專利名稱：電線圈組件、包括該組件的電線圈、包括上述線圈的操作機構以及包括上述操作機構的斷路器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電線圈組件、包括這種組件的電線圈、含有這種線圈的操作機構以及包括這種操作機構的斷路器。本操作機構優(yōu)選用于斷路器，尤其用于保護諸如包括鐵路機車在內的運輸網絡的DC裝置的斷路器。斷路器通常用于限制裝置中發(fā)生短路位置的電流。然而，它還可以具有許多其它工業(yè)應用。
混合式斷路器代表利用機械系統(tǒng)的非?？焖俚倪B續(xù)動作的斷路器和靜態(tài)斷路器。
目前，第一種類型的斷路器，即機電斷路器用于大多數(shù)饋電站和運輸系統(tǒng)中的鐵路機車。
然而，第一種類型的斷路器存在幾個不足之處，例如損耗高、噪聲高、反應時間較長、維護成本高等。
靜態(tài)斷路器已經成為在實驗室規(guī)模進行大量測試、研究以及實現(xiàn)的對象，但是由于正常運行期間的功耗高，所以它不能用于商業(yè)應用。
最后一種斷路器是混合式斷路器，它的名字是根據機電系統(tǒng)與電力電子學的合并獲得的。在正常工作條件下，電流通過損耗非常低的機械連接器。當被觸發(fā)時，機械連接器斷開并且電流流過所并聯(lián)的靜態(tài)斷路器。一旦機械連接器被完全斷開，靜態(tài)部分斷開通過電路的電流。由于機械系統(tǒng)的操作速度快和電流的轉接，所以可以限制通過機械接觸器產生的電弧。
可以有幾種不同的實現(xiàn)方法。一種已知的解決方案是，利用電容器放電過程產生的與短路電流方向相反的電流。這種斷路器已經成為大量測試和實現(xiàn)的對象。然而，因為其復雜性、價格以及可靠性低，妨礙了其商業(yè)應用。
本發(fā)明的另一個目的是提供利用這種線圈組件的極薄的小型電線圈，其優(yōu)點特別在于，在構成部分斷路器的所謂湯姆遜機構內作為驅動裝置。這種類型的線圈還有其它應用。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種極快速有效的混合式斷路器。
斷路器的優(yōu)選實施例的特征在于機電操作機構的新型設計和斷路器靜態(tài)部分的特別小型的對稱設計。
根據本發(fā)明的斷路器的重要優(yōu)點在于，功耗極低。操作時的噪聲級也非常低。機械接觸器操作機構的新型設計提高了操作機構的速度并使它非常小型化。其可靠性良好且壽命長。


圖1圖解示出了根據本發(fā)明的混合式斷路器；圖2圖解示出了斷路器的機電部分；圖3a和圖3b示出了位于構成斷路器機電部分驅動機構內的線圈的第一實施例一部分的平面型線圈組件的不同示意圖；圖3c示出了被設置在圖3a和圖3b所示的兩個連續(xù)線圈組件之間的隔離單元；圖4a至圖4d示出了位于構成斷路器機電部分驅動機構內的線圈的第二實施例一部分的兩個平面型線圈組件的不同示意圖；圖5示出了斷路器靜態(tài)部分各部件的機電布局；圖6示出了斷路器靜態(tài)部分各部件的另一種機電布局；圖7示出了通過分配能量有效降低MOV成本的MOV一電阻器組合圖8圖解示出了斷路器機電部分鎖扣機構；圖9a和圖9b示出了根據本發(fā)明的一個實施例的觸頭與驅動機構的側視圖。
本發(fā)明的詳細說明圖1以一般方式圖解示出了根據本發(fā)明的斷路器。正常情況下，主電路3上的常閉機械接觸器1通過電流。接觸器1包括固定觸頭單元4和活動觸頭單元5。通常被指定為編號2的靜態(tài)斷路器與接觸器1并聯(lián)。在斷路器被觸發(fā)的瞬時，通過機械接觸器的電流可以在任何一個方向流過。例如，如果主電路3發(fā)生短路，靜態(tài)部分是對稱的以便可以旁路或斷開電流。
斷路器的靜態(tài)部分2包括二極管電橋D1至D4，二極管電橋D1至D4使得斷路器對于主電路3上兩個方向上的電流均可以起作用。斷路器的有源部分至少包括一個IGCT(集成柵極整流可控硅)型可控硅。上述實施例使用兩個并聯(lián)在一起在它們之間分配電流的IGCTT1、T2。這種設計及其部件可以斷開6kA級的電流，而無需采取特定預防措施，如整流輔助電路、電流的靜態(tài)平衡、電流的動態(tài)平衡、元件匹配等。當然，不能將此電流值理解為任意方向上的極限值。通過適當選擇元件，當然，可以根據相同的原理設計高標稱電流值斷路器以及低標稱電流值斷路器。與兩個IGCT并聯(lián)的MOV(金屬氧化物變阻器)6用于限制當兩個IGCT截止時施加在設備上的電壓并消耗主電路3的感應能量。另一方面，為了降低MOV 6消耗的能量，與兩個IGCT并聯(lián)的MOV 6可以與包括與電阻器25串聯(lián)的第二MOV 6′的附加并聯(lián)支路組合。這種布置示于圖7。MOV 6′的耐壓值必須接近饋線電壓。
實際上，利用例如湯姆遜型的非?？焖俚牟僮鳈C構控制機械接觸器1。圖2示出了這種操作機構和接觸器1。這種操作機構利用在線圈7和圓盤8中在兩個相反方向循環(huán)的兩個電流之間的電動排斥力產生所需的物理運動。在正常導通情況下，利用磁鐵9固定接觸器1。操作機構還包括機械運動減震裝置(未示出)，將它優(yōu)先設置在磁鐵9下面。以下將對操作機構做進一步的說明。
在正常運行期間，機械接觸器1閉合，主電路3中的電流通過此接觸器，而且不產生過量熱效應。
當主電路3內的某個位置發(fā)生短路時，電流會顯著增加，甚至超過標稱電流，這樣當然會損壞電路中的元件和設備。為了將這種短路產生的影響降低到最小，所以希望盡快完全斷開此電流。
在電路中設置檢測裝置(未示出)檢測由于例如短路引起的電流增加。協(xié)作控制裝置(未示出)將信號傳送到機械斷路器的操作裝置。還將信號送到可控硅T1、T2的柵極以觸發(fā)可控硅T1、T2。如果在斷開的瞬間觸頭單元5對稱打開，即如果觸頭單元5同時產生兩個火花隙，在觸頭單元5的各個端部各出現(xiàn)一個火花隙，兩個火花出現(xiàn)在活動觸頭單元5與固定觸頭單元4之間。這些火花的電壓在2×20V級，此電壓可以相對快速地(為50微秒級)將電流轉接到斷路器的靜態(tài)部分2。電弧會將兩個火花隙內的空氣電離，這意味著，火花隙內空氣的介電特性被破壞。因此，在截止IGCT之前，必須等待空氣消除電離并被冷卻，否則存在高電壓(例如3kV)在觸頭單元之間產生新電弧的危險。
在另一種方法中，可以這樣移動觸頭單元5，即它非對稱斷開，即僅以在斷開的瞬間產生一個火花隙開始。因此僅在觸頭單元5的一個端部出現(xiàn)一個火花。在這種情況下，電流轉接慢(例如100微秒)。此方法的優(yōu)點在于，在觸頭單元5的端部，空氣不會電離，因為在轉接期間在這里不產生火花，并且整體介電特性非常好，這意味著，在IGCT被截止之前的延遲可以短許多。在觸頭單元4與觸頭單元5轉接的空氣體積消耗的能量非常低，因為電流快速降低了。觸頭單元的快速分離還有助于所述體積的空氣的交換，這有助于良好冷卻。此外，與利用機電斷路器比較，可以忽略觸頭單元產生的金屬蒸汽。
轉接速度主要依賴于靜態(tài)單元連接器的幾何形狀和施加在導通半導體上的電壓。
兩個IGCT T1、T2的并聯(lián)連接要求母線幾何非常好地對稱，這樣就可以產生對稱的雜散電感。二極管D1、D2、D3、D4以及IGCT T1、T2需要承受在元件上施加的機械壓力P1和P2的支架。如果二極管需要的壓力P1與IGCT需要的壓力P2不同，則可以將機械機構排列為圖5所示的那樣，具有兩個分立的元件柱。如果需要相同壓力P3，則采用圖6所示的具有一個元件柱的排列。在圖5和圖6所示的排列中，對于并聯(lián)的兩個IGCT來說，電流通路完全相同(因此雜散電感相同)。
當電流被完全轉接到半導體后，斷路器必須等待直到在開始靜態(tài)中斷前觸頭有效分離。機械觸頭單元之間的隔離距離必須足以確保不再產生電弧。
各IGCT的電流中斷幾乎是瞬時的。電流通過MOV 6并迅速降低。從檢測到短路電流到開始降低電流之間的時間約為350微秒，約為機電斷路器的15倍至20倍。通常，功率半導體可以在不到2微秒時間內中斷幾千安培的電流?？紤]到這一點，為了從此特性受益，顯然必須縮短活動觸頭的斷開時間。
為了縮短接觸器1的斷開時間，如上所述，采用電動推進系統(tǒng)?；旌鲜綌嗦菲鞯臋C械部分包括3個不同的單元，活動觸頭5、磁鎖扣機構9以及致動器7、8、10。在上述說明的例子中，提供電動推進的致動器是湯姆遜型的。
圖2和圖9圖解示出了這種致動器。在所示的本發(fā)明實施例中，為了減少運行過程中的位移重量，使活動觸頭5轉動。
圖9示出了轉動的活動觸頭的布置。將活動觸頭5安裝到繞著樞軸12轉動的臂11上。優(yōu)先利用彈簧13對臂進行彈性加載，使臂與鎖扣機構9的軸14的端部保持接觸。
為了疏散在觸頭單元4、觸頭單元5產生的熱量，重要的是慎重選擇固定觸頭單元4的重量。在圖8中更詳細示出了磁鎖扣機構9，它可以使斷路器閉合和斷開并在處于閉合位置的觸頭單元之間利用恒力以減小電阻。鎖扣機構包括具有活動鐵心的電磁鐵15和永久磁鐵16。通過從輔助DC電源流入線圈28電流可以將鎖扣機構閉合。這樣就在鐵磁路中產生磁通量。磁通量產生使鐵心17向著永久磁鐵16移動的力。磁通量還對永久磁鐵進行磁化，產生恒力將鐵心保持在閉合位置。
為了降低總重量，應將磁鎖扣機構的活動鐵心17設計得盡可能輕。軸18將得到的移動傳遞到活動觸頭5。
有兩種不同的方法可以將電觸頭4、5斷開。在緊急情況下，例如短路時，如下所述，可以利用諸如湯姆遜型的致動器將觸頭斷開。在這種情況下，致動器產生的力將鎖扣機構9釋放，盡管此機構仍被磁化。還可以通過對鎖扣機構進行消磁，從容地將觸頭4、5斷開。
在觸頭被致動器斷開后，圖2、圖9a、圖9b中所示的彈簧13將觸頭保持在斷開位置。如上所述，在這種情況下，鎖扣機構未被消磁并且例如在這種情況下發(fā)生機械振動會重新將觸頭閉合。在閉合位置，磁產生的力比彈簧產生的力大得多。
觸頭被斷開后，減震裝置(未示出)可以將活動觸頭減速。在此特定情況下，在鎖扣機構的下面使用具有良好減震特性的專用泡沫塑料，當然也可以單獨使用或組合使用其它類型的減震裝置，例如氣壓型或液壓型減震裝置。
湯姆遜型致動器包括線圈7，在線圈7內循環(huán)著非常強的脈沖電流(在本發(fā)明的一個實施例中，使用為15kA級的電流極限值)。例如，可以利用二極管一可控硅裝置控制的電解電容器電池產生此電流。銅或類似材料的圓盤8剛好設置在線圈下面。當對線圈供電時，利用電感，可以在圓盤內產生反向電流。在同一個實施例中，此感應電流的極限值可以達到80kA。由于存在這樣兩個電流，所以在線圈7與活動圓盤8之間產生強烈的排斥作用，這樣就可以移動圓盤以及由固定在圓盤8上的軸10致動的機械接觸器1的活動觸頭5。
在本發(fā)明的特定優(yōu)選實施例中，使用專用線圈。這種線圈包括許多重疊的平面型線圈組件19，它們可以利用例如印刷電路技術制造。將這些組件重疊以提供適當線圈特性。湯姆遜機構型致動線圈的這種設計類型的一個優(yōu)點在于，在垂直于圓盤8的平面的方向，可以將線圈7制造得非常薄，這意味著，通過線圈和圓盤的兩個方向相反的電流可以靠在一起，這樣可以顯著提高線圈7與圓盤8之間的排斥作用。這當然會降低機構的反應時間。
圖3a和圖3b示出了這種線圈組件的第一實施例。利用已知技術，在基底21的一側設置導電材料(例如銅)第一布圖20。在基底21的另一側設置第二布圖20′。圖3a示出了組件的一側，圖3b示出了組件的另一側。利用通過基底的電連接，基底各側上的導體與另一側上的導體相連。例如，這種電連接可以以通過通孔22的金屬化壁形式實現(xiàn)。例如，如果將孔23作為到組件的輸入端，則電流將通過導電材料20′流到通孔22，通孔22將電流引導到基底的另一側。電流然后流過另一側上的導體流到輸入端24?？梢詫⒃S多這種組件重疊并固定在一起以產生平面型的非常小型的線圈。在此實施例中，必須利用如圖3c所示的隔離單元將連續(xù)組件分離。孔23、24以及22三個均可以通過各孔的金屬化壁在基底的兩側間導通電流。
顯然，當將這種組件與隔離單元疊放在一起時，組件并聯(lián)電連接。將適當數(shù)目的組件疊放在一起可以提供要求的線圈特性。
與使用普通線圈情況比較，在高頻情況下應考慮的趨膚效應和脈沖模式產生的問題很少，這意味著根據本發(fā)明的線圈的導體部分得到了更有效利用。在特定實施例中，因為對線圈采用了平面設計，所以可以將所有的銅質部分劃分為約10個非常小的細片。在這種情況下，全部銅質部分可以攜帶電流。
圖4a至圖4d示出了構成可以用于斷路器的機電部分的驅動機構內的線圈的第二實施例的兩個平面型線圈組件的不同示意圖。圖4a和圖4b以及圖4c和圖4d分別示出了兩個線圈組件的相對兩側。如果將圖4a定義為第一種組件的上側，則圖4b就為第一種組件的下側。同樣，圖4d和圖4c分別為第二種組件的上側和下側。如圖所示，圖4b所示的第一種組件的的下側與圖4d所示的第二種組件的上側的布圖是互相成鏡面關系。圖4a所示的第一種組件的上側與圖4c所示的第二種組件的下側的布圖也互相成鏡面關系。這種布置的優(yōu)點在于，如果在將線圈疊放在一起時要變更組件的類型，不必在線圈組件之間存在任何隔離。線圈繞組不可能短路。因此，盡管線圈較薄，但是利用本發(fā)明的此第二實施例，線圈仍可以實現(xiàn)給定的特性。
在線圈組件的輸入端26和輸出端27的周圍區(qū)域內，分別設置多個較小的通孔26′和通孔27′。這些通孔的金屬化壁作為組件兩側間的導電部分。
權利要求
1.一種平面型電線圈組件，優(yōu)選在一般平板基底(21)上利用印刷電路技術制造，其特征在于，將導電材料的第一布圖設置在所述基底(21)的一側，上述第一布圖構成具有輸入端(23)的第一電導體；將導電材料的第二布圖(20′)設置在所述基底的另一側，上述第二布圖構成具有輸出端(24)的第二電導體；利用穿過基底(21)的電連接(22)將所述第一導體與所述第二導體連接在一起，使得線圈組件的輸入端與輸出端之間的電壓驅動電流從一端通過在基底一側上的導體并經過穿過基底的連接(22)和在基底另一側上的導體到達另一端。
2.一對根據權利要求1所述的線圈組件，該對線圈組件定義了第一組件和第二組件，其特征在于，在第一組件的一側上設置導電材料的布圖，該導電材料的布圖是第二組件的一側上的導電材料的布圖的鏡像形式，在第一組件的另一側上設置導電材料的布圖，該導電材料的布圖是第二組件的另一側上的導電材料布圖的鏡像形式。
3.根據權利要求1或2所述的至少包括兩個線圈組件的電線圈，其特征在于，所述組件被重疊并固定在一起以形成平面型線圈，在平面型線圈中，各線圈組件并聯(lián)電連接。
4.根據權利要求3所述的電線圈，其特征在于，利用隔離單元將所述組件分離。
5.根據權利要求2和3所述的電線圈，其特征在于，該電線圈至少包括根據權利要求2所述的一對組件，將所述組件重疊在一起而無需中間隔離單元。
6.一種湯姆遜型操作機構，該操作機構包括勵磁線圈(7)、協(xié)作圓盤(8)以及傳遞圓盤(8)的移動的軸(10)，其特征在于，所述線圈是權利要求3至5所述的任何一種類型的線圈。
7.一種機電斷路器，該斷路器包括湯姆遜型操作機構、一對固定觸頭單元(4)和活動觸頭單元(5)，其特征在于，所述操作機構的類型是權利要求6中所限定的。
8.根據權利要求7所述的機電斷路器，其特征在于，在轉動臂(11)上設置所述活動觸頭單元(5)。
9.一種混合式斷路器，該斷路器包括根據權利要求7或權利要求8所述的機電斷路器和并聯(lián)的靜態(tài)斷路器，其特征在于，所述靜態(tài)斷路器包括并聯(lián)在機電斷路器的機械觸頭(4、5)的兩端的二極管電橋(D1至D4)，電橋的對角線上至少包括一個與MOV(6)并聯(lián)的IGCT型可控硅(TI、T2)。
10.根據權利要求9所述的混合式斷路器，其特征在于，與電阻器(25)串聯(lián)的第二MOV(6′)與所述MOV(6)并聯(lián)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種平面型電線圈組件,優(yōu)選在一般平板基底(21)上利用印刷電路技術制造,該電線圈組件具有設置在所述基底(21)的一側、構成具有輸入端(23)的第一電導體的導電材料的第一布圖(20)。將構成具有輸出端(24)的第二電導體的導電材料的第二布圖(20′)設置在所述基底的另一側。利用通過基底(21)的電連接器(22)將第一導體與第二導體連接在一起,使得線圈組件的輸入端與輸出端之間的電壓驅動電流從一端通過在基底一側上的導體并經過穿過基底的連接(22)和在基底另一側上的導體到達另一端。本發(fā)明還描述了一種包括這種組件的電線圈以及包括這種線圈的操作機構和包括這種操作機構的電動斷路器。
文檔編號H01F7/06GK1343366SQ00804808
公開日2002年4月3日 申請日期2000年3月8日 優(yōu)先權日1999年3月8日
發(fā)明者讓－馬克·梅耶, 亨利·迪福爾, 瑟奇·馬丁 申請人:塞克瑞股份有限公司, 電子工業(yè)實驗室