弹簧在释放方向给加载,还有一个线圈和一个磁轭,当线圈通电或释放时,在磁轭中产生一个与永磁体装置产生的磁通相反的磁通,因此弹簧力克服了永磁体装置的吸力。永磁体装置和将磁通传给活动铁心的极靴与磁轭及活动铁心的关系是这样的,在第一个位置,活动铁心处在永磁体装置和极靴的有效范围内,而在第二个位置,活动铁心至少局部地处在极靴的有效范围之内。

Description

电磁断路器

本发明涉及一种保护性电磁断路器，特别是依照权利要求1前序部分的一种故障电流保护开关用的电磁断路器。

对于与线路电压无关的一类故障电流保护装置，大家知道有一种根据磁路补偿原理工作的断路器。其中包含一个U形磁轭，磁轭的一个支柱上绕着一个绕圈；在磁轭上有一个永磁体，磁轭的两个支柱被一个衔铁遮盖着，衔铁被弹簧推向断开或释放位置。永磁体的作用是使处在静止状态下的衔铁吸向磁轭支柱的自由端如果出现故障电流，则它产生的磁通与永磁体产生的磁通方向相反，因而弹簧克服吸力，将铰接的衔铁转到开启位置。

除了这种吸持式磁铁断路器之外，还有一种组合式磁铁断路器，但用得极少。

线圈绕组连到一个累积电流变压器的次级绕组上，变压器的初级绕组则是由相导线构成的；一旦出现故障电流，它就被以一种我们都知道的方式加到断路器的线圈上，使断路器作出反应。

倘若在衔铁支承面和磁极表面之间有一个粘接层，则将衔铁推向开断位置的弹簧的附加力有时不足以分开衔铁和磁极面之间的接触，在这种情况下断路器就会失效。

由于有磁极面和空气隙，对一些参量的要求极其严格，为了达到适当的磁粘力需要将磁极表面抛光，因此用加保护层这种一些防止粘接的方法无法采用。另外，装置的几何形状使得进行自动化生产非常之困难；单个零件的加工精度必须非常高并经过检验，同时装配要花费大量人工在净化间的条件下进行。

但是，由于粘接有时是不可避免的，一般都建议用户每月操作一次检测开关，以检验断路器是否有效。按一下检测开关相当于一个故障电流，因此断路器起作用，将故障电流开关打开。

由于常常不对故障电流保护开关进行定期检测(特别是对于国内的家电)，因此应考虑在出现故障电流时能避免铰接衔铁粘接的可能性。

为此曾建议进行带自动开断的自动检测，但这并不是一个好方法，因为保护开关自动断开时将切断电流，这是很不希望产生的事，而且还会带来许多问题，这里就不专门讨论了。

此外，还有一些以附加断路器形式加在断路器上的附加装置，它们可以是压电元件或电磁断路器等。

然而，这类附加元件和附加断路器将使故障电流保护开关的生产成本增加。

为此，本发明的目的是提供一种前面说过的电磁断路器，它能最大限度地防止粘接，因此能很容易地用于甚至故障电流保护开关中将开关机构分开。特别是，预计这类电磁断路器的零件较少，结构较简单，因而更适合于自动化生产，且制造时间和成本可以降低。

根据本发明，这个目的可通过权利要求1的特征来实现。

按照本发明，至少一个永磁体和至少一个极靴是按一定的方式与磁轭和断路器活动铁心相配的，使在第一种位置下活动铁心处在永磁体和极靴的有效范围内，而在另一种位置下只处于极靴的有效范围内，因此在第一种位置下从线圈和永磁体发出的磁通(至少是从永磁体发出的一部分磁通)都通过活动铁心，而在第二种位置下由永磁体发出的磁通流过活动铁心、永磁体和磁轭，所以在第二种位置下能保持永磁体的工作点稳定不变。

对本发明的一个改进是把磁轭做成两个彼此平行的部分，它们又与活动铁心的轴线垂直；活动铁心伸到一段磁轭(第一磁轭段)处，形成一个空气隙，其宽度在活动铁心整个运动过程中保持不变。

这意味着避免了在活动铁心上的力产生变化。

对本发明所作的进一步改进可使在第一种位置下活动铁心靠在第二磁轭段的内面。考虑到断路器的结构，其释放力是足够大的，因此将导致致断路器失效的活动铁心被粘接到第二磁轭段的情况可以避免。

为了更好地消除被粘接的可能性，可以在活动铁心对着第二磁轭段的工作面上涂上一层抗粘接层，例如采用尽可能有效的抗腐蚀材料，象镍或镍金属。

最好是活动铁心上做出一个凸肩，然后将弹簧装在极靴和这个凸肩之间。

在对本发明所作的一个特别有用的改进中，磁轭有一个槽，并按以下方法将环形线圈、做成环形永磁体的永磁体装置、环形极靴，做成螺旋弹簧的弹簧和活动铁心装进槽内。活动铁心外面是永磁体和极靴及弹簧，槽用一个盖封起来，活动铁心可伸出盖子以形成释放状态；在这种情况下，盖子即当作第一磁轭段，而槽的底部构成第二磁轭段。

这就大大简化了断路器的制造。可以预先把永磁体装置、极靴、线圈骨架和线圈做好，然后简单地把它们插进槽中。

此外，根据本发明所作的设计还具有一个优点：

根据权利要求14所述的特征，当断路器(此时用作故障电流断路器)到达其释放位置时，如活动铁心的端部处在极靴区域，则在任何可能的位置下永磁体的工作点都几乎保持不变，因为在任何位置下都能保证磁通通过永磁体、极靴、活动铁心，和磁轭。

按照权利要求16对本发明动作的另一个有用的改进是，在线圈的释放位置，可以产生一个流过永磁体的磁通，因此可以用线圈发出的脉冲对永磁体进行充磁。这样一来，就不需要在装入永磁体之前使它磁化，或者在外面用一个特制的复杂装置对它充磁，而只需在永磁体装进断路器后再充磁。

本发明一些实施例在后面的附图中作了说明，我们将参照附图对本发明及其进一步的改进和其它优点作详细的解析和描述。这些图中：

图1是本发明的电磁断路器处于第一种吸持位置的剖面图；

图2是图1的断路器处在第二种位置；

图3是一种与图1相似的断路器处在第二种位置；

图4至6是另一断路器实例的剖面图；

图7至9是与图4至6相对应的另一种断路器；

图10和11是说明图1至9的电磁断路器动作的示意图；

图12是用来制造线圈骨架的模子的剖面图；

图13是断路器插入磁轭之前的剖面图；

图14是断路器的局部剖面图。

现在来看图1至3的示意图。

图1的电磁断路器有一个磁轭10，它有一个盒状槽11，用盖12封闭着。在槽11内部贴近内壁有一个环形线圈13，线圈内有一个塑料套筒14，一块永磁体15和一个极靴16。永磁体15也是环形的；它直接座落在槽11的底部17。永磁体15与极靴16贴近且与极靴相接触，极靴分为内径不同的两段18和19。套筒14使永磁体15和极靴16靠紧底部17。永磁体15和环形极靴16里面是一个活动铁心20，该铁心的一个端面靠在槽底17的内表面，另一端则从孔21穿到盖12外面。活动铁心20有一个环状凸肩22，在环状凸肩22和极靴16之间有一个螺旋压簧23。极靴16一段19的内径应选得使段19的内表面和活动铁心的外表面之间有一个空气隙24。同样，在孔21的内表面和活动铁心20外表面之间有另一个空气隙25。因此永磁体15的内径与极靴16一段18的内径相同。

在这种装置中，永磁体15产生的磁通其主要部分26根据南北极的取向不同而从永磁体15进入极靴16，并经过空气隙24进入活动铁心20，再进入磁轭和磁轭的底部17，然后返回永磁体。在活动铁心20和磁轭底部之间有一个很小的工作气隙27。

在这种状态下，活动铁心20受永磁体15的磁通26的作用而吸向槽11的底部17。

这时如有电流通过线圈13，将产生磁通28，它从槽底17进入活动铁心，并通过活动铁心20进入盖12，然后通过槽底的侧壁29再回到槽底17，也就是说在极化适当时，磁通28与活动铁心20的永磁通26方向相反。这样一来，就抵消了永磁体15产生的磁通26，因此压缩弹簧23使活动铁心沿箭头部的方向运动，直至凸肩22靠在盖12的内表面上。原来靠在槽底17的活动铁心端面就从槽底离开，且大致停在永磁体15的区域；因而工作气隙17就变得足够大，以致永磁体15不再能让活动铁心返回到槽的底部。

也可以这样来说设计活动铁心20的尺寸或其行程，使活动铁心的内端到凸台30为止，这时段18和段19在凸台处合在一起(见图3)。

图5是一个环状矩形磁轭50，它有两个彼此平行的纵向连接板51和52，并在一端通过横板53连在一起，而在纵向连接板51的另一端装了一个支柱54，在纵向连接板52的另一端装了一个支柱55，这两个支柱沿垂直于纵向连接板51和52的方向彼此相对地伸展，并在隔开一定距离处终止。在纵向连接板51和52是内有一个线圈56，其轴线与纵向连接板51和52平行。在线圈56内部，有两个永磁体57和58，分别与线圈贴近并靠在模板53的内面，磁体截面为矩形，其宽度与横板53的宽度相同。这两个磁体57和58由极靴59和60相连，极靴59和60与前面的极靴16相似，分别有两段61和62及63和64，且相对永磁体57，58而言段61和62离磁轭53远一些。沿横板53方向测量的段63和64的厚度比段61和62的厚度要小，而与永磁体57，58的厚度相同。

在永磁体57，58和极靴59，60之间有一个矩形活动铁心65，其宽度与磁轭50的宽度相同；活动铁心的矩形形状是这样选定的，使得段61和62之间分别形成一个空气隙，其大小约与前面的气隙27相同。活动铁心65伸到支柱54和55之外，在柱54和55的端面分别与活动铁心形成一个气隙，与前面的气隙25相似。活动铁心65沿模板53的方向延伸出两个凸块66，67，且在极靴59和60之间安装了一个压簧68，它给活动铁心沿箭头P的方向即朝磁轭50外面加上一个持久的负载。

其工作原理与图1至3相同：永磁体57和58产生的磁通(图中未表示)经过极靴59，60和活动铁心65，一直到模板53；若给线圈56通电，则根据电流的方向不同而在活动铁心中产生一个与永磁体57，58产生的磁通反向的磁通，这使得永磁体在活动铁心上产生的吸力降低，从而克服压缩弹簧的力，迫使活动铁心65沿箭头P的方向伸出磁轭之外，直至凸块66和67紧靠在支柱54和55的内表面。

图7至9提供了一种类似的实施例；但这里的磁轭80不是基本上封闭的，而是有一个纵向连接板81，在板的两端各有一个支柱82，83。纵向连接板81被线圈84所包围；线圈84与永磁体85相连，后者又与极靴86相接，板靴86的形状与上面的极靴59相同。还有一个与衔铁65相当的衔铁或活动铁心87，其一端被支柱82盖住，另一端则伸出支柱83。在活动铁心87上装有一个凸块88，指向线圈84一方。在极靴86的凸决88之间有一个压缩弹簧89，其作用与上面的压缩弹簧68或23相同。在这种场合下可以采用不同类型的弹簧，例为螺旋弹簧。

图7至9的装置的工作原理与图4至6相似；所不同的是，这里采用的是U形磁轭，而不是象图7至9那样的封闭形磁轭。

图10和11是另一种工作原理的示例。磁轭100具有一个第一磁轭连接板101，外面包着一个线圈102。该磁轭100为8字形，还包括另一个模板103，板中装有一个永磁体104。8字形的中间连接板105有一个工作气隙106。在图10的装置中，从绕圈101发出的磁通107在工作气隙106的范围与永磁体104发出的磁通108相抵消，因而装在中间连接板105内的活动铁心可被一个适当的弹簧装置推动。图10所示的原理性基本结构可在图1至9结构的一种设计方案中实施，其中图3的结构特别可取。一方面这种电磁断路器非常简单，只要把槽做好，将线圈放进槽中，再按顺序将永磁体和极靴以及套筒装入线圈内，使得永磁体处在槽底和极靴之间。然后穿过极靴插入活动铁心，它在静态下就被吸向槽底。

为图3和图11所示，图3的装置中从线圈发出的磁通28流经活动铁心20，极靴19，永磁体15而进入槽底17，并从槽17的侧壁流过盖12，最后从盖流进活动铁心20。这意味着，线圈所产生的磁通28实际上全都流过永磁体15，因为相对长度L而言，距离D选得使活动铁心20和槽底17间的磁通被一个高磁阻所反向。实质上，在这种场合下，D应该总是大于L。这样一来，永磁体15可以被线圈13发出的磁通18充磁至其工作点，同时由于从永磁体15发出的磁通总是流过它，这也就意味着永磁体的工作点只有不大的变化，即工作点基本上保持稳定。以图3为基础的装置对图2也适用，仍能维持永磁体15的作用。

图11是该装置的示意图：由于工作气隙106A内的磁阻高，线圈发出的磁通107全部或几乎全部流过永磁体104，因而永磁体可由磁通107(或28)充磁，且其工作点也保持稳定。

上述断路器特别适于作故障电流保护开关的断路器，其突出优点是能防止活动铁心20的端面粘到槽的底部17上。与普通吸持式磁铁或组合式磁铁断路器(其中相互接触的零件必须做得十分精确)相比，它的工作气隙大小要求不严格；而且活动铁心与槽底17相靠的自由端面上还可涂一层抗粘接剂。这使得按本发明设计的磁断路器能可靠地避免故障电流保护开关可能发生的误动作。抗粘接层可以采用一层抗腐蚀材料，例如镍或镍合金。

应该补充说明，也可以采用已预选充好磁的永磁体，使得本发明的装置中永磁体的工作点能基本保持不变，而不管活动铁心是处于什么位置。另外还有一个优点，就是永磁体可以在安装好后充磁，即对图2的实施例进行局部充磁，使得永磁体的磁化越来越强，因为它的磁阻变得越来越小。

现在来看图12。

为了制造断路器的内部元件，可以利用图12的槽形模子120，它包围着一个内部空间121，其底部122处在图右边的一端。模子的自由端123可用盖124封闭起来，在它对着内部空间121的一面模压一根心轴125，一直伸到离底部122一个短距离的地方为止。心轴125是有直径不同的两段126和127；靠盖124一段126的直径比另一段127的直径大些；段126的直径和环形永磁体15的内径相同(见图1或2)。从段126至段127的过渡是台阶形的，与极靴16的内部轮廓相匹配(见图1)，因此极靴16的段19与心轴125的段127的外径相配。心轴125上的台阶与极靴16的段19上的台阶相当。在极靴16与底部122之间安装一个中间套筒128，其两端分别紧靠在底部122和极靴16上，以保证盖124和永磁体15之间或永磁体15和极靴16之间不留间隙，线圈骨架的材料会通过这一间隙向内挤入。永磁体15的外表面有一个环形槽129。在底部122和盖124两个区域，内部空间121的内壁加宽了。在底部122的区域，内部窨121有一个展宽段130，在盖的区域则有一个相应段131。

在模子装配好后，如加上中间套筒128，把心轴125装到盖124上，并将内部空间121用适当的固化材料浇注，内部空间121就构成了线圈骨架。由于线圈骨架132的材料填到永磁体上的环形槽129内，保证了在脱模过程中永磁体15不会掉出来，而是牢固地保持在线圈骨架132内。因此极靴16也牢固地保持在永磁体15和线圈骨架之间。

图13画出了带法兰连接板133和134的绕圈骨架132，永磁体15和极靴16。图中把中间套筒128去掉了，以便在极靴和线圈骨架132的右端之间留出安装弹簧23的空间。在线圈骨架132上装有法兰连接板130。

线圈135绕在线圈骨架132上。因此就构成了一个由线圈骨架，永磁体15，极靴16和线圈135组成的组件，并可将其插入槽形磁轭11中。弹簧23装在带法兰133的线圈骨架132的两端面之间的空间内，然后把带凸肩22的活动铁心20插入弹簧23和极靴16以及永磁体15中。最后用活动铁心20从中穿出的盖12将槽11封起来，整个断路器就装好了。

Claims (16)

1．电磁断路器，特别是用于故障电流保护开关，具有一个活动铁心，它被一个弹簧在释放方向加载，一个永磁体装置，一个线圈和一个磁轭，当断路器释放时线圈在磁轭中产生的磁通与永磁体装置产生的磁通方向相反，因此弹簧可以克服永磁体装置的吸力，其特征在于，永磁体装置(15，57，85)和至少一个将磁通导入活动铁心(20，65，87)的极靴(16，59，86)与磁轭(11，12；51，80)和活动铁心(20，65，87)处于这样一种关系，当在第一种位置中，活动铁心(20，65，87)处在永磁体装置(20，65，87)和极靴(16，59，86)的有效范围内，而在第二种位置中，活动铁心至少部分地处在极靴(16，59，86)的有效范围内，所以，在第一种位置中，线圈(13，56，84)的磁通和永磁体装置(15，57，85)的磁通至少是永磁体装置磁通的一部分-都流过活动铁心(20，65，87)，而在第二种位置中，永磁体装置(15，57，85)产生的磁通流过磁轭(11，12；51，80)，活动铁心(20，65，87)和永磁体装置(15，57，85)。

2．如权利要求1的断路器，其特征在于，磁轭具有彼此平行的两部分，活动铁心的轴线与它们相垂直，同时活动铁心接近磁轭的一部分(第一磁轭段)形成一个气隙，其宽度在活动铁心整个活动范围内维持不变。

3．如权利要求2的断路器，其特征在于，活动铁心在它的第一位置中靠在磁轭另一段(第二段)的内表面上。

4．如权利要求3的断路器，其特征在于，在活动铁心对着磁轭第二段的端面上涂有一层抗粘接层。

5．如权利要求4的断路器，其特征在于，该层由尽可能好的抗腐蚀材料做成，最好是镍或镍合金。

6．如上述任一权利要求的断路器，其特征在于，活动铁心有一个凸肩(22；66，67；88)，且弹簧(23，68，89)装在极靴(16，59，86)和凸肩(22；66，67；88)之间。

7．如上述任一权利要求的断路器，其特征在于，磁轭(50)是一个闭合环，环内有一个线圈(56)，线圈(56)内有活动铁心(65)、永磁体装置(57)和至少一个极靴(59)；同时永磁体装置(57)靠在第二磁轭段的内表面；至少有一个极靴(59，60)是和永磁体装置(57)同轴安装的；活动铁心(65)在静态下处于永磁体装置(57)和极靴(59，60)之间；活动铁心(65)穿过面对第一磁轭段安装的支柱(54，55)。

8．如上述任一权利要求的断路器，其特征在于，磁轭(80)至少有一个是U字形，线圈(84)围绕着一块连接板(81)，形成第一磁轭段的支柱(82)遮盖着活动铁心(87)的端面。

9．如权利要求8的断路器，其特征在于，还有中另一块磁轭与U字形磁轭构成一体，因而支柱构成彼此平行的两个磁轭连接板，永磁体装置和活动铁心靠在一个磁轭板上，且活动铁心穿过另一个磁轭板。

10．如权利要求1至6的断路器，其特征在于，磁轭(10)有一个槽(11)，可以把环形线圈(13)，设计成环形永磁体的永磁装置(15)，环形极靴(16)，设计成螺旋弹簧的弹簧(23)，以及活动铁心(20)按一定方式装进槽中，使活动铁心(20)被永磁体(15)和极靴(16)以及弹簧(23)所包围，槽(11)通过盖(12)来封闭，活动铁心(20)穿过这个盖子，这样构成的电磁断路装置的盖子就是第一磁轭段，槽的底部就是第二磁轭段。

11．如权利要求6的断路器，其特征在于，永磁体(15)和极靴(16)被一个绝缘材料套筒(14)压至槽的内底部上。

12．如上述任一权利要求的断路器，其特征在于，极靴和永磁体被铸成一个圆柱体并构成一个线圈骨架，因此，由线圈，线圈骨架，极靴，和永磁体一起构成一个预先安装好的部件。

13．如权利要求12的断路器，其特征在于，永磁体至少有一个环形的凸肩或槽，永磁体就通过它连到线圈骨架上。

14．如上述任一权利要求所述的断路器，其特征在于，活动铁心离开第一磁轭连接板的距离至多使它的内端基本上处在极靴的区域，因而能保证磁通穿过极靴、流动铁心和磁轭。

15．如权利要求14的断路器，其特征在于，当活动铁心被推动时，它的端面离磁轭连接板的距离大于永磁体装置的轴向长度。

16．如权利要求14和15的断路器，其特征在于，在释放位置，活动铁心基本上完全处在极靴区域，永磁体装置可由通过线圈的电流脉冲来充磁。

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