专利名称：真空断路器触头中的非线性磁场分布的制作方法
背景技术：
发明领域本发明总的来说涉及用于切断电流的设备，更具体地，涉及用于断路器组件中的触头组件。
现有技术描述在断路器领域中，许多电力真空断路器的触头依赖于轴向磁场(AMF)以实现高短路电流的切断。在这些设计中AMF强度典型地直接与流经触头的电流量成比例。因此，对于电流断路器组件的通常的故障模式由位于断路器电极中心的AMF的集中所引起。当AMF在电极中心充分地集中时，真空电弧也在电极中心收缩。由此断路器组件在电流零点发生故障。然而，需要相对更高的AMF强度用于正确地切断更小的电流。
因此，存在对触头设计的需要，其中在较低的电流水平产生足够大的磁场强度用以在必要时切断电流，同时也防止在较高的电流水平时AMF在断路器电极中心的集中。
发明概述本发明通过利用断路器组件中的饱和磁性材料来满足前述的需要。在本发明的某些实施例中将饱和磁性材料放置在断路器触头主体和/或电极中。由于饱和磁性材料响应于电流的改变展现出非线性的磁场强度，所以断路器组件中包含的饱和磁性材料导致了断路器触头组件中的磁通量再分布，其适于时间中任意时刻上组件中经历的电气条件。换言之，与现有领域不同，在本发明的断路器组件中的磁场强度对流过该组件的电流以非线性关系进行响应。
本发明可能归于若干形式，包括断路器组件，该组件包括具有中心和外部边缘的触头，该触头包括电导材料和磁性材料的组合，该磁性材料安置于触头中，以便在相对低的电流条件下在触头中产生的轴向磁场具有从触头中心到触头的外部边缘基本恒定的强度。
本发明也可能是如下断路器组件的形式，该组件包括具有中心和外部边缘的触头，该触头包括电导材料、第一磁性材料和第二磁性材料的组合，第一磁性材料位于触头外部边缘附近并且具有高磁饱和点和高磁导率，第二磁性材料位于触头中心附近并且具有低磁饱和点和低磁导率。
本发明可能采用的又一种形式是包括具有中心和外部边缘的触头的断路器组件，该触头包括电导材料、第一磁性材料和第二磁性材料的组合，第一磁性材料位于触头外部边缘附近并且具有高磁饱和点和低磁导率，第二磁性材料位于触头中心附近并且具有低磁饱和点和高磁导率。
附图简述结合所附权利要求和下面的本发明的不同实施例的描述和附图，本发明的这些和其他特征、方面和优势将更加容易理解，附图中
图1A和1B示出了本发明的第一实施例；图2示出了本发明第一实施例中作为电流水平函数的某种磁性材料中的磁场强度；图3示出了本发明第一实施例中在不同的电流条件下示例性磁通量分布；图4A和4B示出了本发明的第二实施例；图5示出了本发明第二实施例中作为电流水平函数的某种磁性材料中的磁场强度；图6示出了本发明第二实施例中在不同的电流条件下示例性磁通量分布。
示例性实施例详述贯穿于下面的详细描述，在附图的所有图中，相似的参考数字指示相似的单元。
第一实施例图1A和1B示出了断路器组件触头100情况下的本发明第一实施例。触头100包括整体地附着于触头主体104的触头杆103，意味着触头100可通过若干本领域技术人员所将理解方法中的任何一种方法来由杆103和主体104形成。例如，触头100可具有整体式结构，该结构具有杆103和主体104的形式，杆103和主体104可包括以适当的方式连接在一起的分立的部分用以形成触头100，等等。在任何情况下，触头杆103和触头主体104基本上包括电导材料。触头主体104的上面部分107典型地被称为主触头。
第一实施例中触头100的触头主体104部分进一步包括磁性材料101和102的组合。磁性材料101是环状形式并且位于面对触头主体104的外部圆周边缘105的位置。磁性材料101具有高磁饱和点和高磁导率μr。另一方面，磁性材料102是以固态盘的形式，该固态盘位于触头主体104的中心106中及其附近，并且具有低磁饱和点和低磁导率μr。
触头100的操作如下。当电流流经触头100时，由于磁性材料101和102的出现使得触头100内总的磁场分布被改变。在低的接触电流和电弧电流下，其中在触头100的中心处AMF是足够用于保持电弧扩散但在触头100的外部边缘处AMF不是足够的或者甚至是零，则由于其高r磁性材料101□吸引并且扩大边缘处的磁场。在较高的电流水平下，当电弧由于其他的高的AMF而具有在触头100的中心集中的趋势时(其可以引起对触头100的重大损伤并且导致在需要时切断电流失败)，磁性材料102饱和。磁性材料102在较高的电流水平依次饱和引起AMF衰减，由此防止电弧在触头100中心的集中和变成收缩。
图2示出了作为增长的电流水平I的函数的磁性材料101和102中的磁场强度B。图线201示出了当通过磁性材料101的电流幅度增加时磁性材料101中的磁场强度。图线202示出了当通过磁性材料102的电流幅度增加时磁性材料102中的磁场强度。注意到在电流幅度增加时，磁性材料101和102中的磁场开始都在增加，但是以不同的速率增加，该速率差是由于不同的磁导率的缘故。尽管有越来越大的电流量通过这些材料，但是材料101和102中的磁场最终变得平稳并且保持近似恒定(虽然不同)的值。
图3示出了本发明第一实施例中在较高和较低电弧电流条件下示例性的AMF通量分布。图线301示出了在相对较低的电流水平下相对于离开触头100的中心的距离的AMF强度。图线302示出了在相对较高的电流水平下相对于离开触头100的中心的距离的AMF强度。注意到在离开触头100的中心的距离增加直到到达触头100半径(也就是上文的外部圆周边缘105)附近的点时(在该点处AMF强度向零值下降——在相对较低的电流水平出现时缓慢下降而在较高电流水平出现时迅速下降)，触头100中的AMF是相对恒定的值。同样注意到在中心处的从图线301(处于较低电流水平)到图线302(处于高电流)的AMF的增加小于离开中心一定距离处的从图线301到图线302的AMF的增加。这是由于两种不同磁性材料101和102的组合作用的缘故。
第二实施例图4A和4B示出了断路器组件触头400情景下的本发明第二实施例。触头400包括整体地附着于触头主体404的触头杆403，意味着触头400可通过若干本领域技术人员所将理解方法中的任何一种方法来由杆403和主体404形成。例如，触头400可具有整体式结构，该结构具有杆403和主体404的形式，杆403和主体404可包括以适当的方式连接在一起的分立部分用以形成触头400等等。在任何情况下，触头杆403和触头主体404基本上包括电导材料。触头主体404上面部分407典型地被称为主触头。
第二实施例中触头400的触头主体404部分进一步包括磁性材料401和402的组合。磁性材料401是环状形式并且位于面对触头主体404的外部圆周边缘405的位置。磁性材料401具有高磁饱和点和低磁导率μr。另一方面磁性材料402是以固态盘的形式，该固态盘位于触头主体404的中心406中及其附近，并且具有低磁饱和点和高磁导率μr。
触头400的操作如下。当电流流经触头400时，由于磁性材料401和402的出现触头400内总的磁场分布相比于本发明第一实施例的设计被更多改变。在相对低的和中等的接触电流以及电弧电流下，由于磁性材料402的高磁导率，AMF向触头400的中心集中。这样断路器组件的性能可以得到改善，以用于高可靠性的开关操作，其中，例如，需要非常低的接触再印模水平。这样的一个应用是电容开关。磁性材料402的出现限制了低的和中等的电流水平下(用于电容器组的正常负载开关)的朝向触头400中心的扩散电弧，因此限制了在主触头区域外侧的电弧等离子体的扩张，并且显著减小了再印模的可能性。在相对高的电流水平下磁性材料402饱和并且不再集中位于触头400中心中及其附近的AMF和电弧。相反地，磁性材料401在成形AMF通量分布和增强触头400的外部圆周边缘405处的磁场中开始扮演主导性的角色。换言之，在较高的电流水平下，磁性材料401的出现平衡了电弧等离子体的分布并且确保了电弧等离子体保持扩散。磁场强度在相对较高的电流水平下的高非线性分布有效地补偿了电弧电流的收缩效应。
图5示出了作为增长的电流水平I的函数的磁性材料401和402中的磁场强度B。图线501示出了当通过磁性材料401的电流幅度增加时磁性材料401中的磁场强度。图线502示出了当通过磁性材料402的电流幅度增加时磁性材料402中的磁场强度。注意到在磁性材料402中磁场强度急剧上升但是迅速变得平稳并且保持近似恒定的值，尽管电流量越来越大。可是在磁性材料401中，磁场强度缓慢地并且基本线性地增加到一个点，在该点处磁场强度随即变得平稳并且保持近似恒定的值，尽管出现越来越大的电流。与第一实施例不同，在磁场强度不再增加(尽管出现更大的电流)的位置，对于外部的、环形状的磁性材料的电流水平比对于内部的、盘形状的磁性材料的电流水平高很多。
图6示出了本发明第二实施例中在较高和较低电弧电流条件下示例性的AMF通量分布。图线601示出了在相对较低的电流水平下相对于离开触400中心的距离的AMF强度。图线602示出了在相对较高的电流水平下相对于离开触头400的中心的距离的AMF强度。注意到在离开触头400的距离增加直到到达触头半径(也就是上文的外部圆周边缘405)附近的点时(在该点处AMF强度向零值缓慢下降)，触头400中低电流条件下的AMF强度是相对恒定的值。然而，在离开触头400的距离增加直到到达触头半径附近的点时(在该点处场强停止增加并且然后向零值迅速下降)，较高电流条件下的AMF强度逐渐变强。
尽管结合不同图和附录中示出的实施例已经描述了本发明，但是应当理解在不偏离本发明的精神的前提下可以使用其他的实施例并且可以对所描述的实施例进行修改和增加。因此，本发明不应限于任何单一的实施例中，不论其是否在附图中示出。相反地，本发明应被解释为具有根据下面的所附权利要求的全部的广度和范围。中心和外部边缘，触头包括电导材料和磁性材料的组合，磁性材料安置于触头中以便在相对低的电流条件下在触头中产生的轴向磁场具有从触头中心到触头外部边缘的基本恒定的强度。
权利要求
1.一种断路器组件，包括具有中心和外部边缘的触头，该触头包括电导材料和磁性材料的组合，该磁性材料安置于触头中，以便在相对低的电流条件下在触头中产生的轴向磁场具有从触头中心到触头外部边缘的基本恒定的强度。
2.权利要求1的断路器组件，其中磁性材料被进一步设置成使得在相对高的电流条件下的轴向磁场强度从中心到外部边缘是基本恒定的。
3.权利要求1的断路器组件，其中磁性材料被进一步设置成使得在相对高的电流条件下的轴向磁场强度从中心到外部边缘附近的点逐渐增加，其后在数值上停止增加并且向在外部边缘处的零值下降。
4.权利要求1的断路器组件，其中磁性材料包括至少一种具有高磁饱和点和高磁导率的磁性材料。
5.权利要求4的断路器组件，其中该至少一种磁性材料位于触头外部边缘附近。
6.权利要求1的断路器组件，其中磁性材料包括至少一种具有低磁饱和点和低磁导率的磁性材料。
7.权利要求6的断路器组件，其中该至少一种磁性材料位于触头中心附近。
8.权利要求1的断路器组件，其中磁性材料包括至少一种具有高磁饱和点和低磁导率的磁性材料。
9.权利要求8的断路器组件，其中该至少一种磁性材料位于触头外部边缘附近。
10.权利要求1的断路器组件，其中磁性材料包括至少一种具有低磁饱和点和高磁导率的磁性材料。
11.权利要求10的断路器组件，其中该至少一种磁性材料位于触头中心附近。
12.权利要求1的断路器组件，其中触头包括整体地附着于触头主体的触头杆。
13.权利要求1的断路器组件，其中触头通常为圆形。
14.一种断路器组件，包括具有中心和外部边缘的触头，该触头包括电导材料、第一磁性材料和第二磁性材料的组合，该第一磁性材料位于触头外部边缘附近并且具有高磁饱和点和高磁导率，该第二磁性材料位于触头中心附近并且具有低磁饱和点和低磁导率。
15.权利要求14的断路器组件，其中触头包括完整地附着于触头主体的触头杆。
16.权利要求14的断路器组件，其中触头基本上为圆形。
17.权利要求16的断路器组件，其中第一磁性材料基本上为环形。
18.权利要求16的断路器组件，其中第二磁性材料基本上为盘形。
19.一种断路器组件，包括具有中心和外部边缘的触头，该触头包括电导材料、第一磁性材料和第二磁性材料的组合，该第一磁性材料位于触头外部边缘附近并且具有高磁饱和点和低磁导率，该第二磁性材料位于触头中心附近并且具有低磁饱和点和高磁导率。
20.权利要求19的断路器组件，其中触头包括整体地附着于触头主体的触头杆。
21.权利要求19的断路器组件，其中触头基本上为圆形。
22.权利要求19的断路器组件，其中第一磁性材料基本上为环形。
23.权利要求19的断路器组件，其中第二磁性材料基本上为盘形。
全文摘要
公布和描述了新型的断路器组件(100)设计，其利用了饱和磁性材料(101、102)。在本发明的某些实施例中将饱和磁性材料(101、102)放置在断路器触头主体和/或电极(104)中。断路器组件(100)中包含的饱和磁性材料(101、102)导致了断路器触头组件(104)中的磁通量再分布，其适于时间中任意时刻上组件中经历的电流条件。
文档编号H01H33/18GK1618111SQ02827621
公开日2005年5月18日 申请日期2002年12月2日 优先权日2001年12月28日
发明者米特克·T·格林科斯基 申请人:Abb技术公开股份有限公司