DE102014015061A1

DE102014015061A1 - Bidirektionale elektrische Gleichstromschaltvorrichtungen einschließlich kleiner Permanentmagnete an ferromagnetischen Seitenbauteilen und eines Satzes von Lichtbogenlöschplatten

Info

Publication number: DE102014015061A1
Application number: DE201410015061
Authority: DE
Inventors: Mark Allan Juds; Xin Zhou; Amogh Vilas Kank; Paul Jason Rollmann
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2034-10-16
Also published as: GB201418983D0; US20150114934A1; CN104599915A; MX2014013236A; BR102014025095A2; US9343251B2; DE102014015061B4; AU2014216055B2; MX353788B; JP2015088477A; FR3012662A1; JP6444103B2; AU2014216055A1; GB2521731A; CA2860538A1; CN104599915B; GB2521731B

Abstract

Elektrische Schaltvorrichtung zur bidirektionalen Gleichstrom(DC)-Schaltung und -unterbrechung, die versehen ist mit trennbaren Kontakten, einem zum Öffnen und Schließen der trennbaren Kontakte ausgelegten Betätigungsmechanismus, und mit einer Löschkammer. Die Löschkammer umfasst zwei ferromagnetische Seitenbauteile mit jeweils einer ersten Seite und einer gegenüberliegenden zweiten Seite, wobei die erste Seite eines zweiten ferromagnetischen Seitenbauteils der ersten Seite eines ersten ferromagnetischen Seitenbauteils zugewandt ist; einen an der ersten Seite des ersten ferromagnetischen Seitenbauteils angeordneten ersten Permanentmagnet; einen an der ersten Seite des zweiten ferromagnetischen Seitenbauteils angeordneten zweiten Permanentmagnet; sowie einen einzelnen Satz einer Mehrzahl von zwischen den Permanentmagneten angeordneten Lichtbogenlöschplatten. Die Permanentmagnete haben eine wesentlich kleinere Größe als jedes der Seitenbauteile. Die Löschkammer ist in zwei Lichtbogenkammern unterteilt, die jeweils für eine entsprechende Richtung des DC-Durchflusses durch die Kontakte vorgesehen sind.

Description

HINTERGRUND
Gebiet
Die offenbarte Erfindung bezieht sich allgemein auf elektrische Schaltvorrichtungen und genauer auf bidirektionale elektrische Gleichstromschaltvorrichtungen wie z. B. Leistungsschalter, die eine Löschkammer beinhalten.
Hintergrundinformationen
Elektrische Schaltvorrichtungen, die der Luft ausgesetzte trennbare Kontakte verwenden, können zum Öffnen eines Stromkreises vorgesehen werden, der hohe Stromstärken aufweisen kann. In diesen elektrischen Schaltvorrichtungen wie z. B. Leistungsschaltern treten typischerweise Lichtbögen auf, wenn sich die Kontakte trennen, und sie schließen im Allgemeinen Löschkammern ein, die zum Löschen des Lichtbogens beitragen. Derartige Löschkammern weisen typischerweise eine Mehrzahl von elektrisch leitenden Platten auf, die durch ein elektrisch isolierendes Gehäuse in einer mit Abstand angeordneten Beziehung um die trennbaren Kontakte herum gehalten werden. Der Lichtbogen überträgt sich zu den Lichtbogenplatten, wo er bis zu seinem Erlöschen gestreckt und gekühlt wird.
Typischerweise sind kompakte Leistungsschalter („molded case circuit breakers”; MCCBs) nicht spezifisch für einen Einsatz in Gleichstrom(DC)-Anwendungen ausgelegt. Wenn konventionelle Wechselstrom(AC)-MCCBs in DC-Anwendungen eingesetzt werden sollen, werden mehrere Pole elektrisch in Reihe verbunden, um die erforderliche Unterbrechungs- oder Schaltleistung basierend auf der erwünschten System-DC-Spannung und dem erwünschten System-DC-Strom zu bewerkstelligen.
Eine der Herausforderungen in der DC-Unterbrechung besteht in der Hinführung des Lichtbogens zu der Lichtbogenunterbrechungskammer, insbesondere bei relativ niedrigen Strompegeln. Einige bestehende DC-Schaltvorrichtungen verwenden Permanentmagnete zum Hinführen des Lichtbogens in die Lichtbogenlöschplatten. Allerdings stellen sie entweder eine nur unidirektionale Stromunterbrechung bereit oder sie fallen durch die Verwendung von zwei getrennten Lichtbogenkammern zur Bewerkstelligung einer bidirektionalen Leistungsfähigkeit relativ groß aus.
Somit besteht ein Spielraum für Verbesserungen in bidirektionalen elektrischen Gleichstromschaltvorrichtungen.
ZUSAMMENFASSUNG
Diese und weitere Verbesserungen werden durch Ausführungsformen der offenbarten Erfindung bewerkstelligt, in denen eine elektrische Schaltvorrichtung zur bidirektionalen Gleichstromschaltung und -unterbrechung bereitgestellt ist. Die elektrische Schaltvorrichtung ist versehen mit trennbaren Kontakten, einem zum Öffnen und Schließen der trennbaren Kontakte ausgelegten Betätigungsmechanismus, und mit einer Löschkammer, die versehen ist mit einem ersten ferromagnetischen Seitenbauteil mit einer ersten Seite und einer gegenüberliegenden zweiten Seite, einem zweiten ferromagnetischen Seitenbauteil mit einer ersten Seite und einer gegenüberliegenden zweiten Seite, wobei die erste Seite des zweiten ferromagnetischen Seitenbauteils der ersten Seite des ersten ferromagnetischen Seitenbauteils zugewandt ist, einem an der ersten Seite des ersten ferromagnetischen Seitenbauteils angeordneten ersten Permanentmagnet, einem an der ersten Seite des zweiten ferromagnetischen Seitenbauteils angeordneten zweiten Permanentmagnet, und einem einzelnen Satz einer Mehrzahl von zwischen dem ersten und dem zweiten Permanentmagneten angeordneten Lichtbogenlöschplatten; wobei der erste und der zweite Permanentmagnet eine wesentlich kleinere Größe als jedes der ersten und zweiten ferromagnetischen Seitenbauteile aufweist; wobei die Löschkammer in zwei Lichtbogenkammern unterteilt ist, und wobei jede der beiden Lichtbogenkammern für eine entsprechende Richtung des Gleichstromdurchflusses durch die trennbaren Kontakte vorgesehen ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein umfängliches Verständnis der offenbarten Erfindung ergibt sich aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen, in welchen:
1 eine isometrische Ansicht einer Leistungsschalter-Löschkammer einschließlich relativ kleiner Permanentmagnete an ferromagnetischen Seitenwänden und eines Satzes von Lichtbogenlöschplatten gemäß Ausführungsformen der offenbarten Erfindung ist.
2A eine isometrische Ansicht eines Bereiches der Löschkammer von 1 ist, in der die Lichtbogenlöschplatten nichtmagnetische Lichtbogenlöschplatten sind.
2B eine isometrische Ansicht eines Bereiches einer weiteren Löschkammer einschließlich einem von zwei Permanentmagneten, einer von zwei ferromagnetischen Seitenwänden, und eines magnetischen Bereiches einer Mehrzahl von Lichtbogenlöschverbundplatten gemäß einer Ausführungsform der offenbarten Erfindung ist.
3 ein Schaubild eines magnetischen Finite-Elemente-Analysefeldes für eine vorgängige gerade ferromagnetische Seitenwand und Permanentmagnetstruktur ist, das die Anordnung eines magnetischen Nullpunktes und eine Linie der Magnetfeldumkehrung zeigt.
4 ein Schaubild eines magnetischen Finite-Elemente-Analysefeldes für die Leistungsschalter-Löschkammer von 2A ist, in dem dargestellt ist, dass die Position des magnetischen Nullpunktes und die Linie der Magnetfeldumkehrung nach rechts mit Bezug auf das Schaubild von 3 bewegt werden.
5 ein Schaubild eines magnetischen Finite-Elemente-Analysefeldes für die Löschkammer von 2B ist, in dem dargestellt ist, dass die Position des magnetischen Nullpunktes und die Linie der Magnetfeldumkehrung nach rechts mit Bezug auf das Schaubild von 3 bewegt werden.
6 eine vereinfachte Draufsicht der Löschkammer von 2A ist.
7 eine vereinfachte Draufsicht der Löschkammer von 2B ist.
8 eine isometrische Ansicht einer Löschkammer einschließlich relativ kleiner Permanentmagnete an ferromagnetischen Seitenwänden, einer ferromagnetischen Rückwand und eines Satzes von Lichtbogenlöschverbundplatten gemäß einer Ausführungsform der offenbarten Erfindung ist.
9 eine vereinfachte Draufsicht der Löschkammer von 8 ist.
10 ein Magnetfeld-Schaubild für die Löschkammer von 8 ist, außer dass hier nichtmagnetische Lichtbogenlöschplatten verwendet werden, in welchen kein magnetischer Nullpunkt und keine Magnetfeldumkehrung gemäß einer Ausführungsform der offenbarten Erfindung vorhanden ist.
11 ein Magnetfeld-Schaubild für die Löschkammer von 8 ist, in der kein magnetischer Nullpunkt und keine Magnetfeldumkehrung vorliegt.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff „Anzahl” mindestens 1 oder eine Ganzzahl, die größer als 1 ist (d. h. eine Mehrzahl).
Wie hier verwendet soll die Aussage, dass zwei oder mehrere Bauteile miteinander „verbunden” oder „verkoppelt” sind, den Umstand bezeichnen, dass diese Bauteile entweder direkt miteinander oder durch ein oder mehrere Zwischenbauteile miteinander zusammengeschlossen sind.
Die offenbarte Erfindung verwendet eine Permanentmagnet-Anordnung und eine einzelne Ruhekontaktstruktur zur Bewerkstelligung einer bidirektionalen Gleichstrom(DC)-Schalt- und Unterbrechungsfähigkeit auch bei relativ niedrigen Strompegeln. Dies verbessert die Ausrichtung des Magnetfeldes, das einen Lichtbogen in eine von zwei Lichtbogenkammern leitet (in Abhängigkeit von der DC-Stromrichtung) und den Lichtbogen aufteilt.
Auf 1 Bezug nehmend ist eine elektrische Schaltvorrichtung wie z. B. der exemplarische Leistungsschalter 2 für eine bidirektionale DC-Schaltung und -Unterbrechung ausgelegt. Der Leistungsschalter 2 umfasst trennbare Kontakte 4, einen zum Öffnen und Schließen der trennbaren Kontakte 4 ausgelegten Betätigungsmechanismus 6, sowie eine Löschkammer 8. In diesem Beispiel sind die trennbaren Kontakte 4 eine einzelne Ruhekontaktstruktur. Die Löschkammer 8 umfasst ein erstes ferromagnetisches Seitenbauteil 10 (das im nicht einschränkenden Sinne z. B. aus Stahl bestehen kann) mit einer ersten Seite 12 und einer gegenüberliegenden zweiten Seite 14, sowie ein zweites ferromagnetisches Seitenbauteil 16 (das im nicht einschränkenden Sinne z. B. aus Stahl bestehen kann) mit einer ersten Seite 18 und einer gegenüberliegenden zweiten Seite 20. Die erste Seite 18 des zweiten ferromagnetischen Seitenbauteils 16 ist der ersten Seite 12 des ersten ferromagnetischen Seitenbauteils 10 zugewandt. Ein erster Permanentmagnet 22 ist an der ersten Seite 12 des ersten ferromagnetischen Seitenbauteils 10 angeordnet, und ein zweiter Permanentmagnet 24 ist an der ersten Seite 18 des zweiten ferromagnetischen Seitenbauteils 16 vorgesehen. Ein einzelner Satz 26 aus einer Mehrzahl von Lichtbogenlöschplatten 28 ist zwischen dem ersten und dem zweiten Permanentmagnet 22, 24 angeordnet, die eine wesentlich kleinere Größe (wie am einfachsten in den 2A und 2B ersichtlich) als jedes der ersten und zweiten ferromagnetischen Seitenbauteile 10, 16 aufweist. Die Löschkammer 8 ist in zwei Lichtbogenkammern 30, 32 unterteilt, die jeweils für eine entsprechende Richtung des Gleichstromdurchflusses durch die trennbaren Kontakte 4 vorgesehen sind.
2A zeigt einen Bereich der Löschkammer 8 von 1 einschließlich des ferromagnetischen Seitenbauteils 10, des relativ kleinen Permanentmagneten 22 und der Lichtbogenlöschplatten 28, die aus einem nichtmagnetischen Material gefertigt sind.
2B stellt einen Bereich einer weiteren Löschkammer 8' (am einfachsten in 7 ersichtlich) einschließlich des ersten Permanentmagneten 22, des ersten ferromagnetischen Seitenbauteils 10, und eines magnetischen Bereiches 64 einer Mehrzahl von Lichtbogenlöschverbundplatten 28'' dar.
Wie in 7 dargestellt sind der erste und der zweite Permanentmagnet 22, 24 sowie die ersten und zweiten ferromagnetischen Seitenbauteile 10, 16 mit einer elektrischen Isolierung 34 ummantelt, um ein Kurzschließen der Lichtbogensäule zu vermeiden. Die ferromagnetischen Seitenbauteile 10, 16 und die Permanentmagnete 22, 24 sind elektrisch leitend und elektrisch isoliert, um die Lichtbogenspannung aufrechtzuerhalten und die Unterbrechung zu bewerkstelligen. Andernfalls würde sich der elektrische Strom des Lichtbogens in die elektrisch leitenden ferromagnetischen (im nicht einschränkenden Sinne z. B. aus Stahl bestehenden) und in die permanentmagnetischen Materialien hinein bewegen; die Lichtbogenspannung würde signifikant verringert werden und es könnte keine Unterbrechung aufrechterhalten werden.
Die Lichtbogenlöschplatten 28 (1) können nichtmagnetische Lichtbogenlöschplatten 28' (6) oder Lichtbogenlöschverbundplatten 28'' (7) mit einem magnetischen Zwischenbereich 64 sein (der im nicht einschränkenden Sinne z. B. aus magnetischem Stahl oder Kohlenstoffstahl gefertigt ist). Die Lichtbogenlöschplatten 28' von 6 sind nichtmagnetisch, denn anderenfalls würde das Magnetfeld von dem ersten und dem zweiten Permanentmagnet 22, 24 in dem Bereich der Lichtbogenlöschplatten 28' signifikant verringert werden. Es ist wichtig, dass das Magnetfeld in dem Lichtbogensplitter-Bereich groß genug ausfällt, um den Lichtbogen in die Splitterplatten 28' zu führen und dort zu halten, damit eine Stromunterbrechung bewerkstelligt werden kann. Wahlweise und wie in 7 dargestellt werden die Lichtbogenlöschplatten 28'' mit dem magnetischen Zwischenbereich 64 angefertigt, der das Magnetfeld in dem Lichtbogensplitter-Bereich und an den geschlossenen trennbaren Kontakten 4 erhöht (1).
3 zeigt ein Schaubild 40 eines magnetischen Finite-Elemente-Analysefeldes für eine gerade ferromagnetische Seitenwand und eine (nicht dargestellte) vorgängige Permanentmagnetstruktur. Das Schaubild beinhaltet eine Position eines magnetischen Nullpunktes 42 und eine Linie der Magnetfeldumkehrung 44. Hier liegen der Nullpunkt 42 und die Feldumkehrung 44 relativ viel enger an den geschlossenen trennbaren Kontakten 46 und den Lichtbogenlöschplatten 50. In denjenigen Fällen, in denen die Größe der Lichtbogensäule bei relativ hohen Strompegeln zu groß ist, könnte der Lichtbogen den Nullpunkt 42 durchqueren und in das umgekehrte Feld eintreten, wodurch der Lichtbogen weg von den Lichtbogenlöschplatten 50 gezogen wird.
Die relativ kleinen (1 und 2A–2B) und relativ großen (3) Permanentmagnet-Konfigurationen verfügen beide über Permanentmagneten, die das Magnetfeld in die ferromagnetische Seitenbauteile leiten. In 3 bewirkt ein relativ großer Permanentmagnet 51, dass das Magnetfeld in ein ferromagnetisches Seitenbauteil 52 eintritt und von einem ferromagnetischen Material 53 an der linken Seite (mit Bezug auf 3) aus sowie von der Luft an der rechten Seite aus (mit Bezug auf 3) in einen Kontaktbereich zurückkehrt. Somit ist der magnetische Nullpunkt 42 dort, wo sich die Felder treffen. Wäre die Geometrie perfekt symmetrisch, würde sich der magnetische Nullpunkt 42 im Zentrum des Permanentmagneten 51 befinden. Allerdings bewirkt das ferromagnetische Material 53, dass der magnetische Nullpunkt 42 etwas rechts vom Zentrum liegt (rechts von den geschlossenen trennbaren Kontakten 46). Ebenfalls tritt eine zweite Magnetfeldumkehrung 54 (z. B. ein relativ kleiner Flusskreislauf) an der linken Kante (mit Bezug zu 3) des Permanentmagneten 51 auf, wodurch bewirkt wird, dass der Lichtbogen an dieser Position stoppt, womit er in den Lichtbogenlöschplatten 50 gehalten wird, um eine relativ hohe Lichtbogenspannung aufrechtzuerhalten und die Stromunterbrechung zu bewerkstelligen.
4 stellt ein Schaubild 64 eines magnetischen Finite-Elemente-Analysefeldes für die Löschkammer 8 von 2A dar. Die Position des magnetischen Nullpunktes 60 und die Linie der Magnetfeldumkehrung 62 sind mit Bezug zu 4 nach rechts verschoben. Im Einzelnen sind der magnetische Nullpunkt 60 und die Magnetfeldumkehrung 62 von den geschlossenen trennbaren Kontakten 4 entfernt und von den Lichtbogenlöschplatten 28 noch weiter entfernt angeordnet. Die Permanentmagnete 22, 24 (1) bilden das Magnetfeld aus, drängen den Magnetfeld-Nullpunkt 60 sowie die Magnetfeldumkehrung 62 von den Lichtbogenlöschplatten 28 weg, und steigern die Größe des Magnetfeldes benachbart zu den geschlossenen trennbaren Kontakten 4. Das Magnetfeld zieht eine Lichtbogenzündung zwischen den trennbaren Kontakten 4, wenn diese sich von einer geschlossenen zu einer offenen Stellung bewegen, unabhängig von der anfänglichen Bewegungsrichtung des Lichtbogens zu den Lichtbogenlöschplatten 28 hin.
Erneut auf 1 Bezug nehmend bewirken die Permanentmagnete 22, 24, dass das Magnetfeld in eines der jeweiligen ferromagnetischen Seitenbauteile 10, 16 eintritt und von der Luft an einer Seite und dem anderen ferromagnetischen Seitenbauteil 10 oder 16 an der anderen Seite in einen Bereich der geschlossenen trennbaren Kontakte 4 zurückkehrt. Die Permanentmagnete 22, 24 sind an ersten Kanten 11, 17 der ferromagnetischen Seitenbauteile 10 bzw. 16 distal von den trennbaren Kontakten 4 angeordnet. Eine Erweiterung der ferromagnetischen Seitenbauteile 10, 16 zu den trennbaren Kontakten 4 bewirkt, dass das Magnetfeld zu einem der entsprechenden Permanentmagnete 22, 24 geleitet wird. Der magnetische Nullpunkt 60 (4) befindet sich an der gegenüberliegenden zweiten Kante 61 der ferromagnetischen Seitenbauteile 10, 16 distal von den trennbaren Kontakten 4. Die zweite Magnetfeldumkehrung 62 bei ungefähr den ersten Kanten 11, 17 der ferromagnetischen Seitenbauteile 10, 16 bewirkt, dass eine Lichtbogenzündung zwischen den trennbaren Kontakten 4 an den ersten Kanten 11 oder 17 gestoppt wird. Das Magnetfeld wird bei ungefähr einer Seite der trennbaren Kontakte 4 distal von der gegenüberliegenden zweiten Kante 61 der ferromagnetischen Seitenbauteile 10, 16 in der geschlossenen Stellung der trennbaren Kontakte 4 gesteigert. Das Magnetfeld bewirkt, dass sich der Lichtbogen zu den Lichtbogenlöschplatten 28 hin bewegt.
Die offenbarte Erfindung verwendet die relativ kleinen Permanentmagnete 22, 24 an den jeweiligen ferromagnetischen Seitenbauteilen 10, 16 der die beiden Lichtbogenkammern 30, 32 ausbildenden Löschkammer 8, und sie benutzt die Lichtbogenlöschplatten 28', die aus den nichtmagnetischen (6) oder Lichtbogenlöschverbundplatten 28'' mit dem magnetischen Zwischenbereich 64 bestehen (7), um die Größe und Ausrichtung des Magnetfeldes zu verbessern, das den Lichtbogen in die Lichtbogenlöschplatten 28, 28', 28'' drängt. Die verbesserte Magnetfeldausrichtung drängt den Magnetfeld-Nullpunkt und die Feldumkehrung weg von den Löschkammern 8, 8', und sie erhöht die Größe des Magnetfeldes in der Nähe der geschlossenen trennbaren Kontakte 4 (1) (z. B. dort wo der Lichtbogen ausgelöst wird, wenn sich die Kontakte anfänglich zu trennen beginnen). Dadurch kann das Magnetfeld den Lichtbogen unabhängig von der anfänglichen Bewegungsrichtung des Lichtbogens zu den Lichtbogenlöschplatten 28, 28', 28'' hin ziehen.
Die relativ kleinen Permanentmagnete 22, 24 von 1 bewirken, dass das Magnetfeld in eines der ferromagnetischen Seitenbauteile 10, 16 fließt und von der Luft auf der linken Seite aus (mit Bezug auf 1) sowie von dem ferromagnetischen Seitenbauteil an der rechten Seite aus (mit Bezug auf 1) in den Kontaktbereich zurückkehrt. Die Permanentmagnete 22, 24 sind an den linken Kanten 11, 17 (mit Bezug auf 1) der ferromagnetischen Seitenbauteile 10, 16 angeordnet. Dadurch bewirken die sich nach rechts (mit Bezug auf 1) erstreckenden ferromagnetischen Seitenbauteile 10, 16, dass das Magnetfeld zu den Permanentmagneten 22, 24 nach links (mit Bezug auf 1) geleitet wird, und der magnetische Nullpunkt 60 befindet sich nahezu fast an der rechten Kante 61 (mit Bezug auf 1) der ferromagnetischen Seitenbauteile 10, 16. Ebenfalls vollzieht sich die zweite Magnetfeldumkehrung 62 (z. B. eine relativ kleine Flussschleife) an den linken Kanten 11 oder 17 (mit Bezug auf 1) der Permanentmagnete 22 bzw. 24, wodurch der Lichtbogen an dieser Position gestoppt und in den Splitterplatten 28 gehalten wird, um eine hohe Lichtbogenspannung beizubehalten und die Stromunterbrechung zu bewerkstelligen.
Das erhöhte Magnetfeld befindet sich in der Nähe der rechten Seite (mit Bezug auf 1) der geschlossenen trennbaren Kontakte 4. Der magnetische Nullpunkt 60 bewirkt, dass die Größe des Magnetfeldes auf Null abfällt, und die Richtung des Magnetfeldes wird zu der rechten Seite (mit Bezug auf 1) des magnetischen Nullpunktes 60 umgekehrt. Wenn daher ein Lichtbogen an der rechten Kante (mit Bezug auf 3) der geschlossenen trennbaren Kontakte 46 entzündet wird und sich der magnetische Nullpunkt 42 nahe an der rechten Kante (mit Bezug auf 3) der geschlossenen trennbaren Kontakte 46 befindet (wie z. B. bei der Konfiguration von 3 mit einem relativ großen Permanentmagnet), wird sich der Lichtbogen in einem Magnetfeld mit sehr niedriger Größe befinden, in dem er sich zufällig zu der rechten Seite (mit Bezug auf 3) bewegen kann (aufgrund anderer Kräfte wie z. B. dem Gasdruck, dem Ausgasungsdruck der Wandisolierung, einer chemischen Verunreinigung an den Kontakten, Leitern oder der Wandisolierung) und in einen Bereich eintritt, indem das Magnetfeld den Lichtbogen dazu drängt, sich nach rechts weg von den Splitterplatten 28 (mit Bezug auf 3) zu bewegen, was der falsche Weg wäre. Die Konfiguration von 1 mit relativ kleinem Permanentmagneten weist einen relativ sehr umfänglichen Bereich zwischen der rechten Kante der geschlossenen trennbaren Kontakte 4 und dem magnetischen Nullpunkt 60 auf, bei dem das Magnetfeld eine Bewegung des Lichtbogens nach links (mit Bezug auf 1) zu den Lichtbogenlöschplatten 28 hin bewirkt.
5 zeigt ein Schaubild 66 eines magnetischen Finite-Elemente-Analysefeldes für die Löschkammer 8' von 2B. Die Anordnung des magnetischen Nullpunktes 60 und die Linie der Magnetfeldumkehrung 62 sind mit Bezug auf 3 nach rechts verschoben.
6 stellt eine vereinfachte Draufsicht der Löschkammer 8 von 1 mit den relativ kleinen Permanentmagneten 22, 24 an den jeweiligen ferromagnetischen Seitenbauteilen 10, 16 und den nichtmagnetischen Lichtbogenlöschplatten 28' dar (die im nicht einschränkenden Sinne z. B. aus Kupfer oder rostfreiem Stahl bestehen können). Ferner umfasst die Löschkammer 8 einen isolierenden Unterteiler 68. Die beiden Lichtbogenkammern 30, 32 werden durch den elektrisch isolierenden Unterteiler 68 (im nicht einschränkenden Sinne z. B. ein relativ dünner Zwischenunterteiler aus Kunststoff) unterteilt, der den einzelnen Satz 26 der Lichtbogenlöschplatten 28' in die erste Lichtbogenkammer 30 und die benachbarte zweite Lichtbogenkammer 32 aufteilt. Dies begrenzt den Lichtbogen auf den Bereich, wo das Magnetfeld zum Beibehalten des Lichtbogens in den Lichtbogenlöschplatten 28' ausgerichtet ist. Sollte der Lichtbogen expandieren oder über das Zentrum der Lichtbogenlöschplatten 28' driften können, wird er einer Kraft nach links (mit Bezug auf 6) und in einer Richtung weg von den Splitterplatten 28' (mit Bezug auf 6), die die falsche Richtung wäre, ausgesetzt.
Ein Lichtbogen 78 mit einer ersten Polung interagiert mit dem Magnetfeld 80 in 6, um sich zu der Lichtbogensplitter-Platte 28' hin zu bewegen. Ein gegenüberliegender Lichtbogen 78' mit zweiter Polung interagiert mit dem Magnetfeld 80', um sich zu der Lichtbogensplitter-Platte 28' hin zu bewegen.
Die Lichtbogenlöschplatten 28' sind aus einem nichtmagnetischen Material gefertigt (ohne Begrenzung z. B. Kupfer oder ein nichtmagnetischer rostfreier Stahl wie z. B. austenitischer rostfreier Stahl). In 6 gibt es keine senkrechte Stahlplatte im Zentrum der Lichtbogenlöschplatten 28'. Dort kann der exemplarische elektrisch isolierende Unterteiler 68 oder gar kein Isolator vorgesehen werden. Die Permanentmagnete 22, 24 sind so breit und dick wie möglich. Die Kante 23 der Permanentmagnete 22, 24, die den trennbaren Kontakten 4 und dem Betätigungsmechanismus 6 zugewandt ist (1), befindet sich vorzugsweise ungefähr in der Mitte oder ist näher zu der Rückseite der Lichtbogenlöschplatten 28' angeordnet. Die Lichtbogenlöschplatten 28' weisen einen den trennbaren Kontakten 4 zugewandten (1) ersten Bereich 29, einen gegenüberliegenden zweiten Bereich 31 sowie einen Zwischenbereich 33 auf, der zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich angeordnet ist. Die Kante 23 der Permanentmagnete 22, 24, die den trennbaren Kontakten 4 zugewandt ist (1), liegt zwischen dem Zwischenbereich 33 und dem zweiten Bereich 31.
7 zeigt eine vereinfachte Aufsicht der Löschkammer 8' von 2B. Diese umfasst die relativ kleinen Permanentmagnete 22, 24 an den ferromagnetischen Seitenbauteilen 10, 16 und den magnetischen Zwischenbereich 64 (der im nicht einschränkenden Sinne z. B. aus Kohlenstoffstahl angefertigt sein kann) zwischen den beiden Lichtbogenlöschverbundplattenbereichen 70, 72 (die im nicht einschränkenden Sinne z. B. aus einem nichtmagnetischen Material wie Kupfer oder einem nichtmagnetischen rostfreiem Stahl bestehen können). Der magnetische Zwischenbereich 64 ist etwa 3 mm breit (z. B. die senkrechte Abmessung von 7). Der magnetische Zwischenbereich 64 und die beiden Lichtbogenlöschverbundplattenbereiche 70, 72 sind entlang Kanten 63, 65 des magnetischen Zwischenbereiches 64 miteinander verkoppelt (z. B. im nicht einschränkenden Sinne verschweißt).
Die 8 und 9 stellen eine weitere Löschkammer 8'' einschließlich der relativ kleinen Permanentmagnete 22, 24 an den ferromagnetischen Seitenbauteilen 10, 16 und eines dritten Permanentmagneten 74 dar, der an einem ferromagnetischen rückwärtigen Bauteil 76 angeordnet ist, das zwischen den ersten und zweiten ferromagnetischen Seitenbauteilen 10, 16 und den Lichtbogenlöschverbundplatten 28'' (7) vorgesehen ist. Die Permanentmagnete 22, 24, 74 und die ferromagnetischen Bauteile 10, 16, 76 sind mit einer elektrischen Isolierung 34 ummantelt, um ein Kurzschließen der Lichtbogensäule zu verhindern. Die Löschkammer 8'' enthält einen einzelnen Satz von Lichtbogenlöschverbundplatten 28'' und ist in die beiden Lichtbogenkammern 30, 32 unterteilt, die durch den elektrisch isolierenden Unterteiler 68 ausgebildet sind, der die Lichtbogenlöschplatten 28'' in die erste Lichtbogenkammer 30 und in die benachbarte zweite Lichtbogenkammer 32 unterteilt. Wahlweise kann der einzelne Satz von Lichtbogenlöschplatten 28' (6) verwendet werden. Das ferromagnetische rückwärtige Bauteil 76 ist den beiden Lichtbogenkammern 30, 32 zugewandt. Ein Magnetfeld von dem dritten Permanentmagneten 74 ist in der gleichen Richtung wie derjenigen eines Magnetfeldes an den trennbaren Kontakten 4 (1) in ihrer geschlossenen Stellung ausgerichtet. Dies führt zu einem erhöhten Magnetfeld in dem Bereich der geschlossenen trennbaren Kontakte 4 und es besteht kein Magnetfeld-Nullpunkt. Beispielsweise und im nicht einschränkenden Sinne steigert das Hinzufügen des magnetischen Zwischenbereiches 64 zwischen die beiden Lichtbogenlöschplattenbereiche 70, 72 diesen Effekt.
10 zeigt ein Magnetfeld-Schaubild 80 für die Löschkammer 8'' der 8 und 9, jedoch mit dem Unterschied, dass die nichtmagnetischen Lichtbogenplatten 28' (2A) verwendet werden. Hier gibt es keinen Magnetfeld-Nullpunkt und keine Magnetfeldumkehrung an einer Position hinter den trennbaren Kontakten 4 und distal von den Lichtbogenplatten 28'.
11 stellt ein Magnetfeld-Schaubild 82 für die Löschkammer 8'' der 8 und 9 einschließlich der Lichtbogenlöschverbundplatten 28'' (7) dar. Hier gibt es ebenfalls keinen magnetischen Nullpunkt und keine Magnetfeldumkehrung. Weiterhin ist die Größe des Magnetfeldes in der Nähe der geschlossenen trennbaren Kontakte 4 erhöht (1). Dies verbessert die Ausrichtung des Magnetfeldes, das den Lichtbogen in eine der beiden Lichtbogenkammern 30, 32 (9) (in Abhängigkeit von der Stromrichtung) drängt und den Lichtbogen aufteilt.
Obgleich spezifische Ausführungsformen der offenbarten Erfindung ausführlich beschrieben worden sind, versteht sich für die Fachleute, dass verschiedene Modifikationen und Alternativen von Einzelheiten angesichts der vorliegenden Erfindung entwickelt werden können. Dementsprechend verstehen sich die jeweiligen offenbarten Anordnungen lediglich als beispielhaft und beabsichtigen nicht, den Rahmen der offenbarten Erfindung einzugrenzen, welcher durch die volle Breite der beiliegenden Ansprüche und all ihrer Äquivalente bestimmt wird.
Bezugszeichenliste

2: elektrische Schaltvorrichtung wie z. B. der exemplarische Leistungsschalter
4: trennbare Kontakte
6: ein Betätigungsmechanismus
8: Löschkammer
8': Löschkammer
8'': Löschkammer
10: erstes ferromagnetisches Seitenbauteil
11: erste Kante
12: erste Seite
14: gegenüberliegende zweite Seite
16: zweites ferromagnetisches Seitenbauteil
17: erste Kante
18: erste Seite
20: gegenüberliegende zweite Seite
22: erster Permanentmagnet
23: Kante
24: zweiter Permanentmagnet
26: einzelner Satz
28: Mehrzahl von Lichtbogenlöschplatten
28': nichtmagnetische Lichtbogenlöschplatten
28'': Lichtbogenlöschverbundplatten
29: erster Bereich
30: Lichtbogenkammer
31: zweiter Bereich
32: Lichtbogenkammer
33: Zwischenbereich
34: elektrische Isolierung
40: Schaubild eines magnetischen Finite-Elemente-Analysefeldes
42: magnetischer Nullpunkt
44: Linie der Magnetfeldumkehrung
46: geschlossene trennbare Kontakte
50: Lichtbogenlöschplatten
51: Permanentmagnet
52: ferromagnetisches Seitenbauteil
53: ferromagnetisches Material
54: zweite Magnetfeldumkehrung
60: magnetischer Nullpunkt
61: zweite Kante
62: zweite Magnetfeldumkehrung
63: Kante
64: magnetischer Zwischenbereich
65: Kante
66: Schaubild eines magnetischen Finite-Elemente-Analysefeldes
68: isolierender Unterteiler
70: Lichtbogenlöschverbundplattenbereich
72: Lichtbogenlöschverbundplattenbereich
74: dritter Permanentmagnet
76: rückwärtiges ferromagnetisches Bauteil
78: Lichtbogen mit erster Polung
78': gegenüberliegender Lichtbogen mit zweiter Polung
80: Magnetfeld
80': Magnetfeld

Claims

Elektrische Schaltvorrichtung zur bidirektionalen Gleichstromschaltung und -unterbrechung, wobei die elektrische Schaltvorrichtung versehen ist mit: trennbaren Kontakten; einem zum Öffnen und Schließen der trennbaren Kontakte ausgelegten Betätigungsmechanismus; und einer Löschkammer, die versehen ist mit: einem ersten ferromagnetischen Seitenbauteil mit einer ersten Seite und einer gegenüberliegenden zweiten Seite; einem zweiten ferromagnetischen Seitenbauteil mit einer ersten Seite und einer gegenüberliegenden zweiten Seite, wobei die erste Seite des zweiten ferromagnetischen Seitenbauteils der ersten Seite des ersten ferromagnetischen Seitenbauteils zugewandt ist; einem an der ersten Seite des ersten ferromagnetischen Seitenbauteils angeordneten ersten Permanentmagnet; einem an der ersten Seite des zweiten ferromagnetischen Seitenbauteils angeordneten zweiten Permanentmagnet; und einem einzelnen Satz einer Mehrzahl von Lichtbogenlöschplatten, die zwischen dem ersten und dem zweiten Permanentmagnet angeordnet sind, wobei der erste und der zweite Permanentmagnet eine wesentlich kleinere Größe als jedes der ersten und zweiten ferromagnetischen Seitenbauteile aufweist, wobei die Löschkammer in zwei Lichtbogenkammern unterteilt ist, und wobei jede der beiden Lichtbogenkammern für eine entsprechende Richtung des Gleichstromdurchflusses durch die trennbaren Kontakte vorgesehen ist.
Elektrische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 wobei der erste und der zweite Permanentmagnet und das erste und das zweite ferromagnetische Seitenbauteil mit einer elektrischen Isolierung ummantelt sind.
Elektrische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Löschkammer ferner einen isolierenden Unterteiler aufweist; und wobei die beiden Lichtbogenkammern durch den isolierenden Unterteiler ausgebildet sind, der die Lichtbogenlöschplatten in eine erste Lichtbogenkammer und eine benachbarte zweite Lichtbogenkammer der beiden Lichtbogenkammern aufteilt.
Elektrische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtbogenlöschplatten aus einem nichtmagnetischen Material bestehen.
Elektrische Schaltvorrichtung nach Anspruch 4, wobei das nichtmagnetische Material aus der aus Kupfer und einem nichtmagnetischen rostfreien Stahl bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Elektrische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der Lichtbogenlöschplatten zwei Lichtbogenlöschverbundplattenbereiche und dazwischen einen magnetischen Zwischenbereich umfasst.
Elektrische Schaltvorrichtung nach Anspruch 6, wobei der magnetische Zwischenbereich aus Kohlenstoffstahl gefertigt ist und die beiden Lichtbogenlöschverbundplattenbereiche aus einem nichtmagnetischen Material gefertigt sind, das aus der aus Kupfer und einem nichtmagnetischem rostfreien Stahl bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Elektrische Schaltvorrichtung nach Anspruch 7, wobei der magnetische Zwischenbereich etwa 3 mm breit ist.
Elektrische Schaltvorrichtung nach Anspruch 7, wobei der magnetische Zwischenbereich und die beiden Lichtbogenlöschverbundplattenbereiche entlang Kanten des magnetischen Zwischenbereiches miteinander verbunden sind.
Elektrische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Löschkammer ferner ein zwischen den ersten und zweiten ferromagnetischen Seitenbauteilen angeordnetes ferromagnetisches rückwärtiges Bauteil sowie einen dritten Permanentmagneten aufweist, der an dem ferromagnetischen rückwärtigen Bauteil angeordnet ist, das den beiden Lichtbogenkammern zugewandt ist; und wobei ein von dem dritten Permanentmagneten erzeugtes Magnetfeld in einer gleichen Richtung wie ein Magnetfeld an den trennbaren Kontakten in ihrer geschlossenen Stellung ausgerichtet ist.
Elektrische Schaltvorrichtung nach Anspruch 10, wobei der dritte Permanentmagnet und der erste und der zweite Permanentmagnet zur Erhöhung des Magnetfeldes an den trennbaren Kontakten in der geschlossenen Stellung zusammenwirken; und wobei das Magnetfeld an den trennbaren Kontakten keinen Magnetfeld-Nullpunkt an einer Position hinter den trennbaren Kontakten und distal von den Lichtbogenlöschplatten ausbildet.
Elektrische Schaltvorrichtung nach Anspruch 10, wobei der dritte Permanentmagnet sowie der erste und der zweite Permanentmagnet mit einer elektrischen Isolierung ummantelt sind.
Elektrische Schaltvorrichtung nach Anspruch 10, wobei jede der Lichtbogenlöschplatten zwei Lichtbogenlöschverbundplattenbereiche und dazwischen einen magnetischen Zwischenbereich umfasst.
Elektrische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein magnetischer Nullpunkt und eine Magnetfeldumkehrung mit Abstand von den trennbaren Kontakten in ihrer geschlossenen Stellung und mit noch größerem Abstand zu der Löschkammer angeordnet sind.
Elektrische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die trennbaren Kontakte eine einzelne Ruhekontaktstruktur beinhalten.
Elektrische Schaltvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Lichtbogenlöschplatten einen den trennbaren Kontakten zugewandten ersten Bereich, einen gegenüberliegenden zweiten Bereich sowie einen Zwischenbereich zwischen dem ersten und zweiten Bereich aufweisen; und wobei eine Kante des ersten und des zweiten Permanentmagneten an jeden der den trennbaren Kontakten zugewandten ersten und zweiten ferromagnetischen Seitenbauteilen zwischen dem Zwischenbereich und dem zweiten Bereich vorhanden ist.
Elektrische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Permanentmagnet ein Magnetfeld ausbilden und einen Magnetfeld-Nullpunkt sowie eine Magnetfeldumkehrung weg von der Löschkammer drängen und die Stärke des Magnetfeldes benachbart zu den trennbaren Kontakten in ihrer geschlossenen Stellung erhöhen.
Elektrische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Permanentmagnet ein Magnetfeld ausbilden, das eine Lichtbogenzündung zwischen den trennbaren Kontakten bei ihrem Übergang von der geschlossenen zu der offenen Stellung unabhängig von einer anfänglichen Bewegungsrichtung des Lichtbogens zu den Lichtbogenlöschplatten zieht.
Elektrische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Permanentmagnet ein Magnetfeld ausbilden und bewirken sollen, dass das Magnetfeld in eines der beiden ersten oder zweiten ferromagnetischen Seitenbauteile eintritt und in einen Bereich der trennbaren Kontakte in ihrer geschlossenen Stellung von der Luft an einer Seite und von dem anderen der ersten und zweiten ferromagnetischen Seitenbauteile an der anderen Seite zurückkehrt; wobei der erste und der zweite Permanentmagnet an einer ersten Kante des ersten und des zweiten ferromagnetischen Seitenbauteils distal von den trennbaren Kontakten angeordnet sind; wobei eine Erweiterung des ersten und des zweiten ferromagnetischen Seitenbauteils zu den trennbaren Kontakten hin bewirkt, dass das Magnetfeld zu einem der jeweiligen ersten und zweiten Permanentmagnete hin geführt wird; wobei ein magnetischer Nullpunkt ungefähr an einer gegenüberliegenden zweiten Kante des ersten und des zweiten ferromagnetischen Seitenbauteils distal von den trennbaren Kontakten angeordnet ist; wobei eine Magnetfeldumkehrung an ungefähr der ersten Kante des ersten und des zweiten ferromagnetischen Seitenbauteils bewirkt, dass eine Lichtbogenzündung zwischen den trennbaren Kontakten an der ersten Kante unterbrochen wird; wobei das Magnetfeld an ungefähr einer Seite der trennbaren Kontakte distal von der gegenüberliegenden zweiten Kante der ersten und zweiten ferromagnetischen Seitenbauteile in einer geschlossenen Stellung der trennbaren Kontakte gesteigert wird; und wobei das Magnetfeld eine Bewegung des Lichtbogens zu den Lichtbogenlöschplatten hin bewirkt.