CN1384514A - 真空断路器中的电极,以及制造真空断路器中的电极的方法 - Google Patents

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松井芳彦
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Abstract

一种真空断路器中的电极,具有一个杯状元件和一个触头。所述杯状元件具有一个开口,并且其圆周被制成带有一条槽缝,以便形成一个绕组区域。电流在所述绕组区域内流动,以便沿该杯状元件的轴线方向产生一个纵向磁场。所述槽缝在所述杯状元件的圆周上从该杯状元件的第一端部开始向其第二端部弯折但连续延伸,其中所述第二端部与第一端部相对。所述触头被加工成一个平板,并且用于封闭所述杯状元件上的开口。

Description

真空断路器中的电极，以及制造真空断路器中的电极的方法
技术领域
本发明涉及一种真空断路器中的电极，和制造这种真空断路器中的电极的方法。尤其是，本发明涉及这样一种电极，该电极大致被加工成杯状物，并且具有一个纵向磁场。
技术背景
在电路断开的过程中，电极之间会产生电弧。为了提高真空断路器的断路能力，各个电极的整个表面均会经受电弧所致的损坏。换句话说，必须防止电弧在所述表面的某一位置上集中发生。为了在整个表面上承受所述损坏(由电弧所致)，正如在附图7和8中所示出的那样，可以采用带有一个纵向磁场电极(轴向磁场电极)的结构。
正如在附图7中所示出的那样，在这里提供了一种具有一个电极01(固定电极)和一个电极02(可动电极)的纵向磁场电极结构。电极01由一个触头01a和一个绕组电极01b构成，其中绕组电极01b被置于一个与触头01a的接触表面相对的侧面上。可动电极02由一个触头02a和一个绕组电极02b构成，其中绕组电极02b被置于一个与触头02a的接触表面相对的侧面上。各个绕组电极01b和绕组电极02b均具有一根支臂，该支臂从所述电极的中心轴处径向向外延伸。支臂具有一个尖端部，在该尖端部上装配有周向延伸的绕组。通过电流在周向绕组中流动，产生一个与电弧(纵向磁场)平行的磁场。施加于电弧上的该纵向磁场能够阻止带电离子发生径向散布，从而对电弧起到稳定作用。由此得以稳定的电弧能够减少损耗，从而可以对电极的温度升高进行控制。利用这种方式，可以提高真空断路器的断路能力。
但是，就总体结构而言，所述纵向磁场电极仍然是复杂的。另外，就结构(整体结构)而言，用于该纵向磁场电极中的各个组件也是比较复杂的。从而，这种纵向磁场电极的制造成本也较昂贵。为了降低制造成本，必须从结构上简化所述纵向磁场电极，并且减少其中组件的数目。
正如在附图8中所示出的那样，在这里提供了一种带有一个电极011和一个与电极011相对的电极012的纵向磁场电极结构。在电极011中的一个杯状元件的圆周上，成形有一条槽缝011a(倾斜的)，来形成一个绕组区域011b。在电极012中的一个杯状元件的圆周上，成形有一条槽缝012a(倾斜的)，来形成一个绕组区域012b。另外，电极011中的杯状元件上具有一个开口，该开口由一个触头011c进行封闭，而电极012中的杯状元件上也具有一个开口，该开口由一个触头012c进行封闭。
正如在附图9中所示出的那样(附图8中的纵向磁场电极的横剖图)，除了所述杯状元件(绕组区域011b)和触头011c之外，电极011还具有一个补强管筒011d，而电极012除了所述杯状元件(绕组区域012b)和触头012c之外，还具有一个补强管筒012d。各个补强管筒011d和补强管筒012d在杯状元件的中空区域内相匹配，以便对(纵向磁场电极的)稳定性进行补强，来在闭合所述真空断路器时，抵抗由于触头011c在触头012c上发生接触所产生的机械冲击。
与附图7中的纵向磁场电极相比，附图8和9中的纵向磁场电极(带有杯状元件)中的组件数目较少。但是，必须将附图8和9中的杯状元件制成带有槽缝011a和槽缝012a，以便分别形成绕组区域011b和绕组区域012b。
因此，正如在附图10中所示出的那样，在这里提供了一个大体上被加工成一圆盘的回转刀片013。为了对杯状元件(铜质)进行机械加工来成形槽缝011a和槽缝012a，回转刀片013相对于该杯状元件以预定的倾斜角度发生回转。按照惯例，这是一种传统的机械加工(开槽)方法。
正如在附图10中所示出的那样，利用回转刀片013进行机械加工具有某些优点，比如简单易行和成本较低。但是，利用回转刀片013进行机械加工将难以确保槽缝011a和槽缝012a的狭长周向尺寸。如果回转刀片013的倾斜角度更小(相对于杯状元件来说)，那么将使得机械加工更为困难。
电极011与电极012之间的纵向磁场与电流(在各个绕组区域011b和绕组区域012b中流动的电流)和回转角度的乘积成正比例关系。所述乘积被定义为“ampere·turn＝i·n”。换句话说，各个槽缝011a和槽缝012a的周向长度是决定电流回转角度(匝数n)的关键因素。周向长度越长，纵向磁场越强。
前面概括了根据相关现有技术利用电极011(具有杯状元件)和电极012(具有杯状元件)来形成纵向磁场在获得强磁场方面具有困难，并且从而并不足以应用于需要断开较高电压和较大电流的真空断路器中。
另外，就强度方面而言，根据前述相关现有技术带有电极011和电极012的真空断路器具有某些缺点，这是因为：槽缝011a和槽缝012a的开槽倾斜角度越小，在交会处A(参见附图8)就越尖锐。交会处A(绕组区域011b与触头011c，以及绕组区域012b与触头012c之间的交会处)的尖锐度会导致应力集中现象发生。从而，交会处A极有可能重复性操作所述真空断路器中的电极011与电极012(断开和闭合)之后发生剥离现象。
在下文中，将更详细地对具有电极011和电极012的真空断路器进行描述。
正如在附图11中所示出的那样，在这里提供了一个具有电极011和电极012的真空断路器的示意图。该真空断路器由真空壳体017、电极011和电极012构成，这些部件均为主要部件。真空壳体017具有一个由诸如陶瓷、玻璃及类似材料制成的绝缘套管014。绝缘套管014具有一个第一端部(上端部)和一个第二端部(下端部)，其中第一端部由一块金属挡板015进行封闭，第二端部由一块金属挡板016进行封闭。利用由此封闭而成的内部区域，真空壳体017可以被抽成真空。在真空壳体017内部，电极011被固定在一根固定杆018的一个端部上(附图11中的下端部)，而电极012则被固定在一根可动杆019的一个端部上(附图11中的上端部)。电极011与电极012相互正对，并且能够相互相向(接触)或者相背(分离)地进行相对移动。利用一定的倾斜角度，通过电流I在绕组区域011b(电极011中)和绕组区域012b(电极012中)中流动，从而产生一个纵向磁场B。利用由此产生的纵向磁场B，该真空断路器将具有良好的断路性能。在附图11中，还示出了一个波纹管020和中间屏蔽物021。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种真空断路器中的电极。本发明中的该电极被加工成一个杯状物，并且具有一纵向磁场，从而能够产生具有适用断路性能的强磁场。另外，本发明中的电极即使在重复进行多次断开和闭合操作(可动电极与固定电极)之后，仍然具有足够的机械强度。
本发明的另外一个目的在于提供一种制造真空断路器中的电极的简便方法，如前所述那样，所制造出来的真空断路器中的电极具有适用的断路性能和足够的机械强度。
根据本发明的第一方面，在这里提供了一种真空断路器中的电极。该电极包括有一个杯状元件和一个触头。所述杯状元件具有一个开口，并且其圆周被制成带有一条槽缝，以便形成一个绕组区域。电流在所述绕组区域中流动，以便沿杯状元件的轴线方向产生一纵向磁场。所述槽缝在所述杯状元件的圆周上从该杯状元件的第一端部开始向其第二端部弯折但连续延伸，其中所述第二端部与第一端部相对。所述触头被加工成一个平板，并且用于封闭在杯状元件上的开口。
根据本发明的第二方面，在这里提供了一种制造真空断路器中的电极的方法。所述电极包括有一个杯状元件，该杯状元件具有一个开口，该开口由一个被加工成平板的触头封闭。所述杯状元件的圆周上被制成带有一条槽缝，以便形成一个绕组区域。电流在所述绕组区域中流动，以便沿所述杯状元件的轴线方向产生一纵向磁场。所述方法包括由下述操作步骤：环绕所述杯状元件的轴线相对于一个加工工具以预定的旋转进给角度使得杯状元件进行旋转；在杯状元件旋转的过程中，沿该杯状元件的轴线方向相对于该杯状元件进给所述加工工具，以便从所述杯状元件的第一端部开始向其第二端部在该杯状元件的圆周上成形弯折但连续延伸的槽缝。
根据本发明的第三方面，在这里提供了一种真空断路器，该真空断路器包括有一对第一电极和第二电极，所述第二电极与第一电极相对。各个第一电极和第二电极均包括有一个杯状元件和一个触头。所述杯状元件具有一个开口，并且其圆周被制成带有一条槽缝，以便形成一个绕组区域。电流在所述绕组区域中流动，以便沿所述杯状元件的轴线方向产生一纵向磁场。所述槽缝在杯状元件的圆周上从该杯状元件的第一端部开始向其第二端部弯折但连续延伸，其中所述第二端部与第一端部相对。所述触头被加工成一个平板，并且用于封闭杯状元件上的开口。
通过下面参照所附附图的描述，本发明的其它目的和技术特征将变得清楚明了。
附图说明
附图1是一个根据本发明第一实施例的电极1(电极2)的透视图；
附图2是附图1中所示电极1(电极2)的横剖视图；
附图3是一种制造附图1中所示电极1(电极2)的方法透视图；
附图4是大致在根据第一实施例的电极1(电极2)中间处横剖面内的纵向磁力线的径向分布图，用于与根据相关现有技术的电极中的磁力线径向分布图进行比较；
附图5是一个根据本发明第二实施例的电极11(电极12)的正视图；
附图6是一个根据本发明第三实施例的电极21(电极22)的正视图；
附图7是一个根据相关现有技术中第一示例的电极01(电极02)的透视图；
附图8是一个根据相关现有技术中第二示例的电极011(电极012)的透视图；
附图9是附图8中所示电极011(电极012)的纵向横剖面；
附图10是制造附图8中所示电极011(电极012)的方法透视图；而
附图11是一个具有附图8中所示电极011(电极012)的真空断路器的示意图。
具体实施方式
正如在附图1中所示出的那样，根据本发明的第一实施例，在这里提供了一个电极1和一个电极2。
如同附图11中的电极011和电极012那样，电极1被固定在可动杆018的端部上(附图11中的下端部上)，而电极2被固定在可动杆019的端部上(附图11中的上端部上)。电极1和电极2相互正对，并且能够相互相向(接触)和相背(分离)地进行相对移动。另外，电极1由一个杯状元件和一个触头1c(大致被加工成一个圆盘)构成，其中所述触头1c用于封闭该杯状元件上的开口，而电极2由一个杯状元件和一个触头2c(大致被加工成一个圆盘)构成，其中所述触头2c用于封闭该杯状元件上的开口。通过触头1c和触头2c相互相向(接触)和相背(分离)地发生相对移动来断开和闭合电路。
根据该第一实施例，电极1中的所述杯状元件的圆周被制成带有一条槽缝1a，该槽缝1a从该杯状元件的第一端部开始向其第二端部连续地并且阶梯状延伸，而电极2中的所述杯状元件的圆周被制成带有一条槽缝2a，该槽缝2a从该杯状元件的第一端部开始向其第二端部连续地并且阶梯状延伸。各个槽缝1a和槽缝2a在数目上均为复数，从而分别形成一个绕组区域1b和一个绕组区域2b。
下面参照附图3的描述涉及如何成形所述槽缝1a和槽缝2a。杯状元件被以预定的旋转进给角度θ轴向旋转。在所述杯状元件旋转的过程中，在一个钻头3(加工工具)旋转的同时，杯状元件被轴向进给一定的进给长度L。此后，通过人为地改变旋转进给角度θ和进给长度L，形成一条人为弯折的槽缝。为了将槽缝1a和槽缝2a成形为阶梯状，前述的“旋转操作”和“轴向进给操作”以交替并且间歇方式执行。用作加工工具的钻头3可以由切割钢丝(a wire cut)、尖头锯(a tip saw)、射水器(a water jet)及类似装置替代。槽缝1a和槽缝2a的数目也没有具体限制。
根据第一实施例，各个槽缝1a(电极1中)和槽缝2a(电极2中)均被制成阶梯状。从而，电路具有大致恒定的横剖面。另外，在各个第一交会处(绕组区域1b与触头1c之间)和第二交会处(绕组区域2b与触头2c之间)的周围，可以有足够大的电流流向相应槽缝1a和槽缝2a的端部表面。
还有，相对于一根轴线(各个相应电极1和电极2中的杯状元件的轴线)的倾斜度(各个槽缝1a和槽缝2a的倾斜度)被增大(在下文中，倾斜度被称为“周向槽缝角度”)。从而，各个槽缝1a和槽缝2a被周向延长，用于从而确保足够的纵向磁场强度，该纵向磁场强度对应于断开所需的高电压和较大电流的断路能力。
另外，各个槽缝1a和槽缝2a均被制成在其第一端部和第二端部处分别大致垂直于触头1c和触头2c。前述的垂直特性用于减少应力集中现象，该应力集中现象是在闭合真空断路器时由于机械冲击所造成的。从而，即使所述真空断路器经受重复性操作(断开和闭合)，也不会导致发生故障，比如在第一交会处(绕组区域1b与触头1c之间)和第二交会处(绕组区域2b与触头2c之间)发生剥离现象。
附图4示出了大致在根据本发明第一实施例的电极1(电极2)中间处横剖面内的纵向磁场径向分布图，用于与附图8至附图10中根据相关现有技术的电极011(电极012)中的纵向磁场径向分布图进行比较。附图4中的纵轴表示的是每单位电流所产生的磁通密度B2(T/A)，而横轴表示的是电极1(电极2)和电极011(电极012)的半径R。
在附图4中，单点划曲线(最下方那条)示出了根据相关现有技术带有120度的周向槽缝角度的电极011(电极012)的特性。
在附图4中，双点划曲线(中间那条)示出了根据本发明第一实施例带有120度的周向槽缝角度的电极1(电极2)的特性。在此，电极1(电极2)被制成带有阶梯状槽缝1a(阶梯状槽缝2a)。
在附图4中，实曲线(最上方那条)示出了根据本发明第一实施例带有180度周向槽缝角度的电极1(电极2)的特性。在此，电极1(电极2)被制成带有附图1中示出的阶梯状槽缝1a(阶梯状槽缝2a)。
正如在附图4中所示出的那样，即使利用120度的周向槽缝角度(附图4中的中间那条)，与根据相关现有技术的电极011(电极012)相比(附图4中最下方那条)，根据第一实施例的电极1(电极2)所产生的纵向磁场(磁通密度)大约增强了20％。利用180度的周向槽缝角度(附图4中最上方那条)，与根据相关现有技术的电极011(电极012)相比，根据第一实施例的电极1(电极2)所产生的磁场(磁通密度)更强。
虽然本发明已经参照第一实施例进行了描述，但是本发明并不局限于前述的第一实施例。在前述的技术启示之下，本技术领域中的熟练技术人员可以对该第一实施例进行多种改进和变型。
更具体地说，正如附图1中所示出的那样，各个槽缝1a(电极1中)和槽缝2a(电极2中)均被制成阶梯状。但是，各个槽缝1a和槽缝2a的构造并不局限于阶梯状。任何其它构造也是允许的，只要它们满足由下面两句话所描述的最低要求即可：1.所述倾斜角度(相对于各个电极1和电极2中杯状元件的轴线的倾斜角度)由一根连续的曲线形成，在该连续曲线中包括有多个不同类型的直线段。2.所述倾斜度大致垂直于各个触头1c和触头2c上的一个镜对称表面(a reverse face)。前述两个最低要求用于增大所述周向槽缝角度，以便延长绕组区域1b和绕组区域2b，并且用于减少在第一交会处(绕组区域1b与触头1c之间)和第二交会处(绕组区域2b与触头2c之间)发生应力集中现象。
其它可允许的构造在附图5和附图6中示出。
正如在附图5中所示出的那样，根据本发明的第二实施例，在这里提供了一个具有一槽缝11a，一绕组区域11b和一触头11c的电极11；和一个具有一槽缝12a，一绕组区域12b和一触头12c的电极12。
正如在附图6中所示出的那样，根据本发明的第三实施例，在这里提供了一个具有一槽缝21a，一绕组区域21b和一触头21c的电极21；和一个具有一槽缝22a，一绕组区域22b和一触头22c的电极22。
在附图3中所示出的方法中，可以通过人为地对旋转进给角度θ和进给长度L进行控制，来成形各个槽缝11a(电极11中)、槽缝12a(电极12中)、槽缝21a(电极21中)及槽缝22a(电极22中)。
作为本发明中所声称的优先权文本，  日本专利申请No.P2001-138213(2001年5月9日申请)中的全部内容，被通过参考而结合入本发明中。
本发明的保护范围由所附权利要求进行限定。

Claims (13)

1.一种真空断路器中的电极，包括有：
一个杯状元件，该杯状元件具有一个开口，并且其圆周被制成带有一条槽缝，以便形成一个绕组区域，电流在所述绕组区域内流动，以便沿该杯状元件的轴线方向产生一个纵向磁场，所述槽缝在所述杯状元件的圆周上从该杯状元件的第一端部开始向其第二端部弯折但连续延伸，其中所述第二端部与第一端部相对；和
一个触头，该触头被加工成一个平板，并且用于封闭所述杯状元件上的开口。
2.如权利要求1中所述的真空断路器中的电极，其特征在于：所述弯折槽缝被制成阶梯状。
3.如权利要求1中所述的真空断路器中的电极，其特征在于：所述弯折槽缝中包括有：
具有第一端部的第一直线段，该第一端部大致垂直于所述触头的一个镜对称表面，该镜对称表面用于封闭所述杯状元件上的开口，和
被连续地连接在所述第一直线段的第二端部上的第二直线段，所述第二端部与该第一直线段的第一端部相对；并且
所述第一直线段与第二直线段形成一个倾斜角度。
4.如权利要求1中所述的真空断路器中的电极，其特征在于：所述弯折槽缝为复数。
5.如权利要求1中所述的真空断路器中的电极，其特征在于：所述触头大体上被加工成一个盘状平板。
6.一种制造真空断路器中的电极的方法，所述电极包括有一个杯状元件，该杯状元件具有一个开口，该开口由一个被加工成一平板的触头封闭，所述杯状元件的圆周被制成带有一条槽缝，以便形成一个绕组区域，电流在所述绕组区域内流动，以便沿杯状元件的轴线方向产生一个纵向磁场，所述方法包括由下述操作步骤：
环绕所述杯状元件的轴线相对于一个加工工具以预定的旋转进给角度使得该杯状元件发生旋转；和
在所述杯状元件旋转的过程中，沿该杯状元件的轴线方向相对于该杯状元件进给所述加工工具，以便形成槽缝，该槽缝在所述杯状元件的圆周上从该杯状元件的第一端部开始向其第二端部弯折但连续延伸，其中所述第二端部与第一端部相对。
7.如权利要求6中所述制造真空断路器中的电极的方法，其特征在于：所述旋转操作和进给操作交替进行。
8.如权利要求6中所述制造真空断路器中的电极的方法，其特征在于：所述旋转操作和进给操作间歇进行。
9.如权利要求6中所述制造真空断路器中的电极的方法，其特征在于：所述加工工件是一个钻头。
10.一种真空断路器，包括有：
一对第一电极和第二电极，所述第二电极与第一电极相对，各个所述第一电极和第二电极均包括有：
一个杯状元件，该杯状元件具有一个开口，并且其圆周被制成带有一条槽缝，以便形成一个绕组区域，电流在所述绕组区域内流动，以便沿所述杯状元件的轴线方向产生一个纵向磁场，所述槽缝在所述杯状元件的圆周上从该杯状元件的第一端部开始向其第二端部弯折但连续延伸，其中所述第二端部与第一端部相对；和
一个触头，该触头被加工成一个盘状平板，并且用于封闭所述杯状元件上的开口。
11.如权利要求10中所述的真空断路器，其特征在于：各个所述第一电极和第二电极中的弯折槽缝被制成阶梯状。
12.如权利要求10中所述的真空断路器，其特征在于：所述弯折槽缝中包括有：
具有第一端部的第一直线段，该第一端部大致垂直于所述触头的一个镜对称表面，该镜对称表面用于封闭所述杯状元件上的开口，和
被连续地连接在所述第一直线段的第二端部上的第二直线段，所述第二端部与该第一直线段的第一端部相对；并且
所述第一直线段与第二直线段形成一个倾斜角度。
13.如权利要求10中所述的真空断路器，其特征在于：所述弯折槽缝为复数。
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