CN112771638A - 具有高灭弧能力的改进的开关装置或接触器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有高灭弧能力的改进的开关装置或接触器装置(1)，所述改进的开关装置或接触器装置(1)被特别地用于必须接通和断开高电流的工业应用和铁路应用，所述开关装置或接触器装置(1)在壳体(10)中包括：‑开关座部分(2)，所述开关座部分(2)包含作用于运动的接触件(21，22)上的低电压驱动部分(4)的电气开关装置(35)；‑高电压部分(5)，所述高电压部分(5)包含被相对于相互接触位置朝向彼此和远离彼此驱动的所述运动的接触件(21，22)，所述运动的接触件(21，22)安装于肘形机构(30)的相应的接触端处，可通过低电压驱动部分(4)使所述肘形机构(30)运动，以及‑覆盖所述高电压部分(5)的顶部电弧隔板熄灭部分(3)，其中硬件装置(40)设置于所述运动的接触件(21，22)的附近，以影响在由朝向彼此和远离彼此运动的运动的接触件(21，22)接通和断开电流时发生的电弧(29)。

Description

具有高灭弧能力的改进的开关装置或接触器

技术领域

本发明涉及一种具有高灭弧能力的改进的开关装置或接触器，所述改进的开关装置或接触器被特别地用于工业应用和铁路应用。

更具体地但非排他地，本发明涉及一种用于工业和/或铁路应用的接触器装置，在所述工业和/或铁路应用中，例如，必须以高的开关动作的能力接通和断开高DC电流，以控制电动马达、照明、加热、电容器组、热蒸发器以及其它电气负载。

背景技术

如在该特定的技术领域中众所周知的，接触器为包含电磁致动器的遥控开关，所述遥控开关可以被用于许多工业或铁路应用中，其中必须以相对较高的频率的开关动作来接通和断开高AC或DC电流。

一般而言，接触器可以被认为是用于高电流和高电压应用的开关装置，而不管要驱动的电气负载是什么。

只是为了表现这些种类的接触器的工作条件以及所涉及的电流值的范围，应当注意的是，这些装置必须能够至少在400A至1800A之间的范围内以及在1000V与4000V之间的运行电压范围内有效地开关电流。

那些运行范围甚至涉及接触器的单个极，但是在许多应用中，然而必须提供双极或三极构造。

已知结构的接触器通常包含固定的接触件、可运动的接触件以及至少接触器线圈。在常开装置中，当足够的起动电流流动通过接触器线圈时，接触器做出反应并且接通连接于负载电路中的负载。

为了将接触器维持于这种状态中，保持电流必须连续地流动通过接触器。在断开所述保持电流之后，接触器脱离。存储于接触器线圈中的能量在续流电路中消散，或者更好地，在快速的且适当的过压保护装置(例如Varistor或Transil)中消散。

高质量和高性能的接触器需要灭弧部分，即所谓的电弧隔板部分，用于适当地消灭可能在开关的设置有可运动的接触件的高电压部分中生成的电弧。

在用于高电流和高电压应用的开关装置的制造中遇到的主要问题之一就是灭弧部分的正确的尺寸。

该设计阶段特别地关键，因为有时需要根据开关装置的版本；换句话说，根据开关装置必须管理的运行电流或电压来扩大和扩展电弧隔板部分。

此外，当接触器被用于低电流应用时，电弧的熄灭阶段是一个实际的问题。

实际上，接触器通常被设计成开关高电流，并且当开关电流低于预定阈值(例如仅仅几安培)时，吹弧线圈中所生成的磁场不足以使电弧朝向灭弧室绕行。不足以使电弧朝向灭弧室绕行的这样的电流被定义为“低(开关)电流”。这样的电流也被称为“临界电流”。

本发明所基于的技术问题是提供一种用于高电流或高电压开关应用的改进的开关装置或接触器，所述改进的开关装置或接触器具有这样的结构和功能特征，以容许使在可运动的接触件的打开或闭合阶段期间可能生成的电弧更有效地消散，从而赋予所述装置更高的灭弧能力。

本发明的另一个目的是提供一种开关装置，所述开关装置由于在可能的电弧的断开阶段中具有更高的效率而具有更高的可靠性和更长的使用寿命。

本发明的另一个目的是提供一种开关装置，所述开关装置可以由具有合理的工业成本的材料构成。

发明内容

基于本发明的解决方案是提供一种硬件装置，所述硬件装置能够在所述接触器开关低电流时吹灭电弧。

这些硬件装置优选地包含定位于所述接触器的运动的接触件附近的磁性元件，以生成足以至少部分地使电弧绕行以及熄灭在涉及低开关电流时所生成的电弧的磁场。有利地，那些磁性元件为永磁体。

根据上述解决方案的思想以及根据本发明的一个方面，所述技术问题通过一种改进的开关装置或接触器解决，所述改进的开关装置或接触器具有高灭弧能力并且在保护壳体中包括：

-开关座部分，所述开关座部分包含作用于运动的接触件上的低电压驱动部分的电气开关装置；

-高电压部分，所述高电压部分包含被相对于相互接触位置朝向彼此和远离彼此驱动的所述运动的接触件，所述运动的接触件安装于肘形机构的相应的接触端处，可通过低电压驱动部分使所述肘形机构运动；以及

-覆盖所述高电压部分的顶部电弧隔板熄灭部分，

其特征在于，包括：

硬件装置，所述硬件装置设置于所述运动的接触件的附近，以影响在由朝向彼此和远离彼此运动的运动的接触件接通和断开电流时发生的电弧。

有利地，所述硬件装置包含磁性元件，所述磁性元件被定位成靠近于所述运动的接触件，以生成足以在涉及低开关电流时至少部分地使所述电弧绕行的磁场。

更具体地，有利地，所述磁性元件为永磁体。

此外，有利地，所述磁性元件定位于每个运动的接触件的每个侧向侧处。

应当注意的是，所述磁性元件中的每一个有利地被构造成盘，在所述运动的接触件处于止动(rest)或打开位置中时，所述盘在相对应的运动的接触件的侧面被支撑于固定的位置中。

有利地，本发明的接触器包含至少四个磁性元件，每个运动的接触件两个。

应当理解的是，有利地，所述硬件装置起作用以使所述电弧朝向所述顶部电弧隔板绕行，并且所述硬件装置主要在所述低电流在流动通过所述吹弧线圈时不足以生成适当的电磁力时起作用。

有利地，电弧流道在每个相对应的运动的接触件的打开或止动位置中设置于每个相对应的运动的接触件上方，并且包含磁性元件的所述硬件装置定位于每个电弧流道的两侧处。

每个电弧流道有利地由平坦的金属板形成，所述平坦的金属板在相对应的运动的接触件上方延伸并且在两个侧向侧上弯曲而具有相对的凸缘，所述相对的凸缘部分地和侧向地保护相对应的运动的接触件；所述磁性元件定位于所述相对的凸缘的两侧处。

根据参考附图以非限制性示例的方式给出的以下描述，本发明的开关装置或接触器装置的另外的特征和优点将为显而易见的。

附图说明

-图1示出根据本发明实现的开关装置或接触器的立体示意图；

-图2示出图1的开关装置或接触器装置的正视示意图，其中侧向盖被移除；

-图3示出图1的开关装置的立体示意图，其中侧向盖被移除；

-图4示出图2和3的接触器装置的中心上部部分的正视放大示意图；

-图5示出根据本发明的单极接触器的顶视示意图，其中电弧隔板部分被移除以及可见的上部灭弧部分；

-图6示出图5的接触器部分的可运动的接触件的从接触器的中心点观察的侧视示意图；以及

-图7示出根据本发明的不同的电弧隔板部分的立体图。

具体实施方式

参考附图，以附图标记1整体地且示意性地示出根据本发明实现的开关装置或接触器装置。

特别地但非排他性地，接触器1被专门设置成用于工业或铁路应用，在所述工业或铁路应用中，例如，必须以高频率的开关动作来接通和断开高DC电流，以控制电动马达、照明、加热、电容器组、热蒸发器以及其它电气负载。

仅仅为了表现这些种类的接触器的工作条件以及所涉及的电流值的范围，应当注意的是，这些装置必须能够有效地开关至少在400A至1800A之间的范围内以及在1000V与4000V之间的运行电压范围内的电流。例如，LTX系列的线路接触器被构造成在高额定电压、高热电流下以及在需要高开断能力(多达4kV)时运行。

这些运行范围甚至可以涉及接触器的单个极。然而，在许多应用中，尽管在附图中未示出，但是必须提供双极构造和/或三极构造，由于模块化的单极结构，可以通过并排联接多个单个极来获得所述双极构造和/或三极构造。

在下文中，我们将仅仅公开单极模块的结构，因为在即使安装于双极或三极接触器中的每对运动的接触件上可采用相同的原理。

所述模块具有保护并且覆盖接触器装置1的所有运动的部分的外壳或壳体10。外壳10由合成塑料材料制成，所述合成塑料材料具有预定的隔离系数和高的漏电起痕指数系数CTI。这样的外壳10具有底部凸缘13并且包含支撑接触器1的各种运动的构件的内部框架20。

应当注意的是，为接触器1设置固定的终端电源接触件11和12。那些固定的接触件11、12在外壳10的相对的侧向侧上突出；然而，可以采用其它处置方式。

那些终端电源接触件11、12分别与设置于接触器装置1内部的相对应的内部运动的接触件21、22相关联，如将在下文中解释说明的。有利地，已经针对污染环境中的安全应用宽泛地设置运动的接触件21和22之间的爬电距离和间隙距离的尺寸，但是外壳10的狭窄的轮廓尤其是针对空间是关键问题的应用而构思的。

本发明的接触器1被构造成在这样的电气设备上使用：该电气设备在存在通常在牵引车辆的车载上发生的严重的冲击和振动的情况下工作。然而，没有什么能够制止在必须接通和断开高AC或DC电流的所有应用中使用这种接触器1，例如：线路接触器、电源开关或转换器、牵引马达、电磁制动器以及加热/空调系统。

接触器1包括开关座部分2和上部灭弧部分3。本发明的(LTX线路)的创新设计将电弧隔板(陶瓷翅片)的传统技术与新的吹弧系统相结合。陶瓷电弧隔板能够承受最高的额定电流，并且新的吹弧系统保证临界电流下的高的可靠性。

开关座部分2对于每个不同的模块化接触器1为共同的，并且对应于外壳10的主要结构，而上部灭弧部分3可以被认为是外壳10的顶部覆盖物，所述顶部覆盖物可以根据接触器应当提供的不同的功率类别和电压范围具有不同的尺寸。开关座部分2包含电气开关装置35。

如图7中所示，根据必须处理的不同的电压范围以及应当完全安全地熄灭的相对应的电弧隔板类型和能量容量，上部灭弧部分3在结构上可以为不同的。

用于1000V的电压值的灭弧部分3可以具有图1、2或3中所示的结构，而用于高达3000V的较高的电压值的灭弧部分可能需要更大的或更厚的熄灭部分和更大的极性延伸部。

根据本发明，在接触器1的开关座部分2中设置有硬件装置40，用于在接触器1开关相对较低的电流时吸引电弧。在图4、5以及6中用附图标记29示意性地示出这样的电弧。

这些硬件装置40包含磁性元件41、42，所述磁性元件41、42定位于接触器1的运动的接触件21、22附近，以生成足以部分地使电弧29绕行并且足以熄灭特别地在涉及低开关电流时所生成的这样的电弧29的磁场18。

有利地，那些磁性元件41、42为永磁体。

而且，所述磁性元件41、42定位于每个运动的接触件21、22的每个侧向侧处。

应当注意的是，所述磁性元件41、42中的每一个被构造成盘，在运动的接触件21、22处于止动或打开位置中时，所述盘在相对应的运动的接触件21、22的侧面被支撑于固定的位置中。

接触器1的所示实施例包含至少四个磁性元件41、42，每个运动的接触件21、22两个。

应当理解的是，所述硬件装置起作用以使电弧朝向所述顶部电弧隔板绕行，并且所述硬件装置主要在所述低电流流动通过所述主接触件时起作用。

这些磁性元件41、42在大致上垂直于相对应的运动的接触件21、22的倾斜位置中并且在与电弧流道23、24相距几毫米的预定距离处支撑于所述壳体10中。

在图2中示出包含电气开关装置35的该开关座部分2的内部示意性结构。

在概念上，可以认为开关部分2被分为低电压部分4以及位于低电压部分4上方的高电压部分5。低电压部分4被设置成用于驱动上部高电压部分5的内部的运动的接触件21、22的开关。

本发明的接触器1为单稳态元件，所述单稳态元件根据绝大多数客户的需求设置有常开接触件。

上部高电压部分5的内部的运动的接触件21和22彼此抵靠，以容许高DC电流通过或流动。有利地，所述电接触件21、22对称地朝向和远离彼此运动。

接触器1包含被相对于中心相互接触位置或抵接位置朝向和远离彼此驱动的一对往复地对称地运动的接触件21、22。

如图2和3中所示，每个运动的接触件21或22定位于肘形机构30的相对应的细长臂25、26的端处。臂25、26由例如金属的导电材料制成。

在接触件21、22上方，但是仍然为开关座部分2的一部分，设置有相应的电弧流道23、24。

那些电弧流道23、24通常被设置成帮助使在运动的接触件21、22的打开阶段期间形成的电弧29消散。根据应用，可以安装或不安装电弧流道。

电弧流道23、24中的每一个电连接至相应的消散或吹弧线圈51、52。每个线圈51、52设置于每个臂25、26的每个运动的接触件21、22的肩部处。

每个电弧流道23或24由平坦的金属板形成，所述平坦的金属板在相对应的运动的接触件21或22处于打开或止动位置中时在相对应的运动的接触件21或22上方延伸。如图6中所示，上部的平坦的金属板在两个侧向侧上弯曲而具有相对的凸缘44、45，所述相对的凸缘44、45部分地和侧向地保护相对应的运动的接触件21或22。

侧向金属凸缘44、45代表绕行元件，所述绕行元件可以根据DC电流方向吸引电弧流动路径，如图6中的弧形曲线29所示。

有利地，每个磁性元件41或42在运动的接触件21或22侧面位于相对应的凸缘44或45外部。

而且，在运动的接触件21、22的两侧上设置有极性延伸部50，即金属板。在图5中仅仅示出一个板50，因为仅仅示出壳体10的半个外壳，但是也应当认为存在相对应的板，所述相对应的板在平行位置中位于相对于接触件21、22的外壳的另一侧上。

为了完整起见，我们现在将公开接触器1的用于开关动作的其它部分。

图2和3中所示的肘形机构30包含一对支腿31和32，所述一对支腿31和32在一个端处接合于可沿着框架20的竖直狭槽19运动的滑动铰链33中。支腿31和32由例如热固性材料的绝缘材料制成。

支腿31、32中的每一个的相对两端分别铰接地连接至支撑运动的接触件21、22的臂25和26的对应端部。更具体地，臂25、26的与运动的接触件21、22相对的每个端部连接至支腿31、32的相对应的端部。

每个臂25或26在大致上对应于臂的整个纵向长度的三分之一的位置中通过相对应的枢轴27、28枢转地支撑于框架20中。

支腿31、32和臂25、26与相对应的铰链接头33一起形成所述肘形机构30，所述肘形机构30容许将运动的电接触件21和22中的一个朝向另一个驱动，反之亦然。杆31、32以及臂25、26由一对相同的平行的构件形成，所述平行的构件有点像桁架梁一样连接在一起。

在枢轴27、28中的每一个与相对应的固定的终端电源接触件11或12之间，存在由比如金属的导电材料制成的叉臂47、48。

那些叉臂47、48实质连接至固定的终端电源接触件11和12，以在运动的电接触件21、22与固定的终端接触件11、12之间提供电连续性。

肘形机构30由低电压驱动部分4致动，这将在下文中公开。

铰链接头33设置有中心环形弹性元件39，所述中心环形弹性元件39与低电压驱动部分4的作用端接触，并且可以被认为是所述作用端与整个肘形机构30之间的缓冲器。通过在附图中不可见的滑动引导件39推动该铰链接头33沿着竖直狭槽19滑动。

低电压驱动部分4包含由未示出的低电压参考电势供电的线圈6，所述低电压参考电势为常规类型并且由合适的开关致动器驱动。

线圈6作用于杆7上，所述杆7水平地并且平行于接触器外壳10的底部凸缘13在开关座部分2内部延伸。杆7抵抗弹性元件8(例如待压缩的伸长的弹簧)的作用而运动。

杆7的自由端或远侧端14连接至操作杆15的一个端，操作杆15枢转地安装于支点16上，所述支点16与接触器1的开关座部分2的内部框架20固定在一起或成一体。

操作杆15具有连接至杆7的自由的远侧端14的第一臂以及在操作杆15由线圈6和杆7致动时自由地围绕支点16运动的另一个臂或第二臂。

该第二臂的自由端作用于肘形机构30的铰链接头33上。

最后应当注意的是，设置电路49，用于根据致动器的驱动低电压驱动部分的不同的需要而为线圈6供应相关的电压值。该电路49大致上为适合于接收多个不同的电压值的电压电平转换器。根据本实施例，已经考虑两种类型的电磁体或线圈6，即：具有控制卡来控制起动电流和保持电流的高电压线圈和低电压线圈。主线圈的该电子控制容许将高闭合功率与保持阶段期间的降低的功率消耗组合在一起。

鉴于前面的描述，本发明的接触器装置1的功能是显而易见的。

根据基于本发明的解决方案，在接触器装置1中不存在固定的接触件，而是相反地，存在一对可运动的接触件21、22，所述一对可运动的接触件21、22被相对于相互接触位置朝向和远离彼此驱动。

根据设定的初始条件，低电压驱动部分4的电磁体6被偏置以使杆7运动，所述杆7接合至枢转地铰接于支点16上的两臂式操作杆15的一个端。

杆7的运动使操作杆15的作用于肘形机构30的滑动铰链33上的自由端运动。该滑动铰链33沿着框架20的狭槽自由地向上和向下运动或轴向地运动以便向上或向下推动，并且该运动推动整个肘形机构30以相应地提供运动的接触件21、22的闭合或开孔。

本发明的双对称的运动的接触件21、22的结构容许获得接触件的至少73mm的物理间隔，所述物理间隔容许减小电弧的危险并且使得本发明的接触器装置的开关在绝缘特征方面特别地可靠。

接触件21和22以两倍的速度打开，并且肘形机构30也确保它们之间的更大的距离。

定位于电弧流道23、24的相对的凸缘44、45的两侧处的磁性元件41、42主要在涉及低开关电流时容许使电弧朝向顶部电弧隔板3绕行。

根据本发明所述的接触器还可以被用于高AC电流应用中的开关。

在前几行中，方向性术语，如：“向前的”、“向后的”、“前部”、“后部”、“向上”、“向下”、“上方”、“下方”、“向上的”、“向下的”、“顶部”、“底部”、“侧面的”、“竖直的”、“水平的”、“垂直的”以及“横向的”以及任何其它类似的方向性术语，仅仅涉及如图中所示的装置，并且不涉及所述装置的可能的使用。相应地，这些方向性术语在被用来描述处于水平表面上的直立的竖直位置中的接触器时仅仅具有相对于另一个部分来标识装置的一个部分的含义，如图中所示。

当在本文中使用时，术语“包括”以及它的派生词旨在为开放式术语，所述开放式术语指定所阐明的特征、元件、构件、组、整数和/或步骤的存在，但是不排除其它未阐明的特征、元件、构件、组、整数和/或步骤的存在。该概念也适用于具有相似的含义的单词，例如术语“具有”、“包含”以及它们的派生词。

而且，当以单数形式使用时，术语“构件”、“段”、“部分”、“部”以及“元件”可以具有单个部或多个部的双重含义。

Claims (13)

1.一种具有高灭弧能力的改进的开关装置或接触器装置(1)，所述改进的开关装置或接触器装置(1)被特别地用于必须接通和断开高电流的工业应用和铁路应用，所述开关装置或接触器装置(1)在壳体(10)中包括：

-开关座部分(2)，所述开关座部分(2)包含作用于运动的接触件(21，22)上的低电压驱动部分(4)的电气开关装置(35)；

-高电压部分(5)，所述高电压部分(5)包含被相对于相互接触位置朝向彼此和远离彼此驱动的所述运动的接触件(21，22)，所述运动的接触件(21，22)安装于肘形机构(30)的相应的接触端处，能通过低电压驱动部分(4)使所述肘形机构(30)运动；以及

-覆盖所述高电压部分(5)的顶部电弧隔板熄灭部分(3)，

其特征在于，包括：

硬件装置(40)，所述硬件装置(40)设置于所述运动的接触件(21，22)的附近，以影响在由朝向彼此和远离彼此运动的运动的接触件(21，22)接通和断开电流时产生的电弧(29)。

2.根据权利要求1所述的改进的开关装置或接触器装置(1)，其特征在于，所述硬件装置(40)包含磁性元件(41，42)，所述磁性元件(41，42)被定位成靠近于所述运动的接触件(21，22)，以生成足以在涉及低开关电流时部分地使所述电弧(29)绕行的磁场。

3.根据权利要求2所述的改进的开关装置或接触器装置(1)，其特征在于，所述磁性元件(41，42)为永磁体。

4.根据权利要求2至3中的一项所述的改进的开关装置或接触器装置(1)，其特征在于，所述磁性元件(41，42)定位于每个运动的接触件(21，22)的一个侧向侧处。

5.根据权利要求2至4中的一项所述的改进的开关装置或接触器装置(1)，其特征在于，所述磁性元件(41，42)中的每一个被构造成盘，在所述运动的接触件处于止动位置或打开位置中时，所述盘在相对应的运动的接触件(21，22)的侧面被支撑于固定的位置中。

6.根据权利要求1至5中的一项所述的改进的开关装置或接触器装置(1)，其特征在于，包括至少四个磁性元件(41，42)，每个运动的接触件(21，22)两个。

7.根据权利要求1至6中的一项所述的改进的开关装置或接触器装置(1)，其特征在于，所述硬件装置(40)起作用以使所述电弧朝向所述顶部电弧隔板(3)绕行。

8.根据权利要求1至7中的一项所述的改进的开关装置或接触器装置(1)，其特征在于，所述硬件装置(40)主要在必须断开低电流时起作用。

9.根据权利要求1至8中的一项所述的改进的开关装置或接触器装置(1)，其特征在于，相应的电弧流道(23，24)在每个相对应的运动的接触件(21，22)的打开位置或止动位置中设置于每个相对应的运动的接触件(21，22)上方，并且所述硬件装置(40)为定位于每个电弧流道(23，24)的两侧处的磁性元件(41，42)。

10.根据权利要求9所述的改进的开关装置或接触器装置(1)，其特征在于，每个电弧流道(23，24)电连接至设置于每个运动的接触件(21，22)的肩部处的相应的吹弧线圈(51，52)。

11.根据权利要求9至10中的一项所述的改进的开关装置或接触器装置(1)，其特征在于，每个电弧流道(23，24)由平坦的金属板形成，所述平坦的金属板在相对应的运动的接触件(21，22)上方延伸并且在两个侧向侧上弯曲而具有相对的凸缘(44，45)，所述相对的凸缘(44，45)部分地和侧向地保护相对应的运动的接触件(21，22)；所述磁性元件(41，42)定位于所述相对的凸缘(44，45)的两侧处。

12.根据权利要求2至11中的一项所述的改进的开关装置或接触器装置(1)，其特征在于，所述磁性元件(41，42)在大致上垂直于相对应的运动的接触件(21，22)的倾斜位置中被支撑于所述壳体(10)中。

13.根据权利要求1至12中的一项所述的改进的开关装置或接触器装置(1)，用于开关高DC电流。

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