一种双向直流开关的制作方法

本发明涉及一种高压直流开关，特别涉及一种双向直流开关。

背景技术：

气候变暖和节能减排的大背景下，新能源汽车和充电桩行业在全球范围内正在迅速发展，德国和法国甚至分别提出自2030年和2040年起新车只能为零排放汽车，禁止销售汽油车和柴油车；根据中国的新能源发展规划，至2020年将建成电动汽车充电站1.2万个，充电桩450万个，电动汽车的保有量将达到500万辆。

直流开关(如高压直流继电器、高压直流接触器)是电动汽车和充电桩中控制直流电路通断的必备电器元件，在电动汽车中，直流开关主要应用在bms电池管理系统和动力电池组中；在充电桩中，直流开关作为直流充电桩与汽车连接的电器开关；电器开关在分断高电压、大电流的电路时往往产生电弧，交流电由于过零点的存在而相对容易使电弧熄灭，但直流电则没有过零点，所以直流开关的电弧更加不容易熄灭，因此直流开关在额定负载条件下的电寿命次数普遍偏低。行业中的直流开关产品多利用永磁铁以磁吹的方式来灭弧，但直流开关因电流方向的不同(正负极区分)而使得磁吹力的方向有所不同，进而导致产品的电气寿命因为正、负极接法的不同而存在明显差异，直流开关多为单极，如果用户把电极接反，势必导致产品的使用寿命大幅降低。

除了电动汽车与充电桩行业外，光伏等新能源行业对直流开关的需求也日益增多，需要该产品在高电压、大电流条件下满足一定的电寿命指标；另外，随着储能技术和能源互联网的发展，将来有可能在电动汽车与储能电站之间或储能电站与电网之间实现反向充电，将冗余电能返还使电能得到有效利用，这时也需要直流开关具有双向导通功能。

所以需要实现一种双向导通的直流开关设计方式，解决正、负极接反导致电气寿命降低的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种双向直流开关，本发明通过永磁铁与小灭弧室的结构设计增加了电弧的爬行空间和产品的散热性，进而显著提高直流开关的电寿命，同时还能实现直流开关的双向导通功能，即触头的无极性要求，可避免将正负极接反产生的危害。

本发明提供的一种双向直流开关，包含一对静触头、灭弧罩和线圈，所述灭弧罩和所述线圈被导磁套包围并坐落在由上盖和底座构成的壳体中，在所述灭弧罩内嵌有一对或一对以上的永磁铁，任意一对永磁铁分别位于两个静触头中心线的两侧并同极相对放置；所述静触头中心线的任意一侧的一个永磁铁或多个永磁铁的长度方向与所述中心线平行；在中心线任意一侧的一个或多个永磁铁外端的最大间距小于两个静触头外圆的最大距离。

优选地，所述灭弧罩中在所述静触头中心线的两侧形成有若干个小灭弧室，每个小灭弧室的内侧壁设有开口，使灭弧气体形成环形流动回路。

优选地，所述导磁套是一种方形柱状金属套筒结构，其方形面交界处设有圆角。

优选地，所述导磁套位于所述底座内，所述灭弧罩分别与所述静触头和所述导磁套连接；

所述导磁套与所述灭弧罩之间的空隙形成腔体，所述腔体中密封有灭弧气体。

优选地，所述线圈位于所述灭弧罩下方，所述线圈内部嵌有由导磁材料构成的轴套。

优选地，所述导磁套内设有通过往复运动使电路导通或断开的驱动机构，所述驱动机构的上端设置在所述灭弧罩中，其下端位于所述线圈内。

优选地，所述上盖设置在所述灭弧罩上方；所述灭弧罩上部伸出一片薄壁，所述薄壁穿过所述上盖的槽并伸出所述上盖的外部。

优选地，所述底座上部的外轮廓为方形，其方形面交接处设有倒角或圆角。

优选地，所述上盖通过卡扣与底座固定连接，所述卡扣设置在所述底座的方形面交接处。

优选地，所述静触头的上部设有螺纹；其中间部分设有滚花且被填充在所述上盖和所述灭弧罩之间的环氧树脂所固定；其下部是一种触头结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：(1)本发明通过永磁铁与小灭弧室的设计增加了磁吹力和电弧的爬行距离，使电弧更容易熄灭；同时小灭弧室的开口特征配合金属导磁套的结构设计增强了产品的散热性能，显著提高直流开关的电寿命；(2)通过永磁铁的设置方式，实现单极直流开关的双向导通功能，可避免将正负极接反产生的危害。

附图说明

图1本发明的主视剖面示意图；

图2本发明的俯视剖面示意图；

图3～图6为本发明的双向直流开关的双向导通原理示意图；

图7本发明的外部结构立体示意图；

图8本发明的内部结构立体示意图。

其中，1.上盖；2.静触头；3.灭弧罩；301.灭弧罩外周围轮廓壁；3011.内凸出部分；3012.外周围方形部分；302.灭弧罩中间体；31.第一开口；32.第二开口；33.第三开口；34.外侧壁；4.驱动机构；41.动触头；42.触头弹簧；43.轴；44.动铁芯；45.卡簧；46.复位弹簧；47.薄壁；48.槽；49.卡扣；5.导磁套；6.线圈；7.轴套；8.底座；9.静铁芯；10.永磁铁。

具体实施方式

本发明提供了一种双向直流开关，为使本发明更明显易懂，以下结合附图和实施方式对本发明做进一步说明。

如图1和图2结合所示，本发明的一种双向直流开关主要包括一对静触头2、一对或一对以上的永磁铁10、上盖1、灭弧罩3、金属导磁套5、驱动结构4、线圈6、静铁芯9和底座8。

上盖1位于灭弧罩3的上方，灭弧罩3的上部伸出一片薄壁47，该薄壁47穿过上盖1的槽48并伸出上盖1的外部，用于增加两个静触头2之间的爬电距离。

静触头2从下至上依次穿过上盖1的圆孔和灭弧罩3的圆孔，并坐落在灭弧罩3上。其中，静触头2的上部有螺纹，下部为触头，有滚花特征的中间部分被填充在上盖1和灭弧罩3之间的环氧树脂所固定。上部螺纹特征用于接线，下部触头与动触头实现通断，中间的滚花特征固定在环氧树脂中有助于提高抗扭强度。

灭弧罩3的下方设有静铁芯9，线圈6设置在静铁芯9的下端，线圈6的内部嵌有一个由导磁材料构成的轴套7，灭弧罩3和线圈6的侧面和底部均被导磁套5所包围。

导磁套5可以是一个方形的柱状金属套筒，导磁套5的方形面交界处有圆角特征。导磁套5下部设置于底座8下部内，底座8下部的形状为多边形；底座8上部的外形轮廓可以是方形，其方形面交接处有倒角或圆角特征。底座8的上部与上盖1的下部通过卡扣49固定连接，卡扣49设置在底座8上部的方形侧面的交接处。

导磁套5和灭弧罩3所构成的腔体内充有灭弧气体(如氢气、氮气等)，灭弧气体通过环氧树脂被密封在该腔体中。

导磁套5内设有一个往返运动的驱动机构4，驱动机构4的上端位于灭弧罩3中，下端位于线圈6内。

其中，该驱动机构4包括动触头41、触头弹簧42、轴43、动铁芯44、卡簧45和复位弹簧46。动触头41和动铁芯44均穿过轴43并位于轴43的外侧，各自通过卡簧45在其外端进行限位；动触头41的下端与穿过轴43的触头弹簧42紧密接触，动铁芯44上端与穿过轴43的复位弹簧46上端紧密接触。

当对线圈6通电并在一定的电压下，动铁芯44在电磁力的作用下会克服复位弹簧46的弹簧反力朝向静铁芯9的方向运动，同时带动驱动机构4整体向上运动，使动触头41与静触头2接触，从而使电路导通。

当线圈6断电或电压下降到一定值后，复位弹簧46的弹簧反力大于电磁力，从而在弹簧反力的作用下，驱动机构4回复到原始位置，使得电路断开，即通过对线圈6的控制使驱动机构4进行往复运动，进而使由静触头2、动触头41以及外部电路构成的主回路进行开、关动作。

如图2和图8所示，灭弧罩3包含灭弧罩外周围轮廓壁301和灭弧罩中间体302；灭弧罩外周围轮廓壁301又包含外周围方形部分3012和内凸出部分3011，且灭弧罩中间体302设有外侧壁34和内侧壁。

在灭弧罩3的灭弧罩中间体302内部嵌有一对或一对以上的永磁铁10，通过灭弧罩3的外侧壁34进行限位。永磁铁10分别位于两个静触头2的中心线l1的两侧并且以同极相对的方式进行布置，如图2～图6所示。两个静触头2的中心线l1沿着z轴正方向一侧至少设有一个永磁铁10，其与两个静触头2的中心线l1相平行。两个静触头2中心线l1沿着z轴负方向一侧设有至少另一个永磁铁10，与z轴正方向一侧的永磁铁10同极相对配置。位于中心线l1任意一侧的一个永磁铁10的自身长度小于两个静触头2连接线段的最大长度b，或者位于中心线l1任意一侧的多个永磁铁10的连接线段最大长度a小于两个静触头2连接线段的最大长度b，因而留有空间使灭弧罩外周围轮廓壁301的外周围方形部分3012与灭弧罩中间体302的外侧壁34之间形成有一定深度的小灭弧室ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ。

电弧在磁吹力的作用下吹向各小灭弧室，小灭弧室的存在可以增加电弧的流动空间，有利于拉长灭弧使之更快地熄灭。

灭弧罩3由绝缘材料构成，小灭弧室还避免了或减少了电弧与灭弧罩3内侧壁的直接接触，可以减轻电弧对灭弧罩3的烧损并降低产气量。因为在导磁套5和灭弧罩3所构成的腔体内充有高纯度、高压强的灭弧气体，绝缘材料产气会增加内部气压并降低内部气体的纯度，气压增加可能会引起产品炸裂，气体纯度降低影响灭弧性能。

灭弧罩外周围轮廓壁301的内凸出部分3011、灭弧罩中间体302与导磁套5之间形成方形区域ⅴ，在灭弧罩外周围轮廓壁301的内凸出部分3011和灭弧罩中间体302的内侧壁之间设有第一开口31、第二开口32；灭弧罩中间体302设有第三开口33，如图2和图8所示。静触头2周围的气体受热膨胀会沿着图8中箭头所指方向进行流动。

上述开口的设计允许电弧和气流沿着图8中的箭头所指方向进行环形回路流动，加快电弧的流动速度，并且电弧在经过灭弧罩中间体302和灭弧罩外周围轮廓壁301的内凸出部分3011所构成的迷宫式的狭窄通道中熄灭。其中，图8中的箭头所指方向具体为：高温气体受热膨胀后进行流动，先经过第二开口32，再经过第一开口31后进入方形区域ⅴ，通过金属材料的导磁套5进行散热，然后冷却后的气体再经过第三开口33流入灭弧罩3的中间区域(即动触头41和静触头2所在区域)，在每个静触头2在中心线l1的一侧都会形成闭环的气流回路。

通过上述小灭弧室和开口设计，可使电弧流动空间更大和流动速度更快；同时灭弧罩3中带有多个开口的迷宫式设计，有助于电弧熄灭和气流的循环和冷却，因此直流开关的电寿命可以大大提高。

本发明的双向直流开关的双向导通功能的实现方法具体如下：

如图3和图4所示，将永磁铁10设置在两个静触头2中心线l1的两侧并以同极相对的方向放置，由于永磁铁10的同极相互排斥的特性，磁场中的磁力线方向表示为图3、图4、图5和图6中曲线箭头所指的方向。其中，x轴为垂直纸面方向，z轴和y轴为与纸面平行的方向；y轴正方向为右侧，y轴负方向为左侧。

如图3所示，当永磁铁10为n极相对时，根据左手定则原理，若左侧的静触头2为正极时，电流垂直纸面进入(用“×”表示电流垂直纸面进入)，电弧所受的洛伦兹力f的方向为z轴的正方向，在洛伦兹力f的作用下，电弧沿着z轴正方向被吹进小灭弧室ⅰ；右侧的静触头2为负极，电流垂直纸面流出(用“·”表示电流垂直纸面流出)，电弧所受的洛伦兹力f的方向为z轴的正方向，在洛伦兹力f的作用下，电弧沿着z轴正方向被吹进小灭弧室ⅱ。

如图4所示，当永磁铁10为n极相对时，根据左手定则原理，若左侧的静触头2为负极时，电流垂直纸面流出，电弧所受的洛伦兹力f的方向为z轴的负方向，在洛伦兹力f的作用下，电弧沿着z轴负方向被吹进小灭弧室ⅲ；右侧的静触头2为正极，电流垂直纸面进入，电弧所受的洛伦兹力f的方向为z轴的负方向，在洛伦兹力f的作用下，电弧沿着z轴负方向被吹进小灭弧室ⅳ。

如图5所示，当永磁铁10为s极相对时，根据左手定则原理，若左侧的静触头2为正极极时，电流垂直纸面进入，电弧所受的洛伦兹力f的方向为z轴的负方向，在洛伦兹力f的作用下，电弧沿着z轴负方向被吹进小灭弧室ⅲ；右侧的静触头2为负极，电流垂直纸面流出，电弧所受的洛伦兹力f的方向为z轴的负方向，在洛伦兹力f的作用下，电弧沿着z轴负方向被吹进小灭弧室ⅳ。

如图6所示，当永磁铁10为s极相对时，若左侧的静触头2为负极时，电流垂直纸面流出，电弧所受的洛伦兹力f的方向为z轴的正方向，在洛伦兹力f的作用下，电弧沿着z轴正方向被吹进小灭弧室ⅰ；右侧的静触头2为正极，电流垂直纸面进入，电弧所受的洛伦兹力f的方向为z轴的正方向，在洛伦兹力f的作用下，电弧沿着z轴正方向被吹进小灭弧室ⅱ。

综合上述，采用本发明的双向直流开关，只要永磁铁10同极相对设置，无论静触头2的正、负极如何接，电弧在其洛伦兹力的作用下均会被吹向静触头2中心线l1的同一侧的小灭弧室中。两个静触头2各自产生的电弧流动方向是相互平行并沿着z轴方向，不会沿着y轴相向运动而导致短路。另外，两个静触头2中心线l1两侧的结构近似对称设置，即两侧的电弧流动空间没有明显差异，无论正、负极如何接法，电弧的流动和熄灭不会有显著不同，即电寿命不会有显著不同，从而实现直流开关的无极性接线方式，即双向导通的功能。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。