开关系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种开关系统(4)，其带有第一接触部(16)并带有第二接触部(24)，第一接触部和第二接触部能沿断开方向(28)彼此运动。开关系统(4)具有灭弧室(12)和用于驱动电弧(34)进入灭弧室(12)中的驱动元件(26)，其中，灭弧室(12)包括由多孔材料构成的灭弧元件(14)。本发明还涉及一种带有这种类型的开关系统(4)的保护开关(2)。
【专利说明】
开关系统
技术领域
[0001] 本发明设及一种开关系统，其带有第一接触部并带有第二接触部，第一接触部和 第二接触部能沿断开方向彼此运动。该开关系统尤其是设置用于低电压领域，优选用于继 电器或用于接触器，其中，待开关的电压在直流运行中为直至1500V，并且在交流运行中为 直至1000V。
【背景技术】
[0002] 由DE 10 2009 013 337B4公知了一种用于直流电流和交流电流的带有两个接触 位置的保护开关。在接触位置之间布置有接触桥接片，其在保护开关触发的情况下沿横向 方向转移。在两个接触位置上产生的电弧借助运送装置(Blaseinrich化ng)驱动。两个电弧 中的一个在此被运送至接触桥接片的边缘区域，而另一个电弧的其中一个基点借助导通片 基本上与两个接触部位置形成电接触。换而言之，借助第二电弧，两个接触位置发生电气短 路，并且第二电弧负责在闭合状态下的接触桥接片的电气功能。因此，第二电弧与接触桥接 片并联连接。两个电弧中的第一个在运种情况下焰灭。剩余的电弧借助另一个运送设备被 驱动到灭弧室中并且在那里焰灭。
【发明内容】
[0003] 本发明的任务在于，提供一种特别合适的开关系统，其带有第一接触部并带有第 二接触部，第一接触部和第二接触部能沿断开方向彼此运动，并且提供一种带有该开关系 统的保护开关，其中，在两个接触部之间形成的电弧被比较有效地焰灭，并且其中，尤其是 减小了重量和尺寸。
[0004] 在开关系统方面，该任务通过权利要求1的特征解决，而在保护开关方面，该任务 通过权利要求10的特征解决。优选的改进方案和设计方案是从属权利要求的主题。
[0005] 开关系统具有第一接触部和第二接触部，第一接触部和第二接触部电串联连接并 且在开关系统内部用于电流引导。两个接触部能彼此沿断开方向运动。在此，第一接触部例 如是固定不动的，也就是说借助开关系统的其他元件位置固定地保持。第二接触部例如借 助较接部，例如薄膜较接或类似物可运动地支承。换而言之，第一接触部是固定接触部而第 二接触部是运动接触部。备选于此，两个接触部都可运动地布置在开关系统内。尤其是，第 一接触部借助较接部可运动地支承。备选于此或与此结合地，接触部中的至少一个能沿向 横向方向转移。
[0006] 在开关系统的导通状态下，两个接触部优选彼此机械地直接彼此贴靠，并且在未 导通的状态下彼此间隔。在运种情况下，接触部相对彼此沿断开方向转移。断开方向尤其是 理解为如下的方向，即，第二接触部相对于第一接触部沿该方向转移，W便使开关系统从导 通状态过渡到不导通状态中。例如，将第二接触部相对于第一接触部横向地转移。在运种情 况下，断开方向表示平行于横向的直线的方向。备选地，使第二接触部相对于第一接触部旋 转，尤其是借助较接部或固定不动的轴旋转。在该情况下，断开方向相对于旋转轴线是切向 的。
[0007] 开关系统包括带有灭弧元件的灭弧室，其中，灭弧室尤其是与两个接触部相邻地 布置。灭弧室的灭弧元件由多孔材料构成。尤其是，灭弧室基本上由灭弧元件构成，或者灭 弧室仅额外地具有用于灭弧元件的保持件。特别优选的是，多孔材料是开孔的。换而言之， 材料的各个孔彼此连接。在适宜的方式下，灭弧元件在此是不导电的，也就是说由电绝缘材 料构成。
[0008] 此外，开关系统包括用于驱动电弧进入灭弧室中的驱动元件。灭弧室、驱动元件W 及两个接触部按如下方式布置，即，在两个接触部断开时，所产生的电弧在它们之间借助驱 动元件被驱动进入灭弧室中。在开关系统从导通状态过渡到不导通状态中时，可W能的是， 在第一接触部与第二接触部之间由于比较高的电压而形成等离子并且因此产生电弧，电流 通过该电弧流动。由此，即使在接触部断开的情况下也继续存在穿过开关系统的电流。借助 驱动元件，电弧被驱动到灭弧室中并且在灭弧元件中传播。尤其是，在孔的区域中形成等离 子，电流通过等离子流动。换而言之，在两个接触部之间形成的电弧的长度增加，运是因为 电弧仅在孔的内部传播。此外，在适当的选择孔尺寸的情况下，限制了电弧的横截面。运导 致电压增加，其对于获得电弧是必需的。
[0009] 在等离子与相对较冷的灭弧元件之间发生热交换。由于在等离子与灭弧元件之间 的大的接触面，热交换比较有效，从而等离子比较强烈地冷却。等离子的冷却W及随之出现 的能量消耗引起电弧的电场强度增加。运在第一与第二接触部之间导致电弧电源的强烈且 快速的提升。一旦电弧电压达到或超过设在开关系统上的电压值，运就导致对电流的限制 和降低，直至其被中断。总之，电弧被比较有效地冷却并且在其横截面方面受限，并且因此 比较快速地焰灭，并且由此将开关系统置于不导通状态中。
[0010] 由于使用多孔的材料，可W制作比较轻且紧凑的开关系统。此外，多孔材料的制作 例如比布置灭弧片更为简单和快速。由此，开关系统可W比较快速并且成本低廉地设定。此 夕h电弧场强度的提升速度是比较高的，从而可W比较快速地将开关系统置于不导通状态 中。
[0011] 符合目的的是，将开关系统使用在机动车辆或飞机中，运由于开关系统的比较轻 且紧凑的实施方案是可行的。开关系统尤其是设置用于高的直流电压，优选用于高压继电 器或接触器。开关系统应当优选与继电器或接触器形式的开关相结合地适合用于例如至少 330V的高直流电压，并且适用于承载和断开例如至少32A、100A、320A或1000 A的持续电流。 尤其是，开关系统适用于承载和断开直至数百安培的持续电流W及直至数百伏特的持续电 压，其中，待开关的电压在直流电压运行中例如为直至1500V，而在交流电压工作中为 1000 Vo
[0012] 优选地，多孔材料具有在20ppi与30ppi(每英寸孔数)之间的孔密度，其也被称为 单元宽度。换而言之，每英寸的孔的数量在20与30之间。再换言之，每厘米的孔的数量在7.5 与12之间。符合目的的是，密度等于20ppi、25ppi或30ppi。借助运种单元宽度，能在灭弧元 件内实现电弧的比较强的散开（Aufrnchemng)，由此能比较快速地在灭弧元件内焰灭电 弧。
[OOU]符合目的的是，多孔材料具有在70%与90%之间的孔隙度，其中，孔隙度表示中空 空间体积与整体体积的比例。整体体积减去中空空间体积与整体体积相比的比例被称为多 孔材料的固体份额，其尤其是等于10%、20%或30%。在运样选择孔隙度的情况下，一方面 保证了灭弧元件的比较高的结构坚固性。另一方面，提供了比较多的中空空间，电弧在运些 中空空间中传播。
[0014] 在特别优选的实施方式中，多孔材料是泡沫陶瓷，其尤其是开孔的。W运种方式提 供了比较坚固的灭弧元件。在本发明的特别优选的实施方式中，多孔材料是Al2〇3。在本发明 的特别优选的实施方式中，灭弧元件是比较耐抗高溫的，高溫由于电弧而产生。由此，可W 借助开关系统执行比较多的开关过程，其中，灭弧元件的烧损比较小。此外借助灭弧元件， 由于材料的比较高的比电阻，排除了电气短路。
[0015] 灭弧元件例如中空柱状地设计。尤其是，灭弧元件的垂直于其柱轴线的横截面是 环形的。在灭弧元件内，至少部分地布置有第二接触部。第二接触部例如借助灭弧元件的中 央留空部引导。W运种方式，灭弧元件包围第二接触部，并且在第二接触部与第一接触部之 间传播的电弧被比较快地驱动进入灭弧室中。尤其是，第一接触部基本上环状或盘状地设 计，并且与中空柱状的灭弧元件的遮盖面直接机械式接触。在导通状态中，第二接触部W适 宜的方式按如下形式布置在灭弧元件内，即，使第二接触部与第一接触部直接机械式接触。 为了使开关系统过渡到不导通状态中，第二接触部沿断开方向经过灭弧元件从第一接触部 离开地运动，该断开方向平行于灭弧元件的柱轴线。W运种方式，电弧在特定的区域内传 播，并且排除了对开关系统的其他组成部分或另外的元件的热负载或其他损害。
[0016] 在本发明的备选的实施方式中，开关系统具有第=接触部，其位置相对于第一接 触部是固定的。换而言之，第一接触部和第=接触部是固定接触部。由此，第二接触部相对 于第一 W及第=接触部是可运动的。第=接触部在开关系统的导通状态中尤其是与第一和 第二接触部串联连接。在第一接触部与第=接触部之间布置有灭弧元件。符合目的的是，按 如下方式实现第二接触部，即，使电弧在其焰灭之前在第一与第=接触部之间传播，并且从 那里借助驱动元件被驱动进入灭弧元件中。换而言之，只要电弧不是在去往灭弧室的路上 就已经焰灭，就将其驱动到灭弧室中。尤其是，灭弧元件不仅与第一接触部而且与第=接触 部直接机械式接触。W运种方式，从特定的时间点起，电弧不再能够在灭弧元件外部传播。 由于直接的机械式接触，围绕灭弧元件的传播是不可能的。符合目的的是，灭弧元件基本上 是长方体形的。借助运种设计方案，实现了开关系统的比较简单的制作。
[0017] 此外，借助灭弧元件，第一接触部与第=接触部W规定的间距地保持，从而即使在 第一和/或第=接触部的紧固件可能发生脱离的情况下，运两者也不会发生直接的机械式 接触并且由此使得开关系统短路。
[0018] 例如，第二接触部在开关系统的导通状态中贴靠在第一和第=接触部上。符合目 的的是，第二接触部基本上长方体形地设计。在开关系统的不导通的状态中，第二接触部与 灭弧元件之间的间距W适宜的方式增大。换而言之，为了使开关系统从导通状态过渡到不 导通状态中，第二接触部从灭弧元件运动离开。在运种情况下，第二接触部的两个自由端部 W适宜的方式不仅与第一接触部而且与第=接触部相间隔。由此，首先在第一与第二接触 部之间并且在第二接触部与第=接触部之间构造出电弧。借助驱动元件，电弧中的至少一 个沿着第二接触部驱动，直至其向第一或第=接触部产生飞弧。由此，在第二接触部与第一 接触部或第=接触部之间形成的另一电弧焰灭。换而言之，第二接触部不再引导电流，并且 仅在第一与第=接触部之间构造出电弧。从那里，电弧借助驱动元件被驱动到处在两个接 触部之间的灭弧室中并且在那里焰灭。在开关系统的运种设计方案中，断开方向是与灭弧 元件远离的并且尤其是垂直于第一与第=接触部之间的最短连接。
[0019] 适宜地，驱动元件是磁性元件。换而言之，借助驱动元件产生磁场。备选地，驱动元 件具有一定数量的磁性元件，运促成了比较均匀的磁场。尤其是，驱动元件是优选由铁素体 制造的永磁体。W运种方式，可W实现相对成本低廉地制造开关系统。备选地，永磁体由 NdFeB制成，运能够实现开关系统的比较紧凑的规格。在另一实施方式中，磁性元件是线圈 或者具有至少一个线圈，线圈在适当通电的情况下产生磁场。
[0020] 符合目的的是，磁性的驱动元件与灭弧室相邻地布置，并且优选灭弧室比较强地 被磁场流过。尤其是，在灭弧室内部的磁场为磁性驱动元件的最大磁场强度的至少四分之 一。适宜地，磁场在第一和第二接触部的区域中垂直于断开方向。W运种方式，在第一与第 二接触部之间产生的电弧由于洛伦兹力作用而比较快速地从其原始位置运动离开，并且避 免在相互机械式接触的区域中对第一和/或第二接触部的烧损。
[0021] 备选于此，驱动元件例如是形式为固体或凝胶状液体的自耗元件 (Abbrandelement),其沸点溫度低于电弧的溫度。符合目的的是，自耗元件的材料是不导电 的，也就是电绝缘的，例如有机玻璃(Plexiglas)。尤其是，驱动元件在此布置在两个接触部 的区域中，在该区域中产生电弧。尤其是，电弧的产生地点在驱动元件与灭弧室之间。由于 电弧的传播，自耗元件至少部分地过渡到气态状态中。由于放出气体的自耗元件产生的气 体流，电弧被驱动进入到灭弧室中。
[0022] 保护开关优选包括一种开关系统，其带有第一接触部和第二接触部，第一接触部 和第二接触部彼此沿着断开方向运动。此外，开关系统包括灭弧室和用于驱动电弧进入灭 弧室中的驱动元件，例如产生磁场的磁性元件，尤其是永磁体或电磁体。灭弧室具有由多孔 材料构成的灭弧元件。由于针对灭弧元件使用多孔材料，可W实现将保护开关构建得比较 小、比较紧凑并且比较轻。尤其是，保护开关是光伏机组或机动车辆的组成部分。保护开关 尤其是设计用于开关比较高的电压，尤其是大于或等于450V的电压，和/或高电流，尤其是 大于或等于IOA的电流。尤其是，保护开关的额定电压是330V而额定电流是32A、IOOA或 320A。额定电流例如为1000A。符合目的的是，开关系统适用于承载和断开直至数百安培的 持续电流W及数百伏特的持续电压，其中，待开关的电压在直流电压运行中例如直至 1500V，而在交流电压运行中直至1000V。除了开关系统之外，保护开关尤其是还包括监控设 备，借助监控设备来监控流过保护开关的电流和/或电压。监控设备例如具有电气和/或电 子部件，或者包括双金属元件，双金属元件在超过额定电压和/或额定电流时发生弯曲。
【附图说明】
[0023] W下借助附图详细阐述本发明的实施例。在附图中：
[0024] 图IW分解图示出带有开关系统的保护开关的第一实施方式；
[0025] 图2W剖面图示出保护开关的第二实施方式。
[0026] 彼此相应的部件在所有附图中设有相同的附图标记。
【具体实施方式】
[0027] 在图1中W分解图示意性简化地W区段方式示出了保护开关2。轴对称的保护开关 2包括带有第一壳体件6和第二壳体件8的开关系统4。第一壳体件6具有凹槽10,在凹槽内布 置有长方体形设计的灭弧室12,灭弧室通过由多孔材料构成的灭弧元件14形成。灭弧元件 14由Al2〇3制成，并且针对灭弧元件14所使用的材料的孔隙度等于85%，而孔密度为20ppi。 凹槽10的侧面的边界面部分地由第一接触部16和第=接触部18形成，第一接触部16和第= 接触部18分别由呈U形弯曲的铜带构成。铜带在此分别通过两个彼此平行的臂中的一个放 置在第一壳体件6的留空部20中。将两个彼此平行的臂连接的臂形成了凹槽10的边界。灭弧 元件14与铜带的形成了凹槽10的边界的那两个臂直接机械式接触。在此，灭弧元件14基本 上处在两个留空部20的区域中，从而借助灭弧元件划分了凹槽10。
[00%]由第一接触部16、第=接触部18和灭弧元件14形成了电弧空间22,电弧空间延展 至凹槽10的端部。在那里，在导通状态下布置有形式为由铜构成的带的第二接触部24。第二 壳体件8具有永磁体26,永磁体在它那一侧覆盖电弧空间22,并且永磁体的磁场M基本上垂 直于第二接触部24W及凹槽10。在此处未示出的变型方案中，第一壳体件6同样具有永磁 体，该永磁体与第二壳体件8的永磁体2 6镜像对称地布置。W运种方式，磁场M在凹槽10的区 域中比较均匀。
[0029] 第一接触部16和第=接触部18的两个臂(第二接触部14在导通状态下贴靠在运些 臂上）在自由端侧具有接头27。在运行中，电流由第一接触部16的接头27流向第二接触部 24,并且经由第二接触部流向第=接触部18。在第=接触部的接头27上，接有电路的其他组 成部分，该电路借助保护开关防护。为了使开关系统过渡到不导通的状态中，将第二接触部 24向断开方向28运动，断开方向平行于凹槽10。在此，断开方向28远离灭弧元件14地背离指 向。第二接触部24的运动借助在此未示出的引导件和由在此同样未示出的监控装置操纵的 机械装置进行。借助监控装置能检测和评估在两个接头27上流动的电流。如果电流超过特 定的额定值(其为320A)，那么第二接触部24就向断开方向28转移。
[0030] 在第二接触部24的自由端部32与相应相邻的第一接触部16或第=接触部18之间 分别形成电弧，电弧在尽管接触部16、18、24断开的情况下也能造成在两个接头27之间的另 外的电流。运两个电弧基于借助永磁体26产生的磁场M运动，该磁场垂直于断开方向28。在 此，其中一个电弧端从第二接触部24的其中一个自由端部32向着另一个自由端部32被驱 动，从那里运个电弧端向着第一或第=接触部16、18产生飞弧。由此，在第一接触部16与第 =接触部18之间在电弧空间22中形成电弧34,并且剩余的电弧焰灭。因此，电流从第一接触 部16经由电弧34流向第=接触部18,并且保护开关继续通流。
[0031] 电弧34借助永磁体26基于洛伦兹力而逆着断开方向28地被驱动到灭弧室12中。一 旦电弧34到达电弧空间22中的端部，电弧34就进入到灭弧元件14中。在那里，电弧34挤入到 灭弧元件14的孔中，运导致电弧34的横截面的被限定W及电弧的长度的增大。由于在电弧 34与灭弧元件14之间的相对大面积的接触，引起了对电弧34的相对有效的冷却。电弧电压 比较强烈地升高，运导致阻止了两个接头之间的电流。
[0032] 在图2中W沿着断开方向28的剖面图示出了开关系统4的另一设计方式。由Al2〇3f|jU 成的灭弧元件14是泡沫陶瓷并且具有30ppi的孔密度和80%的孔隙度。此外，灭弧元件14中 空柱状地设计，并且定位在第一壳体36中。在沿着断开方向28延伸的灭弧元件14的一个轴 向端部上，环形设计的第一接触部16接在灭弧元件14上。第一接触部16在此还邻接罐状设 计的第二壳体38,在第二壳体的罐底存在有接头27中的一个。罐状的第二壳体38的开口和 与之同中屯、地取向的第一接触部16W及灭弧元件14的中央留空部对准。
[0033] 同样环形设计的第二接触部24由销40承载，该销带有由不传导的材料，尤其是有 机玻璃或类似物制成的销尖端42和由导电材料制成的销柄44。在此，第二接触部24处在销 尖端42与销柄44之间，在第二接触部的与销尖端42对置的端部上存在开关系统4的第二接 头27。销40布置在第一壳体36和第二壳体38的内部，并且形状锁合地(formschliissig)放置 到相应的中央留空部中并被其引导。
[0034] 在开关系统的导通状态中，销40处在第一壳体36和第二壳体38内部。在此，将销尖 端42W如下程度引入到第二壳体38中，即，直至第二接触部24与第一接触部16平齐。换而言 之，销尖端42基本上完全处在第二壳体38内。第二接触部24机械式地直接贴靠在第一接触 部16上。由此，电流从布置在第二壳体38上的接头27经由第二壳体38和第一接触部16流向 第二接触部24,并且从那里经由销柄44流向布置在那里的接头27。
[0035] 为了中断电流，销40沿着断开方向28从第二壳体38运动出来。第二接触部24在运 种情况下运动穿过灭弧元件14,到达第一壳体36的与第二壳体38背离的端部。由此，在第一 接触部16与第二接触部24之间沿着销尖端42构造出电弧34。由于对销尖端42的加热作用， 销尖端部分地蒸发，运又由于W此方式而升高的压力导致了垂直于断开方向28延伸的气体 流。颗粒流将电弧34径向向外地驱动到灭弧元件14中。随着销40越来越多地转移，电弧34的 长度增加。由此，灭弧元件14的多孔材料的如下的孔的数量增加，在该孔内形成等离子或者 等离子挤入到该孔中，其中，等离子承载两个接头27之间的电流。从第一接触部16与第二接 触部24之间的特定间距起，在电弧34与灭弧元件14之间的相互作用的强度如下地大并且因 此电弧电压的升高如下地大，即，由此限制并且随后阻止了两个接头27之间的电流。
[0036] 本发明不限于前述实施例。相反，本领域技术人员还可W由此导出本发明的其他 的变型方案，而不脱离本发明的主题。此外尤其是，所有在本文中结合实施例说明的单独特 征也可W W其他方式彼此结合，而不脱离本发明的主题。
[0037] 附图标记列表
[0038] 2 保护开关
[0039] 4 开关系统
[0040] 6 第一壳体件
[0041] 8 第二壳体件
[0042] 10 凹槽
[0043] 12 灭弧室
[0044] 14 灭弧元件
[0045] 16 第一接触部
[0046] 18 第S接触部
[0047] 20 留空部
[004引 22 电弧空间
[0049] 24 第二接触部
[0050] 26 永磁体
[0051 ] 27 接头
[0052] 28 断开方向
[0053] 32 自由端部
[0054] 34 电弧
[0055] 36 第一壳体
[0056] 38 第二壳体
[0化7] 40 销
[005引 42 销尖端
[0059] 44 销柄
[0060] M 磁场
【主权项】
1 ·一种开关系统（4)，所述开关系统带有第一和第二接触部（16、24)并且带有灭弧室 (12)以及用于驱动电弧(34)进入到灭弧室（12)中的驱动元件(26)，所述第一和第二接触部 能沿断开方向（28)彼此运动，其中，所述灭弧室（12)包括由多孔材料构成的灭弧元件(14)。2. 根据权利要求1所述的开关系统(4)， 其特征在于， 所述多孔材料具有在20ppi与30ppi之间的孔密度。3. 根据权利要求1或2所述的开关系统(4)， 其特征在于， 所述多孔材料具有在70 %与90 %之间的孔隙度。4. 根据权利要求1至3中任意一项所述的开关系统(4)， 其特征在于， 所述多孔材料是泡沫陶瓷，尤其是Al2〇3。5. 根据权利要求1至4中任意一项所述的开关系统(4)， 其特征在于， 所述灭弧元件（14)中空柱状地成形，并且所述第二接触部（24)至少部分地布置在灭弧 元件(14)内部。6. 根据权利要求1至4中任意一项所述的开关系统(4)， 其特征在于 具有第三接触部（18)，所述第三接触部的位置相对于所述第一接触部（16)固定，其中， 所述灭弧元件（14)布置在第一与第三接触部（16、18)之间，并且尤其是与第一和第三接触 部处于直接机械式接触。7. 根据权利要求6所述的开关系统(4)， 其特征在于， 所述第二接触部(24)在导通状态下分别在自由端侧贴靠在第一和第三接触部（16、18) 上，其中，在不导通的状况下，在第二接触部(24)与灭弧元件（14)之间的间距尤其是增大。8. 根据权利要求1至7中任意一项所述的开关系统(4)， 其特征在于， 所述驱动元件(26)是磁性的。9. 根据权利要求8所述的开关系统(4)， 其特征在于， 磁性的驱动元件(26)的磁场(M)在两个接触部（16、24)的区域中垂直于断开方向（28)。10. -种带有根据权利要求1至9中任意一项所述的开关系统(4)的保护开关。
【文档编号】H01H9/44GK105981123SQ201580007700
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2015年1月15日
【发明人】托斯滕·施兰克, 米夏埃尔·库拉特, 恩斯特-迪特尔·威尔克宁
【申请人】埃伦贝格尔及珀恩斯根有限公司