灭弧机构及直流断路器的制作方法

本申请属于低压电器技术领域，具体涉及一种在低压直流断路器中使用的灭弧机构及直流断路器。

背景技术：

断路器是能够承载和开断正常回路条件下的电流，也能在规定的时间内承载和开断异常回路条件下电流的开关装置。随着新能源技术的发展，直流断路器额定工作电压越来越高，目前已达到1500v。随着工作电压的提高，市场对断路器的可靠分断性能提出了更高的要求，临界分断的难度将大幅增加。目前常见的低压直流断路器在额定工作电压、时间常数为1ms的条件下，分断4a-63a的较小电流时，因分断电流较小，电流产生的磁场很弱，不能有效驱动电弧运动，将导致燃弧时间明显增长，从而降低了断路器的使用寿命。因此在不增加产品体积的前提下，如何解决高电压下的可靠分断问题将是我们攻关的方向。

在现有的公知技术中，已经出现通过加大开距来拉长电弧、通过灼烧产气材料来推动和冷却电弧、通过增强磁场来推动电弧等技术手段，但在直流高电压和体积受限的情况下，这些方法将不能可靠的分断电路。在增强磁场的技术方案中，通过增加永磁铁来增强起弧区域的磁场，对电弧产生推力，将电弧推向灭弧栅片；在如图1所示的结构中，两个永磁体相对摆放，磁力线从n极出发，回到s极，当电流为正向(图1所示方向为正向)时，永磁体产生的磁场将推动电弧往灭弧栅片方向运动，达到灭弧的目的；但当电流为反向时，永磁体产生的磁场将推动电弧往灭弧栅片的反方向运动，电弧无法进入灭弧室，导致灭弧栅片不能切割、冷却电弧，电弧无法熄灭，同时还会极大地加剧后方动触头的烧损；因此，此种方式必须强制规定进出线极性，如反接会导致极其严重的事故。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种无极性、高分断可靠性的灭弧机构及直流断路器，从而使断路器具备无接线极性要求，同时拥有更加可靠的高分断能力。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供一种灭弧机构，包括：

静触头，所述静触头包括基体和弯折部，所述弯折部位于所述基体的第一象限处，所述弯折部上具有电触点；

动触头，其能相对所述静触头转动，以使所述动触头和所述静触头的电触点接触和/或分离，其中，所述动触头转动形成的平面为参照面；

永磁体，其具有第一磁极和相对的第二磁极，所述第一磁极和所述第二磁极的连线方向不与所述参照面垂直。

在一个优选的实施方式中，所述永磁体的第一磁极和第二磁极的连线方向与所述参照面平行。

在一个优选的实施方式中，所述永磁体倾斜设置，所述永磁体的第一磁极和第二磁极的连线方向与所述基体的垂线方向成-30°至﹢30°。

在一个优选的实施方式中，所述永磁体的第一磁极和第二磁极的连线方向与所述参照面成-15°至﹢15°。

在一个优选的实施方式中，所述永磁体的数量至少为一个。

在一个优选的实施方式中，在所述永磁体的数量为两个的情况下，所述永磁体的磁极方向相同，且分别对称设置在所述参照面的两侧。

在一个优选的实施方式中，所述永磁体选自合金永磁材料或铁氧体永磁材料中的任一种。

在一个优选的实施方式中，所述永磁体选自钕铁硼合金、钐钴合金、或铝镍钴合金中的任一种。

在一个优选的实施方式中，所述永磁体包裹在绝缘套内。

另外，本发明还提供一种直流断路器，包括：

基座；

壳体，其固定在所述基座上，所述壳体具有相对设置的侧壁，所述侧壁之间形成容纳腔；

层叠设置的多个栅片，每个所述栅片具有基部和腿部，所述腿部伸入所述容纳腔内，所述基部置于所述容纳腔外；

上述任一项所述的灭弧机构，所述灭弧机构的动触头伸入所述容纳腔内，并能在所述腿部之间转动，以与所述静触头的电触点接触和/或分离，所述永磁体设置在所述壳体的侧壁上。

在一个优选的实施方式中，所述直流断路器包括隔板，所述隔板具有相对设置的壁部，所述壁部卡接在所述腿部之间，以将所述腿部与动触头相隔离。

在一个优选的实施方式中，所述动触头在所述隔板的壁部之间转动。

在一个优选的实施方式中，所述隔板采用绝缘材料。

在一个优选的实施方式中，所述隔板采用产气材料。

在一个优选的实施方式中，所述栅片的基部和腿部之间形成卡接部，所述卡接部与所述侧壁相卡接，以使所述基部置于所述容纳腔外。

在一个优选的实施方式中，相邻所述栅片之间等距排布。

在一个优选的实施方式中，所述壳体的侧壁上开设有卡槽，以使所述栅片的腿部卡接在所述卡槽内。

在一个优选的实施方式中，所述壳体的侧壁上开设有安置槽，以容置所述永磁体。

在一个优选的实施方式中，所述永磁体设置在所述静触头上方的所述侧壁上。

在一个优选的实施方式中，所述容纳腔外靠近所述栅片的基部具有出气口。

借由以上的技术方案，本申请的有益效果在于：

1、采用此技术方案，可以有效解决直流高电压低电流临界分断燃弧时间长的问题。

2、采用此技术方案，能同时保证正反向电流情况下的可靠分断。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本申请公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本申请的理解，并不是具体限定本申请各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本申请的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本申请。在附图中：

图1为现有技术的一个具体实例-灭弧室布置磁钢示意图。

图2为本发明的一个具体实例-直流断路器装配示意图。

图3为本发明的一个具体实例-直流断裂器灭弧室结构装配示意图。

图4为本发明的一个具体实例-直流断裂器灭弧室结构爆炸示意图。

图5为本发明的一个具体实例-永磁体极性分布示意图。

图6为本发明的一个具体实例-栅片的结构示意图。

图7为本发明的一个具体实例-永磁体布置及磁场分布示意图。

图8为本发明的一个具体实例-通过正向电流时，电弧仅在动、静触头形成的u形结构产生的磁场下的受力示意图。

图9为本发明的一个具体实例-通过正向电流时，在u形结构驱使下弯曲的电弧，其电流分量示意图。

图10为本发明的一个具体实例-通过正向电流时，电弧在永磁体产生的磁场中的受力情况。

图11为本发明的一个具体实例-通过正向电流时，沿+x轴方向观察，电弧的路径示意图。

图12为本发明的一个具体实例-通过正向电流时，沿-z轴方向观察，电弧的路径示意图。

图13为本发明的一个具体实例-通过正向电流时，轴侧视角观察，电弧的路径示意图。

图14为本发明的一个具体实例-通过反向电流时，电弧仅在动、静触头形成的u形结构产生的磁场下的受力示意图。

图15为本发明的一个具体实例-通过反向电流时，在u形结构驱使下弯曲的电弧，其电流分量示意图。

图16为本发明的一个具体实例-通过反向电流时，电弧在永磁体产生的磁场中的受力情况。

图17为本发明的一个具体实例-通过反向电流时，沿+x轴方向观察，电弧的路径示意图。

图18为本发明的一个具体实例-通过反向电流时，沿-z轴方向观察，电弧的路径示意图。

图19为本发明的一个具体实例-通过反向电流时，轴侧视角观察，电弧的路径示意图。

以上附图的附图标记：100、灭弧室；200、静触头；200a、基体；200b、弯折部；300、动触头；400、机构；500、出气口；600、基座；101、栅片；101a、基部；101b、腿部；101c、卡接部；102、壳体；102a、侧壁；102b、卡槽；102c、容纳腔；103、绝缘套；104、永磁体；105、隔板；105a、壁部

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图2至图19所示，本发明的实施例中提供一种灭弧机构，该灭弧机构包括：静触头200、动触头300、以及永磁体104。所述静触头200包括基体200a和弯折部200b，所述弯折部200b位于所述基体200a的第一象限处，所述弯折部200b上具有电触点(图中未示出)。动触头300能相对所述静触头200转动，以使所述动触头300和所述静触头200的电触点接触和/或分离，其中，所述动触头300转动形成的平面为参照面。永磁体104具有第一磁极和相对的第二磁极，所述第一磁极和所述第二磁极的连线方向不与所述参照面垂直。

需要说明的是，弯折部200b位于基体200a的第一象限处，可以将该灭弧机构置于平面直角坐标系(笛卡尔坐标系)中。将静触头200的基体200a置于横轴(x轴)，基体200a的中垂线置于纵轴(y轴)，则横轴(x轴)和纵轴(y轴)所划分的四个区域，每一个区域叫做一个象限。象限以原点(x轴和y轴的交点)为中心，x轴和y轴为分界线。右上的区域称为第一象限，左上的区域称为第二象限，左下区域的称为第三象限，右下区域的称为第四象限。则弯折部200b位于第一象限处。

在本实施方式中，动触头300通常设置在静触头200的上方，动触头300在与静触头200的电触点接触和/或分离的过程中会形成转动平面，该转动平面可以定义为参照面。进而，永磁体104的第一磁极和相对的第二磁极的连线方向不与所述参照面垂直。在此需要说明的是，本申请对第一磁极和第二磁极的磁性不做任何限制，举例说明，当第一磁极为n极时，其相对的第二磁极可以为s极。当第一磁极为s极时，其相对的第二磁极可以为n极。

在一个优选的实施方式中，所述永磁体104的第一磁极和第二磁极的连线方向可以与所述参照面平行。进而，所述永磁体104可以倾斜设置，所述永磁体104的第一磁极和第二磁极的连线方向可以与所述基体200a的垂线方向呈-30°至﹢30°，所述垂线方向与z轴方向相同。

在另一个优选的实施方式中，所述永磁体104的第一磁极和第二磁极的连线方向可以与所述参照面相交。进而，所述永磁体104的第一磁极和第二磁极的连线方向可以与所述参照面成-15°至﹢15°。例如，当所述永磁体104的第一磁极和第二磁极的连线方向与所述参照面成-15°时，所述第一磁极和所述第二磁极连线的上延伸线与所述参照面的夹角为15°。当所述永磁体104的第一磁极和第二磁极的连线方向与所述参照面成﹢15°时，所述第一磁极和所述第二磁极连线的下延伸线与所述参照面的夹角为15°。特别地，当所述永磁体104的第一磁极和第二磁极的连线方向与所述参照面成0°时，所述永磁体104的第一磁极和第二磁极的连线方向可以与所述参照面平行。

另外，该永磁体104的数量至少为一个。在所述永磁体104的数量为一个的情况下，该永磁体104可以设置在参照面的任一侧。在所述永磁体104的数量为两个的情况下，该两个永磁体104的磁极方向相同，且分别对称设置在所述参照面的两侧。

如图5所示，所述的永磁体104可以沿图示s极到n方向充磁。当然地，所述永磁体104还可以沿n极到s极方向充磁(图中未示出)，也能够实现相同的技术效果，本申请对永磁体104的充磁方向不作任何限制。

永磁体104通常可以包裹在绝缘套103内，绝缘套103可固定住永磁体104，同时可以隔绝电弧燃烧时产生的高温，避免永磁体104的温度超过居里温度而消磁，以及避免永磁体104与栅片101接触，避免高温导致永磁体104的磁性消失。因此，把永磁体104分别和动触头300及栅片101隔离，这样也可以把动触头300和栅片101相互隔离开来。

该永磁体104的材料可以选自合金永磁材料或铁氧体永磁材料中的任一种。例如，可以选自钕铁硼合金、钐钴合金、或铝镍钴合金中的任一种。

另外，如图2所示，本发明的实施例中还提供一种直流断路器。该直流断路器包括：基座600、壳体102、栅片101，以及上述任一种灭弧机构。

如图3和图4所示，在本实施方式中，壳体102可以固定在所述基座600上，所述壳体102可以具有相对设置的侧壁102a，所述侧壁102a之间可以形成容纳腔102c。该灭弧机构设置在容纳腔102c内，可以形成灭弧室100。多个栅片101可以层叠设置，每个所述栅片101可以具有基部101a和腿部101b，所述腿部101b可以伸入所述容纳腔102c内，所述基部101a可以置于所述容纳腔102c外。所述灭弧机构的动触头300可以伸入所述容纳腔102c内，并能在机构400的带动下，使动触头300在所述腿部101b之间转动，以与所述静触头200的电触点接触和/或分离。所述永磁体104可以设置在所述静触头200上方的壳体102d的侧壁102a上。所述容纳腔102c外靠近所述栅片101的基部101a可以具有出气口500。

壳体102的侧壁上可以开设有卡槽102b，这样可以使伸入壳体102的栅片101的腿部101b卡接在所述卡槽102b内。另外该壳体102的侧壁102a上还可以开设有安置槽(图中未示出)，可以使外包绝缘套103的永磁体104容置在所述安置槽内。

在所述永磁体104的数量为一个的情况下，该永磁体104可以放置在壳体102的容纳腔102c的任一个侧壁102a上。在所述永磁体104的数量为两个的情况下，该两个所述永磁体104的磁极方向相同，且分别对称设置在所述容纳腔102c的所述侧壁102a上。

本领域技术人员可以理解的是，卡槽102b的数量可以根据栅片101的腿部101b的数量进行合理开设。同理，安置槽的数量也可以根据永磁体104的数量进行开设，本申请对此不作任何限制。

如图3和图6所示，栅片101通常层叠放置，且相邻所述栅片101之间等距排布。每个栅片101都具有基部101a和腿部101b，两个腿部101b之间可以形成一个u形空缺。同时，基部101a和腿部101b的连接处还具有一个卡接部101c，这样在腿部101b伸入壳体102的容纳腔102c时，该卡接部101c可以与壳体102的侧壁102a相卡接，以使基部101a置于所述容纳腔102c外。

所述直流断路器还可以包括隔板105，隔板105的壁部105a可以相对设置，所述动触头300可以在所述隔板105的壁部105a之间转动。该壁部105a可以卡接在所述腿部101b之间，以将所述腿部101b与所述动触头300相隔离。这样隔板105可以避免动触头300与栅片101的腿部101b直接接触，同时也可固定栅片101以及隔绝电弧对永磁体104的影响。所述隔板105可以采用绝缘材料制作，优选采用产气材料制作。

如图4和图7所示，一对永磁体104以图示极性一致的方式放置在静触头200与动触头300之间。此时，两颗永磁体104在动静触头之间产生的磁场矢量和为如图7所示的-z方向。

当通以正向大电流(例如大于100a)的断路器刚分闸，动触头300与静触头200之间拉出电弧。如图8所示，由于静触头200设置有u形的电流反向结构，图示弧线表示动触头打开的运动轨迹，符号⊙表示该段导体处的磁场方向垂直纸面向外，符号表示该段导体处的磁场方向垂直纸面向里，判断磁场方向根据右手定则可知，此时，静触头200与动触头300会在电弧区域产生如图8所示的-y方向的磁场；然后再根据弗莱明左手定则(fleming'srule)，电弧在此磁场中受到如图8所示的+x方向的电磁力fu。电弧在受到如图8所示的+x方向的电磁力fu以及内部产气材料在高温下产生的气体压力推动下，会在中部产生弯曲伸长进而进入灭弧室，经过灭弧室对电弧的切割之后，电弧的燃弧电压大幅增高，直到高于外部施加电压而熄弧，达到开断目的。

当通以正向小电流(例如小于100a)的断路器刚分闸，动触头300与静触头200之间拉出电弧。如图8所示，由于静触头200设置有u形的电流反向结构，此时，静触头200与动触头300会在电弧区域产生如图8所示的-y方向的磁场；根据弗莱明定则(fleming'srule)，电弧在此磁场中受到如图8所示的+x方向的电磁力fu。电弧在受到如图8所示的+x方向的电磁力fu以及内部产气材料在高温下产生的气体压力推动下，会在中部产生弯曲伸长，但由于电流较小，此处的电磁力fu较弱，其强度不足以将电弧推进灭弧室内。此时，电弧在上述几个力的推动下演变成如图9所示的形状。由于电弧的弯曲，电弧的上、下部分别产生了如图9所示的-x方向的ix1及+x方向的ix2两个电流分量。由于ix1及ix2两个电流分量的存在，电弧的上下部在永磁体104产生的磁场作用下，根据弗莱明定则(fleming'srule)将会产生如图10所示的fc1及fc2两个电磁力，其中fc1作用在电弧的上部，为-y方向；fc2作用在电弧的下部，为+y方向。电弧在fc1及fc2的作用下弯曲成如图11所示的形状。由于电弧的弯曲，电弧的中部产生了如图11所示的-y方向上的电流分量iy。而由于电流分量iy的存在，电弧的中部在永磁体104的磁场作用下，根据弗莱明定则(fleming'srule)将会产生如图12所示的+x方向的电磁力fc3，电弧中部在fc3的驱动下将产生如图12所示的弯曲。最终，电弧在fu、fc1、fc2、fc3以及产气材料在高温下产生的气体压力的共同驱动下被扭曲、拉长至如图13所示的形状。由于电弧被大幅拉长，电弧的燃弧电压急剧增高，直到高于外部施加电压而熄弧，达到开断目的。

当通以反向大电流(例如大于100a)的断路器刚分闸，动触头300与静触头200之间拉出电弧。如图14所示，由于静触头200设置有u形的电流反向结构，此时，静触头200与动触头300会在电弧区域产生如图14所示的+y方向的磁场；根据弗莱明定则(fleming'srule)，电弧在此磁场中受到如图14所示的+x方向的电磁力fu。电弧在受到如图14所示的+x方向的电磁力fu以及内部产气材料在高温下产生的气体压力推动下，会在中部产生弯曲伸长进而进入灭弧室，经过灭弧室对电弧的切割之后，电弧的燃弧电压大幅增高，直到高于外部施加电压而熄弧，达到开断目的。

当通以正向小电流(例如小于100a)的断路器刚分闸，动触头300与静触头200之间拉出电弧。如图14所示，由于静触头200设置有u形的电流反向结构，此时，静触头200与动触头300会在电弧区域产生如图14所示的+y方向的磁场；根据弗莱明定则(fleming'srule)，电弧在此磁场中受到如图14所示的+x方向的电磁力fu。电弧在受到如图14所示的+x方向的电磁力fu以及内部产气材料在高温下产生的气体压力推动下，会在中部产生弯曲伸长，但由于电流较小，此处的电磁力fu较弱，其强度不足以将电弧推进灭弧室内。此时，电弧在上述几个力的推动下演变成如图15所示的形状。由于电弧的弯曲，电弧的上、下部分别产生了如图15所示的+x方向的ix1及-x方向的ix2两个电流分量。由于ix1及ix2两个电流分量的存在，电弧的上下部在永磁体104产生的磁场作用下，根据弗莱明定则(fleming'srule)将会产生如图16所示的fc1及fc2两个电磁力，其中fc1作用在电弧的上部，为+y方向；fc2作用在电弧的下部，为-y方向。电弧在fc1及fc2的作用下弯曲成如图17所示的形状。由于电弧的弯曲，电弧的中部产生了如图17所示的-y方向上的电流分量iy。而由于电流分量iy的存在，电弧的中部在永磁体104的磁场作用下，根据弗莱明定则(fleming'srule)将会产生如图18所示的+x方向的电磁力fc3，电弧中部在fc3的驱动下将产生如图18所示的弯曲。最终，电弧在fu、fc1、fc2、fc3以及产气材料在高温下产生的气体压力的共同驱动下被扭曲、拉长至如图19所示的形状。由于电弧被大幅拉长，电弧的燃弧电压急剧增高，直到高于外部施加电压而熄弧，达到开断目的。

采用本申请实施例中的直流断路器灭弧室及直流断路器可以有效解决直流高电压低电流临界分断燃弧时间长的问题。同时能保证正反向电流情况下的可靠分断。

需要说明的是，本实施例提供的动触头300和静触头200等可以选用任意合适的现有构造。为清楚简要地说明本实施例所提供的技术方案，在此将不再对上述部分进行赘述，说明书附图也进行了相应简化。但是应该理解，本实施例在范围上并不因此而受到限制。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的申请主题的一部分。