CN1319864A - 包括真空腔和柔性连接器的电气开关装置 - Google Patents

Abstract

开关装置包括一真空腔10,其的一触点24牢固地连接在从真空腔凸出的金属导棒32上。一被设计用来电连接导棒32到总线上的柔性金属电连接器50在其的末端之一,被提供有一个供导棒32的一个末端36插入的钻孔。在柔性电连接器50和导棒32之间的连接通过铜焊72实现,铜焊72充满具有低熔化温度的金属填充物,从而在进行铜焊操作时不会损坏真空腔10。

Description

包括真空腔和柔性连接器的电气开关装置

本发明涉及一种包括可移动导棒和位于可移动导棒和固定的电连接带之间的柔性连接器的电气开关装置。

文献EP0,058,519中公开了一种电气开关装置，它的可移动触点元件包括一个可以沿它的轴平移的圆柱形导棒。这个导棒通过一柔性连接器连接到外部连接带上，其中的柔性连接器由许多金属带构成。每个金属带都具有一个环形开口，被提供有从金属带平面朝向开口的中心凸出的凸缘。为了在这个导棒上安装柔性连接器，将这个导棒插入到金属带的开口中，于是这个连接器被夹在两个夹板之间。将这些板彼此栓住。当这些螺栓被拧紧时，这些板就会压迫位于开口位置的柔性连接器的金属带，使与导棒接触的凸缘变形和扭曲。

这种类型的连接需要相当长的组装时间。另外，在开关装置打开和关闭发生时，需要用导棒来移动笨重的机械部件。这导致开启和关闭能量增高，并在同样具有高能的行程的末尾的产生电击。于是，整个开关装置的开启和关闭机构不得不尺寸定为能够供应这样的开启和关闭能量，并使其能够承受相应的电击能量。另外，当一个额定电流通过腔(cartridge)时，导棒的温度升高到高达100°左右，并且在柔性连接器处更高。在这种温度下，此时用螺栓固定似乎不是一可靠的方法。

在美国专利5,530,216中已经提出了一种不依靠夹板，而直接将由一组金属条构成的柔性连接器固定到真空腔(vacuum cartridge)导棒上的技术。金属带包括两个刚性末端和一个柔性的中段。末端之一包括一个开口，该开口具有从开口平面凸出的凸缘。一旦这个导棒被插入到开口中，用一个环形工具提供的压力压迫这个凸缘，从而使这个凸缘在这个导棒上形成强制安装(forcible adjustment)。一旦这个工具被移走，这个导棒和柔性连接器被彼此固定地连在一起。当进行组装时，这种固定程序在导棒上施加较大的机械压力。然而，真空腔的可移动的组件很脆弱，它的平移轴外侧绝对无法经受压力。因此，当固定这个连接器时必须十分谨慎，以避免损坏真空腔。再者，应该强调的是，确保电流在导棒和可移动导体之间流动的强制安装区域，具有很高的电阻，在额定电流流过时，遭受温度增高，由于在一方面构成导棒的材料，和另一方面构成一组金属带的材料的膨胀系数不同，这有可能导致不同元件出现不同的膨胀。除了这个膨胀效应，在温度的影响下，材料有弯曲的趋势，尤其是在强制安装区域更是如此。另外，在接合处的任一局部可能开始出现的减损，随着时间的推移会越发严重，是由于它增加局部电阻这一事实，会引起温度增高。因此固定的可靠性降低。

在EP0,932,173中公开了一种用于高压自动熄火膨胀断路器的可移动触点部分。这部分包括一个圆柱形导电管，其的一个轴向末端装有触点，它的另一个轴向末端铜焊到模铸的铜制的第二导电元件上。第二导电元件配置有一个基座部分，上面有槽口，使得导电带的一侧末端能够焊接，导电带的另一端被焊接到电接线柱上。这样的结构很难转置到包含真空腔的电器开关装置。实际上，将导电带焊接到金属元件上是一个非常精细的工作，该金属元件牢固地连接在真空腔的导棒上，因为输入的热能容易损坏真空腔的铜焊。另外，由于笨重的第二导电元件使获得的可移动触点部分很重。最后，组装相当复杂。

因此，本发明的目的是改善现有技术状态中的缺点，并提供一种在开关装置的可移动导棒和柔性电连接器之间的接合带，它呈现极佳的导电性，并且轻巧、经久耐用，制造简单。

根据本发明，这个问题是通过一种设计用来电连接到总线(busbar)的电器开关装置来解决的，它包括：

一真空腔，它包括一形成机壳的主体，该壳体容纳一对可分离的触点，所述触点之一牢固地附着在可平移的金属导棒上，导棒的一部分从真空腔的机壳中凸出；

一个设计用来将导棒电连接到总线上的柔性金属电连接器，该柔性连接器由一组金属叶片构成，并包括形成一钻孔的第一刚性末端部分，导棒的凸出部分插入到该钻孔内。

其中：

在所述第一刚性末端部分的位置，通过焊接将这些金属叶片相互组装，从而在这个位置形成一个整体的组件；

通过在导棒的凸出部分和第一刚性末端部分之间的铜焊，使柔性电连接器固定到导棒的凸出部分上。

铜焊在杆和柔性连接器之间达到一种冶金连接。该金属填料混合物具有固定的熔点，其取决于构成所述混合物的化学元素，它低于其能焊接的金属部件的熔点。实际上，当执行组装时，将要焊接的部件，即，导棒和柔性连接器，不需要通过熔化而参与构成接合点。由许多金属叶片通过在所述第一刚性末端部分位置焊接而相互组装，从而在这个位置形成一个整体组件而形成的柔性连接器，保证了组件的良好的机械强度，同时在低成本的情况下达到极大的柔韧性。

到目前为止，这种固定方式还没有被考虑，无疑是由于在处理过程中它包括一个加热步骤，这使人感觉它存在一个缺点。实际上是真空腔确实自身包含的铜焊和材料对高温敏感。因此，不得不避免在将导棒铜焊到柔性连接器上所需的加热步骤对真空腔的损害。这就是为什么挑选那些熔点不太高的金属填料成分，即，在本发明的上下文中，这个熔点是低于易损坏真空腔的温度。特别是，如果该真空腔包括一个焊接到导棒上的密封膜盒(bellows)，将会挑选那个具有的熔化温度低于通常用于将密封膜盒铜焊导棒上的温度的铜焊，用于固定柔性电连接器到导棒上的铜焊。

当铜焊该连接器时，为避免对真空腔的任何损害，铜焊的熔点必须低于900℃，而优选地低于700℃。然而，对低熔化温度的铜焊的挑选必须不至于造成铜焊接点的导电性的破坏，同样也不能损坏该接合点的机械强度。优选的是，金属填料成分是银成分为主的，其比例超过30％，锡的含量比例少于10％。更优选的是，银的比例大于50％而锡的含量比例小于6％将更好。银使得铜焊具有极佳的导电性。而锡这一部分使铜焊温度降低，但具有使铜焊容易变形(软焊料)的缺点，这是不想要的。这就是为什么必须保持锡的比例很低的原因。优选的是，可以使用银-铜-锌-锡四种混合物。根据一个实施例，它的混合物是四种，包含56％的银，22％的铜，17％的锌和5％的锡，具有的熔点大约是650℃。铜焊中不包含任何镉，尽管已知这种成分具有降低铜焊温度的公知的特性，但它对环境有潜在的破坏。

所获得的冶金连接提供了极佳的导电性。它不增加可移动组件的重量，从而在开启和关闭移动(travel)的结尾将损耗的动能保持相对较低。一旦执行铜焊时，接合点对于大约100℃的温度不会敏感，这是在电流通过时经受的温度，所以它不会因为温度的影响而发生即时损坏。

优选地是，这个杆的凸出部分包括一个主轴，通过一个肩台限定在真空腔一边，一部分形成接合界面的填料混合物其轴向夹在肩台和钻孔的轴向边缘之间，以及另一部分填料混合物，在钻孔和主轴之间形成径向接合界面。从而获得一个具有极佳的机械强度的接合点。主轴构成导棒的自由端，因此组装操作特别简单。所有必须做的只是：在执行铜焊操作之前，在主轴上安装一铜垫圈，随后配装连接器钻孔。

优选地是，这个主轴为环形的截面，钻孔也是一样，以便在钻孔和主轴之间的径向交界连接呈圆柱形，这使得相对于主轴的连接器的径向定位约束被克服。

根据一实施例，焊接使用电子轰击焊接或电子散射焊接，没有任何填充金属。

优选地是，柔性连接器包括形成连接带的第二刚性末端部分，该连接带配置有用于连接到总线的元件，这个柔性部分位于第一和第二刚性末端部分之间。则该柔性连接器执行柔性连接和用于总线的连接带的双重功能。有或没有内螺纹的钻孔，可被提供用来固定到总线。

在这种情况下，特别优选的是使柔性连接器由一组金属叶片构成，通过在所述第一和第二刚性末端部分的位置焊接而将叶片相互组装，该金属叶片在连接器的柔性部分保持彼此独立。

从下面对本发明的特定实施例的描述中，其它优点和特征将会变得更加明显，给出的实施例仅是非限制性的示例，并参照附图进行描绘：

图1示出根据本发明的装置的透视图，包括一配装在支撑框架上的真空腔；

图2示出图1的装置的轴向剖面图；

图3示出能够在真空腔和连接带之间实现电连接的柔性电连接器。

图4示出在该装置组装之前各零件的分解图；

图5概略示出了在真空腔的导棒和柔性电连接器之间获得接合点的铜焊操作。

参考图1和2，开关装置包括一由框架12支撑、并由传统型的机构13驱动的真空腔10。两个连接带14和16固定在框架12上，设计用来电连接该装置到总线上(未示出)。

这里所用的描述为真空腔的是一个已知类型的组件，它包括一个形成机壳(enclosure)18的主体17，机壳18中是相对真空，并在其中容纳有一对可分离的触点22、24。主体17本身分为由绝缘材料构成的中间绝缘部分19，形成第一闭合凸缘的第一金属末端部分20，以及形成第二闭合凸缘的第二金属末端部分21。触点之一是铜焊到导电圆柱体26末端的垫圈22，并与这个圆柱体形成一个固定的触点元件28。圆柱体26穿过第二凸缘21并被焊接到后者之上。圆柱体26还焊接到刚性金属线圈29上，而线圈29自身焊接到连接带14上。由此，通过线圈29，在固定的触点元件28和连接带14之间形成电连接。线圈29设计用来感应在触点22、24的分离区的磁场，有利于中断在发生将触点分离时产生在触点之间的电弧。螺钉起到将线圈29固定到框架12上的作用，并因此在圆柱体26和框架12之间刚性连接，而圆柱体26自身牢固地固定在真空腔的主体17上。另外，并如下面将要详细解释的那样，第一凸缘20通过固定于框架12内的槽130内的定位卡圈100相对框架12定位并固定。

触点24是铜焊到可移动触点元件30的末端的垫圈，该触点元件30的主体由金属导棒32构成，在这个例子中，是一个穿过第一凸缘20的孔的铜棒。这个导棒32由一小直径部分36从机壳内伸出，在图5中能看得更清楚，由此限定了中间的肩台38。在这个导棒的末端配置有轴向的螺纹孔39。铜焊到导棒32和第一末端部分内壁的密封膜盒，允许可移动触点元件30相对于固定触点元件28做轴向平移，同时在机壳18内保持真空。

导棒32通过绝缘臂42连接到具有两个平行臂81、82的杠杆80上。绝缘臂42包括一个主体，该主体由一方面模压到第一螺杆44头部，另一方面模压到第二螺杆45的头部的塑料材料43构成，螺杆45位于第一导棒的轴向延伸部分。第一螺杆44拧紧到位于真空腔的导棒32末端的螺纹盲孔39内。一个管状的调整螺母46拧紧到第二螺杆45上。在一端，螺母支撑一用于触点压力弹簧48的末端的支座47。该弹簧的另一端承载在第二支座49上，第二支座49放在杠83上。杠83包括形成导向护罩的钻孔84，通过该钻孔84保护管状螺母46。杠83围绕横轴85自由旋转，而横轴85由杠杆80的两个臂81、82支撑。导向护罩84允许螺母46平行于它的轴直线运动，也允许螺母46自由旋转。螺母46包括置于杠83之上、与第二支座49相对的肩台。杠杆80的两个臂81、82围绕由框架12支撑的轴86旋转，并且在它们的自由端通过闭合和开启结构(未示出)可以共同驱动，这个机构被设计用来驱动可移动触点元件30在与固定触点元件28接触位置和分离位置之间移动。当开启时，杠杆80围绕图2中的轴86逆时针旋转，直接驱动杠83、螺母46、臂42和可移动触点元件30。当闭合时，杠杆80围绕轴86顺时针旋转，驱动杠83，杠83则通过支座49压迫弹簧48。然后，由弹簧48通过传动系统传递这个闭合力到可移动触点30上，传动系统包括支座47、螺母46和绝缘臂42。

在图3中概略显示的，将导棒32电连接到总线是通过柔性电连接器50执行的，连接器的一侧末端56构成连接带16，而连接器的另一端58被铜焊到导棒32的主体上。该柔性连接器50由一组金属叶片52构成，这些叶片由铜制成。每个金属叶片52包括一个弯曲的中间部分54和向两端伸展，在每个末端变平的末端部分56、58。叶片52具有不同的长度和形状，从而一同在中间部分54位置形成所需的弯曲形状。在末端56、58位置，叶片52通过原子散射焊接工艺彼此焊接，没有任何填充材料，于是在每个末端构成刚性整体部分。在它们的中间部分54，叶片52保持彼此分离，因此，这使得电连接器50形成良好的整体柔韧性。如图4所示，构成连接带的末端部分56包括固定元件60，以开放的螺纹孔形式，用于固定连接带到开关装置的框架上，连接元件62，以其它螺纹孔形式，用于连接到总线。另一末端部分58包括与导棒32的轴36的直径相对应的钻孔64。

在图中4可以详细看到的卡圈100由塑料材料构成，在这个例子中是6-6尼龙，并包括两部分101、102，通过铰链103彼此连接，从而能够采取图4显示的开放组装的位置，和图2显示的闭合位置，其中塑料卡簧104夹在相应的开孔106内。封闭的卡圈形成一个凸缘，具有平的底部107和圆柱形外周108，能够使真空腔10的第一凸缘20的末端啮合在其中。平的底部的中心部分包括用于使真空腔的导棒32穿过的孔120。这个一般为圆柱形形状的孔，执行导棒32的导引。卡圈100配置有两个主侧轨109，主侧轨109通过两个侧凸缘110连接到平的底部107，及两个辅助的侧轨112，其通过另外两个侧凸缘114连接到平的底部107。每个辅助轨112位于主轨109之一的延伸处，每个主轨109在其前部形成一个错列的挡块(stop)116，和在后部形成一个塑料夹118。

真空腔主体17的绝缘部分19由一个绝缘套筒90(图2)覆盖，该绝缘套筒90配置有翼片，设计用来增加装置的活动金属部件之间的漏电(creepage)距离。套管90在上部变宽，形成覆盖线圈29的一部分的唇边，从而增加在活动金属部件之间的距离。一其内表面覆有半导体涂料的中部垫圈94，使靠近线圈29边缘的场力线平滑。

由塑料材料构成的绝缘臂42的主体43形成圆柱形裙部，它保护弹簧48和螺杆45，并因此一方面在导棒32和柔性连接器50之间执行绝缘，另一方面执行机械作用。

在框架12内的真空腔的配装按下述方式执行。第一步，将圆柱体26焊接到由线圈29和连接带14组成的子装配上。然后，将绝缘套筒90强制性接合到真空腔的主体17和线圈29的上面。

然后，真空腔10必须装备有电连接器50。导棒32的轴36插入到钻孔64内，并具有由金属填充混合物68制成的中置的垫圈，如图3的分解图所示。金属填充物必须具有相对低的熔点，优选地低于700℃，从而不至于损坏真空腔的内铜焊。在这个实施例例中的混合物是银56％、铜22％、锌17％和锡5％，熔点大约在650℃。在图5中概略显示的热源70，被配置在钻孔的自由端，直到垫片68熔化，并通过一部分金属填充混合物的毛细现象，轴向渗透到钻孔和轴之间界面的圆柱形空间内。以一种铜焊专家熟知的方式，必须适当的选择部件之间，即钻孔和轴之间的初始间隙，一方面利于当进行铜焊时湿润要被组装的表面，并另一方面在后面的使用条件下保证铜焊的接合点的机械强度。获得的铜焊的结合点72，一方面存在于在钻孔和轴之间圆柱形交界区74，另一方面，存在于钻孔64的顶缘和导棒的肩台38之间的圆环形交界区76。

当这个组装完成之后，导棒32径向插入到开口的卡圈100内，然后，卡圈100闭合，从而包绕真空腔主体17的第一凸缘20的末端和导棒32，塑料卡簧104夹在相应的孔106内。如此形成的组件然后被横向插入到框架12内，轨109被插入到横槽130内，形成这些槽导引的滑动。然后，卡圈形成一个滑轨，沿槽130滑动，直到挡块116碰到框架相应的面，然后夹子118夹到相应的框架支撑面132上。

然后余下的就是简单地将连接带14、16和线圈29固定到框架12上，将绝缘臂拧紧到导棒的螺纹孔内，并通过调节螺母调节接触压力。

严格地讲，在移动部件之间没有间隙的情况下，通过杠杆80传到真空腔10的导棒32的运动，相对于框架12不是十分直的。然而，在杠杆80和导棒32之间的夹角总是非常接近直角，且真空腔的导棒32在它的开启位置和它的闭合位置之间的移动不超过几毫米，这相当于杠杆80的旋转角度不超过几度，所以，在没有间隙的情况下，导棒32的径向移动大约是它的轴向移动的百分之一。在所述的实施例中，这个移动是通过存在于传动系统的各元件之间，特别是在横轴85和轴86位置存在的间隙进行的。但是，如果需要较大幅度的移动，杠126将能够在杠杆90、92、94的延伸上被导引。

如此构成的子装配形成可以在从机构13被独立储存之前，在工厂里被组装和测试的一个模块。开关装置的最后组装可以推迟。这些模块使得开关装置能够由并排安装的电极的数目的不同不相同地构成。

自然，也可能有各种变异。

导棒的截面和相应的钻孔的截面不必是圆形的。该组叶片可通过分开安装在任意一个末端定位的一侧上的垫片获得，如美国专利5,530,216中公开的一样。该真空腔可以有两个可移动的触点元件，而不是一个可移动触点元件和一个固定触点元件。真空腔的内部结构可以与这里公开的不同。可以通过任何适当的元件执行相对于真空腔导引导棒。开关装置可以是任意一种提供真空腔的类型，特别是有或没有断开特征的开关或断路器。

Claims (11)

1．一种设计用来电连接到总线的电开关装置，包括：

包括主体(17)的真空腔(10)，该主体(17)形成容纳有一对可分离的触点(22、24)的机壳(18)，所述触点之一(24)被牢固地连接在直线可移动的金属导棒(32)上，导棒(32)的一部分从真空腔的机壳(18)内伸出；

柔性金属电连接器，设计用来将导棒(32)电连接到总线，该柔性连接器(50)由一组金属叶片(52)构成，并包括形成钻孔(64)的第一刚性末端部分(58)，导棒(32)的凸出部分插入到该钻孔(64)内，其特征在于，

在所述第一刚性末端部分(58)的位置，这些金属叶片(52)通过焊接被彼此组装在一起，从而在这个位置形成一个整体的组件；

通过在导棒(32)的凸出部分和第一刚性末端部分(58)之间进行铜焊，使柔性电连接器(50)固定到导棒(32)的凸出部分上。

2．如权利要求1所述的开关装置，其特征在于，包括一方面铜焊到真空腔主体(17)的壁上，并另一方面铜焊到导棒(32)上的密封膜盒(40)，固定柔性电连接器和导棒的凸出部分的接合铜焊(72)，充满了金属填充混合物，该混合物的熔化温度低于固定导棒到密封膜盒上的铜焊的熔化温度。

3．如上述权利要求中任一项所述的开关装置，其特征在于，金属填充混合物的熔化温度应低于900℃，且优选地低于700℃。

4．如权利要求3所述的开关装置，其特征在于，金属填充混合物是以银为主的混合物，其中银的比例大于30％，而锡的浓度比例小于10％。

5．如权利要求4所述的开关装置，其特征在于，金属填充混合物是以银为主的混合物，其中银的比例大于50％，而锡的浓度比例小于6％。

6．如权利要求5所述的开关装置，其特征在于，金属填充混合物是四种金属银-铜-锌-锡的混合物。

7．如上述权利要求中任一项所述的开关装置，其特征在于，导棒(32)的凸出部分包括被肩台(38)限定在真空腔一侧的轴(36)，形成轴向、夹于肩台和钻孔的轴向边缘之间的交界连接(76)的一部分填充混合物，以及在钻孔(64)和轴(36)之间的形成径向交界连接的另一部分填充混合物。

8．如权利要求7所述的开关装置，其特征在于，轴(36)是环形截面，钻孔(64)也是同样，所以在钻孔(64)和轴(36)之间的径向交界连接(74)是圆柱形。

9．如上述权利要求中任一项所述的开关装置，其特征在于，金属叶片通过电子轰击焊接或电子散射焊接彼此组装在一起，没有任何填充材料。

10．如上述权利要求中任一项所述的开关装置，其特征在于，柔性连接器(50)包括：第二刚性末端部分(56)，它形成连接带(16)，连接带(16)配置有用于连接到总线的元件(60)，第一(58)和第二(56)刚性末端部分通过柔性连接器(50)的柔性部分(54)连接到一起。

11．如权利要求10所述的开关装置，其特征在于，这些金属叶片(52)在所述第二刚性末端部分(56)的位置通过焊接彼此组装在一起，并在连接器(50)的柔性部分(54)保持彼此独立。

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