具有多個氣隙的磁致動器的製作方法
2023-05-24 15:03:11 1
專利名稱：具有多個氣隙的磁致動器的製作方法
技術領域：
本文公開的主題總體上涉及磁致動器，更具體地，涉及包括多於一個氣隙的磁致動器配置。
背景技術：
諸如斷路器、斷路器的附件以及繼電器的裝置包括例如脫扣(trip)單元，在感測到預定水平的電流時，該脫扣單元斷開電流通路以阻止電流流過電路。斷路器是眾所周知的，並且通常用於在發生不期望的過電流狀況時提供這種自動電路中斷。過電流狀況可以包括但不限於過載狀況、接地故障和短路狀況。中斷電流的流動的能力通常通過具有可移動觸點來實現，可移動觸點附接至與固定觸點分開的可移動臂或者翼(blade)，其中固定觸點附接至固定臂或者翼。脫扣單元包括磁致動器，該磁致動器是一般使用彈簧偏置機構迫使可移動翼從而迫使可移動觸點遠離固定觸點來驅動脫扣操作的部件。
一般而言，脫扣單元的磁致動器部件被設計為儘可能快地起作用，然而，具有一個氣隙的磁致動器由於其初始質量和大的初始氣隙而啟動較慢，從而在行程的起始部分中產生較小的力。已經進行了改進反應時間的嘗試，但是這些改進都伴隨著額外的代價。例如，匝數更多的脫扣線圈繞組將增大作用於磁致動器上的力，從而使得能夠獲得更快的反應時間，但是採用匝數更多的線圈繞組帶來了額外的且不能接受的、斷路器的功率損耗的增加，從而導致低效和整體尺寸的增大。因此，期望有提供改進的反應時間而沒有伴隨已知磁致動器的缺點的磁致動器。
發明內容
本實施例克服了上述問題，同時通過提供包括具有多於一個氣隙的磁致動器的系統和方法而提供了磁致動器的更快反應時間。在觸發脫扣單元之後，對第一電樞加速以使第一氣隙快速閉合，然後與第二電樞配對。然後，第一電樞和第二電樞向芯子移動以使第二氣隙閉合，並且到達最終的組合電樞位置，從而使得觸點斷開。這種新穎的解決方案在沒有增加脫扣線圈繞組的匝數的情況下提供了更快的反應時間，並且提供了更高效的解決方案。根據本發明的一個實施例，提供了一種用於斷開觸點以中斷電流的流動的磁致動器，所述致動器包括第一電樞和第二電樞，所述第一電樞和所述第二電樞在處於重置位置時間隔開第一間隙；以及所述第二電樞和芯子在處於所述重置位置時間隔開第二間隙。優選地，當激勵所述磁致動器以斷開所述觸點時，所述第一電樞朝向所述第二電樞行進並使所述第一間隙閉合，然後，所述第一電樞和所述第二電樞一起朝向所述芯子行進並使所述第二間隙閉合。優選地，所述第一間隙小於所述第二間隙。優選地，該致動器還包括活塞，所述活塞具有活塞第一端和活塞第二端，所述活塞延伸通過所述第二電樞。優選地，所述第一電樞推動所述活塞通過所述第二電樞，直到所述第一間隙閉合為止。優選地，所述活塞第二端在所述第一間隙閉合之前接觸推桿。其中，所述活塞優選地是非磁性活塞。優選地，該致動器還包括所述活塞第二端與所述推桿之間的活塞間隙，其中，所述活塞間隙在所述第一間隙閉合之前且在所述第二間隙閉合之前閉合。根據本發明的另一個方面，提供了一種用在斷路裝置中的磁致動器，所述磁致動器包括第一電樞，具有第一電樞極面；第二電樞，具有第一極面和第二極面，所述第一電樞極面和所述第二電樞的第一極面由第一氣隙隔開；活塞，延伸通過所述第二電樞；芯子，具有芯子極面，所述第二電樞的第二極面和所述芯子極面由第二氣隙隔開；以及容納於線圈架內的所述第一電樞、所述第二電樞、所述活塞和所述芯子。優選地，所述第一電樞極面是平坦的或截頭圓錐形的。另外，優選地，所述第一間隙和所述第二間隙中的一個具有截頭圓錐形狀，而所述第一間隙和所述第二間隙中的另一個具有平面形狀。
優選地，所述第一電樞、所述第二電樞和所述活塞可滑動地位於線圈架內。另外，所述芯子優選地也位於所述線圈架內，並且蓋保持所述芯子的位置。優選地，該致動器還包括在所述第二電樞和所述線圈架中的一個上的墊環，所述墊環能夠限制所述第二電樞向所述第一電樞的移動。根據本發明的又一個方面，提供了一種用於在感測到過電流狀況時中斷電流的流動的斷路器，所述斷路器包括殼體；所述殼體內的脫扣單元，所述脫扣單元包括磁致動器，所述磁致動器包括與第二電樞間隔開以形成第一氣隙的第一電樞、以及與所述第二電樞間隔開以形成第二氣隙的芯子；所述第一電樞，能夠朝向所述第二電樞行進以使所述第一氣隙閉合，並且當所述第一氣隙閉合時，所述第一電樞和所述第二電樞能夠一起行進以使所述第二氣隙閉合，並且中斷電流的流動。優選地，所述推桿在所述第二氣隙閉合之前使觸點斷開。優選地，該斷路器還包括在所述第一電樞和所述線圈架中的一個上的第一墊環以及在所述第二電樞和所述線圈架上的一個上的第二墊環，其中，所述第一墊環能夠限制所述第一電樞遠離所述第二電樞的移動，所述第二墊環能夠限制所述第二電樞朝向所述第一電樞的移動。優選地，所述第一電樞在所述第一氣隙閉合之前接觸活塞，並且所述活塞在所述第一氣隙閉合之前接觸推桿，優選地，彈簧使所述活塞偏置而遠離所述推桿。為了實現前述及相關的目的，於是，實施例包括下文中充分描述的特徵。以下描述和附圖詳細闡述了本發明的特定說明性方面。然而，這些方面只是表示可以應用本發明的原理的各種方式中的一些。在結合附圖考慮時，根據以下本發明的詳細描述，本發明的其他方面、優點和新的特徵將變得明顯。
下面將參照附圖描述各個實施例，其中相同的參考標號表示相同的元件，以及圖1是包括單間隙磁致動器的示例性斷路器的截面的透視圖；圖2是圖1中所示的單間隙磁致動器的截面的側視圖；圖3是根據本發明的實施例的、包括多於一個致動器間隙的磁致動器的截面的側視圖4是根據本發明的實施例的、包括多於一個致動器間隙的替選磁致動器的截面的側視圖；圖5是根據本發明的實施例的、包括多於一個致動器間隙的另一個替選磁致動器的截面的側視圖；圖6是根據本發明的實施例的、包括多於一個致動器間隙的又一個替選磁致動器的截面的側視圖；圖7至圖10示出了圖5的磁致動器，其中示出了從重置到觸點斷開的致動器位置；圖11和圖12示出了單間隙致動器與雙間隙致動器相比的圖形比較，並且表明採用雙間隙致動器提高了效率；圖13是單間隙致動器與雙間隙致動器之間對於給定電流的磁力F的圖形比較；以及圖14示出了雙間隙致動器與單間隙致動器相比激勵電流(額定電流的η倍)的增.、
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具體實施例方式現在轉向附圖，並且首先參照圖1，示出了示例性斷路器10，其包括位於殼體15中的具有單間隙14的磁致動器12。斷路器10包括用於將承載電流的輸入導線(未示出)電連接至斷路器的輸入的線路導線輸入16、以及用於將承載電流的輸出導線(未示出)電連接至斷路器的輸出的線路導線輸出18。承載電流的導線和斷路器10包括電路的一部分。一旦輸入導線和輸出導線電連接至斷路器10並且重置脫扣機構20，則電流能夠流經斷路器10。電流從線路導線輸入16流到脫扣線圈22。脫扣線圈22包括環繞線圈架24的η匝，其中η是取決於斷路器配置的預定數目。單間隙磁致動器12—般示為在線圈架24內。電流流經脫扣線圈並且流到觸點26。在一個實施例中，斷路器10包括第一觸點27和第二觸點28。可移動接觸臂30將第一觸點27電耦合至第二觸點28。當第一觸點和第二觸點閉合時，電流能夠流經可移動接觸臂30並且流到線路導線輸出18。如圖1和圖2中所示，磁致動器12被示為在電樞40的極面與芯子52的極面之間具有單間隙14。具體參照圖2，電樞40包括第一端42和第二端44，第二端為大致平坦的極面。第一端42可釋放地耦合至脫扣機構46。電樞40部分容納於線圈架24的上部分48內。如前所述，脫扣線圈22圍繞線圈架24。傳統的磁致動器12在電樞40的第二端44與芯子52的第一端50之間僅包括這一個間隙14。第一端50為配對的大致平坦的極面。芯子52包括第一端50和第二端54，位於線圈架24的下部分56附近，並且可以保留在線圈架24中，其中端蓋(termination cover) 58在線圈架的下部分56處或附近。彈簧60在電樞40和芯子52之間提供膨脹力。非磁性推桿62可滑動地延伸通過芯子52。在使用中，電樞40是磁致動器12的部件，該部件在因電流流經脫扣線圈22而產生的磁場超過彈簧60的膨脹力時移動。磁場使得電樞40在芯子52的方向上移動。在電樞40向芯子52移動的過程中，電樞40的第二端44接觸推桿62的第一端64。推桿62的第二端66機械地耦合至可移動接觸臂30。間隙14的大小適合於使得在電樞40的第二端44接觸推桿62的第一端64之前、在極面配合之前電樞40能夠向下行進預定量。間隙14的大小確定電樞40的行進程度。在電樞40由於磁力而克服彈簧60的起始力並且向芯子52行進時，電樞40的第二端44接觸推桿62的第一端64。電樞40繼續向芯子52行進，由此向下推動推桿62，這又使得可移動接觸臂30分別與觸點27的固定部分70和觸點28的固定部分72分離，並且使觸點27和28斷開，由此中斷電流經過斷路器10的流動。當電樞40的第二端44接觸芯子52的第一端50時，間隙14閉合。現在參照圖3、圖4、圖5和圖6，示出了根據本發明的實施例的脫扣單元。如在每個實施例中可以看出，電樞可以分為至少兩個單獨的電樞部件，但是應該理解，多於兩個電樞部件被認為是本發明的一部分。第一致動器間隙102設置在第一電樞104與第二電樞106之間，以及第二致動器間隙108設置在第二電樞106與固定芯子110之間。現在將更詳細地描述圖3、圖4、圖5和圖6中所示的各實施例。在應 用時，相同的元件將具有相同的參考標號。參照圖3，新穎的磁致動器100被示為包括第一致動器間隙102和第二致動器間隙108。磁致動器100包括第一電樞104和第二電樞106，兩者均具有大致平坦的極面。第一電樞104包括第一端112和第二端114，以及第二電樞106包括第一端116和第二端118。第一電樞104的第一端112可釋放地耦合至脫扣機構46。第一電樞104可以部分地容納於線圈架24的上部分48內，並且在一個實施例中，由線圈架的內壁122上的輪緣(Iip)或墊環(rim) 120防止第一電樞104從線圈架內向上滑動。如同傳統的磁致動器12 —樣,脫扣線圈22圍繞線圈架24。新穎的磁致動器100包括第一電樞104的第二端114與第二電樞106的第一端116之間的第一致動器間隙102。第二電樞106容納於線圈架24的中部124內，並且在一個實施例中，也可以由線圈架的內壁122上的第二輪緣或墊環126防止第二電樞106從線圈架內向上滑動。具有第一端132和第二端134的非磁性傳動活塞130可滑動地延伸穿過第二電樞106，其中第二端134接觸彈簧60。彈簧60在傳動活塞130的第二端134與芯子110之間提供膨脹力。芯子110包括第一端136和第二端138，位於線圈架24的下部分56附近，並且可以保留在線圈架24中，諸如，其中端蓋58在線圈架的下部分56處或附近。具有第一端142和第二端144的非磁性推桿140延伸穿過芯子110，其中推桿140的第二端144機械地耦合至可移動接觸臂30 (參見圖7)。活塞間隙148可以位於傳動活塞130的第二端134與推桿140的第一端142之間。第一致動器間隙102和第二致動器間隙108在間隔上可以相等，或者一個間隙可以大於另一個。在優選的實施例中，第一致動器間隙102的間隔小於第二致動器間隙108的間隔，以使得第一致動器間隙102在第二致動器間隙108閉合之前閉合。第一致動器間隙102的大小可以適合於使得第一電樞104和傳動活塞130能夠在傳動活塞130的第二端134接觸推桿140的第一端142之前向芯子110行進預定量。在傳動活塞130的第二端134接觸推桿140的第一端142之後，第一電樞104繼續行進，直到第一致動器間隙102閉合為止，以使得第一電樞104的第二端114接觸第二電樞106的第一端116。第一電樞104和第二電樞106與傳動活塞130 —起繼續向芯子110行進，直到第二致動器間隙108閉合為止，由此第二電樞106的第二端118接觸芯子110的第一端136。如圖3中所示，在一些實施例中，第一電樞104的第二端114包括大致平坦的表面或極面150。第二電樞106的第一端116還可以包括大致平坦的配對表面或極面152，以使得當第一致動器間隙102閉合時，表面150與表面152配合以得到最大的表面接觸。類似地，在一些實施例中，第二電樞106的第二端118包括大致平坦的表面或極面154。芯子的第一端136還可以包括大致平坦的配對表面或極面156，以使得當第二致動器間隙108閉合時,表面154與表面156配合以得到最大的表面接觸。在一些實施例中，傳動活塞130的第一端132包括大致平坦的表面158，並且在其他實施例中，第一端可以包括更圓的表面160 (參見圖4)，另外，在其他實施例中，第一端可以包括具有削邊162(參見圖5)的大致平坦的表面。應該理解，傳動活塞130的第一端132和第二端134兩者均可以包括多種其他形狀和/或其他配置，並且被認為是本發明的一部分。參照圖4，示出了新穎的磁致動器170的替選實施例。在該實施例中，第一電樞104 的第二端114包括具有削邊174的大致平坦的表面172，通常看上去像倒轉截頭圓錐形的極面。第二電樞106的第一端116包括大致配合的倒轉截頭圓錐形表面或極面176，以使得當第一致動器間隙102閉合時，第二端面174與表面176配合，以獲得最大表面接觸。參照圖5，示出了新穎的磁致動器180的另一替選實施例。在該實施例中，第一電樞104的第二端114包括大致截頭圓錐形的表面或極面172，並且可包括在截頭圓錐形表面的邊緣處的大致平坦的表面174。第二電樞106的第一端116包括大致配合的截頭圓錐形表面或極面176，並且可包括在邊緣處的配合的大致平坦表面178，以使得當第一致動器間隙102閉合時，表面172和174與表面176和178配合，以獲得最大表面接觸。參照圖6，示出了新穎的磁致動器190的又一替選實施例。在該實施例中，第二電樞106的第二端118包括大致倒轉截頭圓錐形表面或極面182。芯子110的第一端136包括大致配合的截頭圓錐形表面或極面184，以使得當第二致動器間隙108閉合時，表面182與表面184配合以獲得最大表面接觸。所示的第一致動器間隙102的極面與圖5中的間隙102的極面類似或相同。應當理解，第一致動器間隙102與第二致動器間隙108的各種其他極面形狀以及形狀的組合被認為是本發明的一部分。現在，參照圖7至圖10以及圖13，將描述使用中的根據本發明的實施例的磁致動器。圖7和圖13示出磁致動器180處於重置位置的位置一，在重置位置，允許電流流過閉合觸點27和28且流過斷路器10。在重置位置，第一致動器間隙102的間隔大於零，而第二致動器間隙的間隔也大於零。活塞130的第二端134與推桿140的第一端142之間的活塞間隙148也大於零。彈簧60受到壓縮，並且對傳動活塞130和芯子110施加膨脹力。參照示出位置二的圖8和圖13，當不期望的過電流狀況發生時，觸發脫扣機構46。第一電樞104朝向芯子110行進，並且又將傳動活塞130推向推桿140。在一個實施例中，活塞的第二端134與推桿140的第一端142接觸，從而使得活塞間隙148在第一致動器間隙102達到零之前變為零。觸點27和28可仍然閉合，但通過第一電樞104繼續施加壓力，觸點27和28可開始斷開。參照示出位置三的圖9和圖13，第一電樞104繼續行進，從而使得第一致動器間隙104減小至零，其中，第一電樞104的第二端114與第二電樞106的第一端116配合。在此階段，在一個實施例中，第一致動器間隙102等於零，活塞間隙148等於零，以及第二致動器間隙108大於零。觸點27和28開始斷開。
參照圖10和圖13，在位置四，第一電樞104和第二電樞106—起朝向芯子110行進，直到第二致動器間隙108減小至零為止，其中，第二電樞106的第二端118與芯子110的第一端136配合。由第一電樞104和第二電樞106經由活塞106施加於推桿140上的力使得觸點27和28斷開。電流不再能夠流過觸點27和28以及流過斷路器10。應當理解，位置一、位置二、位置三和位置四的描述僅出於說明目的。圖11和圖12示出單間隙致動器12與雙間隙致動器100和180相比的圖形比較。曲線圖表明利用雙間隙致動器提高了效率。可以看出，在全部其他參數相同的情況下，單間隙致動器12所需的激勵電流等於100%，其已被設置為基準。相比之下，在圖11中，具有大致平坦極面的雙間隙致動器100僅需要87%的激勵電流，而在圖12中，包括具有大致截頭圓錐形極面的第一致動器間隙102的雙間隙致動器180僅需要79%的激勵電流。雙間隙致動器100和180每一個均示出了顯著的效率提高。
圖13示出在單間隙致動器與雙間隙致動器之間針對給定電流的磁力F的圖形比較。該曲線圖示出磁力隨著電樞行進的定性軌跡。值得注意的是，雙間隙致動器100的起點(位置I)比單間隙致動器12的起點高了被示出為AFinit的幅度。該改進的關於電樞104和106上的磁力的增大導致更短的第一致動器間隙102，並且實現期望的脫扣機構的早釋放。圖14用曲線圖示出激勵電流的增益(為額定電流的η倍)。用於電動機保護斷路器的標準單間隙致動器通常被設計成以大約12倍額定電流脫扣。一些線路保護斷路器標準要求例如所謂的脫扣特性「C」或「D」，其在「C」是5至10倍額定電流且「D」是10至20倍額定電流的範圍內工作。圖14中示出這些工作限制。在一個示例中，為了滿足「C」特性，標準單間隙致動器必須相當大地增加脫扣單元的體積，這導致效率低且增加了成本和尺寸。相比之下，例如，使用在第一致動器間隙102 (參見圖5)中具有截頭圓錐形極面的雙間隙致動器使得該單元能夠在大約6. 7倍額定電流下脫扣，而不是對於單間隙致動器而言為大約12倍額定電流。在該新型配置中，脫扣時間縮短了大約30%。所撰寫的該說明書使用示例公開了本發明，包括最佳模式，並且也是為使本領域的任何技術人員均能夠實踐本發明，包括製造和使用任何裝置或系統以及執行任何併入的方法。可取得專利的本發明的範圍由權利要求限定，並且可包括本領域的技術人員想到的其他示例。在這些其他示例具有與權利要求的文字語言相同的結構元件的情況下或者在這些其他示例包括與權利要求的文字語言沒有實質差別的等同結構元件的情況下，這些其他示例落入權利要求的範圍內。最後，明確預期到的是，可對本文中所述的任何處理或步驟進行組合、排除或重新排序。因此，意味著僅通過示例來進行該描述，而沒有另外限制本發明的範圍。
權利要求
1.一種用於斷開觸點以中斷電流的流動的磁致動器，所述致動器包括第一電樞和第二電樞，所述第一電樞和所述第二電樞在處於重置位置時間隔開第一間隙；以及所述第二電樞和芯子在處於所述重置位置時間隔開第二間隙。
2.根據權利要求1所述的致動器其中，當激勵所述磁致動器以斷開所述觸點時，所述第一電樞朝向所述第二電樞行進並使所述第一間隙閉合，然後，所述第一電樞和所述第二電樞一起朝向所述芯子行進並使所述第二間隙閉合。
3.根據權利要求1所述的致動器還包括活塞，所述活塞具有活塞第一端和活塞第二端，所述活塞延伸通過所述第二電樞。
4.根據權利要求3所述的致動器其中，所述第一電樞推動所述活塞通過所述第二電樞，直到所述第一間隙閉合為止。
5.一種用在斷路裝置中的磁致動器，所述磁致動器包括第一電樞，具有第一電樞極面；第二電樞，具有第一極面和第二極面，所述第一電樞極面和所述第二電樞的第一極面由第一氣隙隔開；活塞，延伸通過所述第二電樞；芯子，具有芯子極面，所述第二電樞的第二極面和所述芯子極面由第二氣隙隔開；以及容納於線圈架內的所述第一電樞、所述第二電樞、所述活塞和所述芯子。
6.根據權利要求5所述的致動器其中，所述第一間隙和所述第二間隙中的一個具有截頭圓錐形狀，而所述第一間隙和所述第二間隙中的另一個具有平面形狀。
7.根據權利要求5所述的致動器其中，所述第一電樞、所述第二電樞和所述活塞可滑動地位於線圈架內。
8.根據權利要求5所述的致動器還包括在所述第二電樞和所述線圈架中的一個上的墊環，所述墊環能夠限制所述第二電樞向所述第一電樞的移動。
9.一種用於在感測到過電流狀況時中斷電流的流動的斷路器，所述斷路器包括殼體；所述殼體內的脫扣單元，所述脫扣單元包括磁致動器，所述磁致動器包括與第二電樞間隔開以形成第一氣隙的第一電樞、以及與所述第二電樞間隔開以形成第二氣隙的芯子； 所述第一電樞，能夠朝向所述第二電樞行進以使所述第一氣隙閉合，並且當所述第一氣隙閉合時，所述第一電樞和所述第二電樞能夠一起行進以使所述第二氣隙閉合，並且中斷電流的流動。
10.根據權利要求9所述的斷路器還包括在所述第一電樞和所述線圈架中的一個上的第一墊環以及在所述第二電樞和所述線圈架上的一個上的第二墊環，其中，所述第一墊環能夠限制所述第一電樞遠離所述第二電樞的移動，所述第二墊環能夠限制所述第二電樞朝向所述第一電樞的移動。
全文摘要
本發明提供了一種具有多個氣隙的磁致動器。在觸發脫扣單元之後，使第一電樞加速以使第一氣隙快速閉合，然後與第二電樞配合。然後，第一電樞和第二電樞朝向芯子移動以使第二氣隙閉合併到達最終的組合電樞位置，從而使得觸點斷開。在無需增加脫扣線圈繞組的匝數的情況下提供了更快的反應時間，並且提供了更高效的致動器。
文檔編號H01H71/24GK103000462SQ20121018588
公開日2013年3月27日 申請日期2012年6月6日 優先權日2011年6月6日
發明者維利·費勒, 貝亞特·維利格 申請人:洛克威爾自動控制技術股份有限公司