具有可调的低电磁脱扣的断路器

本发明涉及具有一个电磁脱扣组件的断路器，该电磁脱扣组件包括一个衔铁，它由一只弹簧偏压到与一固定电磁构件形成一个间隙，并被异常电流产生的磁通吸向该固定电磁构件，而使断路器跳闸。更具体讲，本发明涉及的断路器具有一种这样的脱扣组件，它包括有调节该弹簧偏压和间隙的机构，以调整断路器跳闸的电流值。

断路器用于保护电力系统脱离诸如过负荷电流和短路电流的电气故障状态。通常，各种断路器都包括有一个强力的弹簧和可闭锁的操作机构，该机构响应异常电流而打开电触头，以遮断通过电力系统中导体的电流。该操作机构由一脱扣闩闭锁，脱扣闩则依次由一与电力系统每相相结合的脱扣机构来操动。通常，脱扣机构包括一个响应持续的低电平过电流的热力脱扣装置，和一个响应瞬时高电平过电流的电磁脱扣装置。该电磁脱扣装置包括：每极有一个固定电磁构件，它由流过导体的电流激励，以及一个可动衔铁，它被吸向该固定电磁构件，以操动该脱扣闩。脱扣闩依次解除操作机构的闭锁，使电力系统每相中的电触头打开。在没有异常电流的情况下，每个可动衔铁由一弹簧偏压离开相关的固定电磁构件，形成衔铁与固定电磁构件之间的间隙。

一般设有调节电流值的装置，以使电磁脱扣装置在该电流作用下驱动操作机构。这些调节一般通过改变一只螺丝或使弹簧偏压该衔铁的突轮的位置来改变加到衔铁上的弹簧偏压，和/或机械地调整该间隙来实现，这些调节使断路器有微调条件，以保证它能操作于所期望的故障电流值下，它们也能用于提供断路器跳闸所要求的整定范围。

美国专利No.4，691，182即是有调节断路器每极的弹簧偏压及间隙的装置的断路器之例。弹簧偏压对每极通过一个可转动的凸轮单独调节，该凸轮支枢一个连杆，由一个拉簧来调节加到一个可转动的衔铁上的偏压。用一个螺丝单独调节衔铁和固定磁构件之间的间隙。

上述绝大部分断路器的磁力脱扣电流约15到20倍断路器的额定电流。近来，对这种断路器开发出有利于在较低瞬时过电流值下操作的脱扣组件。具体说，期望电磁脱扣电流为约5到10倍于断路器的额定电流。尽管上述的断路器在其操作范围内能提供良好的调节性，但对大多数来讲，它们不能被调节成有效地操作于所期望的5到10倍断路器额定值这样低的脱扣电平。主要的障碍是在所要求的低电流值下，断路器脱扣乏力;这是由于调节杆运动的空间限制所造成的有限的电磁脱扣范围、以及各项公差。但是，这类断路器已应用多年，并且它们的设计已经优化到能够简单而经济地大规模地制造出有效和可靠的断路器。

因此，有必要提供能可靠地运行在低电磁脱扣电流下的断路器。

相应地需要改进现有合格的断路器设计，使其能运行于新的更低磁脱扣电流值水平。

为这种改进还需要，对现有断路器给以最小的改变以能容易和经济地实现。

本发明能满足针对具有一种电磁脱扣组件的断路器的种种需要。该组件包括一个弹簧，它施加一种偏压力给衔铁，使其离开固定电磁构件，还包括弹簧调节装置，它可运动一行程范围，以调节偏压力来调整衔铁被吸到固定电磁构件所需的异常电流值以解除断路器的闭锁操作机构。弹簧调节装置提供在弹簧调节装置的运动与调节装置行程范围内的第一部位时偏压力的改变之间的第一关系，以及在弹簧调节装置运动和该调节装置行程范围内的第二部位时偏压力的改变之间提供第二关系。弹簧调节装置以这种方式同时对所有的三极进行调节偏压力。

更详细讲，弹簧是一个具有第一扭臂的扭簧，扭臂压在衔铁之上并施于偏压力;还具有第二扭臂，它有第一部分和与该第一部分成一角度延伸的 第二端部。弹簧调节装置包括一个枢轴元件，安装成在调节装置行程范围内往复运动。第二扭臂的第一位置啮合枢轴元件并沿其滑动，用作弹簧调节装置行程范围的第一部分，而第二扭臂的第二端部与枢轴啮合并沿其滑动，作为该弹簧调节装置行程范围的第二部分，第二扭臂的第二部分与该枢轴元件沿其往复运动的一个调节轴所形成的角度大于第二扭臂的第一部分与该调节轴所形成的角度，所以调节装置在其行程范围第二部分上的运动比其在行程范围的第一部分上的运动，其单位行程上的偏压力产生较大的变化。这样一来，与调节脱扣电流范围在15和20陪于断路器额定值相比较，这对所要求的调节脱扣电流在约5和10倍于断路器额定值来说的提供了相对较大的改变。

本发明的另一方面是用于调节衔铁和固定电磁构件之间间隙的调节杆承载装置。在一个实施例中，凸轮设置在调节杆上，衔铁即被该弹簧偏压向该杆。调节杆的直线运动调节该凸轮的凸表面部分，衔铁即支撑着该凸轮，并因此而改变着间隙。另外，在衔铁上设置一个凸面，它是通过在平面衔铁上嵌入（twisting）垫片来实现的。在调节杆上的一个凸部沿该凸表面运动以调节间隙。凸部最好是一个螺丝，以便对每极都可独立地整定间隙。偏压弹簧的第二扭转的第二部分在间隙处于其范围的高端时也最好与支枢元件啮合。

当结合附图阅读时，可从下述最佳实施例的描述中对本发明获得充分了解。

图1是本发明包括的一台断路器的平面图;

图2是沿图1中线Ⅱ取的图1断路器放大的立剖面图，并说明该断路器处于具有示于剖视图中斥分（blownopen）位置的合闸位置。

图3是沿与图2相同剖线取的图1断路器放大的立剖面的一部分视图，但表示断路器在开断位置;

图4是沿与图2和图3相同剖线取的图1断路器的部分放大立剖面图，但表示该断路器在跳过闸的位置;

图5是按本发明提出的一个电磁脱扣组件的分解透视图;

图6是沿图1线6-6取的本发明断路器立剖面图;

图7是示于图6中断路器的部分平面视图;

图8是图7中一部分去掉了的部分视图;

图9A和9B是部分的平剖面图，分别表示图1中断路器的低设定值和高设定值下的一个弹簧与衔铁及与调节杆的啮合;

图10A、10B、10C和10D示意说明用于本发明断路器中的一个弹簧分别处于：自由位置、低设定值位置、中间设定值位置以及高设定值位置;

图11是示于图9和10中弹簧的偏压力对调节杆运动的曲线;

图12是按照本发明实施的断路器的另一实施例中另一部分的部分平断面。

参照附图，将阐述一台模铸箱型断路器1，它包括一个电磁脱扣组件，该组件具有按本发明的脱扣点调节改进装置。这里对断路器1是按一台三相或三极断路器来作的阐述和说明，而本发明的原理同样可用于单相或多相断路器，交流和直流断路器。

断路器1包括：一个模铸的、电气绝缘的顶盖3，它在机械上由紧固器7固装到一个模铸的、电气绝缘的底盖或底座5上。为每极或每相设置了一组第一电气端子或线路端子9a、9b和9c。同样，在断路器底座5的另一端上设置了一组第二电气端子或负荷端子11a、11b和11c，这些端子用作把断路器1在电气上串联接到欲保护的三相电力系统中的三相电路中。

断路器1还包括一个电气绝缘的、刚性的、手动啮合的手柄13，从顶盖3上的一个开口15中伸出，将断路器1置于舍闸位置（图2）或开断位置（图3），该断路器也可假定是在一跳闸后位置（图4），断路器1可从跳闸后位置复位到合闸位置，以便借助于运动手柄通过开断位置（图3）进行下一次保护操作。手柄13可用手动，或用操作机构21自动操作，下面将详述。最好用一电绝缘带17与手柄13一起运动盖住开口15的底面上，并用作断路器1的内部与外部之间的电气隔板。

作为断路器1的主要内部元件包括：每相一组电气触头19，一个操作机构21和一个脱扣机构23。每组电气触头包括一个下电触头25和一个上电触头27，与每组电触头19相联系的是一个灭弧栅29和一个槽助推器（slot    motor）31，这两者都是常规的。简言之，灭弧栅29把由于故障状态在分开的电触头25和27之间形成的单一电弧分割 成一串电弧，提升了总电弧电压并使故障电流幅值受到限制。槽助推器31要么由一系列包有电气绝缘的总体上呈U形的钢叠片组成，或是由一个基本U形电气绝缘的实芯钢棒组成，它布置在触头25、27周围，把由高值短路或故障电流条件产生电磁场集中，借此而大大提高了分开的电触头25和27之间的电磁斥力，以加速触头的分开。电触头25和27的快速分开导致相对高的限制故障电流的弧电阻。更详细的描述灭弧栅29和槽助推器31可从美国专利3，815，059中看到。

下电触头25包括一个U形固定元件33，它由一个紧固器35固定到底座5上;一个用于物理和电气接触上触头27的一个触头37和一个电绝缘带39，以减少在上电触头27和下电触头25的各部分之间的发弧率。向底座5外延伸的线路端子9包括元件33的一个整体端部。

上电触头27包括一可转动的触头臂41和一个用于物理和电气地接触下电触头25的触头43。

操作机构21包括：一个中心偏离肘杆机构47、一个整体单件铸成的横闩49，一对刚性空间分开的金属侧板51、一个刚性可转动的金属手柄轭53、一个刚性止定锁55、一对操作拉力弹簧57和一个闭锁机构59。

中心偏离的肘杆机构47包括一个刚性金属支架61，可绕着支架支持销63的纵向中心轴线运动，销63支撑在侧板51上。

肘杆机构47还包括一对上肘连杆65、一对下肘连杆67、一个肘环弹簧锁69和一个上肘连杆跟随销71，下肘连杆67由肘节接触销73固定到上电触头27的可转动触头臂41的任一侧，销钉73的两端被容纳和保持在模铸的横闩49中，因此，上电触头27的运动和模闩49的相应运动受下肘连杆67运动的作用。在这种方式中，在断路器1的中极或中相的操作机构21的作用下，上电触头27的运动，通过刚性横闩49的作用，同时造成断路器1接于另外极或另外相的各电触头27作相同的运动。

上肘连杆65和下肘连杆67由肘杆弹簧销钉69可转动地连接。操作拉簧57伸张在肘杆弹簧销69和手柄轭53之间，以致弹簧57保持在张力作用下，使中心偏离的肘杆机构47的操作通过响应于手柄13的外部运动而被控制。

上连杆65还包括多个缺口或槽77，用于接受和把持销71。销71穿过支架61的位置与支架61的转动轴线分开一定距离，从弹簧57拉伸的弹簧将销71保持在与上肘连杆65啮合，这样一来支架61的转动就造成连杆65的上部作相应的运动或移动。

支架61有一个限定一个平坦闭锁表面的缺口或槽79，该表面做成与平坦支架闭锁表面相啮合的外形，而该平坦支架闭锁表面通常是在平直的中间闭锁板83中在一个伸长了的槽或孔81的上端部形成的。支架61还包括一平的手柄轭，它接触表面85构形成接触一个下随的细长表面87，该表面87形成在手柄轭53的上端上，操作弹簧57在脱扣操作期间运动该手柄13，并且表面85和87使手柄13定位在跳闸后位置（图4）、中间的合闸位置（图2）和手柄13的开断位置（图3），指示出该断路器1已跳闸。此外，表面85和87的啮合将操作机构21相继复位到跳闸操作状态，这是借将支架61以顺时针方向对着操作弹簧57的偏压从它的跳闸后位置（图4）运动到达和经过它的开断位置（图3）实现的，以使在槽79上和在孔81中的各闭锁面释放。

美国专利No.4，630，019中揭示了相似的操作机构，从其描述中可得知操作机构和与其联合的模铸横闩49的更详细情况。

脱扣机构23包括中间闭锁板83、一个模铸的整体脱扣闩89、一个支架闭锁板91、一个扭簧支持销93、一个双侧作用的扭簧95、一个电磁脱扣组件97和一个双金属构成的热力脱扣装置。

模铸整体脱扣闩89支撑在模铸箱型断路器1的基座5中的竖立隔板101上，断路器的三极由该隔板分隔开，见图6。脱扣闩89具有为每极而径向向下延伸的驱动杆103，见图2-4。从该脱扣闩向外延伸的一个脱扣杆105由支架闭锁板91啮合，支架闭锁板91被装成绕着平行于该脱扣闩的轴线转动。双侧作用扭簧95的一个臂对着中间闭锁板83偏压支架闭锁板91。扭簧95的另一臂压在脱扣闩89的一个竖立的凸部107上，以反时针方向偏压着该脱扣闩，如图2所示。

在断路器处于合闸位置，如图2所示，拉簧57企图将支架61向反时针方向转动，但这种转动受到脱扣闩89上脱扣杆105把持就位并通过中间 闭锁板83作用的中间闭锁板91的阻挡。

电磁脱扣组件97包括一个固定的电磁构件109，一个衔铁111，和一个机构113，用于调攻电磁脱扣。平直的衔铁111被沿着水平轴线弯曲并在115处开槽，以便容纳一个销钉117，衔铁即能绕此销钉转动。

调节机构113包括一个螺旋扭簧119支撑在固定电磁构件109的一个竖直的凸部121上（见图5）。扭簧119有一个弹簧123，该簧臂123，压在衔铁111上的向上凸出的舌125上，以偏压该衔铁从固定电磁构件109离开而形成其间的一个间隙127。弹簧119的另一弹簧臂129与一调节杆131啮合，调节杆131包括一个下随的法兰133，扭簧119的臂123即将衔铁111上的舌125压向它。扭簧119的上簧臂129被模铸到调节杆131上的支枢元件135啮合。

调节杆131被托架139上的第一水平的突缘137支撑以便做直线和纵向运动，见图6-8在调节杆131的每一端处扩大部分143上的直立锁钉141通过突缘137中的细长槽144向上延伸，见图7。

卡在销钉141的凹槽（未示出）中的开口环145将调节杆131可滑动地连接到托架突缘137上，在开口环145和突缘137之间设有垫圈147。

一个可转动的凸轮机构149安装在靠近调节杆131的一端的托架139上第二升高的凸缘151上，该机构149具有一个偏心的下悬的销钉153，该销钉啮合在调节杆131的扩大终端143中的横向槽155中，见图8，因诸如螺丝刀样的工具插到槽157中转动凸轮装置149则能直线地移动该调节杆沿调节轴线132纵向运动，见图6。从图1可见，转动凸轮装置149可通过断路器1上的顶盖3触及到，以便在不打开顶盖的情况下调节该调节杆131的位置。

由于偏压各极的衔铁111的扭簧119的弹簧臂129被调节杆131中的各支枢元件135啮合，所以对每极的在衔铁111上的偏压通过转动可转动的凸轮装置149来同时地调节。

参照图5、9A和9B，10A到10D以及11能更清楚地理解对调节扭簧偏压的装置所作的详述。图5是分解透视图，其中调节杆131已被顺时针地旋转了90°以表明底座侧的构形，扭簧119的一个扭簧123有一个被弄弯的端部，它对臂的主体部弯成一定角度，以便啮合在衔铁111的舌125中的槽161中。

扭簧119的第二扭臂129有一个第一部分163和一个第二端部165，它与部分163成一角度地延伸，从图9A和9B可见，扭簧119的第二扭臂129压在整体模铸在调节杆131上的支枢元件135上，对于图9a所示位置上的调节杆，扭簧129的第一部分163是压在支枢元件135上，这是为了低设定脱扣电流用的。显然，当调节杆131沿调节轴线132直线地移动时，扭簧119的臂129向左偏置如图9A所示，或者在调节杆移动到右侧时它跟随着支枢元件135。调节杆移动到如图9A所示的左边则引起通过舌125加到衔铁上偏压力的增大。还能看出，当调节杆131运动到左边和支撑着弹簧119的支柱121保持固定并从支枢元件135侧向地偏移时，第二簧臂129即沿支枢元件135滑动。达到在第二扭臂129的第二端部165与支枢元件135发生接触的一个点，如图9所示。由于在扭臂129的端部16和165之间的角度关系使支枢元件被端部165所啮合，于是导致调节臂的单位行程加到衔铁上的偏压力较大的改变，它比当臂129的部分163支撑在支枢元件135上时者大，这一作用可从图10A到10D中更为明显地看到。

图10A说明弹簧119的自由位置，其中臂123或臂129都未被啮合。由于无负载加到弹簧上，在典型的实施例中，在轴线167与第二扭臂之间的夹角θ约为50度。图10B表示低脱扣电流状态，在这里，臂123被衔铁啮合，并且第二臂129的第一部分161由轴135′代表的支枢元件所啮合。在这些条件下，角θ约为55度。图10C说明脱扣电流中间设定值的弹簧状态。在该图中，在扭簧119的第二臂和支枢元件135′之间的接触是从第一部分163转换到第二部分165。对于中间设定，角度θ从55度变化到约88度。最后，图10D说明最大脱扣电流状态，此处，支枢元件135′已滑动到弹簧第二臂129的第二部分165的端部附近，在所述的实施例中，这发生在θ约为88度角的情况之下。

图11说明弹簧119的第二扭簧129弯曲的效果，其中给出了所产生的弹簧压力与调节杆位置的关系曲线。可以看出，在线段169处，第二扭臂 129的端头165与支枢元件135相接触，这段曲线的斜率比线段171的陡些，线段171代表的状态是，扭臂129的第一部分163与支枢元件135相接触。如图11所示端部165与支枢元件135接触中的偏压力不仅比较大，而且随调节杆的运动而变化的速率也较大。这项特性使本发明断路器的脱扣电流比现有的断路器有相对较大的变化范围。

此外，为了改变加到衔铁上的弹簧偏压力，本发明断路器还调节衔铁与固定电磁构件109之间的间隙127。按照示于图5、9A和9B的本发明的一个实施例，凸轮173是设置在调节杆131上这些凸轮173具有凸轮表面175，衔铁111的舌125即被扭簧119的扭臂123偏压在其上。从图9A和9B证明，调节杆131沿调节轴线132的直线运动导致衔铁的偏压位置方面的改变，并因此而改变了衔铁与固定电磁构件之间的间隙。在本发明的最佳实施例中，如所示，凸轮表面175的外廓选择并定位成与支枢元件135的相对关系为，当间隙增大时，弹簧偏压力也增大。因此，在最大间隙开口时弹簧的偏压力加得最大，相反地，在最小间隙开口时弹簧的偏压力施加的最小。调节弹簧偏压和间隙宽度的附加效力是为设定脱扣电流提供了宽广的动态范围，这一设定脱扣电流允许断路器把电磁脱扣设定在约5到10倍断路器额定值中的任一处。

图12说明按本发明断路器1的另一个实施例，说明衔铁和固定电磁构件之间调节间隙127的改进结构。在这种结构中，舌125′相对于衔铁111′的平的主体发生扭曲以形成一个凸表面177。一组螺丝179从调节杆131′凸出并压在凸表面177上，以致调节杆131′沿调节轴线132′的运动得到间隙的调节。调节杆的这样运动同时导致每极的间隙调节，但是，用图12的结构，在调节杆的任一设定处的实际间隙能由附加调节螺丝179的分别调节而单独地设定。

断路器1的热力脱扣由双金属99设定，该双金属通过一导电元件181电气上连接到负荷端子11b。双金属99的低端设有一个指183，它与设在脱扣闩89上驱动臂103的低端上的一个斜表面185从空间上分开，斜表面185划定出一个平面，便它的左边如图3所示，比右边更窄（closer）些。调节指183和表面185之间的空间可用两种方法来完成，一个连杆臂187支枢成绕轴189转动，该连杆臂187的下端与脱扣杆89啮合，如图6所示，连杆臂187的上端被可转动的凸轮装置191啮合，该凸轮装置191安装在托架139上的一个凸缘193上，凸轮装置191与装置149相似。凸轮装置191的转动造成连杆臂187使脱扣闩89轴向地滑动并转动。由于在驱动杆103上有斜表面185，所以在双金属99和脱扣闩89之间的空间是可调节的。凸轮装置191也是可以通过如图1所示的断路器1的顶盖接触到的，双金属片的校正可在工厂通过转动颜丝195来完成。

在双金属99的下端与上电触头27之间的导电通道可以任一合适的方法（例如用编织导线）将一种柔性的铜分路器197连接到双金属99的下端并接到横闩49内的上电触头27来实现。在这种方式中，通过端子9b和11b之间的断路器1的电气通路为经过下电触头25、上电触头27、软分路器197、双金属99和导体181。

凸轮装置191的调节改变了断路器对低电平过电流的响应时间因为双金属是由固定的磁构件109包围着，所以由双金属传导的电流在固定磁构件中产生吸引衔铁111的磁场，通过转动凸轮装置149调节调节杆131而设定弹簧的偏压和间隙，进而调节了衔铁被吸引到固定电磁构件而进行磁脱扣的电流值。

在运行中，断路器1被设置在图2所示的合闸位置。当在至少一极中的电流超过了由弹簧偏压通过凸轮装置149所建立的电磁脱扣设定值，并且假定是由调节螺丝179整定的，则在固定电磁构件109中产生电磁场，这个电磁场假定足以把相关该极的衔铁111以图2所示的顺时针方向拉到该构件109处，则衔铁的下端使脱扣闩以顺时针方向旋转直到支架闭锁板91将脱扣杆105脱掉为止这种速除支架61的闭锁允许操作拉簧57使支架61反时针地转动如图2所示，这一来造成抖节机构47转换到图3所示的位置，借此而打开了该组电触头19，如前所述，这将导致横闩49的转动，于是打开了断路器1每极上的触头19。

持续的低电平电流造成双金属99弯到使指183来到与脱扣杆89上的脱扣连杆105的凸轮表面185相接触，借此而转动脱扣闩89并且以上述结合电磁脱扣所讨论的方式使断路器跳闸。

随着断路器跳闸后，各触头断开，如图4所 示。断路器1由搬动手柄13复位到跳闸位置，如图3所示，这样将支架转动61到一个位置，这时由闭锁扭簧95偏压的支架闭锁板91将中间闭锁板83促到与支架61中槽79的闭锁面相啮合，闭锁扭簧95也使脱扣反时针旋转，直到支架闭锁板91被脱扣闩89上的连杆105啮合并保持在一个闭锁位置，如图5所示。脱扣机构23就这样被手柄搬到图2所示的合闸位置而角被闭锁并准备好合上断路器，这就造成肘节机构47反时针转过中心，借此而关合每极的各组电触头19。

如果期望调节断路器1的瞬时跳闸设定点，用一个螺丝刀或其它工具插到可转动的凸轮装置149中并转动使调节杆131按期望前的方向运动一所期望的量。如果期望调节脱扣延时，用一个工具插到凸轮装置191并转动到使连杆臂187转动，借此使脱扣杆89轴向地移动去调节间隙，间隙是指在双金属99上的指183与脱扣杆89的驱动臂103上的倾斜表面185之间的间隙。

虽然已详细描述了本发明的实施例，但本技术领域的熟练人员将能理解到，根据所公开的整个教导可对这些细节开发出各种不同的修改和变换。因此，所公开的具体结构仅意味着为了解释，而并不限定本发明的范围，本发明的范围由附后的权利要求书和其等同物所给出。