电气开关设备和具有接合突耳的用于电气开关设备的断开组件

摘要

本发明提供了一种用于电气开关设备(500)的断开组件(400)，所述电气开关设备具有壳体、由所述壳体封闭的可分离触头以及用于断开和闭合所述可分离触头的操作机构。所述操作机构包括极轴(508)。所述断开组件包括弹簧连杆(402)，所述弹簧连杆包括构造成可枢转地联接到所述极轴的第一部分(404)和与所述第一部分大体相对地设置的第二部分(406)。一定数量的断开弹簧(410)各自都包括构造成联接到所述壳体的静止端部(412)和联接到所述弹簧连杆的第二部分的可移动端部(414)。所述弹簧连杆可在断开位置与闭合位置之间移动，在所述断开位置所述断开弹簧偏压所述弹簧连杆和所述极轴以维持所述可分离触头的完全分离，在所述闭合位置所述断开弹簧不偏压所述极轴或以低水平的转矩偏压所述极轴。

说明书

对相关申请的交叉引用

本申请要求在2013年11月27日提交的美国临时专利申请系列号No.61/909,460的优先权，该美国临时专利申请的公开内容通过引用并入本文。

技术领域

所公开的概念总的涉及电气开关设备，尤其涉及诸如断路器的电气开关设备。所公开的概念还涉及用于电气开关设备的断开组件。

背景技术

诸如断路器的电气开关设备为电气系统提供针对电气故障状态——比方说，例如电流过载、短路、异常电压和其它故障状态——的保护。典型地，断路器包括操作机构，该操作机构响应于例如通过跳闸单元检测到的这些故障状态而断开(打开，open)电气接触组件以中断流经电气系统的导体的电流。电气接触组件包括静止电触头和可与静止电触头分离的相应的可移动电触头。

例如，图1A和1B示出气动断路器1的一部分。气动断路器1使用断开弹簧3(在图1和2中以简化形式示出了一个断开弹簧3)以在断开期间实现和维持完全的断开间隙(例如，电触头的间隔)，并且在一些情况下提高断开速度以改善中断。为了最大限度地减少所需的关闭能量，希望尽可能最小的断开弹簧力和能量。各断开弹簧3在其移动端部处附接到固定在极轴7上的臂5。此布置结构在极轴7从断开(图1A)旋转到闭合(图1B)时将弹簧3从断开长度Lo(图1A)拉伸到闭合长度Lc(图1B)。极轴7通常被设计成维持大致恒定的(力)矩臂(参见例如图1A的断开矩臂Mo和图1B的闭合矩臂Mc)。

当碎屑和分流行为导致断开力需求上升时，实现和维持完全的断开间隙在中断之后变得尤其困难。一种选择是加强断开弹簧。然而，在不相应增加闭合弹簧的情况下加强断开弹簧可能引起失速和不完全闭合。此外，增大的弹簧力引起倾向于阻止断路器的所希望的移动的更大摩擦力。一旦移动触头在静止触头上就位并且触头弹簧变成贡献因素，则抵抗更强的断开弹簧闭合的难题在闭合后期更显著。增加闭合弹簧以克服更强的断开弹簧还增加了成本，缩短了寿命，并且提高了对一些附件——比方说，例如但不限于闭合螺线管和充能电机(chargingmotor)——的要求。上述难题随着增加另外的断路器极而变得越来越成问题。

因此，诸如断路器的电气开关设备和用于其的断开组件存在改进的余地。

发明内容

这些和其它需求通过所公开的概念的实施例来满足，所述实施例针对于一种用于电气开关设备——比方说，例如但不限于断路器——的断开组件。除其它益处外，该断开组件以在完全断开时产生比较大的极轴转矩以维持断开间隙(例如，电触头的分离)并且在接近闭合状态时产生大致为零的转矩以使闭合容易的方式布置断开弹簧。替代地，该电气开关设备还可以包括接合突耳，该接合突耳在闭合状态时或在接近闭合状态时引起属于固定和比较小的值的转矩的施加，而不是大致为零的转矩。

作为所公开的概念的一方面，提供了一种用于电气开关设备的断开组件。所述电气开关设备包括壳体、由所述壳体封闭的可分离触头以及用于断开和闭合所述可分离触头的操作机构。所述操作机构包括极轴。所述断开组件包括：弹簧连杆，所述弹簧连杆包括构造成可枢转地联接到所述极轴的第一部分和与所述第一部分大体相对地设置的第二部分，所述弹簧连杆可在断开位置与闭合位置之间移动；和一定数量的断开弹簧，每个所述断开弹簧都包括构造成联接到所述壳体的静止端部和联接到所述弹簧连杆的第二部分的可移动端部。当所述弹簧连杆设置在断开位置时，所述一定数量的断开弹簧构造成偏压所述弹簧连杆和所述极轴以维持所述可分离触头的完全分离。当所述弹簧连杆设置在所述闭合位置时，所述一定数量的断开弹簧构造成不偏压所述极轴或替代地构造成以固定的、可容易地确定的并且比较小的转矩偏压所述极轴。

所述弹簧连杆还可包括在所述第一部分与所述第二部分之间延伸的中间部分。所述中间部分可具有圆弧形，以便当所述弹簧连杆设置在所述闭合位置时，所述弹簧连杆构造成围绕所述极轴的一部分延伸。

所述极轴可包括自其向外延伸的臂。所述弹簧连杆的第一部分可构造成可枢转地联接到所述臂。所述弹簧连杆可由彼此相对并间隔开地设置的一对大致相同的平面部件形成，其中所述极轴的臂的一部分构造成设置在所述一对大致相同的平面部件之间。

作为所公开的概念的另一方面，一种电气开关设备包括：壳体；由所述壳体封闭的可分离触头；用于断开和闭合所述可分离触头的操作机构，所述操作机构包括极轴；和断开组件，所述断开组件包括：弹簧连杆，所述弹簧连杆包括可枢转地联接到所述极轴的第一部分和与所述第一部分大体相对地设置的第二部分，所述弹簧连杆可在断开位置与闭合位置之间移动；和一定数量的断开弹簧，每个所述断开弹簧都包括联接到所述壳体的静止端部和联接到所述弹簧连杆的第二部分的可移动端部。当所述弹簧连杆设置在断开位置时，所述一定数量的断开弹簧偏压所述弹簧连杆和所述极轴以维持所述可分离触头的完全分离。当所述弹簧连杆设置在所述闭合位置时，所述一定数量的断开弹簧不偏压所述极轴或替代地构造成以固定的、可容易地确定的并且比较小的转矩偏压所述极轴。

附图说明

当结合附图阅读时可从下文对优选实施例的描述充分理解所公开的概念，在附图中：

图1A和1B是已知的断路器和用于其的断开组件的各部分的侧视图，其中图1A对应于断开的断路器，而图1B对应于闭合的断路器；

图2是根据所公开的概念的第一实施例的断路器和用于其的断开组件的侧视图；

图3是被显示为在断路器断开时定位的图2的断开组件的放大视图；

图4是被修改以显示断路器闭合时的断开组件的图3的放大视图；

图5是图4的断开组件的一部分的等轴侧视图；

图6A和6B是根据所公开的概念的一个实施例的断路器和用于其的断开组件的一部分的侧视图，其中图6A对应于断开的断路器且图6B对应于闭合的断路器；

图7是根据所公开并要求专利权的概念的第二实施例的处于断开状态的改进的断路器和用于其的断开组件的透视图；

图8是图7的断路器和断开组件的视图，另外示出了处于闭合状态的断路器；

图9是图7的断路器的侧视图；

图10是与图9相似的视图，另外示出了在矩臂或接合突耳正与极轴上的凸缘接触时处于部分闭合状态的断路器；以及

图11是与图10相似的视图，另外示出了处于闭合状态的断路器。

说明书全文中相似的附图标记指的是相似的部件。

具体实施方式

本文所用的方向用语——比方说，例如左、右、顺时针、逆时针和它们的派生词与图中所示的元件的取向有关，并且不对权利要求构成限制，除非在本文中明确说明。

如文中所用，两个或多个零件“联接”在一起的表述应意味着所述零件被直接接合在一起或者通过一个或多个中间零件接合。

如文中所用，术语“一定数量”应意味着1或大于1的整数(即，多个)。

图2示出均根据所公开并要求专利权的概念的第一实施例的电气开关设备——比方说，例如且不限于断路器200——的断开组件100。断路器200包括壳体202、由壳体202封闭的可分离触头204(在图2中以简化形式示出)以及用于断开和闭合可分离触头204的操作机构206(在图2中以简化形式示出)。操作机构206包括极轴208(在图5的等轴侧视图中最好地示出)。

断开组件100包括弹簧连杆102，该弹簧连杆具有构造成可枢转地联接到极轴208的第一部分104和与第一部分104大体相对地设置的第二部分106。弹簧连杆102可在断开位置(图2、3、5和6A)与闭合位置(图4和6B)之间移动。断开组件100还包括一定数量的断开弹簧110，每个断开弹簧都包括联接到断路器壳体202的静止端部112和联接到上述弹簧连杆102的第二部分106的可移动端部114。

鉴于上述结构，当弹簧连杆102设置在图2、3、5和6A所示的断开位置时，(一个或多个)断开弹簧110构造成偏压弹簧连杆102和极轴208(例如，从图2的视角看逆时针)以维持可分离触头204的完全分离(图2)。换言之，所公开的概念以在完全断开时产生比较大的极轴转矩(例如，在不限制的情况下，维持可分离触头204(图2)之间的断开间隙)的方式经由弹簧连杆102布置断开弹簧110和它们在极轴208上的附接。另外，当弹簧连杆102设置在图4和6B的闭合位置时，(一个或多个)断开弹簧110构造成不偏压极轴208。换言之，(一个或多个)断开弹簧110在闭合状态下施加大致为零的转矩，由此减少所需的闭合能量和断路器构件上的相关应力。此外，降低的对闭合弹簧的要求允许闭合能量降低或闭合裕度增加。闭合能量降低有利地降低了对附件(例如，在不限制的情况下，弹簧脱开装置；电机操作装置)的要求并且延长了寿命。闭合裕度增加吸纳中断之后的变化和断路器性能，而不需要提高闭合速度和/或减少触头弹簧。所公开的断开组件100实现这些益处的特定方式在下文中将被更详细地描述。

继续参照图2，并且还参照图3-6B，所公开的断开组件100的弹簧连杆102还包括在第一部分104与第二部分106之间延伸并优选地具有圆弧形的中间部分120。这种圆弧形使得弹簧连杆102能够在弹簧连杆102设置在图4和6B所示的闭合位置时围绕断路器极轴208的一部分延伸。如图5的等轴侧视图中最好地示出的，极轴208优选地包括从极轴208向外延伸的臂210。弹簧连杆102的第一部分104构造成可枢转地联接到臂210。在文中示出和描述的示例中，弹簧连杆102由彼此相对并间隔开地设置的一对大致相同的平面部件130、132构成。因此，如图所示的，极轴208的臂210的一部分设置在一对大致相同的平面部件130、132之间。极轴208还包括将弹簧连杆102可枢转地联接到极轴臂210的枢销220。

继续参照图5，断开组件100的弹簧连杆102还包括从弹簧连杆102的第二部分106侧向向外延伸的突起140。在图5的示例中，该突起是沿第一方向从弹簧连杆102的第一侧142侧向向外延伸并沿与第一方向相反的第二方向从弹簧连杆102的第二侧144侧向向外延伸的销140。如图5的示例中部分地示出的，可采用多于一个的断开弹簧而不偏离所公开的概念的范围。例如，第一断开弹簧110包括在弹簧连杆102的第一侧142联接到销140的可移动端部114，而第二断开弹簧110’包括在弹簧连杆102的第二侧144联接到销140的可移动端部114’。然而，应了解，可采用弹簧连杆(例如，102)和/或断开弹簧(例如，在不限制的情况下，110、110’)的任意已知或合适的替代数量、类型和/或构型。为了节省公开和容易说明，文中仅详细描述一个断开组件100和用于其的弹簧连杆102。

如图6A和6B所示，示例性断路器200的壳体202包括侧板230和如图所示从侧板230向外延伸的至少一个突起240。一定数量的断开弹簧(例如，110)中的每一个的静止端部110联接到至少一个突起240中的相应一个突起。

如图4和6B所示，在操作中，当弹簧连杆102设置在闭合位置时，第一部分104和第二部分106如图所示大体设置在极轴208的相对侧。应了解，这导致枢销220、极轴208和(一个或多个)断开弹簧110沿轴线300大致对齐。如图所示，(一个或多个)断开弹簧110、销140、极轴208、枢销220和突起240大体全部与轴线300对齐。因此，应了解，这种对齐相应地导致大致为零的矩臂(例如，参见图6B中的矩臂Mc＝0)。换言之，(一个或多个)断开弹簧110在闭合位置向弹簧连杆102或极轴208施加大致为零的转矩，由此降低对闭合弹簧的需求并允许闭合能量降低，以及闭合裕度增加，如前面在上文中说明的。

还应了解，所公开的断开组件100的弹簧连杆102的设计在弹簧连杆102设置在图6A的断开位置时实现了所希望的矩臂Mo。如通过将图6A与图6B进行比较所示，应了解，弹簧连杆102处于图6A的断开位置时的断开弹簧长度Lo与弹簧连杆102设置在图6B的闭合位置时的闭合弹簧长度Lc比较相似。与上述闭合矩臂相结合，该大致为零的Mc(参见图6B)对断路器的操作具有深远的有益效果。例如，所公开的断开组件100消耗的能量小于常规闭合弹簧设计的能量的40％。此外，断开组件100能够在完全断开时产生多出约20％的极轴转矩，并且仍消耗小于常规设计的约一半的能量。

因此，除其它益处外，所公开的断开组件100提供了独特的弹簧连杆102和断开弹簧110布置结构，其有效地用于在完全断开时产生所希望的极轴转矩(例如，在不限制的情况下，维持可分离触头204(图2)之间的断开间隙)并在闭合状态下产生大致为零的转矩，由此减少所需的闭合能量和相关应力。

均根据所公开并要求专利权的概念的第二实施例的改进的断开组件400和改进的断路器500——断开组件400是其一部分——在图7-11中被大体示出。如下面将更详细地阐述的，断开组件400和断路器500与断开组件100和断路器200大致相似，除了断开组件400构造成在断路器500处于闭合状态时向极轴508施加非零转矩除外。

可以说断开组件400包括弹簧连杆402，该弹簧连杆包括彼此相对的第一部分404和第二部分406。断开组件400还包括一组断开弹簧410，每个断开弹簧410都具有与断路器500联接的静止端部412和与第二部分406联接的与静止端部412相对的可移动端部414。更具体地，弹簧连杆402还包括安装在第二部分406上的突起440，并且可移动端部414位于突起440上。突起440是从弹簧连杆402的第一侧沿第一方向侧向向外延伸并从弹簧连杆402的第二侧沿第二方向侧向向外延伸的销。第一和第二方向彼此相反。弹簧连杆412还包括在第一部分404与第二部分406之间延伸的中间部分420。这全都与断开组件100相似。

然而，断开组件400的弹簧连杆402还包括在比第一部分404相对更接近第二部分406的位置处位于中间部分420上的接合突耳424。在大体位于断路器500的断开状态和闭合状态之间的过渡位置时，接合突耳424可与极轴508接合并有利地改变断开弹簧410、弹簧连杆402和极轴508之间的运动学关系。这在某些情况下会是理想的。

极轴508具有从其向外突出的形成在其上的臂510。臂510包括具有部分环形并从极轴508径向向外突出的凸缘518。当断路器500处于过渡位置处时，如图10中大体所示，断开弹簧410在极轴508上施加的转矩通常最小。然而，接合突耳424在过渡位置处与凸缘518接合，并且断路器500从图10的过渡位置朝图8和11的闭合位置的进一步移动导致断开弹簧410在极轴上施加的转矩增大。

更特别地，并且如图9中可以看到的，第一部分404上的枢销520可枢转地安装在凸缘518上并因而将弹簧连杆402可枢转地联接到极轴508。在图7和9的断路器500的断开构型中，断开弹簧410的拉力施加至极轴508。断开弹簧410的静止端部12与断路器500上的突起540联接。由于弹簧连杆402的第二部分406和与其连接的断开弹簧410的可移动端部414在断开状态下通常不受约束，所以可见突起540、第二部分406和枢销520全都沿断开弹簧410的力的轴线654A布置。亦即，由于第二部分406和断开弹簧410的可移动端部414在联接在一起的状态下在绕枢销520的枢转运动中通常可自由移动，所以断开弹簧410中的拉力使得第二部分406沿在突起540与枢销520之间延伸的轴线——该轴线是力的轴线654A——对齐。断开弹簧410在断路器500的断开状态下的拉力在离极轴508的旋转轴线的给定距离处施加，其中在断开状态下的该给定距离由矩臂660A表示。断开弹簧410沿力的轴线654A的这种拉力——其在与极轴508的旋转轴线相距通过矩臂660A表征的距离处施加——导致施加至极轴508的转矩664A。

当极轴508沿顺时针方向(从图9-11的视角)从断开状态朝断路器500的过渡位置(在图10中被示出)旋转时，枢销520的移动导致枢销520、突起540和第二部分406保持沿力的另一轴线654B彼此对齐。在过渡位置处，断开弹簧410的拉力以比矩臂660A相对短的矩臂660B施加至极轴508。亦即，在图9的断路器500的断开状态下，力的轴线654A与可以说在极轴508的旋转轴线与突起540上与断开弹簧410接触的位置之间延伸的部段672成第一力角度668A。这种部段672在断路器500在断开状态与闭合状态之间的任意给定位置处通常具有距离650，该距离650可被认为是不变的或可基于突起540上的断开弹簧410的静止端部412的位置容易地计算。由于力的角度668A和距离650两者是已知的或可知道的，所以可以计算矩臂660A的长度。当将矩臂660A的尺寸与断开弹簧410中在离极轴508的旋转轴线的该距离处施加的拉力结合时，可以计算转矩664A。同样，可以针对在过渡位置处的矩臂660B和力的角度668B计算转矩646B，得到的转矩664B具有比转矩664A小的大小。

然而，注意，当极轴508从图10的过渡位置朝图11的闭合状态旋转时，接合突耳424与凸缘518的接合导致第二部分404稍微枢转离开部段672。亦即，在图11的闭合状态下，断开弹簧410沿力的轴线654C施加拉力，力的轴线654C沿包含第二部分406和突起540但与枢销520间隔开的轴线延伸。力的轴线654C引起不同的力的角度668C和相对大于矩臂660B的得到的矩臂660C。由于矩臂660C相对大于矩臂660B，并且由于断开弹簧410在图11的闭合状态下施加比在图10的过渡位置大的拉力，所以在断路器500的闭合状态下施加至极轴508的得到的转矩664C相对大于在图10的过渡位置施加至极轴508的转矩664B。亦即，当接合突耳424在过渡位置处与极轴508的凸缘518接合时，并且在极轴508继续从过渡位置朝断路器500的闭合状态旋转的情况下，第二部分406和断开弹簧410的可移动端部414具有这样的运动，即，该运动不再是可自由移动，而是由于枢销520和接合突耳424与臂510和凸缘18的接合并由于由断开弹簧41施加至弹簧连杆402的拉力而受约束。

接合突耳424与极轴508的凸缘518的接合因而将第二部分406和可移动端部414约束成使得可以说，当极轴508在断路器的过渡位置和闭合状态之间移动时，它们的连结点在离极轴508的旋转轴线的固定距离处旋转。这种运动具有在利用矩臂660B和660C示出的值之间改变矩臂的效果。这引起断开弹簧410在图8和11大体示出的断路器500的闭合位置将残留转矩664C施加至极轴508。转矩664C有利地配置成使得它克服可以说存在于极轴508与断路器500的其它构件之间的静态和动态摩擦，由此转矩664C足以开始极轴508离开断路器500的闭合位置和朝向断路器500的断开状态的移动。

断路器500的闭合状态下的这种相对增大的转矩664C(与转矩664B相比)有利地最大限度地减少了由于摩擦而引起的任何停顿，该摩擦否则会妨碍断路器500远离闭合位置的快速移动。从接合突耳424与极轴508的凸缘528的接合导致的残留转矩664C另外导致可相对地确定的转矩664C的值；这克服或至少减轻了制成断路器500的构件内的尺寸公差的影响。亦即，如果断路器500构造成在其闭合位置处具有大致为零的转矩，则断路器500的构件的公差变化会引起轻微的转矩从图11的视角沿顺时针或逆时针方向施加至极轴508。尽管这种转矩仍将非常小，但其大小与零转矩相比会是明显的。然而，通过将断路器500构造成有利地在其闭合状态下具有转矩664C，该转矩664C是容易确定的(基于上文)，在断路器500的闭合状态下施加至极轴508的实际转矩的大小的任何轻微变化与转矩664C的大小相比将倾向于相对不明显。换句话说，可由公差变化引起的轻微转矩与零转矩相比可以是明显的，但与名义非零转矩水平相比相对不明显。因此，在断路器500的闭合状态下提供转矩664C提高了其功能的可靠性，这是理想的。

虽然已详细描述了本发明的特定实施例，但本领域的技术人员应理解，可借鉴公开内容的整体教导发展这些细节的各种改型和变型。因此，所公开的具体装置仅为说明性的而非限制本发明的范围，所述范围由所附权利要求及其任何和全部等同方案的全部涵盖内容给出。