开关组件 |
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| 申请号 | CN201280078048.3 | 申请日 | 2012-12-28 | 公开(公告)号 | CN104885179B | 公开(公告)日 | 2017-05-31 |
| 申请人 | ABB公司; | 发明人 | 马尔科·塔卡拉; 亚里·埃洛马; 马蒂·克基普罗; 韦科·普马拉; 劳里·凯图宁; 托米·福斯贝里; 佩尔蒂·阿里安内; 米科·海尔米宁; 米科·韦赫卡佩拉; | ||||
| 摘要 | 用于对 电路 进行切换的 开关 组件(1)包括辅助开关(3)、主开关(2)和弹性元件(4)。辅助开关(3)与主开关(2) 串联 电连接，辅助开关(3)和主开关(4)均包括至少一个可动触点，并且弹性元件连接至辅助开关的一个可动触点即第一触点(5a)和主开关的一个可动触点即第二触点(6a)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于对电路进行切换的开关组件，其中，所述开关组件的特征在于所述开关组件包括： |
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| 说明书全文 | 开关组件背景技术[0002] US 2163559中公开了一种油断路器，其包括通过由绝缘材料形成的筒状壳体和通过由导电材料形成的端板封闭的电路控制设备。电路控制设备的相对可动触点通过弹性旁路导体来串联连接，弹性旁路导体将一个设备的固定触点与下一相邻设备的可动触点连接。US 3123698中公开了一种开关装置，其具有协同操作的可动触点和固定触点对以及弹性导体，其中协同操作的可动触点和固定触点对与至少一个其他的这样的触点对串联连接，弹性导体将一个对的固定触点连接至另一个对的可动触点。 发明内容[0004] 解决方案基于如下构想：辅助开关与主开关串联连接；并且辅助开关的触点和主开关的触点借助于弹性元件彼此连接。 [0006] 下面将参照附[附随]图通过优选实施方式来更详细地描述解决方案，其中： [0007] 图1是处于闭合状态的开关组件的示意图； [0008] 图2a、图2b和图2c是处于开关组件的其他操作状态的开关组件的示意图； [0009] 图3是开关装置和在这样的开关装置中的电流流动的截面示意图； [0010] 图4是在开关装置中所使用的另一类型的开关组件的示意图； [0011] 图5示意性示出了用于对电路中的电流进行切换的方法。 具体实施方式[0012] 图1是用于对电路中的电流进行切换的开关组件1的截面示意图，开关组件包括至少用于对开关组件的电路进行切换的主开关2、用于对开关组件的电路进行切换的辅助开关3、以及弹性元件4，其中，主开关2与辅助开关3串联电连接。辅助开关3可以包括连接至弹性元件4的至少一个可动触点——第一触点5a。可动第一触点5a可以在辅助开关处于闭合状态的情况下为开关组件的连接器(例如，图3中的内部连接器11和中部连接器9或者图4中的主连接器10和内部连接器11)之间的电流提供路径；并且可动第一触点5a可以在辅助开关处于断开状态的情况下使用于电流的该路径断开连接。根据实施方式，第一触点5a可以固定地布置至弹性元件4，例如利用粘合物质附接。稍后将在本说明书中更详细地说明这样的辅助开关的功能以及结构性和操作性替代方案。开关组件的横截面的形状与功能无关，并且可以在不同的实施方式中大幅改变，但是在图1至图4中示出的实施方式中，开关组件部件中的大部分部件基本上为绕着形成这些实施方式的中心部分的主连接器10延伸的环形。因而，结构基本上是对称的，并且为了清楚起见部件中的大多数部件仅标记了一半。 [0013] 主开关2可以包括与第一触点5a一样连接至同一弹性元件(优选地，在弹性元件4的相对端处)的至少一个可动触点——第二触点6a。因而，弹性元件将第一触点5a与第二触点6a机械连接。根据实施方式，第二触点6a可以固定地布置至弹性元件4，例如利用粘合物质附接。可动第二触点6a可以在主开关处于闭合状态的情况下为开关组件的连接器(例如，图3中的中部连接器9和主连接器10或者图4中的主连接器10和内部连接器11)之间的电流提供路径；并且可动第二触点6a可以在主开关处于断开状态的情况下使用于电流的该路径断开连接。在开关组件的闭合状态期间，可以利用布置成压缩状态并且连接至辅助开关的一个触点(更具体地为第一触点5a)和主开关的一个触点(更具体地为第二触点6a)的弹性元件4来提供辅助开关的触点之间的接触压力。可以通过供力装置7将如此作为主开关的触点的第二触点6a保持就位。在实施方式中，供力装置可以用于在闭合状态下提供对于主开关的第二触点6a的接触力和对于弹性元件4的压缩力。在不同的实施方式中，供力装置7可以包括如下中的至少之一：永磁体和电磁体。在根据图1的实施方式中，供力装置包括至少一个用于将主开关的触点(更具体地第二触点6a)保持就位的永磁体7。永磁体可以是固定的，并且主开关的第二触点6a可以包括被供力装置7吸引的铁盘6b，从而在开关闭合的情况下将第二触点6a保持就位。 [0014] 可以使用包括线性致动器8(例如螺线管致动器)的磁路来使主开关能够从断开状态切换至闭合状态，从而压缩弹性元件4。例如，螺线管致动器可以包括固定部分8a和用于影响第二触点6a的电枢8b。优选地，螺线管致动器可以被弹簧回位以避免不必要的运动质量。例如，在其他实施方式中，线性致动器可以包括能够提供所需的力以及该短暂线性机械运动的任意构件或装置，例如丝杠电机装置、压缩介质缸(例如气压缸)、凸轮轴(camshaft)或甚至手动操作的控制杆。图1示出了处于其中辅助开关3和主开关2均闭合的状态的开关组件。 [0015] 根据图1、图2a、图2b和图2c的主开关2包括螺线管致动器8，该螺线管致动器8包括线圈、磁路和永磁体。线圈可以用于使开关能够从断开状态切换至闭合状态。图2a示意性示出了根据图1的开关组件的状态，其中，辅助开关的可动触点即第一触点5a被移位成使辅助开关的触点断开。这提供了在箭头A处的空气间隙，该空气间隙在第一切断位置处将电路切断。结合图3更详细地说明开关组件中的电流流动。图2b示意性示出了开关组件的另一状态，其中，通过弹性元件4提供与辅助开关的触点(更具体地第一触点5a)的断开有关的该同一机械运动以使主开关2的触点断开。在箭头B处提供了空气间隙，该空气间隙在第二切断位置处将电路切断。未压缩的弹性元件4保持第二触点6a断开。图2c示意性示出了开关组件的状态，其中，线性致动器8关闭。这可以例如通过使螺线管将第二触点6a推靠连接器并且永磁体7使开关组件1闭合来实现。稍后在本说明书中更详细地说明图1、图2a、图2b和图2c、这种类型的实施方式、这种类型实施方式的操作状态和功能。 [0016] 根据实施方式，辅助开关3可以包括用于驱动机械运动的斥力致动器5a、5b。可以使用由斥力致动器5a、5b驱动的机械运动来响应于磁脉冲断开辅助开关的第一触点5a。 [0017] 根据实施方式，在开关组件的闭合状态期间，弹性元件4可以以压缩状态提供辅助开关的触点之间的接触力。 [0018] 根据实施方式，辅助开关3可以耦接至弹性元件4，使得断开辅助开关的机械运动被布置成与弹性元件一起使主开关2断开并且使得弹性元件能够解压缩以使主开关2的触点保持处于断开状态，即保持第二触点6a与用于形成闭合电路所需的连接器中的至少之一断开连接。因而，断开辅助开关3的机械运动被布置成提供超过保持力的力，所述保持力通过供力装置7提供并被布置成将主开关2的可动触点6a保持就位。结合图3更详细地说明连接器。 [0019] 在实施方式中，斥力致动器可以包括至少一个可动触点即第一触点5a。在一个这样的实施方式中，斥力致动器可以包括汤姆森线圈(Thomson coil)。汤姆森线圈为线圈组件，其中可以利用快速变化的磁场来在放于线圈之上的可动盘中感生出涡电流。因而，可动盘可以形成第一触点5a并且斥力致动器可以包括含有可动盘的第一触点5a以及线圈5b。感生电流为相对于线圈中的电流的反平行电流，如此，在可动盘与线圈之间的磁力为排斥的。可以利用磁场上的快速变化和通过在线圈电流和感生电流之间的磁力相互作用所提供的线圈与可动盘之间的相应斥力来以高速度将可动盘移离线圈。同一盘用作致动器电枢和接触元件。优选地，盘重量轻，因而优选地包含密度低的材料例如铝。盘的质量越小并且取决于材料的电导率的力越大，可以使机械运动越快。 [0020] 应用的目的和参数影响合适材料选择以及盘的适当设计。例如，已经发现铝提供了属于最重要的材料性能之列的质量密度、电导率和强度的合适组合。其他材料(例如铜)和/或复合材料可能在某些实施方式中是有益的。 [0021] 为了最佳的导体容量(conductor volume)，线圈5b可以包括矩形线圈线，但是在最佳的导体容量并不关键的实施方式中，可以使用圆的或其他合适类型的线圈线。这种解决方案的优点在于可动触点可以如此形成为重量非常轻，能够实现与较重的可动触点的加速度相比较高的加速度。该解决方案的另外的优点包括简单的结构以及不必移动的线圈。除此以外，尽管一个或多个可动触点的重量轻，但是组件和弹性元件能够提供足够的面压缩。例如，通常，足够量的压缩取决于流过开关的电流。在不同的实施方式中，可以通过选择弹性元件的合适长度和压缩的合适程度来调整压缩力。例如，图1、图2a、图2b和图2c中所示出的实施方式是包括具有一个可动触点的斥力致动器的开关组件的一种可能的实施方式。 [0022] 在另一实施方式中，斥力致动器可以包括可以制成彼此移开并使接触断开的两个可动触点。在这样的实施方式中，可动触点中的每个可动触点可以包括线圈5b并且可以通过在彼此面对的可动触点中提供反平行电流来提供斥力。根据实施方式，斥力致动器的两个可动触点中的每个可动触点可以包括可随所述可动触点运动的线圈，该线圈能够通过线圈中的相反的馈电电流来提供斥力。在一个这样的实施方式中，斥力致动器可以包括复合环，并且该斥力致动器可以被称为复合环致动器。然后可动触点中的每个可动触点可以形成第一触点5a，并且斥力致动器可以包括第一触点5a和被布置成可随第一触点5a运动的线圈5b。环的质量越小并且取决于材料的电导率的力越大，可以使机械运动越快。应用的目的和参数以与结合具有一个可动触点的实施方式的盘所讨论的方式非常类似的方式影响环的适当设计和材料。通过使用具有主动馈电的两个导线，无需感应电流来提供斥力，而是可以通过线圈中的相反的馈电电流来提供斥力。可动触点的导体的材料优选地包括电导率优良且密度低的材料例如铝。这能够使所需电流最小化。然而，在使所需电流最小化不是最重要的实施方式中可以使用其他材料例如铜。优选地，可动触点可以形成为(例如包括有翼的形状)使得可动触点减小或防止涡电流的形成。因而，包括含有线圈的两个可动触点的实施方式的一个优点在于实施方式还可以利用DC工作。利用在具有含有线圈的两个可动触点的实施方式中的主动馈电电流，可以实现与利用在包括固定线圈和形成可动触点的单独可动盘的实施方式中的感应电流相比更大的斥力。图4示出了包括具有两个可动触点的斥力致动器的开关组件的一个可能的实施方式。 [0024] 优选地，弹性元件4将第一触点5a与第二触点6a机械连接而非电连接。换言之，优选地防止了通过辅助开关和主开关的可动触点之间的弹性元件的电流流动。例如，弹性元件可以包含电绝缘材料或这样的材料的组合。根据实施方式，弹性元件由电绝缘材料制成。弹性元件优选地重量非常轻，这可以例如通过由密度低的材料形成弹性元件来实现。另一方面，期望的是，弹性元件具有良好的抗冲击性。根据实施方式，弹性元件可以包含泡沫塑料材料。该泡沫塑料材料可以优选地为聚氨酯弹性体。这种材料能够形成提供所需的接触压力和抗冲击性的轻的弹性元件。在其他实施方式中，可以使用其他材料例如橡胶来形成弹性元件。 [0025] 根据实施方式，弹性元件4可以包括基本上为圆柱的形状。第一触点5a和第二触点6a可以布置在这样的基本上为圆柱形状的弹性元件的相对端处。 [0026] 下面描述例如根据图1和图2a至图2c中示出的实施方式的开关组件的一些操作原理。图5中示意性示出了可以通过所述实施方式或本说明书的其他开关组件或开关装置实施方式来实现的用于对电路中的电流进行切换的方法，并且相应的步骤在下面提及。因而，图1示出了处于闭合状态的开关组件，该闭合状态为开关组件的第一稳定状态。电流的流动能够实现为：在图的上半部中，从主连接器10至主开关的触点6a、中部连接器9、辅助开关的触点5a，然后通过内部连接器11，然后逆序通过图的下半部中的相应部件。所有触点均闭合并且线性致动器例如螺线管致动器处于其正常位置。供力装置例如永磁体使主开关的触点保持就位并且弹性元件被压缩成保持所需的接触压力。然后可以通过使斥力致动器(在图1、图2a、图2b和图2c中更具体地为汤姆森线圈致动器)起动可动触点来断开辅助开关。由此通过辅助开关的触点，弹性元件被压缩并且电路被断开连接。在图2a中示出了通过断开辅助开关的触点来使辅助开关断开的状态。至少在内部连接器11的触点表面的周围提供隔离，使得该隔离切断在电路中的电流。然后可动触点的机械运动的能量使通过供力装置(更具体地为在所述图中示出的实施方式中的永磁体)保持就位的主开关的触点断开。在图2b中示出了处于另一稳定状态的开关组件，在该状态中，主触点断开，辅助开关的一个或多个可动触点放置就位，弹性元件处于其自由长度并且开关组件处于断开状态。因而，虽然辅助开关的触点返回到闭合位置，但是主开关的断开状态使电路保持断开。至少在中部连接器9的触点表面的周围提供隔离，使得该隔离切断在电路中的电流。辅助开关的可动触点的返回时间取决于弹性元件的最大压缩。因此，对于主开关的操作时间不应比返回时间长。如上所述，辅助开关和主开关在开关组件内串联布置，因而能够在多个地方切断电路。因而，可以通过辅助开关触点、主开关触点或辅助开关触点和主开关触点两者同时来切断电路。 [0027] 然后例如可以通过回位弹簧线性致动器(例如回位弹簧螺线管致动器)来闭合主开关的第二触点6a。图2c示出了闭合线性致动器关闭。线性致动器将主开关的触点推向供力装置例如永磁体，然后触点闭合并且再次由供力装置来保持。因而，开关组件重新加载并且电路再次闭合。线性致动器的弹簧将致动器返回至致动器的正常位置。由于开关组件具有两个稳定状态——图1中示出的状态和图2b中示出的状态，因此开关组件及其操作可以被称为双稳态。 [0028] 在所描述的开关组件中，开关组件的隔离空气间隙被分成几个部分(如图2a的状态中的辅助开关的一个或多个空气间隙以及主开关的一个或多个空气间隙)，其中若干个触点用于减小触点的移动距离。这降低了第一触点和第二触点的所要求的断开速度。通过使用重量轻的可动触点以及由斥力致动器提供的大的动力来进一步提升速度。 [0029] 为了获得另外的益处，可以为本说明书中公开的任意开关组件的两个开关组件可以沿相反方向彼此耦接以形成开关装置，开关组件共享沿两个相反方向同时驱动机械运动的共用斥力致动器。因而，可以响应于单个电流脉冲来驱动辅助开关中的每个辅助开关的触点的断开。这样的装置的一个优点在于可以在两个可动触点沿相反方向起动时避免反冲。此外，隔离空气间隙可以被分为另外的部分，并且可以串联布置四个触点以促进快速断开和双稳态操作。 [0030] 图3示意性示出了这样的开关装置，并且通过用X标记具有箭头的虚线示出了在开关装置中的电流流动。电流流过第一可动触点5a和第二可动触点6a。在辅助开关和主开关的触点断开的情况下，形成了四个隔离空气间隙。 [0031] 图4示意性示出了在开关装置(更具体地，其中辅助开关包括两个可动触点的实施方式)中所使用的另一类型的开关组件的一个示例。每个可动触点即第一触点5a可以设置有线圈5b，并且可以通过在线圈中的反平行电流获得在可动触点之间的斥力。这种类型的开关组件的双稳态操作原理类似于具有一个可动触点的开关组件——例如结合图1、图2a、图2b和图2c所描述的开关组件。差别在于通过将电流沿相反方向馈电至可动触点的线圈来提供斥力。该力可以用于沿不同方向起动可动触点，从而压缩弹性元件并使电路断开连接。因而，这些开关组件类型之间的差别在于：在具有一个可动触点的实施方式中，运动部件即可动触点是被动的；然而在具有两个可动触点的开关组件类型中的可动部件即可动触点是主动的。换言之，在具有至少一个被动可动触点的实施方式中，利用感应来获得斥力；然而在具有主动可动触点的实施方式中情况并非如此。正如在其他已描述的实施方式中那样，这些可动触点的机械运动的能量断开由供力装置例如永磁体保持的主开关的触点。另外，操作可以基本上类似于其他已描述的实施方式，从而不再进行与本实施方式有关的更详细地说明。在通过包括至少一个被动可动触点的开关组件实现的开关装置与通过包括主动可动触点的开关组件实现的开关装置之间的另外的差别在于：在后者类型的装置中可以形成仅三个空气间隙，而非在第一类型中形成的四个空气间隙。然而，该差别通过开关装置的更大的动力和更快的运动速度来补偿，所述开关装置具有包括均含有可随可动触点运动的线圈的两个可动触点的开关组件。在图4中，通过具有箭头并用Y标记的虚线示出了在开关装置中的电流流动。该原理与结合图1至图3的实施方式所描述那些原理大致相同，但是在该实施方式中，标称电流可以在装置的中部提供，而不是在端部提供。另一方面，这意味着无需中部连接器，而是电流从主连接器10向第二触点6a流动，然后通过内部连接器11至第一触点5a，然后逆序通过图的下半部中的相应部件。 [0032] 图5示意性示出了用于对电路中的电流进行切换的方法。通过斥力致动器使可动第一触点移位501，使得该移位断开辅助开关的触点并且引起第一触点的机械运动。然后，断开第一触点的机械运动通过弹性元件来影响502可动第二触点的断开，从而断开主开关的触点。保持503第二触点断开，从而保持主开关的触点断开，同时第一触点返回至其初始位置并且返回至导电状态。 [0033] 根据实施方式，开关组件可以包括串联电连接的辅助开关和主开关，其中，每个开关的可动触点通过弹性元件彼此机械连接。通过这样的开关组件来切换电路的方法可以包括：断开辅助开关，使得弹性元件变成被压缩，由此弹性元件的解压缩被布置成引起主开关的断开。 [0034] 对技术人员清楚的是，开关组件和/或开关装置可以包括除了本说明书中描述的部件和/或结构部分以外的其他部件和/或结构部分。例如，所述其他部件和/或结构部分可以包括但不限于框和绝热结构。 [0035] 上述开关组件或开关装置具有优于已知开关的若干益处。例如在当断开电路时需要避免电压电弧的电路中，这样的开关组件或装置——优选地与吸收电感能量的变阻器和/或导电的半导体开关装置并联连接直至开关组件或开关装置提供足够的空气间隙这样的开关组件或装置——是有益的，原因是这样的装置可以结合快速地切断短路电流的极快切换并且同时提供足够的空气间隙以避免在开关闭合时形成的电弧。 [0036] 对本领域技术人员将明显的是，随着技术的进步，可以以各种方式实现本发明构思。本发明及其实施方式不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内改变。 |
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