专利名称：低压电器的触头结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及低压电器技术领域，更具体地说，涉及一种低压电器的触头结构。
背景技术：
低压电器根据它在电气线路中所处的地位和作用可归纳为配电电器和控制电器。无论配电电器和控制电器都设置有触头系统，触头系统作为低压电器的基本构件，直接影响到产品的性能。低压断路器作为配电电器的主要产品，短路分断能力是其主要的性能指标，线路发生短路故障后，断路器的触头断开越快，限流效果就越好，可大大降低短路电流引起的对断路器和用电设备的不良影响，延长断路器的使用寿命。接触器作为控制电器的主要产品，除了频繁接通和分断额定电流外，还可接通、分断和承载额定的过载电流，因此要求接触器的触头能够承受高的机械和电气寿命，触头分开速度越快，产生的电弧越少，对触头的烧损就越小，接触器的使用寿命就越高。控制与保护开关电器在分断短路电流时对触头的要求等同于断路器，在作频繁操作时，对触头的要求等同于接触器。低压断路器常用的触头结构形式通常有单断点和双断点两种触头形式，其中双断点触头形式还可分为平动式和转动式。由于双断点平动式的触头结构在触头斥开后会反弹，因此双断点平动式的触头形式常用于额定电流较小的场合，或是对短路电流保护要求指标较低的场合，例如现有的额定电流32A及以下的断路器，采用双断点平动式的触头形式，其短路分断能力一般Ics为50kA。额定电流为50A采用双断点平动式触头结构的断路器，其短路分断能力一般Ics为30kA。接触器是一种频繁操作的电器，要求具有高的操作频率和较高的机、电寿命，其执行机构往往采用电磁铁驱动。由于接触器本身不具备分断短路电流的能力，因此在线路中需配置短路保护装置，且接触器和短路保护装置必须协调配合。接触器的触头接通时，触头弹跳产生的电弧,会使触头烧损,影响其寿命。加大触头压力，可削弱电动斥力和触头的二次弹跳带来的不利影响，但触头压力的加大，需要增加电磁铁的吸力，势必增大了接触器的体积。同时由于触头压力的增加，对结构件和主弹簧的机械性能的要求相应增加，导致产品成本的增加。控制与保护开关电器作为一种多功能电器，具备了断路器的短路保护和接触器的高的操作频率和较高的机、电寿命，采用一体式或模块化设计的控制与保护开关电器，由于使用一套触头系统和控制系统，解决了接触器和短路保护装置的协调配合问题。但是由于要兼顾断路器和接触器的功能，因此其触头系统必须同时满足断路器的高短路分断能力和接触器的高操作频率和高机、电寿命。现有产品中的设计是采用类似接触器的触头系统形式，即触头系统采用双断点桥型触头，这样就带来了问题，大电流时利用电动斥力将触头斥开后，如果不特意设计一组触头卡住机构，在大电流的电动斥力斥开触头后，触头往往会快速回弹，直到操作机构完成脱扣操作到位，触头由于重复接通引起的触头烧损，直接影响到了其使用寿命。如触头系统采用断路器的单断点或双断点转动式的结构，虽然能够大大提高短路分断能力，但是却不能达到高操作频率和高机、电寿命，不能满足控制与保护开关电器的整体要求。现有一体式或模块化设计的控制与保护开关电器产品采用双断点平动式的触头系统，且规格容量较小，对于大规格的产品主要还是采用分立元件组合型式。
发明内容
本发明旨在提出一种新型的低压电器的触头结构。根据本发明的一实施例，提出一种低压电器的触头结构，该触头结构是双断点形式，包括:两个U型的静触头，U型的静触头使得静触头中的电流方向与动触头中的电流方向相反；接触桥；两个动触头,设置在接触桥上,两个动触头分别对应两个静触头；触头支持件，设置在动触头上并连接到动触头；两根主触头弹簧，对称置于动触头下方并与接触桥之间呈一个角度；弹簧支持件，设置在两根动触头下方并连接到两个主触头弹簧，其中，在静触头与动触头的接触位置与斥开位置，主触头弹簧与接触桥之间的角度在-β +α之间，其中β可以设置成与α相等，也可以设置成与α不相等。在一个实施例中，主触头弹簧是压缩弹簧或者拉伸弹簧。在一个实施例中，该低压电器的触头结构还包括复位机构，复位机构设置在接触桥上。在一个实施例中，该触头结构应用于断路器，触头正常开断时，主触头弹簧与接触桥的夹角在+ α到0°以上的位置；分断短路电流时，静触头与动触头斥开，主触头弹簧与接触桥的角度反转到-β，主触头弹簧向动触头施加向下的弹簧力，将静触头和动触头保持在打开距离。复位机构使静触头和动触头回复到正常开断位置。在一个实施例中，该触头结构应用于接触器，触头正常开断时，触头弹簧与触桥的夹角在+α到0°以上的位置，主触头弹簧与接触桥的夹角在+α，主触头弹簧向动触头施加的向上的与静触头闭合的力最大，并在主触头弹簧与接触桥的夹角从+ α到0°变化时，主触头弹簧向动触头施加的向上的力逐渐变小。复位机构使静触头和动触头回复到正常开断位置。在一个实施例中，主触头弹簧与接触桥呈0°时，两根主触头弹簧呈一直线，触头结构处于死点。本发明提出的低压电器的触头结构能够使得触头斥开开距达到大于正常开距的2倍以上，动静触头间得到一个大的打开距离，有利于电弧熄灭，可大大提高断路器的短路分断能力，借助于复位机构可使触头回复到正常开断位置。本发明的低压电器的触头结构能够满足控制与保护开关电器的高的短路分断性能、高的操作频率和高的机、电寿命的设计要求。
本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中:图la、lb和Ic揭示了现有技术的低压电器中常用的触头结构的示意图。其中图1a为单断点触头形式、图1b为双断点转动式触头形式、图1c为双断点平动式触头形式。图2a、2b、2c和2d揭示了根据本发明的一实施例的低压电器的触头结构的示意图。图3a和3b揭示了根据本发明的一实施例的低压电器的触头结构中动触头和接触桥部分的结构。图4a、4b、4c和4d揭示了根据本发明的一实施例的低压电器的触头结构的受力分析图。
具体实施例方式本发明针对现有技术的不足，提出一种适用于低压电器的触头结构。尤其是适用于集接触器、断路器功能于一体的控制与保护开关电器，即能满足高的短路分断能力，又能满足高的操作频率和高的机械、电气寿命。本发明的低压电器的触头结构采用双断点的形式，包括:两个U型的静触头、接触桥、两个动触头、触头支持件、两根主触头弹簧和弹簧支持件。U型的静触头使得静触头中的电流方向与动触头中的电流方向相反。两个动触头设置在接触桥上，两个动触头分别对应两个静触头。触头支持件设置在动触头上并连接到动触头。两根主触头弹簧对称置于动触头下方并与接触桥之间呈一个角度。弹簧支持件设置在两根动触头下方并连接到两个主触头弹簧。在静触头与动触头的接触位置与斥开位置，主触头弹簧与接触桥之间的角度在-β +α之间，其中β可以设置成与α相等，也可以设置成与α不相等。该低压电器的触头结构还包括复位机构，复位机构设置在接触桥上。本发明的低压电器的触头结构中主触头弹簧的布置不同于现有技术中的布置。在现有技术中，双断点平动式的触头结构的主触头弹簧垂直布置在动触头触桥的下方，与动触头触桥呈90°，弹簧一般采用压缩弹簧。弹簧的Pl力即为触头的触头压力，使动静触头闭合。弹簧的Ρ2力为动静触头打开时的反力，需要用操作机构力或电磁铁的反力弹簧去克月艮，以使动静触头保持在打开状态。由于主弹簧一般为圆柱形压缩弹簧，因此弹簧的Ρ2力大于弹簧的Pl力，弹簧力呈线性上升，而操作机构力尤其是电磁铁的反力弹簧形成的力，根据行程是呈线性下降的。也就是说，当触头的行程越大，或是触头的开距越大时，所需的操作力就越大。而当触头的行程越大或是触头的开距越大时，操作机构力或电磁铁的反力，其实际的操作力越小。断路器由于需达到较高的短路分断能力，一般利用电动斥力将触头斥开，将触头开距设计成较大，有利于电弧的断开。由于主触头弹簧力呈线性上升，操作机构为达到较大的操作力，机构上的主弹簧力就要设计得较大，机构主弹簧力越大所需要的手动操作力也就越大，这样不利于操作机构的设计，为满足手动操作力的设计要求，需要牺牲机构设计的尺寸，如加大杠杆比，这样不利于电器装置的小型化设计。平动式的双断点的触头结构，电动斥力使触头斥开后，如果不加卡住机构，触头会回弹，造成重复接通，使触头烧损严重，大大降低了触头的寿命。根据电磁铁的吸反力特性，电磁铁的行程与电磁铁的吸反力直接相关，在行程越小处得到的吸力越大，行程越大处得到的吸力越小。反之，在行程越大处，所需的反力越大，在行程越小处，所需的反力越小。电磁铁如若需使触头开距加大，必须加大电磁铁的反力弹簧，这样相应的所需的电磁铁的设计尺寸也必须加大，同时会加大触头吸合时的振动力，使触头容易被烧损，大大降低了开关装置的寿命，因此一般接触器在满足电性能的前提下，开距会选用较小的参数。在本发明的低压电器的触头结构中，采用一对主触头弹簧，布置在接触桥的下方，并且接触桥呈一个角度，根据静触头和动触头的相对位置，该角度在_β +α之间变化，如上面所说的，β可以设置成与α相等，也可以设置成与α不相等。在触头压力相同的情况下，一对主触头弹簧中每个弹簧的力相对于传统的一个触头弹簧的力要小，其力的大小取决于弹簧与触桥的夹角，通过调整夹角，能够调整相应弹簧的参数。弹簧可设计为压缩弹簧，也可设计为拉伸弹簧，并且弹簧的角度可变，根据触头行程的需求，弹簧能够设置为使触头结构处于双稳态位置，主触头弹簧与接触桥的角度能够从+ α运行到0°并运行到-β，当主触头弹簧与接触桥角度呈+ α时，主触头弹簧向动触头施加向上的力，使得动触头和静触头处于闭合位置，该闭合位置是一个稳态位置。当主触头弹簧与接触桥角度呈-β时，动、静触头处于斥开位置，该斥开位置是另一个稳态位置。主触头弹簧与接触桥为0°时，两根弹簧呈一直线的状态，此时触头结构处于死点的位置，只有在大电流形成电动斥力将触头斥开到一定距离时，触头结构才能达到死点位置，由于电动斥力的影响，死点位置是非稳定位置，当弹簧越过死点位置反转至-β时，到达另一个稳态位置。将本发明的低压电器的触头结构应用到断路器时，在触头正常开断时，主触头弹簧与接触桥的夹角在+ α到0°以上的位置，分断短路电流时，电动斥力可将动触头斥开，此时主触头弹簧与接触桥角度反转到-β。此时主触头弹簧向动触头施加向下的弹簧力，可使动触头处于一个稳定状态。于是，动、静触头间得到一个大的斥开距离，有利于电弧熄灭，可大大提高断路器的短路分断能力，借助于复位机构可使触头回复到正常开断位置。将本发明的低压电器的触头结构应用到接触器时，在触头正常开断时，主触头弹簧与接触桥的夹角在+α到0°以上的位置，此时调整弹簧参数和触桥参数，可使主触头弹簧与接触桥的夹角在+ α时，主触头弹簧向动触头施加的向上与静触头闭合的弹簧力最大，并且在主触头弹簧与接触桥的夹角从+ α到0°变化时，主触头弹簧向动触头施加的向上的弹簧力逐渐变小。也就是说，触头结构可以设计成这样一种形式:当电磁铁的行程从O变到设计所需的开距时，作用在接触桥上的力由大变小。克服了传统的接触器通常在电磁铁行程越大时，触头所需的反力越大的缺点，有利于电磁铁的小型化的设计，节约了原材料和成本，大大降低了电磁铁的能耗。将本发明的低压电器的触头结构应用到控制与保护开关电器的场合时，由于前述的断路器和接触器均使用了平动式双断点的触头结构，因此很容易地可应用在控制与保护开关电器中，达到断路器功能和接触器功能的协调配合。作断路器功能使用时，本发明的低压电器的触头结构能够使触头斥开，并稳定在_β位置，借助于复位机构可使触头回复到正常开断位置。触头正常开断时主触头弹簧与接触桥的夹角在+ α到0°以上的位置，主触头弹簧与接触桥的参数可根据兼顾断路器和接触器的要求进行优化，用操作机构和电磁铁控制开断的开距可以做成相同。由于触头斥开开距可达到大于正常开距的2倍以上，因此能满足控制与保护开关电器的高的短路分断性能、高的操作频率和高的机、电寿命的设计要求。图2和图3揭示了根据本发明的一实施例的低压电器的触头结构的具体实现。其中图2a、2b、2c和2d揭示了根据本发明的一实施例的低压电器的触头结构的示意图，而图3a和3b揭示了根据本发明的一实施例的低压电器的触头结构中动触头和接触桥部分的结构。如图2a、2b、2c和2d所示，该低压电器的触头结构设置为双断点的形式，该触头结构包括两个U型的静触头结构，更加具体地说，静触头结构包括U型的导电排121以及与导电排121相连的静触头120。接触桥111。与接触桥111相连的两个动触头110。接触桥111上设置有与动触头110相关联的触头支持件114。对称置于动触头110和接触桥111下方的两根主触头弹簧112。主触头弹簧112与接触桥111呈现一个角度，该角度能够在-β +α之间变化，其中β可以设置成与α相等，也可以设置成与α不相等。在该接触桥111的下方设置与两根主触头弹簧112相关联的弹簧支持件113。如图3a和3b所示，该接触结构还包括与动触头110和接触桥111相关的复位机构115、116。本发明低压电器的触头结构可应用于低压电器，诸如断路器、接触器，尤其可应用于同时具有断路器和接触器功能的控制与保护开关电器。在图4a中揭示了现有低压电器产品中的一种触头结构形式。在该形式中，设置一根主触头弹簧212，该单根的主触头弹簧212置于接触桥211的下方并与接触桥211呈90°夹角。主触头弹簧212的Pl力分配给接触桥211两边的动触头210，因此其动触头210和静触头220上的触头压力是1/2P1力，动触头210和静触头220打开时需克服主触头弹簧212的P2力，由于主触头弹簧212 —般为圆柱形压缩弹簧，因此主触头弹簧的P2力大于弹簧的Pl力，呈线性增大。本发明的低压电器的触头结构在应用于控制与保护开关电器(以下简称C PS)时，该触头结构可以布置成如下的形式，如图2a、2b、2c和2d所示，在多极的CPS中，每一极触头单元采用一对主触头弹簧112，布置在带有动触头110的接触桥111的下方，并且与带有动触头Iio的接触桥111呈一个角度,该角度在-β +α之间变化，其中β可以设置成与α相等，也可以设置成与α不相等。主触头弹簧112的一端固定在接触桥111上，另一端固定在弹簧支持件113上，主触头弹簧112与接触桥111的夹角能在 + α之间变化。动触头110和静触头120的触头压力如图4b所示为2倍的Py,触头压力的大小根据产品的设计要求可通过调整夹角α和调整主弹簧112的参数来设置。主触头弹簧112可设计为压缩弹簧。C PS的正常断开和闭合，可通过C PS中的操作机构手柄和控制电磁铁实现。在C PS正常断开和闭合时，触头结构中主触头弹簧112的角度α可变，根据触头行程的需求，主触头弹簧112与接触桥111呈一个角度α，动触头110和静触头120闭合时的角度α如图2a所示，动触头110和静触头120打开时的角度α如图2b所示，动触头110和静触头120之间的距离即为触头开距，从图示中很容易得出图2b中的α角小于图2a中的α角。由于触头压力与主触头弹簧112的Py力有关，即闭合时触头压力等于Plsina，打开时需施加的操作力为P2sina，虽然此时弹簧的P2力大于弹簧的Pl力，但由于α是变化的，且Pl时的α大于P2时的a，因此经过优化设计，调整主触头弹簧112和接触桥111的参数，可改变Py力的大小，使Py力不以α的减小而呈线性上升，可使P2sina的力小于Plsina的力。这样操作机构的弹簧力和控制电磁铁的反力弹簧力相应可减小，有利于提高操作机构的机械性能和缩小电磁铁的体积，从而进一步缩小CPS的体积，提高CPS的机械操作性能和寿命。图4a、4b、4c和4d揭示了根据本发明的一实施例的低压电器的触头结构的受力分析图。CPS中的操作机构和控制电磁铁均能够控制C PS的状态，CPS的正常接通和分断主要由CPS中的控制电磁铁作为执行元件，此时相当于接触器的功能，需达到高的操作频率和高的机械电气寿命。如图4a、4b、4c和4d所不,两根主触头弹簧112对称分布,并呈一夹角，如上面所述的，该夹角在-β +α之间。由力的分布形式可知，这种结构有利于接触桥111的平衡，而且两根弹簧相对于一根弹簧的设置，要达到相当的触头压力，图4b中单根弹簧所需的弹簧力比图4a中单根弹簧所需的弹簧力低，这样更有利于高寿命弹簧的设计，也降低了对弹簧材料的要求。在C PS起动或承载正常过载电流时，弹簧参数可设置为不能使触头斥开，而在短路分断大电流时，由大电流形成的电动斥力将触头斥开到一定距离，该距离能够使带有动触头Iio的接触桥111越过触头结构如图2c所示的死点位置，此时主触头弹簧112的Py力反向向下，使接触桥111到达如图2d所示的一个稳定位置，此时动触头110和静触头120之间的开距远远大于正常接通和分断时的开距，比如可使动静触头的开距达到远大于正常接通和分断时开距的2倍。通常电动斥力斥开触头的时间要远远快于机构动作时间，利用本发明的触头结构，由于触头斥开后到达一个很大的开距，大于2倍的正常接通和分断时的开距，有利于短路分断性能，如最大额定电流为32A的C PS,其短路分断能力Ics可大于50kA，可达60kA或更高。在分断短路电流后，可利用复位机构115、116使接触桥111复位至图2b的位置，使C PS处于正常运行状态。C PS还可将图2d所示的位置设置为隔离位置，在机构中可利用触头支持件114和复位机构115、116的组合，来达到隔离的作用。本发明提出的低压电器的触头结构能够使得触头斥开开距达到大于正常开距的2倍以上，动静触头间得到一个大的打开距离，有利于电弧熄灭，可大大提高断路器的短路分断能力，借助于复位机构可使触头回复到正常开断位置。本发明的低压电器的触头结构能够满足控制与保护开关电器的高的短路分断性能、高的操作频率和高的机、电寿命的设计要求。上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。
权利要求
1.一种低压电器的触头结构，其特征在于，该触头结构是双断点形式，包括: 两个U型的静触头，U型的静触头使得静触头中的电流方向与动触头中的电流方向相反； 接触桥； 两个动触头，设置在接触桥上，两个动触头分别对应两个静触头； 触头支持件，设置在动触头上并连接到动触头； 两根主触头弹簧，对称置于动触头下方并与接触桥之间呈一个角度； 弹簧支持件，设置在两根动触头下方并连接到两个主触头弹簧， 其中，在静触头与动触头的接触位置与斥开位置，主触头弹簧与接触桥之间的角度在-β + α之间。
2.如权利要求1所述的低压电器的触头结构，其特征在于，所述主触头弹簧是压缩弹簧或者拉伸弹簧。
3.如权利要求1所述的低压电器的触头结构，其特征在于，还包括: 复位机构，复位机构设置在所述接触桥上。
4.如权利要求3所述的低压电器的触头结构，其特征在于，该触头结构应用于断路器，触头正常开断时，主触头弹簧与接触桥的夹角在+α到0°以上的位置；分断短路电流时，静触头与动触头斥开，主触头弹簧与接触桥的角度反转到-β，主触头弹簧向动触头施加向下的弹簧力，将静触头和动触头保持在打开距离。
5.如权利要求4所述的低压电子的触头结构，其特征在于，所述复位机构使静触头和动触头回复到正常开断位置。
6.如权利要求3所述的低压电器的触头结构，其特征在于，该触头结构应用于接触器，触头正常开断时，触头弹簧与触桥的夹角在+ α到0°以上的位置，主触头弹簧与接触桥的夹角在+ α，主触头弹簧向动触头施加的向上的与静触头闭合的力最大，并在主触头弹簧与接触桥的夹角从+ α到0°变化时,主触头弹簧向动触头施加的向上的力逐渐变小。
7.如权利要求6所述的低压电子的触头结构，其特征在于，所述复位机构使静触头和动触头回复到正常开断位置。
8.如权利要求1所述的低压电子的触头结构，其特征在于，主触头弹簧与接触桥呈0°时，两根主触头弹簧呈一直线，触头结构处于死点。
全文摘要
本发明揭示了一种低压电器的触头结构，该触头结构是双断点形式，包括两个U型的静触头，U型的静触头使得静触头中的电流方向与动触头中的电流方向相反；接触桥；两个动触头，设置在接触桥上，两个动触头分别对应两个静触头；触头支持件，设置在动触头上并连接到动触头；两根主触头弹簧，对称置于动触头下方并与接触桥之间呈一个角度；弹簧支持件，设置在两根动触头下方并连接到两个主触头弹簧，其中，在静触头与动触头的接触位置与斥开位置，主触头弹簧与接触桥之间的角度在-β～+α之间。
文档编号H01H1/20GK103177884SQ20111044188
公开日2013年6月26日 申请日期2011年12月26日 优先权日2011年12月26日
发明者奚泓, 贾峰, 曾萍, 顾长恂 申请人:上海电科电器科技有限公司, 浙江正泰电器股份有限公司