电子机械的开关设备的制作方法
【专利摘要】根据本发明的电子机械的开关设备具有一用于中断电气线路的开关触点，以及一用于熄灭在通了电的开关触点断开时产生的电弧的电弧熄灭装置。该电弧熄灭装置具有第一永磁铁和第二永磁铁，它们在所述开关触点的两侧相互对置地布置并且相互反向地磁化，方式为，它们相互推开。通过第一永磁铁和第二永磁铁产生一磁场，该磁场与在通了电的开关触点断开时产生的电弧的磁场重叠。由此产生的磁场将一电磁力施加到电弧上，该电磁力的力矢量取决于电流的极性。该力矢量与电弧的极性无关地始终具有一方向分量，该方向分量将电弧从开关触点上挤开。所述电弧熄灭装置以及设计有所述电弧熄灭装置的开关设备不仅能用于直流电而且也能用于交流电。
【专利说明】电子机械的开关设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及电子机械的开关设备，其具有一用于中断电气线路的开关触点，以及一用于熄灭在通了电的开关触点断开时产生的电弧的电弧熄灭装置。开关设备的概念在此不仅理解为保护开关设备、例如功率开关、线路保护开关或故障电流开关，也理解为不具有自身的保护功能的开关设备、例如负荷开关、隔离开关或负荷隔离开关。
【背景技术】
[0002]从现有技术中已知了不同类型的保护开关设备:功率开关特别设计用于高的电流。线路保护开关(所谓的LS开关)是一种在电气安装中使用的过电流保护装置并且特别是在低压网络的领域中使用。功率开关和线路保护开关确保了在短路时的可靠的切断并且防止消耗器以及电系统过载，例如防止电线路通过由过高的电流引起的过强的加热而受损。它们构造用于，在短路的情况下或在出现过载的情况下自动切断需监控的电路且因此与其余的线路网络分开。功率开关和线路保护开关因此特别用作开关和安全元件，用于监控和保护在电的能量供给网络中的电路。
[0003]借助于故障电流保护开关也能够实现人身、财产或防火的保护。因此，涉及如下开关设备，其在电的设备和系统中出现故障的情况下将该设备和系统在最短的时间内切断，并且当电流“在错误的路径上”、例如穿过人员身体朝大地流动时，将所述设备和系统与其余的电网分开。为此，故障电流保护开关将朝电消耗器流动的电流的电流强度与从所述消耗器回流的电流的强度进行比较。相应的故障电流保护开关例如从出版物EP O 957 558A2中已知。
[0004]此外，从现有技术中还已知了不具有自身的保护功能的开关设备。落入其下的例如是所谓的负荷开关、隔离开关或负荷隔离开关。负荷隔离开关理解为如下的开关设备，其在其功能性方面不仅满足对于负荷开关的要求，即在电负荷下的开关，而且也满足对于隔离开关所提出的要求，即近似无功率地隔离电系统部件。负荷隔离开关适合于切断大的电流，当然其切换能力通常小于功率开关的切换能力。在低压网络中，负荷隔离开关例如用于中断主分配区域中的主电路，其中，切换功率通常位于40和63kA的范围中。根据DIN EN60947-3，不仅将负荷隔离开关、而且将负荷开关和隔离开关根据它们各自的功率能力分类到所谓的消耗类别中，在所述消耗类别中，根据应用情况的不同，定义了不同的要求。
[0005]一般来说，开关设备大多经由两个接线端子与需监控的电路的电气线路导电连接，用以在需要时中断各线路中的电流。为此，所述开关设备具有一开关触点，所述开关触点具有一固定的接触元件、所谓的固定触点，以及一相对于所述固定触点可动的接触元件、所谓的运动触点。为了导通一电流，所述运动触点接触所述固定触点。为了隔开所述电流，将所述运动触点从所述固定触点上移开。所述运动触点在此情况下例如可经由所述开关设备的开关机构进行操作，从而能够将所述开关触点断开以及闭合。在保护开关设备的情况下，可以以这种方式在出现预定义的状态、例如短路或过载的情况下，断开所述开关触点，用以将监控的电路与电气线路网络分开。这种开关设备在低压技术的领域中也作为串联安装设备(Reiheneinbaugerjite)已知。
[0006]通过断开所述开关触点来中断所述电流，在此情况下，至少短时间地导致了在固定的接触元件和运动的接触元件之间的电压击穿，因为在所述接触元件的分开过程期间用于绝缘的距离还不够。如果在所述两个开关触点之间具有气体，则其在所述接触元件之间的相应高的电压差的情况下通过所述击穿被离子化，其中，由于气体放电而构造出一电弧。为了熄灭所述电弧，传统的开关设备具有一电弧熄灭装置，例如所谓的熄灭室，其具有大量的并排布置的并且相互间隔的灭弧板。替选地，所述电弧熄灭装置也可以仅由多个、相互平行取向的灭弧板或冷却板构成。如果所述电弧被朝向所述电弧熄灭装置被驱动，则其在遇到所述灭弧板时被划分成多个分电弧，所述分电弧随后串联地在单个的灭弧板之间燃烧。所述多个、电地顺序串联的分电弧总体地导致了更高的弧电压，这又导致了所述电弧的更快的熄灭。
[0007]为了将一洛伦兹力施加到所述电弧上并且将所述电弧尽可能快速地熄灭，在用于直流(DC-)应用的开关设备的情况下常常使用附加的永磁铁。通过永磁铁的使用，能够实现比较高的磁场强度，但由永磁铁产生的磁场在其方向方面在时间上是恒定的，因此在安装永磁铁时要注意朝向各电流方向的正确的磁极，以便获得沿着所希望的方向的电弧。在交流(AC-)应用的情况下，由于所述电弧电流的持续交替的极性，因此在开关设备中通常不适用永磁铁来影响电弧。
[0008]设置用于交流电网的开关设备因此常常具有所谓的吹弧回路(Blasschleife)，用以将电弧尽可能快速地从开关触点上移走。吹弧回路是一种电线圈，其布置在开关触点的区域中并且在通过断开所述开关触点而出现的电弧的情况下被额外地通电。替选于此，所述吹弧回路也可以被持久地通电。由通了电的吹弧回路所引起的电磁场在此情况下以如下方式取向，使得一洛伦兹力施加到所述电弧上，该洛伦兹力将电弧从所述开关触点远离并朝向所述电弧熄灭装置挤压。相应的开关设备从出版物DE 2 841 004 BI或从出版物DE 3333 792 Al中已知。但吹弧回路的缺点在于，在很小的电流的情况下仅产生小的电磁场，从而由此引起的施加到电弧上的电磁力是比较小的。因此其只有在大的电流的情况下才能发挥其完全的效应，例如在短路的情况中。
【发明内容】
[0009]因此本发明的任务在于，提供一种具有一电弧熄灭装置的电子机械的开关设备，其特征在于快速地以及可靠地熄灭在通了电的开关触点断开时出现的电弧，并且在于可能的使用情况方面的高的可变性。
[0010]该任务通过根据独立权利要求1的根据本发明的电子机械的开关设备解决。有利的设计方案是从属权利要求的主题。
[0011]根据本发明的电子机械的开关设备具有一用于中断电气线路的开关触点，以及一用于熄灭在通了电的开关触点断开时产生的电弧的电弧熄灭装置。所述电弧熄灭装置在此情况下具有第一永磁铁和第二永磁铁，它们在所述开关触点的两侧相互对置地布置并且相互反向地被磁化，方式为，它们相互推开。
[0012]开关设备的概念在此不仅理解为保护开关设备，而且理解为不具有自身的保护功能的开关设备。作为保护开关设备例如考虑功率开关、线路保护开关或故障电流保护开关。落入所述不具有自身的保护功能的开关设备中的例如有负荷开关、隔离开关或负荷隔离开关。利用“开关触点”的概念表示一种可机械操作的、电接触元件对，其具有一固定触点以及一相对于所述固定触点可动的运动触点。固定触点和运动触点在所述壳体中布置在所谓的开关室的区域中。通过机械地操作所述运动触点，可以将闭合的开关触点断开，由此中断经过所述开关触点的电流。
[0013]所述第一永磁铁和所述第二永磁铁在所述开关触点的两侧，也就是说，在所述开关室的左边和右边相互对置地布置。它们在此情况下反向地相互磁化，方式为，所述第一永磁铁的磁场矢量和所述第二永磁铁的磁场矢量相互反向地取向。例如所述第一永磁铁的磁性南极和所述第二永磁铁的磁性南极分别朝向所述开关室指向；取而代之，也可以是所述第一永磁铁的磁性北极和所述第二永磁铁的磁性北极分别朝向所述开关室指向。在两种情况下，所述两个永磁铁相互推开。
[0014]通过所述第一永磁铁和所述第二永磁铁产生一磁场，该磁场与在通了电的开关触点断开时出现的电弧的磁场重叠。由此产生的磁场又将一电磁力、所谓的洛伦兹力施加到所述电弧上。所述洛伦兹力在此情况下表示一种力，其由一磁场施加到一运动的电荷、这里所述电弧上。所述洛伦兹力的力矢量在此情况下主要取决于所述电流的极性，也就是说，取决于经过所述电弧的电流方向。但与所述电流的极性无关，且因此与经过所述开关触点流动的是任一方向的直流电还是交流电无关，所述力矢量由于重叠地产生的磁场而始终具有一方向分量，该方向分量将所述电弧从所述开关触点挤开。这导致了所述电弧的加长，其又导致了更高的弧电压。如果所述弧电压过大，则所述电弧熄灭且消失。
[0015]以这种方式实现了在通了电的开关触点断开时出现的电弧的快速以及可靠的熄灭。所述电弧熄灭装置的熄灭功率且因此所述开关设备的开关功率由此被显著地提高。特别是在负荷隔离开关的情况下由此能够实现否则只有在相同的设备结构的情况下才能实现的到更高的消耗类别中的分类。此外，所述电弧熄灭装置以及设计有所述电弧熄灭装置的开关设备不仅能够用于直流(DC)应用也能够用于交流(DC-)应用。以这种方式例如一针对AC应用所设置的且因此被分类到AC消耗类别中的负荷隔离开关也满足必要时更低的DC消耗类别的要求，因此其同样可以针对该类别进行分类。由于由此产生的在所涉及的开关设备的可能的使用情况方面的高的可变性，显著地减少了所述开关设备，由此显著地减少了物流成本。
[0016]在所述电子机械的开关设备的一种有利的改进方案中，所述电弧熄灭装置具有多个用于熄灭所述电弧的灭弧板。在此情况下，由所述第一永磁铁和所述第二永磁铁产生的磁场与一通过所述电弧产生的磁场以如下方式重叠，使得一电磁力作用到所述电弧上。该电磁力的力矢量在此情况下具有一方向分量，该方向分量与所述电流的极性无关地将所述电弧朝向所述灭弧板挤压。
[0017]所述电弧熄灭装置布置在所述开关触点附近并且具有大量的相互平行布置的、相互间隔的冷却板或灭弧板。在所述电弧遇到所述灭弧板时，将所述电弧划分成大量的分电弧，所述分电弧分别在两个灭弧板之间燃烧。通过大量的电串联的分电弧显著地提高了弧电压，这导致了所述电弧的快速的熄灭。
[0018]通过所述第一永磁铁和所述第二永磁铁产生一磁场，该磁场与在通了电的开关触点断开时出现的电弧的磁场重叠。从由此产生的磁场中由产生一作用到所述电弧上的电磁力，所谓的洛伦兹力。其力矢量在此情况下主要取决于电流的极性。但所述力矢量不受经过所述电弧流动的电流的极性的影响始终具有一方向分量，该方向分量将所述电弧从所述开关触点离开并朝向所述电弧熄灭装置挤压。通过所述电弧熄灭装置在所述开关设备的壳体中的相应的定位，进一步改善了所述电弧熄灭装置的熄灭功率，且因此进一步改善了所述开关设备的开关功率。
[0019]在所述电子机械的开关设备的另一种有利的改进方案中，所述电弧熄灭装置不仅能用于熄灭直流电弧而且也能用于熄灭交流电弧。由此，所述电子机械的开关设备不仅能够用于切换交流电，也能够用于切换直流电。所述电弧熄灭装置以及所述开关设备的变型多样性可以由此被显著地减少。
[0020]在另一种有利的改进方案中，所述电子机械的开关设备具有一壳体，所述壳体本身具有一前侧面和一与所述前侧面对置的固定侧面、以及将所述前侧面和所述固定侧面连接起来的窄侧面和宽侧面。所述开关触点在此情况下布置在所述壳体中，其中，所述第一永磁铁和所述第二永磁铁布置在所述宽侧面的区域中。所述永磁铁在此情况下构造成平面的并且朝向其法向量被磁化。每个永磁铁的法向量在此情况下平行于配设给所述永磁铁的宽侧面的法向量进行取向。所述永磁铁在此情况下以如下方式安装在所述壳体中，即它们相互推开，也就是说，要么两个北极要么两个南极分别朝向彼此或者远离彼此地取向。以这种方式能够实现节省空间的布置方式，其中，磁通密度基本上集中到所述开关室的区域上。
[0021]在另一种有利的改进方案中，所述电子机械的开关设备构造成串联安装设备，其中，所述壳体具有一分度单元(TeiIungseinheit)的宽度。由于所述两个永磁铁侧部地在所述开关室旁、平行于所述壳体的宽侧面的节省空间的布置方式，所述电弧熄灭装置甚至能够集成到具有仅一个分度单元(TE)的宽度的串联安装设备中，所述分度单元与大约18_的壳体宽度相应。如果限定了用于将大量的这种串联安装设备布置在一电气安装分配器中的结构空间，则仅一个分度单元的很小的壳体宽度显示出明显的竞争优势。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]下面参照附图详细阐述所述开关设备的实施例。其中:
图1在一侧视图中示出了一断开的开关设备的示意图；
图2在一俯视图中示出了所述开关设备的示意截面图；
图3A和3B在所述俯视图中示出了产生的磁场的示意图。
[0023]在不同的附图中相同的部件始终以相同的附图标记表示。该说明书适合于其中同样可见相应的部分的所有附图。
【具体实施方式】
[0024]图1在一侧视图中示出了开关设备I的示意图。所述开关设备I具有壳体2，其基本上由两个壳体半壳构成，所述壳体半壳借助于多个铆接连接件14连接成所述壳体2。在此情况下，在图1中示出了打开的开关设备1，也就是说，在该示图中去除了所述壳体2的正面的壳体半壳。所述壳体2具有一前侧面3，在该前侧面上布置一操作元件8，用于手动地操作所述开关设备I。与所述前侧面3对置地构造所述壳体2的固定侧面4，其用于将所述开关设备固定在一承载轨(未示出)、例如一顶轨上。为此，在所述壳体2上布置一可手动地操作的滑块15，用于后背式嵌接(Hintergreifen)所述承载轨。以这种方式能够将所述开关设备I快速地并且简单地固定在所述承载轨上或者说从所述承载轨上再次松脱。操作面3和操作面4经由窄侧面5和宽侧面6连接成所述壳体2。
[0025]在所述壳体2内部，在所述窄侧面5的区域中布置接线端子13，借助于所述接线端子能够将所述开关设备I联接到电气线路上。此外，在所述壳体2中布置一开关触点10，其构造用于，中断经过所述开关触点10的电流。为此，所述开关触点10具有一固定触点11以及一相对于所述固定触点可运动的运动触点12。所述固定触点11与左边示出的接线端子13电连接。所述运动触点12机械地固定在一运动触点承载件16上并且经由绞合线17与右边示出的接线端子13导电连接。
[0026]所述运动触点承载件16经由一弓形夹9与所述操作元件8机械耦接。在接通所述开关设备I的情况下，也就是说，在沿着顺时针方向从图1中所示的切断位置向接通位置(未示出)来操作所述操作元件8的情况下,所述运动触点12经由与所述运动触点承载件16耦接的弓形夹9朝向所述固定触点11运动。在切断所述开关设备I的情况下，也就是说，在沿着逆时针方向从接通位置向图1中所示的切断位置来操作所述操作元件8的情况下，所述运动触点12经由与所述运动触点承载件16耦接的弓形夹9远离所述固定触点11运动。
[0027]在将通了电的开关触点10断开的情况下，在所述固定触点11和所述运动触点12之间形成一电弧(参见图2)。为了实现所述开关触点的快速断开且因此所述电弧的快速熄灭，需要尽可能快速地断开所述开关触点10，也就是说，所述运动触点12从所述固定触点11上尽可能快速地离开。所述断开运动因此通过一弹簧18来机械地辅助，所述弹簧与所述运动触点承载件16机械耦接并且支撑在所述壳体2中。由预紧的弹簧18施加到所述运动触点承载件16上的弹簧力因此有助于所述开关触点10的快速断开。以这种方式实现了所述开关设备I的快速的切断。此外，明显地减少了所述开关触点10的磨损，即所谓的触点烧蚀。
[0028]在图2中在一俯视图中示意性示出了所述开关设备I的截面图。在左边示出的所述壳体2的宽侧面6上布置所述开关设备I的电弧熄灭装置20的第一永磁铁21。在右边示出的宽侧面6上布置所述电弧熄灭装置20的第二永磁铁22。所述永磁铁21和22在此情况下相互对置地布置在所谓的开关室的区域中，也就是说布置在所述开关触点10的区域中并且以如下方式被磁化，即它们相互推开。在此情况下无关紧要的是，是否所述两个永磁铁21和22的两个北极或两个南极相互指向。
[0029]图2在一时间点示出了所述开关设备1，在该时间点，所述开关触点10刚好被断开，从而在所述固定触点11和所述运动触点12之间构造一电弧7。在图2中所示的俯视图中，所述电弧7仅作为点示出，其电流方向要么到图纸平面内地要么从图纸平面出来地取向。所述电弧熄灭装置23还具有多个所谓的冷却板或灭弧板20，它们在所述开关设备I的壳体2中相互间隔地、相互平行地布置在所述弹簧18和所述电弧7之间。但在图2中所示的俯视图中仅可见最上面的灭弧板23。
[0030]为了将所述电弧7带入到熄灭中，将所述电弧驱动到所述电弧熄灭装置20中并且在那里在遇到所述灭弧板23的情况下被划分成大量的单个的分电弧，所述分电弧电地相互串联。在此情况下，弧电压一直被提高，直到所述电弧7最后熄灭并且电流消失。为了将所述电弧7有目的性地朝向所述电弧熄灭装置20或者说朝向所述灭弧板23进行驱动，将所述两个永磁铁21和22如上所述布置在所述开关室的区域中。在此情况下，通过所述第一永磁铁21和所述第二永磁铁22产生一磁场,该磁场与在通了电的开关触点10断开时出现的电弧7的磁场重叠。由此产生的磁场又将一电磁力、所谓的洛伦兹力施加到所述电弧7上，所述电磁力的力矢量^在此情况下主要取决于电流的极性，也就是说，经过所述电弧7的电流方向。
[0031]在图3A和3B中示出了所产生的磁场。为该示图所选择的立体图在此情况下相应于在图2中选择的立体图。所产生的磁场在此情况下借助于从不仅所述第一永磁铁21、所述第二永磁铁22而且所述电弧7的单个的磁场的重叠中得出的磁力线25来示出。[0032]在图3A和3B中的示图在此情况下仅在经过所述电弧7的电流方向上有所区别。在两个附图中，力矢量Fl代表作用到所述电弧7上的洛伦兹力。所述力矢量Fl可以在此情况下分解成一沿着X方向作用的力分量Fx以及一沿着y方向作用的力分量Fy。在此情况下要明确的是，所述力矢量^在两个情况下，也就是说，不仅在经过所述电弧7的正的电流方向而且在负的电流方向上都具有一方向分量Fx,其将所述电弧7朝向所述灭弧板23挤压。该效应不仅与经过所述电弧7流动的电流的极性无关，而且也与经过所述开关触点流动的是任一方向的直流电还是交流电无关。在所有情况下，所述洛伦兹力^都具有一方向分量Fx，其将所述电弧7朝向所述灭弧板23牵引。
[0033]附图标记列表 I开关设备
2壳体 3前侧面 4固定侧面 5窄侧面 6宽侧面 7电弧 8操作元件 9弓形夹 10开关触点 11固定触点 12运动触点 13接线端子 14铆接连接件 15滑块
16运动触点承载件 17绞合线 18弹簧
19
20电弧熄灭装置 21第一永磁铁22第二永磁铁23灭弧板24
25磁力线Fl洛伦兹力Fx、Fy方向分量x、y方向
【权利要求】
1.电子机械的开关设备(I)， 具有开关触点(10)，用于中断电气线路， 具有电弧熄灭装置(20)，用于熄灭在通了电的开关触点(10)断开时产生的电弧(7)， 其特征在于， 所述电弧熄灭装置(20)具有第一永磁铁(21)和第二永磁铁(22),所述第一永磁铁和所述第二永磁铁在所述开关触点(10)的两侧相互对置地布置并且相互反向地磁化，方式为，它们相互推开。
2.按照权利要求1所述的开关设备(1)， 其特征在于， 所述电弧熄灭装置(20)具有多个用于熄灭所述电弧(7)的灭弧板(23)，其中，由所述第一永磁铁(21)和所述第二永磁铁(22)产生的磁场与通过所述电弧(7)产生的磁场以如下方式重叠，使得在所述电弧(7 )上产生一电磁力,所述电磁力的力矢量(Fl)具有一方向分量(Fx)，所述方向分量将所述电弧(7)与电流极性无关地朝向所述灭弧板(23)挤压。
3.按照权利要求1或2之一所述的开关设备(I)， 其中，所述电弧熄灭装置(29)不仅能够用于熄灭直流电弧而且能够用于熄灭交流电弧。
4.按照前述权利要求之一所述的开关设备(I)， 具有壳体(2)，所述壳体具有前侧面(3)和与所述前侧面(3)对置的固定侧面(4)、以及将所述前侧面和所述固定侧面(3、4)连接起来的窄侧面和宽侧面(5、6)，其中，所述开关触点(10)布置在所述壳体(2)中，并且所述第一永磁铁和所述第二永磁铁(21、22)布置在所述宽侧面(6)的区域中。
5.按照权利要求4所述的开关设备(I)， 其构造成串联安装设备，其中，所述壳体(2)具有一分度单元的宽度。
【文档编号】H01H9/44GK103681037SQ201310383656
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年8月29日 优先权日:2012年8月29日
【发明者】T.霍赫姆特, R.许廷格 申请人:西门子公司