专利名称：具有多个气隙的磁致动器的制作方法
技术领域：
本文公开的主题总体上涉及磁致动器，更具体地，涉及包括多于一个气隙的磁致动器配置。
背景技术：
诸如断路器、断路器的附件以及继电器的装置包括例如脱扣(trip)单元，在感测到预定水平的电流时，该脱扣单元断开电流通路以阻止电流流过电路。断路器是众所周知的，并且通常用于在发生不期望的过电流状况时提供这种自动电路中断。过电流状况可以包括但不限于过载状况、接地故障和短路状况。中断电流的流动的能力通常通过具有可移动触点来实现，可移动触点附接至与固定触点分开的可移动臂或者翼(blade)，其中固定触点附接至固定臂或者翼。脱扣单元包括磁致动器，该磁致动器是一般使用弹簧偏置机构迫使可移动翼从而迫使可移动触点远离固定触点来驱动脱扣操作的部件。
一般而言，脱扣单元的磁致动器部件被设计为尽可能快地起作用，然而，具有一个气隙的磁致动器由于其初始质量和大的初始气隙而启动较慢，从而在行程的起始部分中产生较小的力。已经进行了改进反应时间的尝试，但是这些改进都伴随着额外的代价。例如，匝数更多的脱扣线圈绕组将增大作用于磁致动器上的力，从而使得能够获得更快的反应时间，但是采用匝数更多的线圈绕组带来了额外的且不能接受的、断路器的功率损耗的增加，从而导致低效和整体尺寸的增大。因此，期望有提供改进的反应时间而没有伴随已知磁致动器的缺点的磁致动器。
发明内容
本实施例克服了上述问题，同时通过提供包括具有多于一个气隙的磁致动器的系统和方法而提供了磁致动器的更快反应时间。在触发脱扣单元之后，对第一电枢加速以使第一气隙快速闭合，然后与第二电枢配对。然后，第一电枢和第二电枢向芯子移动以使第二气隙闭合，并且到达最终的组合电枢位置，从而使得触点断开。这种新颖的解决方案在没有增加脱扣线圈绕组的匝数的情况下提供了更快的反应时间，并且提供了更高效的解决方案。根据本发明的一个实施例，提供了一种用于断开触点以中断电流的流动的磁致动器，所述致动器包括第一电枢和第二电枢，所述第一电枢和所述第二电枢在处于重置位置时间隔开第一间隙；以及所述第二电枢和芯子在处于所述重置位置时间隔开第二间隙。优选地，当激励所述磁致动器以断开所述触点时，所述第一电枢朝向所述第二电枢行进并使所述第一间隙闭合，然后，所述第一电枢和所述第二电枢一起朝向所述芯子行进并使所述第二间隙闭合。优选地，所述第一间隙小于所述第二间隙。优选地，该致动器还包括活塞，所述活塞具有活塞第一端和活塞第二端，所述活塞延伸通过所述第二电枢。优选地，所述第一电枢推动所述活塞通过所述第二电枢，直到所述第一间隙闭合为止。优选地，所述活塞第二端在所述第一间隙闭合之前接触推杆。其中，所述活塞优选地是非磁性活塞。优选地，该致动器还包括所述活塞第二端与所述推杆之间的活塞间隙，其中，所述活塞间隙在所述第一间隙闭合之前且在所述第二间隙闭合之前闭合。根据本发明的另一个方面，提供了一种用在断路装置中的磁致动器，所述磁致动器包括第一电枢，具有第一电枢极面；第二电枢，具有第一极面和第二极面，所述第一电枢极面和所述第二电枢的第一极面由第一气隙隔开；活塞，延伸通过所述第二电枢；芯子，具有芯子极面，所述第二电枢的第二极面和所述芯子极面由第二气隙隔开；以及容纳于线圈架内的所述第一电枢、所述第二电枢、所述活塞和所述芯子。优选地，所述第一电枢极面是平坦的或截头圆锥形的。另外，优选地，所述第一间隙和所述第二间隙中的一个具有截头圆锥形状，而所述第一间隙和所述第二间隙中的另一个具有平面形状。
优选地，所述第一电枢、所述第二电枢和所述活塞可滑动地位于线圈架内。另外，所述芯子优选地也位于所述线圈架内，并且盖保持所述芯子的位置。优选地，该致动器还包括在所述第二电枢和所述线圈架中的一个上的垫环，所述垫环能够限制所述第二电枢向所述第一电枢的移动。根据本发明的又一个方面，提供了一种用于在感测到过电流状况时中断电流的流动的断路器，所述断路器包括壳体；所述壳体内的脱扣单元，所述脱扣单元包括磁致动器，所述磁致动器包括与第二电枢间隔开以形成第一气隙的第一电枢、以及与所述第二电枢间隔开以形成第二气隙的芯子；所述第一电枢，能够朝向所述第二电枢行进以使所述第一气隙闭合，并且当所述第一气隙闭合时，所述第一电枢和所述第二电枢能够一起行进以使所述第二气隙闭合，并且中断电流的流动。优选地，所述推杆在所述第二气隙闭合之前使触点断开。优选地，该断路器还包括在所述第一电枢和所述线圈架中的一个上的第一垫环以及在所述第二电枢和所述线圈架上的一个上的第二垫环，其中，所述第一垫环能够限制所述第一电枢远离所述第二电枢的移动，所述第二垫环能够限制所述第二电枢朝向所述第一电枢的移动。优选地，所述第一电枢在所述第一气隙闭合之前接触活塞，并且所述活塞在所述第一气隙闭合之前接触推杆，优选地，弹簧使所述活塞偏置而远离所述推杆。为了实现前述及相关的目的，于是，实施例包括下文中充分描述的特征。以下描述和附图详细阐述了本发明的特定说明性方面。然而，这些方面只是表示可以应用本发明的原理的各种方式中的一些。在结合附图考虑时，根据以下本发明的详细描述，本发明的其他方面、优点和新的特征将变得明显。
下面将参照附图描述各个实施例，其中相同的参考标号表示相同的元件，以及图1是包括单间隙磁致动器的示例性断路器的截面的透视图；图2是图1中所示的单间隙磁致动器的截面的侧视图；图3是根据本发明的实施例的、包括多于一个致动器间隙的磁致动器的截面的侧视图4是根据本发明的实施例的、包括多于一个致动器间隙的替选磁致动器的截面的侧视图；图5是根据本发明的实施例的、包括多于一个致动器间隙的另一个替选磁致动器的截面的侧视图；图6是根据本发明的实施例的、包括多于一个致动器间隙的又一个替选磁致动器的截面的侧视图；图7至图10示出了图5的磁致动器，其中示出了从重置到触点断开的致动器位置；图11和图12示出了单间隙致动器与双间隙致动器相比的图形比较，并且表明采用双间隙致动器提高了效率；图13是单间隙致动器与双间隙致动器之间对于给定电流的磁力F的图形比较；以及图14示出了双间隙致动器与单间隙致动器相比激励电流(额定电流的η倍)的增.、
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具体实施例方式现在转向附图，并且首先参照图1，示出了示例性断路器10，其包括位于壳体15中的具有单间隙14的磁致动器12。断路器10包括用于将承载电流的输入导线(未示出)电连接至断路器的输入的线路导线输入16、以及用于将承载电流的输出导线(未示出)电连接至断路器的输出的线路导线输出18。承载电流的导线和断路器10包括电路的一部分。一旦输入导线和输出导线电连接至断路器10并且重置脱扣机构20，则电流能够流经断路器10。电流从线路导线输入16流到脱扣线圈22。脱扣线圈22包括环绕线圈架24的η匝，其中η是取决于断路器配置的预定数目。单间隙磁致动器12—般示为在线圈架24内。电流流经脱扣线圈并且流到触点26。在一个实施例中，断路器10包括第一触点27和第二触点28。可移动接触臂30将第一触点27电耦合至第二触点28。当第一触点和第二触点闭合时，电流能够流经可移动接触臂30并且流到线路导线输出18。如图1和图2中所示，磁致动器12被示为在电枢40的极面与芯子52的极面之间具有单间隙14。具体参照图2，电枢40包括第一端42和第二端44，第二端为大致平坦的极面。第一端42可释放地耦合至脱扣机构46。电枢40部分容纳于线圈架24的上部分48内。如前所述，脱扣线圈22围绕线圈架24。传统的磁致动器12在电枢40的第二端44与芯子52的第一端50之间仅包括这一个间隙14。第一端50为配对的大致平坦的极面。芯子52包括第一端50和第二端54，位于线圈架24的下部分56附近，并且可以保留在线圈架24中，其中端盖(termination cover) 58在线圈架的下部分56处或附近。弹簧60在电枢40和芯子52之间提供膨胀力。非磁性推杆62可滑动地延伸通过芯子52。在使用中，电枢40是磁致动器12的部件，该部件在因电流流经脱扣线圈22而产生的磁场超过弹簧60的膨胀力时移动。磁场使得电枢40在芯子52的方向上移动。在电枢40向芯子52移动的过程中，电枢40的第二端44接触推杆62的第一端64。推杆62的第二端66机械地耦合至可移动接触臂30。间隙14的大小适合于使得在电枢40的第二端44接触推杆62的第一端64之前、在极面配合之前电枢40能够向下行进预定量。间隙14的大小确定电枢40的行进程度。在电枢40由于磁力而克服弹簧60的起始力并且向芯子52行进时，电枢40的第二端44接触推杆62的第一端64。电枢40继续向芯子52行进，由此向下推动推杆62，这又使得可移动接触臂30分别与触点27的固定部分70和触点28的固定部分72分离，并且使触点27和28断开，由此中断电流经过断路器10的流动。当电枢40的第二端44接触芯子52的第一端50时，间隙14闭合。现在参照图3、图4、图5和图6，示出了根据本发明的实施例的脱扣单元。如在每个实施例中可以看出，电枢可以分为至少两个单独的电枢部件，但是应该理解，多于两个电枢部件被认为是本发明的一部分。第一致动器间隙102设置在第一电枢104与第二电枢106之间，以及第二致动器间隙108设置在第二电枢106与固定芯子110之间。现在将更详细地描述图3、图4、图5和图6中所示的各实施例。在应 用时，相同的元件将具有相同的参考标号。参照图3，新颖的磁致动器100被示为包括第一致动器间隙102和第二致动器间隙108。磁致动器100包括第一电枢104和第二电枢106，两者均具有大致平坦的极面。第一电枢104包括第一端112和第二端114，以及第二电枢106包括第一端116和第二端118。第一电枢104的第一端112可释放地耦合至脱扣机构46。第一电枢104可以部分地容纳于线圈架24的上部分48内，并且在一个实施例中，由线圈架的内壁122上的轮缘(Iip)或垫环(rim) 120防止第一电枢104从线圈架内向上滑动。如同传统的磁致动器12 —样,脱扣线圈22围绕线圈架24。新颖的磁致动器100包括第一电枢104的第二端114与第二电枢106的第一端116之间的第一致动器间隙102。第二电枢106容纳于线圈架24的中部124内，并且在一个实施例中，也可以由线圈架的内壁122上的第二轮缘或垫环126防止第二电枢106从线圈架内向上滑动。具有第一端132和第二端134的非磁性传动活塞130可滑动地延伸穿过第二电枢106，其中第二端134接触弹簧60。弹簧60在传动活塞130的第二端134与芯子110之间提供膨胀力。芯子110包括第一端136和第二端138，位于线圈架24的下部分56附近，并且可以保留在线圈架24中，诸如，其中端盖58在线圈架的下部分56处或附近。具有第一端142和第二端144的非磁性推杆140延伸穿过芯子110，其中推杆140的第二端144机械地耦合至可移动接触臂30 (参见图7)。活塞间隙148可以位于传动活塞130的第二端134与推杆140的第一端142之间。第一致动器间隙102和第二致动器间隙108在间隔上可以相等，或者一个间隙可以大于另一个。在优选的实施例中，第一致动器间隙102的间隔小于第二致动器间隙108的间隔，以使得第一致动器间隙102在第二致动器间隙108闭合之前闭合。第一致动器间隙102的大小可以适合于使得第一电枢104和传动活塞130能够在传动活塞130的第二端134接触推杆140的第一端142之前向芯子110行进预定量。在传动活塞130的第二端134接触推杆140的第一端142之后，第一电枢104继续行进，直到第一致动器间隙102闭合为止，以使得第一电枢104的第二端114接触第二电枢106的第一端116。第一电枢104和第二电枢106与传动活塞130 —起继续向芯子110行进，直到第二致动器间隙108闭合为止，由此第二电枢106的第二端118接触芯子110的第一端136。如图3中所示，在一些实施例中，第一电枢104的第二端114包括大致平坦的表面或极面150。第二电枢106的第一端116还可以包括大致平坦的配对表面或极面152，以使得当第一致动器间隙102闭合时，表面150与表面152配合以得到最大的表面接触。类似地，在一些实施例中，第二电枢106的第二端118包括大致平坦的表面或极面154。芯子的第一端136还可以包括大致平坦的配对表面或极面156，以使得当第二致动器间隙108闭合时,表面154与表面156配合以得到最大的表面接触。在一些实施例中，传动活塞130的第一端132包括大致平坦的表面158，并且在其他实施例中，第一端可以包括更圆的表面160 (参见图4)，另外，在其他实施例中，第一端可以包括具有削边162(参见图5)的大致平坦的表面。应该理解，传动活塞130的第一端132和第二端134两者均可以包括多种其他形状和/或其他配置，并且被认为是本发明的一部分。参照图4，示出了新颖的磁致动器170的替选实施例。在该实施例中，第一电枢104 的第二端114包括具有削边174的大致平坦的表面172，通常看上去像倒转截头圆锥形的极面。第二电枢106的第一端116包括大致配合的倒转截头圆锥形表面或极面176，以使得当第一致动器间隙102闭合时，第二端面174与表面176配合，以获得最大表面接触。参照图5，示出了新颖的磁致动器180的另一替选实施例。在该实施例中，第一电枢104的第二端114包括大致截头圆锥形的表面或极面172，并且可包括在截头圆锥形表面的边缘处的大致平坦的表面174。第二电枢106的第一端116包括大致配合的截头圆锥形表面或极面176，并且可包括在边缘处的配合的大致平坦表面178，以使得当第一致动器间隙102闭合时，表面172和174与表面176和178配合，以获得最大表面接触。参照图6，示出了新颖的磁致动器190的又一替选实施例。在该实施例中，第二电枢106的第二端118包括大致倒转截头圆锥形表面或极面182。芯子110的第一端136包括大致配合的截头圆锥形表面或极面184，以使得当第二致动器间隙108闭合时，表面182与表面184配合以获得最大表面接触。所示的第一致动器间隙102的极面与图5中的间隙102的极面类似或相同。应当理解，第一致动器间隙102与第二致动器间隙108的各种其他极面形状以及形状的组合被认为是本发明的一部分。现在，参照图7至图10以及图13，将描述使用中的根据本发明的实施例的磁致动器。图7和图13示出磁致动器180处于重置位置的位置一，在重置位置，允许电流流过闭合触点27和28且流过断路器10。在重置位置，第一致动器间隙102的间隔大于零，而第二致动器间隙的间隔也大于零。活塞130的第二端134与推杆140的第一端142之间的活塞间隙148也大于零。弹簧60受到压缩，并且对传动活塞130和芯子110施加膨胀力。参照示出位置二的图8和图13，当不期望的过电流状况发生时，触发脱扣机构46。第一电枢104朝向芯子110行进，并且又将传动活塞130推向推杆140。在一个实施例中，活塞的第二端134与推杆140的第一端142接触，从而使得活塞间隙148在第一致动器间隙102达到零之前变为零。触点27和28可仍然闭合，但通过第一电枢104继续施加压力，触点27和28可开始断开。参照示出位置三的图9和图13，第一电枢104继续行进，从而使得第一致动器间隙104减小至零，其中，第一电枢104的第二端114与第二电枢106的第一端116配合。在此阶段，在一个实施例中，第一致动器间隙102等于零，活塞间隙148等于零，以及第二致动器间隙108大于零。触点27和28开始断开。
参照图10和图13，在位置四，第一电枢104和第二电枢106—起朝向芯子110行进，直到第二致动器间隙108减小至零为止，其中，第二电枢106的第二端118与芯子110的第一端136配合。由第一电枢104和第二电枢106经由活塞106施加于推杆140上的力使得触点27和28断开。电流不再能够流过触点27和28以及流过断路器10。应当理解，位置一、位置二、位置三和位置四的描述仅出于说明目的。图11和图12示出单间隙致动器12与双间隙致动器100和180相比的图形比较。曲线图表明利用双间隙致动器提高了效率。可以看出，在全部其他参数相同的情况下，单间隙致动器12所需的激励电流等于100%，其已被设置为基准。相比之下，在图11中，具有大致平坦极面的双间隙致动器100仅需要87%的激励电流，而在图12中，包括具有大致截头圆锥形极面的第一致动器间隙102的双间隙致动器180仅需要79%的激励电流。双间隙致动器100和180每一个均示出了显著的效率提高。
图13示出在单间隙致动器与双间隙致动器之间针对给定电流的磁力F的图形比较。该曲线图示出磁力随着电枢行进的定性轨迹。值得注意的是，双间隙致动器100的起点(位置I)比单间隙致动器12的起点高了被示出为AFinit的幅度。该改进的关于电枢104和106上的磁力的增大导致更短的第一致动器间隙102，并且实现期望的脱扣机构的早释放。图14用曲线图示出激励电流的增益(为额定电流的η倍)。用于电动机保护断路器的标准单间隙致动器通常被设计成以大约12倍额定电流脱扣。一些线路保护断路器标准要求例如所谓的脱扣特性“C”或“D”，其在“C”是5至10倍额定电流且“D”是10至20倍额定电流的范围内工作。图14中示出这些工作限制。在一个示例中，为了满足“C”特性，标准单间隙致动器必须相当大地增加脱扣单元的体积，这导致效率低且增加了成本和尺寸。相比之下，例如，使用在第一致动器间隙102 (参见图5)中具有截头圆锥形极面的双间隙致动器使得该单元能够在大约6. 7倍额定电流下脱扣，而不是对于单间隙致动器而言为大约12倍额定电流。在该新型配置中，脱扣时间缩短了大约30%。所撰写的该说明书使用示例公开了本发明，包括最佳模式，并且也是为使本领域的任何技术人员均能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。可取得专利的本发明的范围由权利要求限定，并且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。在这些其他示例具有与权利要求的文字语言相同的结构元件的情况下或者在这些其他示例包括与权利要求的文字语言没有实质差别的等同结构元件的情况下，这些其他示例落入权利要求的范围内。最后，明确预期到的是，可对本文中所述的任何处理或步骤进行组合、排除或重新排序。因此，意味着仅通过示例来进行该描述，而没有另外限制本发明的范围。
权利要求
1.一种用于断开触点以中断电流的流动的磁致动器，所述致动器包括第一电枢和第二电枢，所述第一电枢和所述第二电枢在处于重置位置时间隔开第一间隙；以及所述第二电枢和芯子在处于所述重置位置时间隔开第二间隙。
2.根据权利要求1所述的致动器其中，当激励所述磁致动器以断开所述触点时，所述第一电枢朝向所述第二电枢行进并使所述第一间隙闭合，然后，所述第一电枢和所述第二电枢一起朝向所述芯子行进并使所述第二间隙闭合。
3.根据权利要求1所述的致动器还包括活塞，所述活塞具有活塞第一端和活塞第二端，所述活塞延伸通过所述第二电枢。
4.根据权利要求3所述的致动器其中，所述第一电枢推动所述活塞通过所述第二电枢，直到所述第一间隙闭合为止。
5.一种用在断路装置中的磁致动器，所述磁致动器包括第一电枢，具有第一电枢极面；第二电枢，具有第一极面和第二极面，所述第一电枢极面和所述第二电枢的第一极面由第一气隙隔开；活塞，延伸通过所述第二电枢；芯子，具有芯子极面，所述第二电枢的第二极面和所述芯子极面由第二气隙隔开；以及容纳于线圈架内的所述第一电枢、所述第二电枢、所述活塞和所述芯子。
6.根据权利要求5所述的致动器其中，所述第一间隙和所述第二间隙中的一个具有截头圆锥形状，而所述第一间隙和所述第二间隙中的另一个具有平面形状。
7.根据权利要求5所述的致动器其中，所述第一电枢、所述第二电枢和所述活塞可滑动地位于线圈架内。
8.根据权利要求5所述的致动器还包括在所述第二电枢和所述线圈架中的一个上的垫环，所述垫环能够限制所述第二电枢向所述第一电枢的移动。
9.一种用于在感测到过电流状况时中断电流的流动的断路器，所述断路器包括壳体；所述壳体内的脱扣单元，所述脱扣单元包括磁致动器，所述磁致动器包括与第二电枢间隔开以形成第一气隙的第一电枢、以及与所述第二电枢间隔开以形成第二气隙的芯子； 所述第一电枢，能够朝向所述第二电枢行进以使所述第一气隙闭合，并且当所述第一气隙闭合时，所述第一电枢和所述第二电枢能够一起行进以使所述第二气隙闭合，并且中断电流的流动。
10.根据权利要求9所述的断路器还包括在所述第一电枢和所述线圈架中的一个上的第一垫环以及在所述第二电枢和所述线圈架上的一个上的第二垫环，其中，所述第一垫环能够限制所述第一电枢远离所述第二电枢的移动，所述第二垫环能够限制所述第二电枢朝向所述第一电枢的移动。
全文摘要
本发明提供了一种具有多个气隙的磁致动器。在触发脱扣单元之后，使第一电枢加速以使第一气隙快速闭合，然后与第二电枢配合。然后，第一电枢和第二电枢朝向芯子移动以使第二气隙闭合并到达最终的组合电枢位置，从而使得触点断开。在无需增加脱扣线圈绕组的匝数的情况下提供了更快的反应时间，并且提供了更高效的致动器。
文档编号H01H71/24GK103000462SQ20121018588
公开日2013年3月27日 申请日期2012年6月6日 优先权日2011年6月6日
发明者维利·费勒, 贝亚特·维利格 申请人:洛克威尔自动控制技术股份有限公司