专利名称：电线圈组件、包括该组件的电线圈、包括上述线圈的操作机构以及包括上述操作机构的断路器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电线圈组件、包括这种组件的电线圈、含有这种线圈的操作机构以及包括这种操作机构的断路器。本操作机构优选用于断路器，尤其用于保护诸如包括铁路机车在内的运输网络的DC装置的断路器。断路器通常用于限制装置中发生短路位置的电流。然而，它还可以具有许多其它工业应用。
混合式断路器代表利用机械系统的非常快速的连续动作的断路器和静态断路器。
目前，第一种类型的断路器，即机电断路器用于大多数馈电站和运输系统中的铁路机车。
然而，第一种类型的断路器存在几个不足之处，例如损耗高、噪声高、反应时间较长、维护成本高等。
静态断路器已经成为在实验室规模进行大量测试、研究以及实现的对象，但是由于正常运行期间的功耗高，所以它不能用于商业应用。
最后一种断路器是混合式断路器，它的名字是根据机电系统与电力电子学的合并获得的。在正常工作条件下，电流通过损耗非常低的机械连接器。当被触发时，机械连接器断开并且电流流过所并联的静态断路器。一旦机械连接器被完全断开，静态部分断开通过电路的电流。由于机械系统的操作速度快和电流的转接，所以可以限制通过机械接触器产生的电弧。
可以有几种不同的实现方法。一种已知的解决方案是，利用电容器放电过程产生的与短路电流方向相反的电流。这种断路器已经成为大量测试和实现的对象。然而，因为其复杂性、价格以及可靠性低，妨碍了其商业应用。
本发明的另一个目的是提供利用这种线圈组件的极薄的小型电线圈，其优点特别在于，在构成部分断路器的所谓汤姆逊机构内作为驱动装置。这种类型的线圈还有其它应用。
本发明的另一个目的是提供一种极快速有效的混合式断路器。
断路器的优选实施例的特征在于机电操作机构的新型设计和断路器静态部分的特别小型的对称设计。
根据本发明的断路器的重要优点在于，功耗极低。操作时的噪声级也非常低。机械接触器操作机构的新型设计提高了操作机构的速度并使它非常小型化。其可靠性良好且寿命长。
图1图解示出了根据本发明的混合式断路器；图2图解示出了断路器的机电部分；图3a和图3b示出了位于构成断路器机电部分驱动机构内的线圈的第一实施例一部分的平面型线圈组件的不同示意图；图3c示出了被设置在图3a和图3b所示的两个连续线圈组件之间的隔离单元；图4a至图4d示出了位于构成断路器机电部分驱动机构内的线圈的第二实施例一部分的两个平面型线圈组件的不同示意图；图5示出了断路器静态部分各部件的机电布局；图6示出了断路器静态部分各部件的另一种机电布局；图7示出了通过分配能量有效降低MOV成本的MOV一电阻器组合图8图解示出了断路器机电部分锁扣机构；图9a和图9b示出了根据本发明的一个实施例的触头与驱动机构的侧视图。
本发明的详细说明图1以一般方式图解示出了根据本发明的断路器。正常情况下，主电路3上的常闭机械接触器1通过电流。接触器1包括固定触头单元4和活动触头单元5。通常被指定为编号2的静态断路器与接触器1并联。在断路器被触发的瞬时，通过机械接触器的电流可以在任何一个方向流过。例如，如果主电路3发生短路，静态部分是对称的以便可以旁路或断开电流。
断路器的静态部分2包括二极管电桥D1至D4，二极管电桥D1至D4使得断路器对于主电路3上两个方向上的电流均可以起作用。断路器的有源部分至少包括一个IGCT(集成栅极整流可控硅)型可控硅。上述实施例使用两个并联在一起在它们之间分配电流的IGCTT1、T2。这种设计及其部件可以断开6kA级的电流，而无需采取特定预防措施，如整流辅助电路、电流的静态平衡、电流的动态平衡、元件匹配等。当然，不能将此电流值理解为任意方向上的极限值。通过适当选择元件，当然，可以根据相同的原理设计高标称电流值断路器以及低标称电流值断路器。与两个IGCT并联的MOV(金属氧化物变阻器)6用于限制当两个IGCT截止时施加在设备上的电压并消耗主电路3的感应能量。另一方面，为了降低MOV 6消耗的能量，与两个IGCT并联的MOV 6可以与包括与电阻器25串联的第二MOV 6′的附加并联支路组合。这种布置示于图7。MOV 6′的耐压值必须接近馈线电压。
实际上，利用例如汤姆逊型的非常快速的操作机构控制机械接触器1。图2示出了这种操作机构和接触器1。这种操作机构利用在线圈7和圆盘8中在两个相反方向循环的两个电流之间的电动排斥力产生所需的物理运动。在正常导通情况下，利用磁铁9固定接触器1。操作机构还包括机械运动减震装置(未示出)，将它优先设置在磁铁9下面。以下将对操作机构做进一步的说明。
在正常运行期间，机械接触器1闭合，主电路3中的电流通过此接触器，而且不产生过量热效应。
当主电路3内的某个位置发生短路时，电流会显著增加，甚至超过标称电流，这样当然会损坏电路中的元件和设备。为了将这种短路产生的影响降低到最小，所以希望尽快完全断开此电流。
在电路中设置检测装置(未示出)检测由于例如短路引起的电流增加。协作控制装置(未示出)将信号传送到机械断路器的操作装置。还将信号送到可控硅T1、T2的栅极以触发可控硅T1、T2。如果在断开的瞬间触头单元5对称打开，即如果触头单元5同时产生两个火花隙，在触头单元5的各个端部各出现一个火花隙，两个火花出现在活动触头单元5与固定触头单元4之间。这些火花的电压在2×20V级，此电压可以相对快速地(为50微秒级)将电流转接到断路器的静态部分2。电弧会将两个火花隙内的空气电离，这意味着，火花隙内空气的介电特性被破坏。因此，在截止IGCT之前，必须等待空气消除电离并被冷却，否则存在高电压(例如3kV)在触头单元之间产生新电弧的危险。
在另一种方法中，可以这样移动触头单元5，即它非对称断开，即仅以在断开的瞬间产生一个火花隙开始。因此仅在触头单元5的一个端部出现一个火花。在这种情况下，电流转接慢(例如100微秒)。此方法的优点在于，在触头单元5的端部，空气不会电离，因为在转接期间在这里不产生火花，并且整体介电特性非常好，这意味着，在IGCT被截止之前的延迟可以短许多。在触头单元4与触头单元5转接的空气体积消耗的能量非常低，因为电流快速降低了。触头单元的快速分离还有助于所述体积的空气的交换，这有助于良好冷却。此外，与利用机电断路器比较，可以忽略触头单元产生的金属蒸汽。
转接速度主要依赖于静态单元连接器的几何形状和施加在导通半导体上的电压。
两个IGCT T1、T2的并联连接要求母线几何非常好地对称，这样就可以产生对称的杂散电感。二极管D1、D2、D3、D4以及IGCT T1、T2需要承受在元件上施加的机械压力P1和P2的支架。如果二极管需要的压力P1与IGCT需要的压力P2不同，则可以将机械机构排列为图5所示的那样，具有两个分立的元件柱。如果需要相同压力P3，则采用图6所示的具有一个元件柱的排列。在图5和图6所示的排列中，对于并联的两个IGCT来说，电流通路完全相同(因此杂散电感相同)。
当电流被完全转接到半导体后，断路器必须等待直到在开始静态中断前触头有效分离。机械触头单元之间的隔离距离必须足以确保不再产生电弧。
各IGCT的电流中断几乎是瞬时的。电流通过MOV 6并迅速降低。从检测到短路电流到开始降低电流之间的时间约为350微秒，约为机电断路器的15倍至20倍。通常，功率半导体可以在不到2微秒时间内中断几千安培的电流。考虑到这一点，为了从此特性受益，显然必须缩短活动触头的断开时间。
为了缩短接触器1的断开时间，如上所述，采用电动推进系统。混合式断路器的机械部分包括3个不同的单元，活动触头5、磁锁扣机构9以及致动器7、8、10。在上述说明的例子中，提供电动推进的致动器是汤姆逊型的。
图2和图9图解示出了这种致动器。在所示的本发明实施例中，为了减少运行过程中的位移重量，使活动触头5转动。
图9示出了转动的活动触头的布置。将活动触头5安装到绕着枢轴12转动的臂11上。优先利用弹簧13对臂进行弹性加载，使臂与锁扣机构9的轴14的端部保持接触。
为了疏散在触头单元4、触头单元5产生的热量，重要的是慎重选择固定触头单元4的重量。在图8中更详细示出了磁锁扣机构9，它可以使断路器闭合和断开并在处于闭合位置的触头单元之间利用恒力以减小电阻。锁扣机构包括具有活动铁心的电磁铁15和永久磁铁16。通过从辅助DC电源流入线圈28电流可以将锁扣机构闭合。这样就在铁磁路中产生磁通量。磁通量产生使铁心17向着永久磁铁16移动的力。磁通量还对永久磁铁进行磁化，产生恒力将铁心保持在闭合位置。
为了降低总重量，应将磁锁扣机构的活动铁心17设计得尽可能轻。轴18将得到的移动传递到活动触头5。
有两种不同的方法可以将电触头4、5断开。在紧急情况下，例如短路时，如下所述，可以利用诸如汤姆逊型的致动器将触头断开。在这种情况下，致动器产生的力将锁扣机构9释放，尽管此机构仍被磁化。还可以通过对锁扣机构进行消磁，从容地将触头4、5断开。
在触头被致动器断开后，图2、图9a、图9b中所示的弹簧13将触头保持在断开位置。如上所述，在这种情况下，锁扣机构未被消磁并且例如在这种情况下发生机械振动会重新将触头闭合。在闭合位置，磁产生的力比弹簧产生的力大得多。
触头被断开后，减震装置(未示出)可以将活动触头减速。在此特定情况下，在锁扣机构的下面使用具有良好减震特性的专用泡沫塑料，当然也可以单独使用或组合使用其它类型的减震装置，例如气压型或液压型减震装置。
汤姆逊型致动器包括线圈7，在线圈7内循环着非常强的脉冲电流(在本发明的一个实施例中，使用为15kA级的电流极限值)。例如，可以利用二极管一可控硅装置控制的电解电容器电池产生此电流。铜或类似材料的圆盘8刚好设置在线圈下面。当对线圈供电时，利用电感，可以在圆盘内产生反向电流。在同一个实施例中，此感应电流的极限值可以达到80kA。由于存在这样两个电流，所以在线圈7与活动圆盘8之间产生强烈的排斥作用，这样就可以移动圆盘以及由固定在圆盘8上的轴10致动的机械接触器1的活动触头5。
在本发明的特定优选实施例中，使用专用线圈。这种线圈包括许多重叠的平面型线圈组件19，它们可以利用例如印刷电路技术制造。将这些组件重叠以提供适当线圈特性。汤姆逊机构型致动线圈的这种设计类型的一个优点在于，在垂直于圆盘8的平面的方向，可以将线圈7制造得非常薄，这意味着，通过线圈和圆盘的两个方向相反的电流可以靠在一起，这样可以显著提高线圈7与圆盘8之间的排斥作用。这当然会降低机构的反应时间。
图3a和图3b示出了这种线圈组件的第一实施例。利用已知技术，在基底21的一侧设置导电材料(例如铜)第一布图20。在基底21的另一侧设置第二布图20′。图3a示出了组件的一侧，图3b示出了组件的另一侧。利用通过基底的电连接，基底各侧上的导体与另一侧上的导体相连。例如，这种电连接可以以通过通孔22的金属化壁形式实现。例如，如果将孔23作为到组件的输入端，则电流将通过导电材料20′流到通孔22，通孔22将电流引导到基底的另一侧。电流然后流过另一侧上的导体流到输入端24。可以将许多这种组件重叠并固定在一起以产生平面型的非常小型的线圈。在此实施例中，必须利用如图3c所示的隔离单元将连续组件分离。孔23、24以及22三个均可以通过各孔的金属化壁在基底的两侧间导通电流。
显然，当将这种组件与隔离单元叠放在一起时，组件并联电连接。将适当数目的组件叠放在一起可以提供要求的线圈特性。
与使用普通线圈情况比较，在高频情况下应考虑的趋肤效应和脉冲模式产生的问题很少，这意味着根据本发明的线圈的导体部分得到了更有效利用。在特定实施例中，因为对线圈采用了平面设计，所以可以将所有的铜质部分划分为约10个非常小的细片。在这种情况下，全部铜质部分可以携带电流。
图4a至图4d示出了构成可以用于断路器的机电部分的驱动机构内的线圈的第二实施例的两个平面型线圈组件的不同示意图。图4a和图4b以及图4c和图4d分别示出了两个线圈组件的相对两侧。如果将图4a定义为第一种组件的上侧，则图4b就为第一种组件的下侧。同样，图4d和图4c分别为第二种组件的上侧和下侧。如图所示，图4b所示的第一种组件的的下侧与图4d所示的第二种组件的上侧的布图是互相成镜面关系。图4a所示的第一种组件的上侧与图4c所示的第二种组件的下侧的布图也互相成镜面关系。这种布置的优点在于，如果在将线圈叠放在一起时要变更组件的类型，不必在线圈组件之间存在任何隔离。线圈绕组不可能短路。因此，尽管线圈较薄，但是利用本发明的此第二实施例，线圈仍可以实现给定的特性。
在线圈组件的输入端26和输出端27的周围区域内，分别设置多个较小的通孔26′和通孔27′。这些通孔的金属化壁作为组件两侧间的导电部分。
权利要求
1.一种平面型电线圈组件，优选在一般平板基底(21)上利用印刷电路技术制造，其特征在于，将导电材料的第一布图设置在所述基底(21)的一侧，上述第一布图构成具有输入端(23)的第一电导体；将导电材料的第二布图(20′)设置在所述基底的另一侧，上述第二布图构成具有输出端(24)的第二电导体；利用穿过基底(21)的电连接(22)将所述第一导体与所述第二导体连接在一起，使得线圈组件的输入端与输出端之间的电压驱动电流从一端通过在基底一侧上的导体并经过穿过基底的连接(22)和在基底另一侧上的导体到达另一端。
2.一对根据权利要求1所述的线圈组件，该对线圈组件定义了第一组件和第二组件，其特征在于，在第一组件的一侧上设置导电材料的布图，该导电材料的布图是第二组件的一侧上的导电材料的布图的镜像形式，在第一组件的另一侧上设置导电材料的布图，该导电材料的布图是第二组件的另一侧上的导电材料布图的镜像形式。
3.根据权利要求1或2所述的至少包括两个线圈组件的电线圈，其特征在于，所述组件被重叠并固定在一起以形成平面型线圈，在平面型线圈中，各线圈组件并联电连接。
4.根据权利要求3所述的电线圈，其特征在于，利用隔离单元将所述组件分离。
5.根据权利要求2和3所述的电线圈，其特征在于，该电线圈至少包括根据权利要求2所述的一对组件，将所述组件重叠在一起而无需中间隔离单元。
6.一种汤姆逊型操作机构，该操作机构包括励磁线圈(7)、协作圆盘(8)以及传递圆盘(8)的移动的轴(10)，其特征在于，所述线圈是权利要求3至5所述的任何一种类型的线圈。
7.一种机电断路器，该断路器包括汤姆逊型操作机构、一对固定触头单元(4)和活动触头单元(5)，其特征在于，所述操作机构的类型是权利要求6中所限定的。
8.根据权利要求7所述的机电断路器，其特征在于，在转动臂(11)上设置所述活动触头单元(5)。
9.一种混合式断路器，该断路器包括根据权利要求7或权利要求8所述的机电断路器和并联的静态断路器，其特征在于，所述静态断路器包括并联在机电断路器的机械触头(4、5)的两端的二极管电桥(D1至D4)，电桥的对角线上至少包括一个与MOV(6)并联的IGCT型可控硅(TI、T2)。
10.根据权利要求9所述的混合式断路器，其特征在于，与电阻器(25)串联的第二MOV(6′)与所述MOV(6)并联。
全文摘要
本发明公开了一种平面型电线圈组件,优选在一般平板基底(21)上利用印刷电路技术制造,该电线圈组件具有设置在所述基底(21)的一侧、构成具有输入端(23)的第一电导体的导电材料的第一布图(20)。将构成具有输出端(24)的第二电导体的导电材料的第二布图(20′)设置在所述基底的另一侧。利用通过基底(21)的电连接器(22)将第一导体与第二导体连接在一起,使得线圈组件的输入端与输出端之间的电压驱动电流从一端通过在基底一侧上的导体并经过穿过基底的连接(22)和在基底另一侧上的导体到达另一端。本发明还描述了一种包括这种组件的电线圈以及包括这种线圈的操作机构和包括这种操作机构的电动断路器。
文档编号H01F7/06GK1343366SQ00804808
公开日2002年4月3日 申请日期2000年3月8日 优先权日1999年3月8日
发明者让－马克·梅耶, 亨利·迪福尔, 瑟奇·马丁 申请人:塞克瑞股份有限公司, 电子工业实验室