專利名稱：真空斷路器觸頭中的非線性磁場(chǎng)分布的制作方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明總的來說涉及用于切斷電流的設(shè)備，更具體地，涉及用于斷路器組件中的觸頭組件。
現(xiàn)有技術(shù)描述在斷路器領(lǐng)域中，許多電力真空斷路器的觸頭依賴于軸向磁場(chǎng)(AMF)以實(shí)現(xiàn)高短路電流的切斷。在這些設(shè)計(jì)中AMF強(qiáng)度典型地直接與流經(jīng)觸頭的電流量成比例。因此，對(duì)于電流斷路器組件的通常的故障模式由位于斷路器電極中心的AMF的集中所引起。當(dāng)AMF在電極中心充分地集中時(shí)，真空電弧也在電極中心收縮。由此斷路器組件在電流零點(diǎn)發(fā)生故障。然而，需要相對(duì)更高的AMF強(qiáng)度用于正確地切斷更小的電流。
因此，存在對(duì)觸頭設(shè)計(jì)的需要，其中在較低的電流水平產(chǎn)生足夠大的磁場(chǎng)強(qiáng)度用以在必要時(shí)切斷電流，同時(shí)也防止在較高的電流水平時(shí)AMF在斷路器電極中心的集中。
發(fā)明概述本發(fā)明通過利用斷路器組件中的飽和磁性材料來滿足前述的需要。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中將飽和磁性材料放置在斷路器觸頭主體和/或電極中。由于飽和磁性材料響應(yīng)于電流的改變展現(xiàn)出非線性的磁場(chǎng)強(qiáng)度，所以斷路器組件中包含的飽和磁性材料導(dǎo)致了斷路器觸頭組件中的磁通量再分布，其適于時(shí)間中任意時(shí)刻上組件中經(jīng)歷的電氣條件。換言之，與現(xiàn)有領(lǐng)域不同，在本發(fā)明的斷路器組件中的磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)流過該組件的電流以非線性關(guān)系進(jìn)行響應(yīng)。
本發(fā)明可能歸于若干形式，包括斷路器組件，該組件包括具有中心和外部邊緣的觸頭，該觸頭包括電導(dǎo)材料和磁性材料的組合，該磁性材料安置于觸頭中，以便在相對(duì)低的電流條件下在觸頭中產(chǎn)生的軸向磁場(chǎng)具有從觸頭中心到觸頭的外部邊緣基本恒定的強(qiáng)度。
本發(fā)明也可能是如下斷路器組件的形式，該組件包括具有中心和外部邊緣的觸頭，該觸頭包括電導(dǎo)材料、第一磁性材料和第二磁性材料的組合，第一磁性材料位于觸頭外部邊緣附近并且具有高磁飽和點(diǎn)和高磁導(dǎo)率，第二磁性材料位于觸頭中心附近并且具有低磁飽和點(diǎn)和低磁導(dǎo)率。
本發(fā)明可能采用的又一種形式是包括具有中心和外部邊緣的觸頭的斷路器組件，該觸頭包括電導(dǎo)材料、第一磁性材料和第二磁性材料的組合，第一磁性材料位于觸頭外部邊緣附近并且具有高磁飽和點(diǎn)和低磁導(dǎo)率，第二磁性材料位于觸頭中心附近并且具有低磁飽和點(diǎn)和高磁導(dǎo)率。
附圖簡(jiǎn)述結(jié)合所附權(quán)利要求和下面的本發(fā)明的不同實(shí)施例的描述和附圖，本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)勢(shì)將更加容易理解，附圖中

圖1A和1B示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例；圖2示出了本發(fā)明第一實(shí)施例中作為電流水平函數(shù)的某種磁性材料中的磁場(chǎng)強(qiáng)度；圖3示出了本發(fā)明第一實(shí)施例中在不同的電流條件下示例性磁通量分布；圖4A和4B示出了本發(fā)明的第二實(shí)施例；圖5示出了本發(fā)明第二實(shí)施例中作為電流水平函數(shù)的某種磁性材料中的磁場(chǎng)強(qiáng)度；圖6示出了本發(fā)明第二實(shí)施例中在不同的電流條件下示例性磁通量分布。
示例性實(shí)施例詳述貫穿于下面的詳細(xì)描述，在附圖的所有圖中，相似的參考數(shù)字指示相似的單元。
第一實(shí)施例圖1A和1B示出了斷路器組件觸頭100情況下的本發(fā)明第一實(shí)施例。觸頭100包括整體地附著于觸頭主體104的觸頭桿103，意味著觸頭100可通過若干本領(lǐng)域技術(shù)人員所將理解方法中的任何一種方法來由桿103和主體104形成。例如，觸頭100可具有整體式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有桿103和主體104的形式，桿103和主體104可包括以適當(dāng)?shù)姆绞竭B接在一起的分立的部分用以形成觸頭100，等等。在任何情況下，觸頭桿103和觸頭主體104基本上包括電導(dǎo)材料。觸頭主體104的上面部分107典型地被稱為主觸頭。
第一實(shí)施例中觸頭100的觸頭主體104部分進(jìn)一步包括磁性材料101和102的組合。磁性材料101是環(huán)狀形式并且位于面對(duì)觸頭主體104的外部圓周邊緣105的位置。磁性材料101具有高磁飽和點(diǎn)和高磁導(dǎo)率μr。另一方面，磁性材料102是以固態(tài)盤的形式，該固態(tài)盤位于觸頭主體104的中心106中及其附近，并且具有低磁飽和點(diǎn)和低磁導(dǎo)率μr。
觸頭100的操作如下。當(dāng)電流流經(jīng)觸頭100時(shí)，由于磁性材料101和102的出現(xiàn)使得觸頭100內(nèi)總的磁場(chǎng)分布被改變。在低的接觸電流和電弧電流下，其中在觸頭100的中心處AMF是足夠用于保持電弧擴(kuò)散但在觸頭100的外部邊緣處AMF不是足夠的或者甚至是零，則由于其高r磁性材料101□吸引并且擴(kuò)大邊緣處的磁場(chǎng)。在較高的電流水平下，當(dāng)電弧由于其他的高的AMF而具有在觸頭100的中心集中的趨勢(shì)時(shí)(其可以引起對(duì)觸頭100的重大損傷并且導(dǎo)致在需要時(shí)切斷電流失敗)，磁性材料102飽和。磁性材料102在較高的電流水平依次飽和引起AMF衰減，由此防止電弧在觸頭100中心的集中和變成收縮。
圖2示出了作為增長(zhǎng)的電流水平I的函數(shù)的磁性材料101和102中的磁場(chǎng)強(qiáng)度B。圖線201示出了當(dāng)通過磁性材料101的電流幅度增加時(shí)磁性材料101中的磁場(chǎng)強(qiáng)度。圖線202示出了當(dāng)通過磁性材料102的電流幅度增加時(shí)磁性材料102中的磁場(chǎng)強(qiáng)度。注意到在電流幅度增加時(shí)，磁性材料101和102中的磁場(chǎng)開始都在增加，但是以不同的速率增加，該速率差是由于不同的磁導(dǎo)率的緣故。盡管有越來越大的電流量通過這些材料，但是材料101和102中的磁場(chǎng)最終變得平穩(wěn)并且保持近似恒定(雖然不同)的值。
圖3示出了本發(fā)明第一實(shí)施例中在較高和較低電弧電流條件下示例性的AMF通量分布。圖線301示出了在相對(duì)較低的電流水平下相對(duì)于離開觸頭100的中心的距離的AMF強(qiáng)度。圖線302示出了在相對(duì)較高的電流水平下相對(duì)于離開觸頭100的中心的距離的AMF強(qiáng)度。注意到在離開觸頭100的中心的距離增加直到到達(dá)觸頭100半徑(也就是上文的外部圓周邊緣105)附近的點(diǎn)時(shí)(在該點(diǎn)處AMF強(qiáng)度向零值下降——在相對(duì)較低的電流水平出現(xiàn)時(shí)緩慢下降而在較高電流水平出現(xiàn)時(shí)迅速下降)，觸頭100中的AMF是相對(duì)恒定的值。同樣注意到在中心處的從圖線301(處于較低電流水平)到圖線302(處于高電流)的AMF的增加小于離開中心一定距離處的從圖線301到圖線302的AMF的增加。這是由于兩種不同磁性材料101和102的組合作用的緣故。
第二實(shí)施例圖4A和4B示出了斷路器組件觸頭400情景下的本發(fā)明第二實(shí)施例。觸頭400包括整體地附著于觸頭主體404的觸頭桿403，意味著觸頭400可通過若干本領(lǐng)域技術(shù)人員所將理解方法中的任何一種方法來由桿403和主體404形成。例如，觸頭400可具有整體式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有桿403和主體404的形式，桿403和主體404可包括以適當(dāng)?shù)姆绞竭B接在一起的分立部分用以形成觸頭400等等。在任何情況下，觸頭桿403和觸頭主體404基本上包括電導(dǎo)材料。觸頭主體404上面部分407典型地被稱為主觸頭。
第二實(shí)施例中觸頭400的觸頭主體404部分進(jìn)一步包括磁性材料401和402的組合。磁性材料401是環(huán)狀形式并且位于面對(duì)觸頭主體404的外部圓周邊緣405的位置。磁性材料401具有高磁飽和點(diǎn)和低磁導(dǎo)率μr。另一方面磁性材料402是以固態(tài)盤的形式，該固態(tài)盤位于觸頭主體404的中心406中及其附近，并且具有低磁飽和點(diǎn)和高磁導(dǎo)率μr。
觸頭400的操作如下。當(dāng)電流流經(jīng)觸頭400時(shí)，由于磁性材料401和402的出現(xiàn)觸頭400內(nèi)總的磁場(chǎng)分布相比于本發(fā)明第一實(shí)施例的設(shè)計(jì)被更多改變。在相對(duì)低的和中等的接觸電流以及電弧電流下，由于磁性材料402的高磁導(dǎo)率，AMF向觸頭400的中心集中。這樣斷路器組件的性能可以得到改善，以用于高可靠性的開關(guān)操作，其中，例如，需要非常低的接觸再印模水平。這樣的一個(gè)應(yīng)用是電容開關(guān)。磁性材料402的出現(xiàn)限制了低的和中等的電流水平下(用于電容器組的正常負(fù)載開關(guān))的朝向觸頭400中心的擴(kuò)散電弧，因此限制了在主觸頭區(qū)域外側(cè)的電弧等離子體的擴(kuò)張，并且顯著減小了再印模的可能性。在相對(duì)高的電流水平下磁性材料402飽和并且不再集中位于觸頭400中心中及其附近的AMF和電弧。相反地，磁性材料401在成形AMF通量分布和增強(qiáng)觸頭400的外部圓周邊緣405處的磁場(chǎng)中開始扮演主導(dǎo)性的角色。換言之，在較高的電流水平下，磁性材料401的出現(xiàn)平衡了電弧等離子體的分布并且確保了電弧等離子體保持?jǐn)U散。磁場(chǎng)強(qiáng)度在相對(duì)較高的電流水平下的高非線性分布有效地補(bǔ)償了電弧電流的收縮效應(yīng)。
圖5示出了作為增長(zhǎng)的電流水平I的函數(shù)的磁性材料401和402中的磁場(chǎng)強(qiáng)度B。圖線501示出了當(dāng)通過磁性材料401的電流幅度增加時(shí)磁性材料401中的磁場(chǎng)強(qiáng)度。圖線502示出了當(dāng)通過磁性材料402的電流幅度增加時(shí)磁性材料402中的磁場(chǎng)強(qiáng)度。注意到在磁性材料402中磁場(chǎng)強(qiáng)度急劇上升但是迅速變得平穩(wěn)并且保持近似恒定的值，盡管電流量越來越大?？墒窃诖判圆牧?01中，磁場(chǎng)強(qiáng)度緩慢地并且基本線性地增加到一個(gè)點(diǎn)，在該點(diǎn)處磁場(chǎng)強(qiáng)度隨即變得平穩(wěn)并且保持近似恒定的值，盡管出現(xiàn)越來越大的電流。與第一實(shí)施例不同，在磁場(chǎng)強(qiáng)度不再增加(盡管出現(xiàn)更大的電流)的位置，對(duì)于外部的、環(huán)形狀的磁性材料的電流水平比對(duì)于內(nèi)部的、盤形狀的磁性材料的電流水平高很多。
圖6示出了本發(fā)明第二實(shí)施例中在較高和較低電弧電流條件下示例性的AMF通量分布。圖線601示出了在相對(duì)較低的電流水平下相對(duì)于離開觸400中心的距離的AMF強(qiáng)度。圖線602示出了在相對(duì)較高的電流水平下相對(duì)于離開觸頭400的中心的距離的AMF強(qiáng)度。注意到在離開觸頭400的距離增加直到到達(dá)觸頭半徑(也就是上文的外部圓周邊緣405)附近的點(diǎn)時(shí)(在該點(diǎn)處AMF強(qiáng)度向零值緩慢下降)，觸頭400中低電流條件下的AMF強(qiáng)度是相對(duì)恒定的值。然而，在離開觸頭400的距離增加直到到達(dá)觸頭半徑附近的點(diǎn)時(shí)(在該點(diǎn)處場(chǎng)強(qiáng)停止增加并且然后向零值迅速下降)，較高電流條件下的AMF強(qiáng)度逐漸變強(qiáng)。
盡管結(jié)合不同圖和附錄中示出的實(shí)施例已經(jīng)描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解在不偏離本發(fā)明的精神的前提下可以使用其他的實(shí)施例并且可以對(duì)所描述的實(shí)施例進(jìn)行修改和增加。因此，本發(fā)明不應(yīng)限于任何單一的實(shí)施例中，不論其是否在附圖中示出。相反地，本發(fā)明應(yīng)被解釋為具有根據(jù)下面的所附權(quán)利要求的全部的廣度和范圍。中心和外部邊緣，觸頭包括電導(dǎo)材料和磁性材料的組合，磁性材料安置于觸頭中以便在相對(duì)低的電流條件下在觸頭中產(chǎn)生的軸向磁場(chǎng)具有從觸頭中心到觸頭外部邊緣的基本恒定的強(qiáng)度。
權(quán)利要求
1.一種斷路器組件，包括具有中心和外部邊緣的觸頭，該觸頭包括電導(dǎo)材料和磁性材料的組合，該磁性材料安置于觸頭中，以便在相對(duì)低的電流條件下在觸頭中產(chǎn)生的軸向磁場(chǎng)具有從觸頭中心到觸頭外部邊緣的基本恒定的強(qiáng)度。
2.權(quán)利要求1的斷路器組件，其中磁性材料被進(jìn)一步設(shè)置成使得在相對(duì)高的電流條件下的軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度從中心到外部邊緣是基本恒定的。
3.權(quán)利要求1的斷路器組件，其中磁性材料被進(jìn)一步設(shè)置成使得在相對(duì)高的電流條件下的軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度從中心到外部邊緣附近的點(diǎn)逐漸增加，其后在數(shù)值上停止增加并且向在外部邊緣處的零值下降。
4.權(quán)利要求1的斷路器組件，其中磁性材料包括至少一種具有高磁飽和點(diǎn)和高磁導(dǎo)率的磁性材料。
5.權(quán)利要求4的斷路器組件，其中該至少一種磁性材料位于觸頭外部邊緣附近。
6.權(quán)利要求1的斷路器組件，其中磁性材料包括至少一種具有低磁飽和點(diǎn)和低磁導(dǎo)率的磁性材料。
7.權(quán)利要求6的斷路器組件，其中該至少一種磁性材料位于觸頭中心附近。
8.權(quán)利要求1的斷路器組件，其中磁性材料包括至少一種具有高磁飽和點(diǎn)和低磁導(dǎo)率的磁性材料。
9.權(quán)利要求8的斷路器組件，其中該至少一種磁性材料位于觸頭外部邊緣附近。
10.權(quán)利要求1的斷路器組件，其中磁性材料包括至少一種具有低磁飽和點(diǎn)和高磁導(dǎo)率的磁性材料。
11.權(quán)利要求10的斷路器組件，其中該至少一種磁性材料位于觸頭中心附近。
12.權(quán)利要求1的斷路器組件，其中觸頭包括整體地附著于觸頭主體的觸頭桿。
13.權(quán)利要求1的斷路器組件，其中觸頭通常為圓形。
14.一種斷路器組件，包括具有中心和外部邊緣的觸頭，該觸頭包括電導(dǎo)材料、第一磁性材料和第二磁性材料的組合，該第一磁性材料位于觸頭外部邊緣附近并且具有高磁飽和點(diǎn)和高磁導(dǎo)率，該第二磁性材料位于觸頭中心附近并且具有低磁飽和點(diǎn)和低磁導(dǎo)率。
15.權(quán)利要求14的斷路器組件，其中觸頭包括完整地附著于觸頭主體的觸頭桿。
16.權(quán)利要求14的斷路器組件，其中觸頭基本上為圓形。
17.權(quán)利要求16的斷路器組件，其中第一磁性材料基本上為環(huán)形。
18.權(quán)利要求16的斷路器組件，其中第二磁性材料基本上為盤形。
19.一種斷路器組件，包括具有中心和外部邊緣的觸頭，該觸頭包括電導(dǎo)材料、第一磁性材料和第二磁性材料的組合，該第一磁性材料位于觸頭外部邊緣附近并且具有高磁飽和點(diǎn)和低磁導(dǎo)率，該第二磁性材料位于觸頭中心附近并且具有低磁飽和點(diǎn)和高磁導(dǎo)率。
20.權(quán)利要求19的斷路器組件，其中觸頭包括整體地附著于觸頭主體的觸頭桿。
21.權(quán)利要求19的斷路器組件，其中觸頭基本上為圓形。
22.權(quán)利要求19的斷路器組件，其中第一磁性材料基本上為環(huán)形。
23.權(quán)利要求19的斷路器組件，其中第二磁性材料基本上為盤形。
全文摘要
公布和描述了新型的斷路器組件(100)設(shè)計(jì)，其利用了飽和磁性材料(101、102)。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中將飽和磁性材料(101、102)放置在斷路器觸頭主體和/或電極(104)中。斷路器組件(100)中包含的飽和磁性材料(101、102)導(dǎo)致了斷路器觸頭組件(104)中的磁通量再分布，其適于時(shí)間中任意時(shí)刻上組件中經(jīng)歷的電流條件。
文檔編號(hào)H01H33/18GK1618111SQ02827621
公開日2005年5月18日 申請(qǐng)日期2002年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月28日
發(fā)明者米特克·T·格林科斯基 申請(qǐng)人:Abb技術(shù)公開股份有限公司