CN1337053A - 用于电气开关的具有良好力通路特性的断开系统 - Google Patents

Abstract

一种用于电气开关的断开系统,包括一由磁性材料制成的磁轭,该磁轭包括一磁轭基部部件,一第一轭臂和一第二支承轭臂,上述第一和第二轭臂以相互间隔开的关系沿相同方向从磁轭基部部件垂直地延伸;一由磁性材料制成的衔铁,该衔铁桥接轭臂的自由端并由支承轭臂可转动支承;一永磁铁,该永磁铁设置成使其磁力线延伸穿过由磁轭和衔铁形成的一第一磁路;一安装在磁轭上的线圈及与衔铁配合的弹簧装置,其中衔铁在永磁铁的磁场作用下克服弹簧装置的弹力固定在一第一位置,其中衔铁压靠在第一轭臂的自由端,并且衔铁可在由流经该线圈并超过一预定极限值的电流产生的磁场的作用下到达一第二位置,其中衔铁和第一轭臂自由端的相互面对的表面相互距离一第一气隙距离。磁铁包括在一由磁轭和衔铁形成的第二磁路中,且所述第二磁路在衔铁的第一位置具有一高于第一磁路的磁阻的磁阻,并在衔铁从第一位置向第二位置运动时该磁阻减小。

Description

用于电气开关的具有良好力通路特性的断开系统

本发明涉及一种用于电气开关的断开系统，包括一由磁性材料制成的磁轭，该磁轭包括一磁轭基部部件，一第一轭臂和一第二支承轭臂，上述第一和第二轭臂以相互间隔开的关系沿相同方向从磁轭基部部件垂直地延伸；一由磁性材料制成的衔铁，该衔铁桥接轭臂的自由端并由支承轭臂可转动支承；一永磁铁，该永磁铁设置成使其磁力线延伸穿过由磁轭和衔铁形成的一第一磁路；一安装在磁轭上的线圈及与衔铁配合的弹簧装置，其中衔铁在永磁铁的磁场作用下克服弹簧装置的弹力固定在一第一位置，其中衔铁压靠在第一轭臂的自由端，并且衔铁可在由流经该线圈并超过一预定极限值的电流产生的磁场的作用下到达一第二位置，其中衔铁和第一轭臂自由端的相互面对的表面相互距离一第一气隙距离。

从荷兰专利1004438中可了解这种断开系统。

用于电气开关，例如通地泄漏开关的断开系统，必须以最小的开关能量/成本或调谐的开关能量打开由弹簧装置偏压的主开关机构，以打开通地泄漏开关。

上述公知的断开系统通过打开由永磁铁关闭的磁路而操作。该磁路由双臂磁轭、可转动衔铁和永磁铁形成。衔铁设置成可转动因而由磁轭的一支承轭臂支承，同时在另一轭臂与衔铁之间设一气隙，该气隙可通过旋转衔铁而打开或关闭。永磁铁设在另一轭臂的凹槽中。在两轭臂的其中一个上设有一线圈。一弹簧设置在衔铁与磁轭之间，从而上述弹簧可在衔铁上提供气隙打开力。永磁铁提供气隙关闭力，弹簧位于衔铁压靠第一轭臂自由端面的位置，因而能量可蓄积在该弹簧中，主开关机构可通过该能量而打开。弹簧的预拉力刚好不足以克服磁路中的永久磁场施加在衔铁上的力并打开衔铁与第一轭臂之间的气隙。

通过激励绕组，由永磁铁产生的磁场被部分取消，因而弹簧可打开衔铁与第一轭臂之间的气隙，并可将蓄积的机械能量发送到主开关机构上。这样就实现了用最少的能量打开断开系统。

但这种公知的断开系统仍有下列缺点，即打开的能量越大，在衔铁上施加打开力的弹簧阻滞减小。

本发明的目的是提供一种上述类型的断开系统，其中克服了上述缺点，断开系统的精度被进一步提高，制造也尽可能简化。

该目的是通过本发明实现的，其中，磁铁包括在一由磁轭和衔铁形成的第二磁路中，上述磁路在衔铁的第一位置具有一磁阻，该磁阻大于第一磁路的磁阻，并在衔铁从第一位置到第二位置运动过程中减小。因而衔铁的打开性能得到了改进，当断开系统动作时，获得了一个或多或少的力通路特性。

随衔铁运动而变化的磁阻补偿了衔铁运动过程中弹簧装置的变化力。

变化的磁阻可通过使用一位于第二磁路中的气隙而获得，该气隙设置成当作用于衔铁上的弹簧装置的弹力在衔铁从第一位置至第二位置运动过程中减小时减小。

在一第一实施例中，磁轭基部部件设有一磁轭基部部件延伸部，该延伸部伸到支承轭臂之外，并与支承轭臂间隔开并以相同方向延伸的一第三轭臂会合，其中永磁铁添加到磁轭基部部件延伸部和第三轭臂的磁路中，其中当衔铁位于第一位置时衔铁延伸并交叠磁轭基部部件延伸部、第三轭臂和永磁铁的组件的自由端面。

在一第二实施例中，衔铁具有两个臂，其中一个衔铁臂桥接第一轭臂与支承轭臂之间的空间，其中第二个衔铁臂垂直于一个衔铁臂并与支承轭臂成一距离延伸，其中第二衔铁臂和支承轭臂的相互面对的表面之间留有一间隙，用于以一第二气隙容纳永磁铁。

在从属权利要求中描述了本发明的优选和有利的实施例。

下面参照附图对本发明进行描述，其中：

图1示意性示出本发明一实施例；

图2表示图1实施例的侧视图；

图3示出本发明断开系统一详细描述实施例；

图4表示图3实施例的一侧视图；及

图5表示本发明断开系统的一优选实施例。

图1中示意性表示的断开系统包括一由磁性材料制成的磁轭，该磁轭由一磁轭基部部件1、一第一轭臂2和一第二支承轭臂3组成。断开系统还设有一衔铁4，该衔铁4由支承轭臂3可枢转或可摆动地支承。该磁轭基部部件1、第一轭臂2、衔铁4和支承轭臂形成了一个第一磁路。在例如荷兰专利申请1004438中描述了一种具有这种单一磁路的断开系统的结构和运行。

为了避免前言部分所述的缺点，根据本发明使用一第二磁路。磁铁包括在由磁轭和衔铁构成的第二磁路中，并且第二磁路在第一位置具有一磁阻，该磁阻大于第一磁路的磁阻，并在衔铁从第一位置移动到第二位置过程中减小。

在一方面由图1-4和另一方面由图5所示的实施例中，获得第二磁路的方案分别体现在磁轭的形状和衔铁的形状中。通过使用第二磁路，能够获得一附加的气隙，该气隙在尺寸上变化，从而在公知的断开系统中对衔铁起作用的弹簧装置的相反变化被消除或甚至过度补偿。

在图1所示实施例中，第二磁路是通过下述方式获得的，即由磁性材料制成的磁轭还包括一延伸成第三轭臂6的磁轭基部部件延伸部5。一永磁铁7添加到磁轭基部部件延伸部5和第三臂6上。该永磁铁7设置在第三轭臂6的自由端面上。但也可以将该永磁铁7设置在磁轭基部部件延伸部或第三轭臂6上的任何位置。衔铁4具有一衔铁部件8，该衔铁部件8以这样一个距离延伸超过支承轭臂3，使该衔铁部件8交叠永磁铁7的自由端，其中在图1中所示的衔铁8与永磁铁7相互面对的表面之间的位置留有一气隙9。

衔铁4的左侧端部在图1中所示的所谓关闭位置压靠在第一轭臂2的自由端面。衔铁4由永磁铁7保持在该状态。由永磁铁7产生的磁力线10分布在第一轭臂2和支承中心轭臂3上。通过磁力线10，在衔铁4和第一轭臂2相互压靠的表面位置在上述元件上施加一力，上述表面通过该力保持彼此压靠。压缩弹簧11被偏压在图1中所示断开系统的关闭状态，在衔铁4和第一轭臂相互压靠的位置，一力与由磁力线10产生的力相反地作用。但由压缩弹簧11的偏压产生的力刚好不足以将衔铁4向右转动。

第二支承轭臂3设有一线圈12。当断开系统与一通地泄漏开关一起使用时，一控制电流供给到线圈12的端子13和14上。该控制电流导引成在第二支承轭臂3中建立磁力线15，该磁力线15一方面延伸穿过衔铁部件4、第一轭臂2和磁轭基部部件1，另一方面穿过衔铁部件8、第三轭臂6和磁轭基部部件5。相反的磁通量15由于气隙9而优先选择臂2，永磁铁还作为磁通量15的气隙操作。当控制电流足够高因而超过一预定极限值时，磁通量10由于控制电流在气隙16中产生的反向磁通量15而减小，因而由于压缩弹簧11的偏压，衔铁4、8会向右转动，在此过程中应用了压缩弹簧11中蓄积的机械能。因而在衔铁部件4和第一轭臂2相互面对的表面之间建立了一第一气隙16。因而气隙9减小。在转动过程中压缩弹簧11的作用降低。但气隙9在此转动过程中减小，由于气隙9的减小，磁铁7作用于衔铁部件8上的力不断增加。由于减小的气隙9的作用，获得了断开系统或多或少中空的力通路特性。通过线圈产生的磁通量放大了气隙9中永磁铁的磁场。

通过根据本发明的断开系统，第二气隙以及压缩弹簧的弹簧力的幅值确定为，在衔铁的第一位置，衔铁与配合的轭臂之间的吸力的力矩比第二气隙处的吸力和作用于衔铁上的弹簧力的力矩之和大一预定值。力矩是相对于一点，即衔铁在支承轭臂3上的枢转点限定的。因此上述预定值取决于线圈电流的选择极限值，断开系统在该极限值以上必须动作。

图3中所示本发明断开系统的实施例是由一由磁性材料制成的三臂磁轭和一同样由磁性材料制成的可枢转衔铁组装而成的。衔铁4由支承轭臂3可枢转和可摆动地支承。该支承轭臂3分别通过磁轭基部部件1和5连接到第一和第三轭臂2和6上。

断开系统具有两个稳定状态，图3中所示的一打开状态，其中气隙16打开，及图1中所示的一关闭状态，其中气隙16关闭。衔铁4的关闭状态还在图3中用点划线表示出来。

第一轭臂2和第三轭臂6具有不同的长度。第一轭臂2可能短于或长于支承轭臂3，但当这两个轭臂具有相同长度时在制造上更简单。衔铁在由点划线表示的位置与第一轭臂2和支承中心轭臂3配合。

第三轭臂6短于其它轭臂，因而在第三轭臂6的自由端部与衔铁4之间留有间隙，用于在断开系统的关闭状态下容纳一永磁铁7和衔铁部件8。

永磁铁7的磁场通过第一轭臂2和第二支承轭臂3，并通过由点划线表示的处于关闭状态的第三轭臂6关闭。

为了更好地限定并更容易地转动衔铁4和8，将支承轭臂3的自由端面削成斜面。这样在断开系统的关闭状态产生一楔形气隙，因而由永磁铁产生的磁通量的大部分流经气隙16，而不是支承臂3。

断开系统设有弹簧装置，该弹簧装置是图3中所示的片簧17形式的压缩弹簧。该片簧17可具有大于衔铁4和8的宽度。另外，根据所需的初始和结束力，片簧可具有不同的形状。例如，片簧17可逐渐变细或变宽。卷簧自然也是可以的。

片簧17的一端在支承轭臂与第三轭臂之间的任何位置压靠在衔铁的顶侧。片簧17的另一端固定地连接到外壳18上。弹簧通过压靠在外壳的靠模19和20上的靠模28而卡紧，或者通过其它方式固定在外壳中。片簧17沿着第二气隙9减小的方向偏压衔铁。片簧17固定到外壳18的表面19上。片簧17在其两端之间与外壳的靠模20接触。片簧17与衔铁4和8的上表面限定一锐角。该角在第二打开状态还可能是零。但必须考虑断开器21的间隙。当关闭状态下片簧17与衔铁4、8上表面之间的角度为零时，内壁应该有一更复杂的形状，特别是在表面19和20。

当气隙16关闭时片簧17被推开，片簧17的尺寸确定为使上述弹簧几乎补偿了气隙16上的吸力，但不是全部。因而断开系统被“灵敏化”。

在打开状态下衔铁部件8与永磁铁7之间的气隙几乎关闭，而气隙16打开。片簧17在该打开状态下施加一选择的端部力。

为了从关闭位置转向打开位置，在支承轭臂3上设置一具有线圈固定器22的线圈12。通过激励上述线圈，产生一磁通量，该磁通量沿与来自永磁铁7的磁通量相同的方向在衔铁4、8与永磁铁7相互面对的表面之间运行。

在断开系统的关闭状态下气隙16将比衔铁4和8另一端的气隙小得多，因此由线圈产生的一更高的磁通量将延伸穿过第一轭臂2，而不是第三轭臂6。由永磁铁在气隙16处产生的磁通量被由线圈产生的磁通量抵消。因而在气隙16处的磁吸力将减小，而衔铁将在偏压片簧17的作用下转动到打开位置。

在衔铁4和8向右转动过程中，衔铁4和8与永磁铁7之间的气隙9将大大减小，因而衔铁与第三轭臂6和永磁铁7的组件之间的吸力增加，因此当气隙16中的开口增加时作用于断开器21上的力同样增加。因此同样在这种情况下，实现了或多或少中空力通路特性的优点，通过该特性，通地泄漏开关的主要机构可以更可靠地打开。

磁轭和衔铁可通过公知的方式由板材冲压而成。首先环绕支承轭臂设置线圈。然后将磁轭和衔铁及其它部件放入最好纵向分成两部分的塑料外壳中。在公知断开系统的装配中，磁铁放置在外壳中，磁性系统通过该外壳对可磁化灰尘敏感。总有一些可磁化灰尘附着在永磁铁上，除非安装在一无尘空间中。灰尘干扰了断开系统的良好功能，因为气隙16可能被污染。为了解决上述问题，将永磁铁设置在外壳的一凹槽中，该凹槽由外壳壁部件23、24和25限定。由于上述凹槽可从外部进入，永磁铁7可在上述凹槽中向后移动，即在所有其它部件容纳并封闭在断开系统外壳18中之后，因此能够在正常产生环境下放置磁铁，因为最终粘附的灰尘不能进入重要的气隙中。

第一轭臂2的端面相对于配合衔铁4表面的定向精度在冲压轭臂时出现了问题。第一轭臂2的长度最好精确等于支承轭臂3的长度。通过将第一轭臂2的顶部冲压或研磨成一接近凸面形状，容许如第一磁轭2和支承轭臂3的长度有一些公差。这是以牺牲气隙7为代价的，但并不影响正常操作。

第三轭臂6具有与永磁铁7的尺寸相关的合理宽度。线圈固定器22在26处削成斜面，形成一用于片簧17的空间。线圈固定器22还设有导向装置27。外壳18设有导向装置28，用于当衔铁4和8转动时对其进行导向。

衔铁4和8在端部具有倒角，用于配合在外壳中并防止其刮擦外壳。衔铁4和8的角部29可削成斜面，从而产生与外壳壁部23的更大的配合表面，该削成斜面的表面可用于调谐上述壁部与衔铁之间的气隙上的吸力。

外壳设有一弧形内部外壳表面30，该表面30具有用于导引衔铁的预定半径。该半径对应于衔铁4和8转动时其右侧端部运行路径的半径。由于内壁表面30导引衔铁的配合端部，转动总是良好限定地和精确地进行。

从图2和图4中最清楚地看到，在永磁铁7上添加了一U形极靴31。极靴的底部32与永磁铁7面向衔铁8的表面配合。垂直于极靴底部32延伸的臂33和34与上述底部32一起限定了一个其中容纳衔铁4的间隙。

通过使用U形极靴，减小了衔铁与永磁铁之间的气隙。其优点是可使用一较小的永磁铁。

关闭状态下，即关闭气隙16环绕气隙9中衔铁的场力线朝U形极靴方向水平伸出。通过该场力线的路线，在这种情况下几乎没有垂直的吸力产生。衔铁越向右侧转动，垂直吸力就越大。

如图2所示，U形极靴设置在断开系统外壳外部。在这种情况下，衔铁在外壳18的侧壁之间移动。

图5中所示的优选实施例包括一由磁性材料制成的双臂磁轭，它包括一第一轭臂2和一第二轭臂3。断开系统还设有一由支承轭臂3转动支承的衔铁4。衔铁具有两个臂35和36，其中一个衔铁臂35桥接第一轭臂2和支承轭臂3之间的空间。在图5所示关闭状态下衔铁臂35压靠在第一轭臂2上。第二衔铁臂36基本上垂直于衔铁臂35，而面向支承轭臂3的表面与支承轭臂3的对应表面限定了一个其中容纳永磁铁7的间隙。

轭臂2设有一具有端子13和14的线圈12。在该实施例中磁轭比较简单，但衔铁4的形状略微复杂。

由于永磁铁7横向于轭臂3设置，衔铁而不是磁轭伸长，在这种情况下通过一方形部件，气隙9可通过减小永磁铁7至衔铁转动点之间的距离而变小。因而获得了一个更紧凑的结构。永磁铁的场力线沿着经过支承轭臂3、磁轭1、磁轭衔铁部件35以及衔铁的延伸部36的一个路径。

该实施例的运行实际上与图1和2中实施例的运行相同。

另外还发现，在这种情况下永磁铁也可设置一U形极靴。

Claims (18)

1.一种用于电气开关的断开系统，包括一由磁性材料制成的磁轭，该磁轭包括一磁轭基部部件，一第一轭臂和一第二支承轭臂，上述第一和第二轭臂以相互间隔开的关系沿相同方向从磁轭基部部件垂直地延伸；一由磁性材料制成的衔铁，该衔铁桥接轭臂的自由端并由支承轭臂可转动支承；一永磁铁，该永磁铁设置成使其磁力线延伸穿过由磁轭和衔铁形成的一第一磁路；一安装在磁轭上的线圈及与衔铁配合的弹簧装置，其中衔铁在永磁铁的磁场作用下克服弹簧装置的弹力固定在一第一位置，其中衔铁压靠在第一轭臂的自由端，并且衔铁可在由流经该线圈并超过一预定极限值的电流产生的磁场的作用下到达一第二位置，其中衔铁和第一轭臂自由端的相互面对的表面相互距离一第一气隙距离，其特征在于，磁铁包括在一由磁轭和衔铁形成的第二磁路中，且所述第二磁路在衔铁的第一位置具有一高于第一磁路的磁阻的磁阻，并在衔铁从第一位置向第二位置运动时该磁阻减小。

2.根据权利要求1所述的断开系统，其特征在于，磁轭基部部件设有一磁轭基部部件延伸部，该延伸部伸到支承轭臂之外，并延伸到与支承轭臂间隔开并以相同方向延伸的一第三轭臂，永磁铁添加到磁轭基部部件延伸部和第三轭臂的磁路中，当衔铁位于第一位置时，衔铁延伸并以一第二气隙距离交叠磁轭基部部件延伸部、第三轭臂和永磁铁的组件的自由端面。

3.根据权利要求1所述的断开系统，其特征在于，衔铁具有两个臂，其中一个衔铁臂桥接第一轭臂与支承轭臂之间的空间，其中第二个衔铁臂垂直于所述一个衔铁臂延伸并与支承轭臂成一距离，其中第二衔铁臂和支承轭臂的相互面对的表面之间留有一空间，用于以一第二气隙容纳永磁铁。

4.根据权利要求2或3所述的断开系统，其特征在于，第二气隙大小以及衔铁上弹簧装置的弹簧力选择成，在衔铁的第一位置，衔铁与配合的轭臂之间的吸力的力矩比第二气隙处的吸力和作用于衔铁上的弹簧力的力矩之和大一预定值，力矩是相对于衔铁枢转点限定的，上述预定值与线圈电流的极限值有关。

5.根据权利要求1-4中的任一项所述的断开系统，其特征在于，支承轭臂的自由端面和与之面对的衔铁的表面限定了一个楔形空间。

6.根据权利要求1-5中的任一项所述的断开系统，其特征在于，弹簧装置在第二衔铁位置完全或部分地释放。

7.根据权利要求2-6中的任一项所述的断开系统，其特征在于，弹簧装置由与支承轭臂和第三轭臂之间的衔铁部件配合的一压缩弹簧构成，并在第二气隙减小的方向偏压衔铁。

8.根据权利要求7所述的断开系统，其特征在于，该压缩弹簧是一片簧，该片簧的一端与支承轭臂和第三轭臂之间的衔铁部件配合，另一端固定在断开系统的外壳上，其中，在一不同于衔铁第二位置的位置，片簧和衔铁限定一角度。

9.根据权利要求8所述的断开系统，其特征在于，片簧在片簧的固定端和自由端与外壳的一靠模配合。

10.根据权利要求1、2、4-9中的任一项所述的断开系统，其特征在于，永磁铁容纳在位于第三轭臂自由端面和与之面对的衔铁表面之间的外壳壁上的一凹槽中。

11.根据权利要求10所述的断开系统，其特征在于，凹槽可从外部接进。

12.根据权利要求1-11中的任一项所述的断开系统，其特征在于，支承轭臂和第一轭臂具有基本相同的长度。

13.根据权利要求1-12中的任一项所述的断开系统，其特征在于，第一轭臂的自由端面被倒角。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的断开系统，其特征在于，外壳和线圈固定器设有用于衔铁的机械导向面。

15.根据前述权利要求中的任一项所述的断开系统，其特征在于，衔铁在端部具有倒角。

16.根据权利要求1、2、4-15中的任一项所述的断开系统，其特征在于，衔铁部件在第二衔铁位置以一斜面压靠在磁轭基部部件延伸部、第三轭臂和永磁铁的组件的自由端面上。

17.根据前述权利要求中的任一项所述的断开系统，其特征在于，衔铁端部在衔铁转动过程中与一弧形外壳部分配合，上述弧形的半径对应于位于第三轭臂上方的衔铁端部覆盖的路径的半径。

18.根据前述权利要求中的任一项所述的断开系统，其特征在于，永磁铁在其面向衔铁的表面设有一U形极靴，该U形极靴的底部平行于永磁铁的上述表面延伸，该U形极靴的臂部垂直于上述表面延伸，其中衔铁可移动地容纳在由底部和臂限定的一空间中。

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