專利名稱：用于真空斷路器的圓柱形線圈和觸頭支承件的制作方法
本申請涉及到1993年11月22日提交的普通轉讓申請，序號為08/155,355，發明人為Paul Slade，題目為“帶有徑向磁場的真空斷路器”。
本發明涉及真空斷路器領域，特別涉及用于產生磁場的，帶有圓柱形線圈結構和觸頭支承件的電極組件。
不同尺寸和設計的真空斷路器通常用來遮斷幾百安培到30,000安培或更高的高壓交流電流。一臺典型的斷路器包括通常為圓柱形的真空外殼，包圍著一對同軸對中，可分離的觸頭組件。觸頭組件有相對的接觸表面，在電路閉合位置時相互緊靠，當分離時打開電路，每一個電極組件連接到延伸到真空外殼外的載流端柱上，再與交流電路連接。
當觸頭移動分離到打開電路的位置時，在觸頭表面之間通常形成電弧。電弧持續燃燒到電流被切斷為止。在燃弧期間，在電弧作用下從觸頭上汽化的金屬形成一個中性等離子區，當電弧熄滅以后又凝結回到觸頭上，同時也凝結到置于觸頭組件中間的汽化防護屏上，以及真空外殼上。
通常電弧以密實的柱形起燃，形成一個熱等離子區。熱等離子區可以在觸頭之間支持非常大的電流，因為使電流更難以切斷。促使柱形電弧變為擴散電弧是有利的，它可以導致較冷的等離子區和較容易切斷的電流。因為擴散電弧將電弧能量分散在觸頭表面較大的區域上，它不如柱形電弧使觸頭汽化的量大，從而延長了觸頭和斷路器的使用壽命。
促進擴散電弧形成的一個技術是在觸頭之間區域施加一個軸向磁場。這種磁場可由流經位于每一觸頭后面的線圈中的遮斷電流自身產生。在題為“真空斷路器觸頭”(The Vacuam InterrupterContact)文章中討論了配有這種軸向磁場真空斷路器線圈的各種電極組件，該文作者是Paul Slade，發表于IEEE Trans.onComponents，Hybrids and Mfg.Tech，Vol CHMT-7，No.1，March，1987上。
現有技術中的磁場線圈，諸如美國專利號4260864中公開的線圈，典型地包括有從中心軸徑向伸展出的載流臂，該旋臂連接到拱形線圈元件上。旋臂產生磁場，具有大的不在軸向上的分量。非軸向磁場可以干擾電弧，延遲電弧轉變為擴散狀態。此外，旋臂顯著地增加了電流通道的總長度，使斷路器的電阻性熱負荷增加，便不得不通過并不希望的修改設計來補償。由于除拱形線圈元件以外的其它載流元件所產生的非軸向磁場也能在觸頭中產生渦流，渦流所產生的磁場與軸向磁場相反，降低了線圈元件的有效性。
在一些軸向磁場真空斷路器的設計中，例如在美國專利號4871888和4982059所公開的斷路器設計，企周采用帶多個斜槽的圓柱形線圈來減小或取消線圈的徑向延伸部分。由斜槽限定了多個螺旋形延伸的載流臂。螺旋臂通常造成電流通道所產生的大的軸向磁場不如純粹環形延伸線圈元件所產生的有效。螺旋形電流通道明顯地是在觸頭后面軸向延伸，使線圈移向距觸頭更遠處。兩種類型的現有技術電極裝配件設計通常都分成幾塊，因而造成高的配件和工程費用。
因此，希望得到一種用于真空斷路器的電極組件，它的線圈結構不包括徑向延伸的臂，有最少量的部件且制造簡單。
本發明的目的在于提供一個電極線圈，當真空斷路器中電流接通時，在真空斷路器的觸頭范圍內產生一個磁場。
本發明的另一個目的在于提供一個電極線圈，用在軸向磁場真空斷路器上，使這種斷路器不包括任何載流的徑向延伸臂。
本發明的另一個目的在于提供一個電極線圈，用在真空斷路器上，使斷路器不會產生過量的電阻性熱量。
本發明的另一個目的在于提供一個價廉的電極組件，它在真空斷路器中產生磁場，使斷路器包括最少部件，并且制造簡單。
由真空斷路器用的電極或觸頭線圈組件達到以上和其它一些目的。真空斷路器通常包括一個真空外殼，連接到交流電路上的第一和第二端柱，以及在真空外殼內部的，電氣上分別與第一和第二端柱相連的第一和第二可分離觸頭，每一個觸頭包括一個前側面，它與另一觸頭的前側面相對，還包括一個與前側面有間距的后側面。觸頭線圈組件包括一個通常為環形的部件，它有圓柱形外周表面和圓柱形內表面，第一端，第二端，以及在內表面和外圓周表面之間延伸的多個槽，限定一個基本為環形的電流通道。觸頭線圈組件還包括第一裝置，用于將環形部件的第一端在電氣上與第一觸頭相連接；第二裝置，用于將環形部件的第二端與第一端柱剛性連接。當斷路器中電流接通時，環形電流通道能在觸頭之間區域內產生一個所希望的軸向磁場。
根據本發明的另一個方面，槽包括在第一極角上的第一槽，它從其第一端沿軸向延長到位于第一和第二端面之間的第一軸向位置上，還包括在第二軸向位置上的第二槽，它從第一極角沿有斜角的方向延長到與第一極角有一定間距的第二極角，第一和第二槽限定了有一個自由端的第一線圈。
根據本發明的另外一個方面，觸頭線圈組件進而包括一個管形支承其所用材料的電阻比第一線圈的電阻大得多，它包括有一端連接到在第一軸向位置和部件第二端之間的環形部件的部分內部徑向表面上，另一端剛性固定在第一觸頭的后側。
根據本發明的另一方面，第一裝置包括一個導電的連接柱，它從第一線圈的自由端沿軸向突起，連接到第一觸頭；第二裝置包括由內表面限定的結構，它包括了一個環形臺肩，為位于第一軸向位置和環形部件第二端之間的第二軸向位置上的第一端柱提供了一個止動表面。
本發明還提供了一個電極線圈，它將真空斷路器的端柱在電氣上連接到觸頭上，制造步驟為提供一個圓柱形金屬管，它包括第一和第二端；外圓的表面和有第一半徑的內表面；從第二端到第一軸向位置的止動表面處將內表面擴到第二半徑，以及將端柱插入到止動表面；從第一端到接近第一軸向位置的第二軸向位置處將內表面擴到第三半徑；在接近第二軸向位置上從第一角位置1到第二角位置2以及從外圓周表面到第三半徑切割第一圓周形槽；從第一端到第一圓周形槽，以及從外圓周表面到位于第一角位置1處的第三半徑切割第一軸向槽。
參考附周所示的實施例，并通過以下對本發明的敘述，將更加充分地理解本發明的上述目的和方面。
這里給出本發明的一些實施例的周，作為目前的最佳方案。必須認識到，本發明并不局限于作為例子所公開的實施例，它可以在所附的權利要求范圍內變化。其中，
圖1為根據本發明的真空斷路器的局部剖面圖。
圖2為根據本發明的電極組件實施例的側視圖。
圖3為沿周2中3-3線的剖面圖。
圖4為沿周3中4-4線的剖面圖。
圖5為根據本發明第二實施例的電極裝配件的分解側視圖。
圖6為沿周5中6-6線的剖面圖。
現在參考圖1，根據本發明的真空斷路器10包括有由管形絕緣筒18連接有間距的導電端蓋14和16所組成的真空外殼12；在真空外殼12內部限定了一個公共縱軸的第一和第二電極組件20和22；還包括電氣上分別連接到第一和第二電極組件20，22上的第一和第二端柱24，26，將第一和第二電極組件20，22連接到一個交流電路28上；還包括一套機構，例如波紋管組件30，它使至少一個電極組件可以相對于另一個沿軸向在開路位置和連續的閉路位置(圖中未畫出)之間移動。在電極組件20，22周圍有汽化防護屏32，它可以與電極組件20，22在電氣上絕緣，也可以只與電極裝配件20，22中一個相連，其作用是不使金屬蒸汽聚集到絕緣筒18上。波紋管汽化防護屏34使金屬蒸汽與波紋管組件30和端蓋16隔開，另一個汽化防護屏36用于保護另一個端蓋14。
第一和第二電極組件20，22有一些部件是相同的，因此，可以理解為以下對最佳電極裝配件實施例的敘述說明了真空斷路器中每一電極組件共有的部件。周2為根據本發明的電極組件40最佳實施例的側視周，周3為穿過電極裝配件40的剖面周，周4為穿過電極組件40的縱剖面周。電極組件40通常包括有一個環形電極線圈部件42，該部件有第一端44，電氣上與基本上為盤形的電極或觸頭46相連接；有第二端48，電氣上與端柱50相連接；還有外圓周表面52以及有最小第一半徑R1的內表面54。一個軸向槽56在內表面54和外圓周表面52之間延伸，并且從第一端44沿軸向延伸到約為第一極角1的第一軸向位置58處，在周3中最清楚示出。位于第一軸向位置58的一個圓周形槽60在內表面54和外圓周表面52之間延伸，并且從第一極角1沿角方向延伸到與1有一定間距的第二極角2處。軸向槽56和圓周形槽60一起限定了線圈62，它從約為2處第一線圈端64沿圓周延伸到約為1處第二線圈端66，相隔約為360°。
軸向槽56和圓周形槽60還限定了一個導電的第一連接柱68，它沿軸向突起在電極線圈部件42的第二端48和第一線圈端64之間。線圈62通過導電的第二連接柱72，在電氣上連接到觸頭46的后表面70上，第二連接柱72從第二線圈端66沿軸向突出。
電極線圈部件42最好用一種高導電材料，例如銅，制成。槽56和60各自可以用鋸切割而成。第二導電的連接柱72可以通過適當的機加工方法，例如用銑削法或用鋸切割法，在第一極角1和第三極角3之間再切割電極線圈組件42的第一端44而形成。
端柱50在靠近第二端48并與第一軸向位置58有間距的第二軸向位置74處連接到電極線圈部件42上。最好從第二端48將內表面54擴大到第二半徑R2處，便限定了臺肩76，在第二軸向位置74處為端柱50提供一個止動表面。
電極裝配件40最好還包括一個管形支承件78，它用電阻顯著大于電極線圈部件42的電阻的材料制成。管形支承件78位于電極線圈部件42的中央開口處內，支持觸頭46。管形支承件78的外表面最好緊配合到電極線圈部件42的部分內表面54上，一端裝配到觸頭46后表面70的凹槽中。電極線圈部件42的內表面54最好從第一端44到第一軸向位置58擴大到第三半徑R3，使得管形支持78不直接接觸線圈62。
電極線圈部件42，端柱50，觸頭46和管形支承件78可以通過加熱鋅銅合金釬接或其它熟知的方法永久性地連接在一起。管形支承件78最好包括有一個或多個通氣孔80，使得釬接時可以排出氣體，并使真空斷路器能很快抽真空。
觸頭42最好以它的縱軸為對稱，并且最好是無槽設計。用于本發明的最佳型觸頭有一個前側面82，它包括環形接觸表面84，中心波紋86以及徑向包圍在接觸表面84外側的外圓周形臺階凹槽88。
本發明的電極組件的第二個實施例90在許多方面與上述電極組件40相類似，在周5中示出其分解周，圖6中示出剖面圖。電極組件90通常包括電氣上連接在觸頭94和端柱96之間的環形電極線圈部件92和帶有排氣孔99的管形支承件98。然而，在這一實施例中的電極線圈部件42帶有第一和第二線圈100，102，它們各自在圓周方向上延伸大約為180°，而不是如在電極組件40中單個線圈延伸大約為360°。這一類型的電極線圈部件92優點是在兩個圓周形電流通道之間將電極線圈部件的遮斷電流分開，也就是說，兩個線圈100，102中每一個的電流通道都比單個線圈的電極組件40的要短些，從而，大大地減少了由電極線圈部件92中電流所產生的電阻性熱量。圖1所示的電極組件20，22中每一個也包括了一對圓周形線圈。
電極線圈部件92最好是用一種導電材料制成，它包括連接到觸頭94上的第一端104；連接到端柱96上的第二端106；外圓周表面108；內表面110；沿徑向穿過電極線圈部件92的一個軸向槽112，它從第一端104沿軸向延伸到第一軸向位置114。在第一軸向位置114上的第一圓周形槽116，在內表面110和外圓周表面108之間徑向延伸，同時從軸向槽112的第一極角θ1處沿圓周上的方向延伸到與θ1相距約為160-165°的第二極角θ2處使軸向槽112和第一圓周形槽116限定了第一線圈100，第一線圈100從第一端118約為θ2處沿圓周方向延伸到第二端120約為θ1處。
在第一軸向位置114上的第二圓周形槽122在內表面110和外圓周形表面108之間沿徑向延伸，并且從軸向槽112的第三極角θ3處沿圓周角度方向延伸到與θ3相距約為160-165°的第四極角θ4，使得軸向槽112和第二圓周形槽122限定了第二線圈102，第二線圈102從第一端124上約θ4處沿圓周方向延伸到第二端126上約為θ3處。因而，第一線圈100和第二線圈102各自限定了圓周形電流通道，其長度小于180°。
第一和第二線圈100和102各自的第一端118和124通過由軸向槽112和第一及第二圓周形槽116和122分別限定的柱128和130，分別與電極線圈部件92的第二端106電氣上連接。第一和第二線圈100和102各自的第二端120，126分別通過柱134，136與觸頭94的后側面132電氣連接。
在以上所討論的最佳實施例中，每一電極組件包括一個或兩個圓柱形線圈，每一個由兩個以上圓柱形線圈組成的電極裝配件也包含在本發明中。
作為最佳安排，可以組成兩個相對的電極裝配件的電極線圈，當電極線圈中有電流激勵時，同時產生通常為偶極的磁場，當觸頭分開時，觸頭表面之間區域的磁場基本上為軸向。安排線圈，使得每一電極組件的每一線圈中所通過的電流為同樣角方向，得到偶極磁場。周1所示為這樣的安排，在觸頭表面之間區域中軸向磁場促使擴散電弧的形成，而擴散電弧比柱形電弧更容易熄滅。
另一種辦法，也可以組成電極線圈，當電極線圈中電流相類似地激勵時，產生通常為四極磁場，當觸頭分開時，觸頭表面之間區域的磁場基本上為徑向。安排線圈，使得兩個相對電極組件的線圈中所通過的電流為相反的角方向，便得到這一結果。
雖然如上所述希望每一個電極組件包括一個電極線圈部件和管形支承件，本發明也考慮到真空斷路器可能僅在一個電極組件中包括一個電極線圈部件和支承件。
雖然用以上多種變化和例子公開了本發明，對于熟悉本領域的人員來說，其它的一些變化也是很顯而易見的。本發明并不局限于特別提到的一些變化，應當相應地查詢所附的權利要求，而不是查詢上面所討論的最佳例子，來評價本發明的范圍，在這一范圍中全部權利都已聲明。
權利要求
1.用于軸向磁場真空斷路器(10)的觸頭線圈組件(40，90)，該真空斷路器包括一真空外殼(12)；連接到交流電路(28)的第一和第二端柱(24，26)；以及在真空外殼(12)內部的第一和第二可分離觸頭(46，94)，分別在電氣上連接到第一和第二端柱(24，26)上，觸頭(46，94)中每一個包括一個前側面(82)，與另一觸頭(46，94)的前側面(82)相對；與前側面(82)有間距的后側面(70，132)，觸頭線圈組件(90)包括一個通常為環形的部件(42，92)，包括多個從內表面(54，110)延伸到外圓周表面(52，108)的槽，所述槽限定了基本為圓周方向上的電流通道；第一裝置，將環形部件(42，92)的第一端面(66，104)電氣連接到第一觸頭(46，94)；第二裝置，將環形部件(42，92)的第二端面(48，106)剛性連接到第一端柱(24)。
2.如權利要求1所述的觸頭線圈組件(40，90)，其中，所述槽包括在第一極角處從第一端面(44，104)到位于第一端面(44，104)和第二端面(48，106)之間的第一軸向位置(58，114)沿軸向延伸的第一槽(56，112)；以及在第一軸向位置(58，114)處從第一極角到與第一極角隔開的第二極角沿圓周方向延伸的第二槽(60，116)，其中，第一槽(56，112)和第二槽(60，116)限定了有自由端(66，120)的第一線圈(62，100)。
3.如權利要求2所述的觸頭線圈組件(40，90)，其中，觸頭圈組件(40，90)進一步包括一個管形支承件(78，98)，它的電阻顯著地大于第一線圈(62，100)的電阻，其一端連接到第一軸向位置(58，114)和部件(42，92)的第二端(48，106)之間的部件(42，92)的部分內表面(54，110)上，另一端剛性固定在第一觸頭(46，94)的后側面(70，132)上。
4.如權利要求3所述的觸頭線圈組件(40，90)，其中，第一裝置包括從第一線圈(62，100)的自由端(120)上沿軸向突起的并且連接到第一觸頭(46，94)的導電性連接柱(68，128)。
5.如權利要求3所述的觸頭線圈組件(40)，其中，第二裝置包括由內表面(54)限定的結構，包括一個環形臺肩(76)，在第一軸向位置(58)和部件(42)的第二端(48)之間的第二軸向位置(74)處，為第一端柱(24)提供一個止動表面。
6.如權利要求3所述的觸頭線圈組件(40)，其中，第一線圈(62)包括一個顯著大于180°的弧形部分。
7.如權利要求3所述的觸頭線圈組件(90)，其中，所述槽包括第三槽(112)，它在與第一極角間隔的第三極角上，從環形部件(92)的第一端面(104)到第一軸向位置(114)沿軸向延伸，還包括第四槽(122)，它在第一軸向位置(114)處，從第三極角到與第三極角間隔的第四極角沿圓周方向延伸，其中，第三槽(112)和第四槽(122)限定了有自由端(126)的第二線圈(102)。
8.如權利要求7所述的觸頭線圈組件(90)，其中，第一和第二線圈(100，102)各通過大致為180°的弧形延伸。
9.如權利要求8所述的觸頭線圈組件(90)，其中，第一裝置包括分別從第一和第二線圈(100，102)的自由端(120，126)上沿軸向突起，并接到第一觸頭(94)上的第一和第二導電性連接柱(128，130)。
10.如權利要求8所述的觸頭線圈組件(90)，其中，第二裝置包括由內表面(110)限定的結構，包括一個環形臺肩，在第一軸向位置(114)和部件(92)的第二端(106)之間的第二軸向位置上，為第一端柱(24)提供一個止動表面。
11.一種真空斷路器(10)包括一個真空外殼(12)；第一和第二電極組件(20，22)，在真空外殼(12)內部限定一個公共的縱軸；第一和第二端柱(24，26)，電氣上分別連接到第一和第二電極組件(20，22)上，使第一和第二電極組件(20，22)連接到交流電路(28)上；第一裝置(30)，允許電極組件中至少一個(22)在另一個(20)的軸向，在開路位置和連續的閉路位置之間移動；其中，每一個第一和第二電極組件包括觸頭(94)，它有與另一觸頭相對的接觸表面和與此間隔的后表面(132)；通常為環形的電極線圈組件(92)，它包括靠近觸頭(94)的第一端(104)，靠近端柱的第二端(106)，外圓周表面(108)，內表面(110)，在內表面(110)和外圓周表面(108)之間沿徑向延伸的軸向槽(112)，它在第一極角中，上從第一端(104)沿軸向延伸到第一軸向位置(114)，在第一軸向位置(114)上的圓周形槽(116)，在內表面和外圓周表面(108)之間徑向延伸，同時，從1沿角方向延伸到與1有一定間距的第二極角2，其中，由軸向槽(112)和圓周形槽(116)限定圓周第一線圈(100)，它從約2處的第一端(118)延伸到約1處的第二端(120)；第二裝置，將觸頭(94)的后表面(132)在電氣上連接到第一線圈(100)的第二端(120)上；第三裝置，將端柱在電氣上連接到靠近電極線圈部件(92)第二端(106)并與第一軸向位置(112)有間隔的第二軸向位置上的觸頭線圈部件(92)上。
12.如權利要求11所述的真空斷路器(10)，其中，第一和第二電極組件(20，22)各包括一個管形支承件(98)，它的電阻顯著地大于電極線圈部件(92)的電阻，位于由內表面(110)限定的中央空間內，用來支持觸頭(94)。
13.如權利要求12所述的真空斷路器(10)，其中，每一個管形支承件(98)包括剛性連接到在第一軸向位置(114)和電極線圈部件92第二端(106)之間的部分內表面(110)上的一個端以及剛性固定到觸頭(94)后表面(132)上的另一端。
14.如權利要求12所述的真空斷路器(10)，其中，電極線圈部件(92)，第二裝置和第三裝置均用一種機加工的金屬制成。
15.如權利要求12所述的真空斷路器(10)，其中，第一和第二電極組件(20，22)制造成可以在觸頭(94)分離時，在接觸表面之間的區域中配合產生基本上軸向的磁場。
16.如權利要求12所述的真空斷路器(10)，其中，第一和第二電極組件(20，22)制造成可以在電極線圈部件(92)通電流激勵時，配合產生四極磁場，當觸頭(94)分離時，在接觸表面之間的區域的磁場基本上為徑向。
17.如權利要求12所述的真空斷路器(10)，其中，每一個電極線圈部件(92)進而包括在內表面(110)和外圓周表面(108)之間徑向延伸的第二軸向槽(112)，它從第一端(104)沿軸向延伸到在第三極角3處的第一軸向位置(114)；還包括在第一軸向位置(114)上，在內表面(110)和外圓周表面(108)之間徑向延伸的第二圓周形槽(122)，它從3沿圓周方向延伸到與3有一定間隔的第四極角4，其中，第二軸向槽(112)和第二圓周形槽(122)限定了圓周形的第二線圈(102)，它從約為4處的第一端(124)延伸到約為1處的第二端(126)。
18.如權利要求17所述的真空斷路器(10)，其中，每個第一線圈(100)和第二線圈(102)各延伸約180°極角。
19.如權利要求12所述的真空斷路器(10)，其中，第一線圈(100)延伸約360°極角。
20.如權利要求14所述的真空斷路器(10)，其中，第二裝置包括從第一線圈(100)上靠近1處軸向突起的連接柱(128)，它連接到觸頭(94)的后表面(132)上。
21.一種生產真空斷路器中用于將端柱(50)電氣連接到觸頭(46)上的圓周形電極線圈(62)的方法，制造步驟為提供一段通常為園柱形的金屬管，它包括第一和第二端(44，48)，外圓周表面(52)，有第一半徑(R1)的內表面；從第一端(44)到第一軸向位置(58)處，將內表面(54)擴大到第三半徑(R3)；從第二端(48)到第二端(48)與第一軸向位置(58)之間的第二軸向位置(74)上止動表面處，將內表面(54)擴大到第二半徑R2，以將端柱(50)插入到止動表面；在約為第一軸向位置(58)處，從第一角位置1到第二角位置2，以及從外圓周表面(52)到第三半徑(R3)切割第一園周形槽(60)；從第一端(44)到第一圓周形槽(60)，以及從外圓周表面(52)到位于第一角位置1處的第三半徑(R3)切割第一軸向槽(56)。
全文摘要
一種依靠斷路器(10)中交流電流激勵的電極線圈組件(40)，包括通常為環形件(42)；它有多個在外圓周表面(52)和內表面(54)之間沿軸向延伸的槽，這些槽限定了基本上圓周形的電流通道。這些槽包括一個軸向延伸槽(56)和一個圓周形延伸槽(60)，它們限定一個線圈(62)，電極線圈部件(42)串聯在端柱(50)和電極組件的觸頭(46)之間。電極線圈組件(40)還可以包括觸頭(46)的管形支承件(78)。
文檔編號H01H33/664GK1132921SQ95119300
公開日1996年10月9日 申請日期1995年11月16日 優先權日1994年11月16日
發明者羅伯特·柯克蘭·史密斯 申請人:尹頓公司