具有樞轉永磁體的電磁輔助熄弧裝置的制作方法

本發明通常涉及電氣設備的保護，更具體而言，涉及一種滅弧結構，其配置用于幫助快速熄滅電弧而與穿過電路斷流器的電流的極性無關，以及在弱電流條件下幫助快速熄滅電弧。

背景技術：

電路斷流器(Circuit interrupters)是可用于斷開電路從而中斷電流流動的電氣部件。開關是電路斷流器的一個基本例子，其通常由處于以下兩個狀態之一的兩個電觸點組成：閉合，意味著觸點接觸，電流可在它們之間流動，或者開路，意味著觸點分離，沒有電流可在它們之間流動。人可以直接操作開關以提供對系統的控制信號，例如計算機鍵盤按鍵或者用以控制電路中的功率，例如光開關。

電路斷流器的另一個例子是斷路器(circuit breaker)。斷路器可以用于，例如，在配電板上，以限制通經電線的電流。斷路器設計成保護電路免受例如過載或者短路所帶來的損害。若發生故障，例如，在電線中發生電涌，斷路器就會脫扣。這會導致原先處于“接通(on)”位置的斷路器跳閘到“斷開(off)”位置并中斷穿過斷路器的電力的流動。當斷路器脫扣時，其可以防止過載電路上起火。斷路器還可以防止充電設備的破壞。

標準的斷路器具有連接至電源(例如電力公司的電線)的端子以及連接至斷路器旨在保護的電路的第二端子。通常情況下，這些端子被分別稱為“線路”和“負荷”。該線路有時可被稱為斷路器的輸入。該負荷有時可被稱為斷路器的輸出，其從斷路器連出并連接到正由斷路器供電的電氣部件。

斷路器也可用于保護單個設備或多個設備。例如，單個被保護的設備(例如單一的空調機)可直接連接到斷路器。斷路器也可用于保護多個設備，例如通過終止于插座的電線連接到多個部件。

斷路器可用作熔斷器的替代品。熔斷器只能工作一次，隨后必須更換。而與熔斷器不同，斷路器可(手動或自動地)進行復位，以繼續正常操作。熔斷器執行與斷路器相似的功能。然而，斷路器在某些情況下可能較熔斷器使用更安全，并且可能更容易安裝。

在熔斷器熔斷從而切斷例如建筑物的一部分的電源的情況下，哪個熔斷器控制切斷電路的可能并不明顯。在此情況下，電氣面板上的所有熔斷器都需要被檢查，以確定哪個熔斷器被燒壞或失效。之后，需將該熔斷器移除并安裝新的熔斷器。

在這方面，斷路器使用可能比熔斷器更簡單。在斷路器脫扣的情況下，例如切斷建筑物的一部分的電源，僅通過檢查電氣面板并注意到哪個斷路器脫扣到“斷開”的位置，就可以很明顯的知道是哪個斷路器控制切斷電路的。然后，將該斷路器簡單地扳到“接通”的位置，電力就會恢復。

一般而言，普通的電路斷流器具有兩個位于殼體內部的觸點。第一觸點是固定的，可連接到線路或者負荷上。第二觸點相對于第一觸點是可移動的，使得當斷路器在“斷開(off)”或脫扣位置時，第一和第二觸點之間存有間隙。

電路斷流器操作分離觸點時會產生問題，因為通電觸點在斷路器脫扣時會分離，從而在動觸點從閉合位置移動至開路位置時使觸點之間的間隙變寬。

當觸點從閉合位置開始分離或從開路位置完全閉合時，觸點之間短暫地存在有非常小的間隙，直至觸點閉合或開路。若觸點之間的電壓足夠高，就可能穿過此間隙產生電弧。這是因為觸點之間的擊穿電壓在一定壓力和電壓條件下與距離正相關。

在電路斷流器開關或脫扣期間產生的電弧可導致不期望的負面影響，其會對電路斷流器的操作產生負面影響，甚至會產生安全隱患。

這些影響會影響電路斷流器的操作。

一個可能的后果是，電弧可能會使電路斷流器內的其它物體和/或周圍物體短路，造成損壞以及引發潛在的火災或安全隱患。

電弧作用的另一個后果是，電弧能破壞觸點，引起一些物質作為細粒物質逸出到空氣中。觸點熔化的碎屑可移動或猛沖進電路斷流器的機械裝置里，破壞機械裝置或減少其運行壽命。

電弧作用的另一后果源于電弧的極高的溫度(成千上萬攝氏度)，這可能會爆裂周圍的氣體分子產生臭氧，一氧化碳以及其它化合物。電弧還可以電離周圍的氣體，潛在地生成其它傳導路徑。

正由于電弧作用的這些不利的后果，快速冷卻和熄滅電弧是非常重要的以阻止對電路斷流器的破壞。

已知多種用于改進滅弧的技術。例如，Carling科技有限公司的美國專利申請公開No.2012/0037598以及2012/0261382，均涉及利用電磁場將電弧引向電弧拆分器。

然而，產生電磁場以移動電弧會消耗電力并會在設備中產生熱量，從而限制了本方法的適用范圍。此外，電磁場的強度取決于流經電路斷流器的電流，并且該強度在某些情況下可能不夠大到足以影響電弧。例如，在一些應用中，在不會產生足夠強的電磁場以將電弧驅入滅弧結構的弱電流的情況下可能需要臨界電流中斷，或者需要無法實行的電磁體設計。

解決這個問題的一個可行方法是包含會產生磁場而無需電力供應的永磁體。然而，永磁體生成的磁場相對于磁體的定向具有固定方向，并且與流經電路斷流器的電流無關。由此，許多已知的使用永磁體將電弧引進電弧路徑的方案是與電路的電極性相關的。這是由于，電弧由固定磁場移動的方向取決于流過電路斷流器的電流方向。

這可能是極大的限制，因為它阻礙了此類設備安裝在電極性可能反轉的電路中。當這樣的設備意外的裝反的情況下也會引發危險情況，原因在于通常用于加強熄弧的磁場，實際上會操作使得電弧遠離電弧路徑。這種對電極性的敏感也阻礙了永磁體方案用在電極性重復反轉的交流電應用中。

熄弧技術的最新發展提出了解決這些限制中的一些方案，這些方案包括一種利用以對電路的電極性不敏感的方式將電弧引向電弧拆分器的永磁體的布置。

然而，這些布置可能需要在斷路器中增加特定結構，并由此不能用于某些應用或從再利用、改裝或已有設計的升級的設計角度而言是不能實行的。此類布置也包含了具有固定強度的磁場，而不具有如在電磁設計中磁場強度隨電流增加的優點。

因此，希望將永磁體方案的弱電流電弧捕獲與電磁體方案的電極性獨立和漸增的場強合并。

技術實現要素：

因此，本發明的目的在于提供一種具有磁場的電路斷流器，驅使觸點之間的電弧進入滅弧結構。

本發明的進一步的目的在于提供一種磁場，以驅使電弧進入滅弧結構而與電路斷流器的電極性無關。

本發明的另一個目的在于提供一種磁場，該磁場具有最小強度而與流經電路斷流器的電流的大小無關。

本發明的目的通過提供一種電路斷流器實現，該電路斷流器包括第一觸點和第二觸點，該第一觸點和第二觸點中的至少一個能夠相對另一個觸點移動；電連接至所述第一觸點的第一導體；電連接至所述第二觸點的第二導體；滅弧裝置；電磁結構，其設置成當觸點脫離接觸時將在觸點之間產生的電弧驅向所述滅弧裝置，而與觸點的極性無關；以及永磁體，其設置在所述電磁結構的芯體內；其中，所述永磁體能夠相對于由所述電磁結構生成的電磁場樞轉定向；以及其中，所述永磁體設置成當觸點脫離接觸時將觸點之間的電弧驅向所述滅弧裝置，而與觸點的極性無關。

進一步，本發明的目的通過提供一種電路斷流器實現，該電路斷流器包括第一觸點和第二觸點，該第一觸點和第二觸點中的至少一個能夠相對另一個觸點移動；電連接至所述第一觸點的第一導體；電連接至所述第二觸點的第二導體；滅弧裝置；電磁結構，其設置成當觸點遠離接觸時將在觸點之間的電弧驅向所述滅弧裝置，而與觸點的極性無關；以及永磁體，其設置成當觸點遠離接觸時將觸點之間的電弧驅向所述滅弧裝置，而與觸點的極性無關。

在一些實施方式中，所述永磁體至少部分設置在所述電磁結構內。

在一些實施方式中，所述永磁體根據電磁場定向。所述電磁場可由所述電磁結構生成。

在一些實施方式中，所述永磁體設置成使得永磁體的場流經一區域，在該區域所述第一觸點和所述第二觸點彼此移動至接觸和脫離接觸。

在一些實施方式中，所述電磁結構包括電磁體。

在一些實施方式中，所述電磁結構包括環繞芯體的導體。所述永磁體可設置在所述芯體內，以及所述永磁體能夠在所述芯體內樞轉。

在一些實施方式中，由所述電磁結構生成的電磁場能夠使所述永磁體定向。

在一些實施方式中，所述電磁結構包括第一電導體和第二電導體。流經所述第一導體的電流可沿與電流流經所述第二導體的方向基本相反的方向流動，并且流經所述第一導體、所述第一觸點、所述第二觸點以及所述第二導體的電流可產生將所述電弧朝所述滅弧裝置驅進的磁力。

此外，本發明的目的通過提供一種電路斷流器實現，該電路斷流器包括第一觸點和第二觸點，該第一觸點和第二觸點中的至少一個能夠相對另一個觸點移動；電連接至所述第一觸點的第一導體；電連接至所述第二觸點的第二導體；滅弧裝置；以及磁場，其設置成當觸點脫離接觸時將在觸點之間的電弧驅向所述滅弧裝置，而與觸點的極性無關；其中，所述磁場的強度隨著通過導體的電流的增大而增大；以及其中，所述磁場具有最小非零強度，而與通過導體的電流無關。

本發明的其它目的和其特定的特征和優點結合以下附圖和相應的詳細描述將變得更加顯而易見。

附圖說明

圖1示出了根據本發明的示例性斷路器的一些部分。

圖2為圖1所示的示例性斷路器的一部分，其中電極性反轉。

圖3A和3B為示出流經類似于圖1和圖2的斷路器的電流與斷路器中的磁通之間的關系的曲線圖，其中圖1和圖2分別具有和不具有永磁體。

圖4A、4B和4C分別為圖1所示的示例性電路斷流器的一些部分的側視圖、主視圖和俯視圖。

圖5A、5B和5C分別為圖2所示的示例性電路斷流器的一些部分的側視圖、主視圖和俯視圖。

圖6為圖2、5A、5B和5C所示的示例性電路斷流器的一些部分的三維視圖。

圖7A和7B示出了可用于例如圖1所示的電路斷流器的示例性磁結構。

圖8為可用于圖7A和7B所示的磁結構的示例性芯體組件的局部分解圖。

圖9為圖1所示的示例性斷路器與圖7的磁體結構結合使用的一些部分的三維視圖。

圖10為圖9所示的示例性斷路器的一些部分的三維視圖，其電極性反轉。

圖11為圖9和10的示例性斷路器的一些部分的三維視圖，其包括可替換的磁體單元。

圖12為類似于圖10和11的示例性斷路器的一些部分的三維視圖，其具有電導體的可替換布置。

具體實施方式

下面的示例通常涉及電路斷流器，本領域技術人員將理解的是，本發明可應用于多種特定類型的電路斷流器，例如斷路器和開關。

圖1示出了根據本發明的示例性斷路器100的一些部分。

電路斷流器100包括第一導體110、動觸點120、第二導體130以及靜觸點140。例如，導體110可與電源“線路”150(例如發電機)電連通，導體130可與電氣設備“負荷”160(例如電燈泡或廚用電器)電連通。如本領域技術人員將理解的以及在此文進一步的所述，這種布置可反過來，使得導體110連接至負荷，而130連接至線路。

電路斷流器100運行以通過移動臂部使線路和負荷之間的連接接通和斷開，使得觸點120和140要么接觸以形成電連接，要么分離以斷開電連接。

在所示示例中，導體110和觸點120形成可以沿箭頭170所示方向關于樞軸180來回搖擺的臂部，以便接通和斷開電連接。在其它實施方式中(未示出)，可以采用不同的布置，而不會脫離本發明，例如其中觸點120和140關于彼此相對移動，或導體110例如彎曲偏轉而不是樞轉。

當觸點120和140接觸時(未示出)，電流180從線路150穿過導體110、動觸點120、靜觸點140及導體130，流向負荷160。

當樞轉導體110將觸點120和140分離從而移動觸點120至圖1所示位置時，電弧190可從觸點120行進(travel)至觸點140，使得電流繼續流動。

為了熄滅電弧，電路斷流器100包括熄弧裝置191。該熄弧裝置191顯示作為具有電弧流道(arc runner)和多個電弧拆分板的電弧拆分器來實現，然而，本領域技術人員將理解，電弧拆分器可以以不同于圖示的方式設置，或者除電弧拆分器之外還可以使用其它類型的滅弧特征或代替電弧拆分器使用其它類型的滅弧特征，這些均不會脫離本發明。

如圖所示，從線路150穿過導體110和130流向負荷160的電流生成圍繞各導體的磁場。因為導體110和130設置使得電流沿所示相反方向流動，所以它們的效果合并以導致在電弧190附近產生集中的凈磁通B，該凈磁通B沿穿入紙面的方向行進。

磁通B與電弧190相互作用，以在電弧190上產生將電弧190驅向熄弧裝置191的正交力F。

除通過流經導體110和130的電流生成磁場外，還設置和定向永磁體192以在電弧190附近產生磁通，從而加強凈磁通B。

這樣可以具有即使在弱電流條件下也可以在電弧190附近提供基準磁通B的優點，在弱電流條件下，磁場由于流經導體110和130的電流將會減弱。

圖2示出了具有相對于圖1反轉的電極性的示例性斷路器100的一些部分，其中線路源150連接至導體130，負荷160連接至導體110。

當觸點120和140接觸時(未示出)，電流180從線路150穿過導體130、靜觸點140、動觸點120及導體110流向負荷160。

當樞轉導體110將觸點120和140分離以移動觸點120至圖2所示位置時，電弧190可從觸點140行進至觸點120，使得電流繼續流動。

如圖所示，從線路150穿過導體110和130流向負荷160的電流生成圍繞各導體的磁場。

因為導體110和130設置使得電流沿所示相反方向流動，所以它們的效果合并以導致在電弧190附近產生集中的凈磁通B，該凈磁通B沿穿出紙面的方向行進。

磁通B與電弧190相互作用，以在電弧190上產生將電弧190驅向熄弧裝置191的正交力F。

從圖2可看出，電弧190的方向與凈磁通B的方向均與它們各自在圖1的布置中的方向相反。這是由于電路斷流器100的電極性反轉。然而，圖2的布置中電弧190上的合力F與圖1的布置中的方向相同，即，均朝向熄弧裝置191。

除通過流經導體110和130的電流生成磁場外，還設置和定向永磁體192以在電弧190附近產生磁通，從而加強凈磁通B。

這樣可以具有即使在弱電流條件下也可以在電弧190附近提供基準磁通B的優點，在弱電流條件下，磁場由于流經導體110和130的電流將會減弱。

注意，永磁體192顯示為沿與其在圖1的定向相反的方向定向。該永磁體192構造使得其能夠關于軸線樞轉或者其本身能夠根據由于穿過導體的電流而生成的磁通定向(或再定向)。

因此，在圖1和圖2中，永磁體192在電弧190附近生成的磁場相對于由流經導體110和130的電流生成的磁場均為附加磁場，即使該磁場的方向隨電路斷流器100的電極性反轉。

這樣可以具有在任意電弧190上提供基準力以將該電弧驅向熄弧裝置191的優點，而與電流沿哪個方向流經電路斷流器100或電流的大小無關。

圖3A和3B為示出此基準磁通的曲線圖，其具有將可再定位的永磁體增加至圖A和B所示的電磁輔助滅弧裝置的優點。

圖3A示出了磁通B的大小相對于通過電路斷流器的電流的曲線圖，該電路斷流器的布置與電路斷流器100類似，以產生電流生成的磁場，但不包括永磁體。

從圖中可看出，磁通B的大小在零位電流時具有最小值0，且隨電流增大，直至其漸進地接近磁通飽和值。

在這樣一種電路的一些應用中，該電路中可能存在一水平電流，在該電流下斷流器中可發生電弧作用，但磁通過低而不足以將該電弧驅入電弧捕獲結構。

圖3B示出了磁通B的大小相對于通過電路斷流器的電流的曲線圖，該電路斷流器的布置與電路斷流器100類似，以產生電流生成的磁場，且還包括永磁體。

從圖中可看出，磁通B的大小在零位電流時由于永磁體生成的磁場而具有最小非零基準，且該磁通B的大小隨電流增大，直至其漸進地接近磁通飽和值。

在這樣一種電路的一些應用中，在電路斷流器中電磁提供的磁通本身過低而不足以將電弧驅入電弧捕獲結構的情況下，永磁體提供的基準磁通可對此進行補償。

圖4A、4B和4C分別為具有圖1所示的電流的示例性電路斷流器100的一些部分的側視圖、主視圖和俯視圖，其進一步示出了永磁體192生成的磁場與電弧190相互作用，并且還示出了該布置的電弧電流、凈磁場及力矢量的正交關系。

圖5A、5B和5C分別為具有圖2所示的電流的示例性電路斷流器100的一些部分的側視圖、主視圖和俯視圖，其進一步示出了永磁體192生成的磁場與電弧190相互作用，并且還示出了該布置的電弧電流、凈磁場及力矢量的正交關系。

圖6為具有圖2和圖5A、5B及5C中所示的電流的示例性電路斷流器100的一些部分的三維視圖。

圖7A和7B示出了根據本發明的另一種磁體結構700的示例性實施方式。

磁體結構700為組合式電磁體和永磁體，其包括可樞轉的永磁體710以及電磁體705，其中永磁體710可樞轉地設置在電磁體705內。

永磁體710可以為具有樞軸結構的完全極化的磁體，并且可基本類似于圖1-6所示和關于圖1-6所述的磁體192。

電磁體705為一種典型的螺線管型，具有線筒720、線圈730、極片740及芯體750。永磁體710可樞轉地設置在芯體750內。

當電磁體705如圖7A所示通電時，永磁體710可樞轉地在電磁體705生成的磁場內定向，使得永磁體710生成的磁場與電磁體705生成的磁場附加。

合成后的磁場B沿所示方向在極片740之間流動。

當電磁體705如圖7B所示通電時，永磁體710可樞轉地在電磁體705生成的磁場內定向，使得永磁體710生成的磁場與電磁體705生成的磁場附加。

組合后的磁場B沿所示方向(與圖7A中所示流向相反)在極片740之間流動。

圖8為根據本發明的示例性芯體組件800的局部分解圖。芯體組件800與圖7A和7B所示及關于圖7A和7B所述的芯體750與永磁體710的組合類似，在一些實施方式中，這些部件可以互換。

芯體組件800包括半芯體810和820，以及永磁體830和840。

半芯體810和820可由在螺線管芯體中使用的任意合適材料制得，并且包括凹部850，以容納永磁體830和840。

永磁體830和840基本類似于永磁體710，并包括樞軸860和870。

當芯體組件800組裝并安裝在螺線管電磁體中時，電磁體將以與圖7A和7B所示及關于圖7A和7B所述的磁體結構700相似的方式作用。

在螺線管的芯體內使用兩個永磁體可具有增大由永磁體的結構導致產生的磁通量的優點，從而可增大圖3B所示及關于圖3B所述的基準磁通。

圖9為示出根據本發明的示例性電路斷流器900的一些部分的三維局部剖視圖。

電路斷流器900除了用基本類似于圖7A和7B所示及關于圖7A和7B所述的磁體單元700的磁體單元910替換永磁體192外，其余均類似于圖1-6所示及關于圖1-6所述的電路斷流器100。

磁體單元910為組合式電磁體和永磁體，其包括電磁體905，永磁體920可樞轉地設置在電磁體905內。

永磁體920可以為具有樞軸結構的完全極化的磁體，并且可基本類似于圖1-6所示和關于圖1-6所述的磁體192。

電磁體905為一種典型的螺線管型，具有線圈930、極片940及芯體950。永磁體920可樞轉地設置在芯體950內。

當電磁體905如圖9所示通過其連接裝置950電接通至導體130和110時，永磁體920可樞轉地在電磁體905生成的磁場內定向，使得永磁體920生成的磁場與電磁體905生成的磁場附加。

組合后的凈磁通B沿所示方向在極片940之間流動。

應該注意的是，因為導體110和130布置使得電流沿所示相反方向流動，所以它們的效果合并以導致產生與電弧190附近的凈磁通B附加的集中的附加磁通。然而，為清楚起見，圖9中并未示出該磁通。

凈磁通B與電弧190相互作用，以在電弧190上產生將電弧190驅向熄弧裝置(未示出)的正交力。

圖10為示出關于圖9所述的示例性電路斷流器900的一些部分的三維局部剖視圖，其電極性反轉。

此時，當電磁體905通過其連接裝置950電接通至導體130和110時，永磁體920可樞轉地在電磁體905生成的磁場內定向，使得永磁體920生成的磁場與電磁體905生成的磁場附加。

組合后的凈磁通B沿所示方向(與圖9的布置中的相應磁通的方向相反)在極片940之間流動。

應該注意的是，因為導體110和130布置使得電流沿所示相反方向流動，所以它們的效果合并以導致產生與電弧190附近的凈磁通B附加的集中的附加磁通。然而，為清楚起見，圖10中并未示出該磁通。

凈磁通B與電弧190相互作用，以在電弧190上產生將電弧190驅向熄弧裝置(未示出)的正交力F。該力F與圖9布置中的相應力的方向相同。

圖11為示出圖9和圖10所示及關于圖9和圖10所述的示例性電路斷流器900的一些部分的三維局部剖視圖，不過磁體單元910被磁體單元1110替代。

磁體單元1110除了其省略了極片940外，基本類似于磁體單元910。極片的這種省略導致磁體單元1110的兩極之間的磁通相比圖9和圖10具有不同的分布，但凈力矢量F的方向仍與圖9和圖10所示相同。

如圖9和圖10所示，應該注意的是，因為導體110和130布置使得電流沿所示相反方向流動，所以它們的效果合并以導致產生與電弧190附近的凈磁通B附加的集中的附加磁通。然而，為清楚起見，圖11中并未示出該磁通。

同樣如圖9和圖10所示，矢量F表示的凈力將電弧朝滅弧結構(未示出)驅進，而與電路的電極性無關。

使用簡單的磁體單元1110可具有減少制造成本或簡化設計的優點。

圖12為示出與圖11所示及關于圖11所述的電路斷流器900基本類似的示例性電路斷流器1200的三維局部剖視圖，不過導體110沿相反方向延伸。

電路斷流器1200以類似于圖11所示及關于圖11所述的電路斷流器900的方式作用，不過因為導體110和130未布置使得電流沿所述相反方向流動，所以電流在導體110和130中產生的磁場(未示出)不會在電弧190的附近集中。然而，凈磁通B仍然與電弧190相互作用，以產生將電弧190朝滅弧裝置(未示出)驅進的凈正交力F，與電路的電極性無關。

盡管本發明參照部件，特征等的特定設置進行了描述，但這些不旨在窮盡所有可能的設置或特征。

例如，盡管此處參照螺線管型電磁體對特定示例性實施方式進行了描述，但本領域技術人員將理解，本發明可應用于其它類型的電磁結構。本領域技術人員也可以進行附加的修改和變型，而不會脫離本發明。