Автоматический выключатель
AUTOMATIC CIRCUIT BREAKER

Область техники
[0001] Настоящее изобретение в целом имеет отношение к области электрических выключателей и, более конкретно, к автоматическому выключателю.
Предпосылки к созданию изобретения
[0002] Автоматический выключатель, как элемент зашиты системы передачи и распределения энергии, может своевременно отключить питание цепи при возникновении в этой цепи тока повреждения, чтобы защитить целостность цепи и соответствующих электрических нагрузок. Как правило, автоматический выключатель выполняет функцию защиты от перегрузки, функцию защиты от короткого замыкания и функцию защиты от остаточного тока. Поскольку системы передачи и распределения энергии быстро развиваются, имеется потребность в автоматическом выключателе, который обеспечивает более высокую надежность размыкания и имеет меньшие габаритные размеры.
[0003] Автоматический выключатель широко распространенной в настоящее время конструкции содержит по меньшей мере один механизм контактирования, который выполнен с возможностью замыкания или размыкания, механизм замыкания и размыкания, блок отключения, дугогасительный механизм и основную пружину, которая работает совместно с механизмом замыкания и размыкания и блоком отключения. Механизм замыкания и размыкания состоит из исполнительного механизма и рычажного механизма, при этом основная пружина автоматического выключателя может воздействовать на рычажный механизм во время работы исполнительного механизма, так что механизм контактирования может быть замкнут или разомкнут вручную или блоком отключения, если в цепи возникает неисправность.
[0004] На практике, чтобы обеспечить эффективность размыкания автоматического выключателя, обычно увеличивают габаритные размеры автоматического выключателя или длину подвижного контакта механизма контактирования с тем, чтобы сохранить большой промежуток между подвижным контактом и неподвижным контактом механизма контактирования или увеличить пространство для установки дугогасительного механизма. Однако безусловная необходимость увеличения габаритных размеров автоматического выключателя для повышения эффективности размыкания автоматического выключателя, предусматриваемая описанными выше решениями, может, с одной стороны, снизить надежность замыкания автоматического выключателя, и с другой стороны - снизить спрос на такой автоматический выключатель на рынке.
[0005] Таким образом, существует необходимость в создании нового автоматического выключателя.
Сущность изобретения
[0006] С учетом одной или нескольких из описанных выше проблем, в одном из аспектов этого изобретения предложен автоматический выключатель, содержащий подвижный контакт, неподвижный контакт, вращающийся вал и исполнительный механизм, при этом: подвижный контакт выполнен с возможностью вращения вокруг оси вращения вращающегося вала относительно неподвижного контакта, и цепь замыкается или размыкается в результате соединения или разъединения подвижного контакта и неподвижного контакта; исполнительный механизм содержит верхний рычаг, нижний рычаг и рукоятку, причем верхний рычаг выполнен с обеспечением возможности вращения вокруг конца верхнего рычага под действием рукоятки, другой конец верхнего рычага с возможностью вращения соединен с концом нижнего рычага валом шарнира рычага, и другой конец нижнего рычага шарнирно соединен с вращающимся валом, так что упомянутый верхний рычаг и упомянутый нижний рычаг пригодны для приведения во вращение вращающегося вала для приведения во вращение подвижного контакта; при этом соотношение между рабочей длиной верхнего рычага и рабочей длиной нижнего рычага, а также соотношение между рабочей длиной верхнего рычага и расстоянием от точки шарнирного сочленения нижнего рычага и вращающегося вала до оси вращения вращающегося вала, заранее определены так, что подвижный контакт поворачивается на угол более чем 30° при разъединении подвижного контакта и неподвижного контакта.
[0007] В одном из аспектов настоящего изобретения соотношение между рабочей длиной верхнего рычага и рабочей длиной нижнего рычага составляет более чем 0,78, и соотношение между рабочей длиной верхнего рычага и расстоянием от точки шарнирного сочленения нижнего рычага и вращающегося вала до оси вращения вращающегося вала составляет более чем 1,28.
[0008] В одном из аспектов настоящего изобретения соотношение между рабочей длиной верхнего рычага и рабочей длиной нижнего рычага составляет 0,95, и соотношение между рабочей длиной верхнего рычага и расстоянием от точки шарнирного сочленения нижнего рычага и вращающегося вала до оси вращения вращающегося вала составляет 1,57.
[0009] В одном из аспектов настоящего изобретения автоматический выключатель дополнительно содержит ограничительный элемент, с возможностью вращения установленный в автоматическом выключателе, при этом конец верхнего рычага шарнирно соединен с ограничительным элементом, и на ограничительном элементе установлена ограничительная направляющая, которая ограничивает диапазон перемещения вала шарнира рычага ограничительной поверхностью и тем самым ограничивает диапазон перемещения верхнего рычага.
[0010] В одном из аспектов настоящего изобретения автоматический выключатель дополнительно содержит вал шарнира ограничительного элемента, предназначенный для крепления ограничительного элемента, при этом вал шарнира ограничительного элемента выполнен так, чтобы прекращать вращение верхнего рычага при соединении подвижного контакта и неподвижного контакта.
[0011] В одном из аспектов настоящего изобретения автоматический выключатель дополнительно содержит элемент предотвращения обратного перемещения дуги, установленный на подвижном контакте, при этом элемент предотвращения обратного перемещения дуги выполнен с возможностью вращения вместе с подвижным контактом и предназначен для предотвращения перемещения электрической дуги, возникающей при разъединении подвижного контакта и неподвижного контакта, по направлению к исполнительному механизму.
[0012] В одном из аспектов настоящего изобретения элемент предотвращения обратного перемещения дуги представляет собой дугообразную пластину, имеющую вогнутую поверхность и выпуклую поверхность, которые противоположны одна другой.
[0013] В одном из аспектов настоящего изобретения автоматический выключатель дополнительно содержит направляющий элемент, соприкасающийся с поверхностью элемента предотвращения обратного перемещения дуги так, чтобы направлять движение элемента предотвращения обратного перемещения дуги.
[0014] В одном из аспектов этого изобретения упомянутый направляющий элемент установлен на вращающемся вале и имеет выпуклую направляющую поверхность, при этом упомянутая вогнутая поверхность скользит по существу по упомянутой выпуклой направляющей поверхности, когда элемент предотвращения обратного перемещения дуги вращается вместе с подвижным контактом.
[0015] В одном из аспектов настоящего изобретения направляющий элемент имеет вогнутую направляющую поверхность, при этом упомянутая выпуклая поверхность скользит по существу по упомянутой вогнутой направляющей поверхности, когда элемент предотвращения обратного перемещения дуги вращается вместе с подвижным контактом.
[0016] В автоматическом выключателе, выполненном в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, изменение соотношений между рабочими длинами соответствующих рычагов рычажного механизма в исполнительном механизме для соединения и разъединения подвижного контакта и неподвижного контакта позволяет увеличить угол поворота подвижного контакта и тем самым увеличить расстояние размыкания между подвижным контактом и неподвижным контактом, когда они разомкнуты, что обеспечивает существенное повышение эффективности и надежности размыкания автоматического выключателя при минимизации его размеров.
Краткое описание фигур
[0017] Это изобретение может быть лучше понято из приведенного ниже описания вариантов его осуществления, иллюстрированного сопроводительными фигурами.
[0018] Другие особенности, цели и преимущества настоящего изобретения станут понятными из подробного описания вариантов его осуществления, которые не ограничивают объем этого изобретения, иллюстрированного сопроводительными фигурами, на которых одинаковыми или подобными позициями обозначены одинаковые или подобные элементы.
[0019] Фиг. 1 представляет собой упрощенное изображение в разрезе автоматического выключателя, выполненного в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, в замкнутом состоянии.
[0020] Фиг. 2 представляет собой упрощенное изображение подвижного контакта в автоматическом выключателе, показанном на Фиг. 1.
[0021] Фиг. 3А представляет собой упрощенное изображение элемента предотвращения обратного перемещения дуги, показанного в направлении к вату в автоматическом выключателе, показанном на Фиг. 1, и Фиг. 3В представляет собой упрощенное изображение элемента предотвращения обратного перемещения дуги, показанного в направлении от вала в автоматическом выключателе, показанном на Фиг. 1.
[0022] Фиг. 4 представляет собой упрощенное изображение вращающегося вала в автоматическом выключателе, показанном на Фиг. 1.
[0023] Фиг. 5 представляет собой упрощенное изображение удерживающего элемента в автоматическом выключателе, показанном на Фиг. 1.
[0024] Фиг. 6 представляет собой упрощенное изображение исполнительного механизма в автоматическом выключателе, показанном на Фиг. 1, в замкнутом состоянии.
[0025] Фиг. 7 представляет собой упрошенное изображение ограничительного элемента в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
[0026] Фиг. 8 представляет собой упрощенное изображение в разрезе автоматического выключателя, выполненного в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, в разомкнутом состоянии.
[0027] Фиг. 9 представляет собой упрощенное изображение исполнительного механизма в автоматическом выключателе, показанном на Фиг. 1, в разомкнутом состоянии.
[0028] Фиг. 10 представляет собой эпюру напряженных состояний рычажного механизма в автоматическом выключателе, показанном на Фиг. 1.
[0029] Фиг. 11А представляет собой упрощенную схему рычажного механизма, в котором соотношения рабочих длин соответствующих рычагов установлены в соответствии с выбранными параметрами, и Фиг. 11В представляет собой упрощенную схему рычажного механизма, в котором соотношения рабочих длин соответствующих рычагов установлены в соответствии с известным уровнем техники.
Подробное описание изобретения
[0030] Ниже описаны приведенные для примера варианты осуществления и особенности различных аспектов настоящего изобретения. Для того, чтобы обеспечить полное понимание настоящего изобретения, в приведенном ниже подробном описании раскрыто множество конкретных подробностей. Однако специалистам в этой области понятно, что настоящее изобретение может быть осуществлено на практике без некоторых из упомянутых конкретных подробностей. Приведенное ниже описание вариантов осуществления настоящего изобретения предназначено для обеспечения лучшего понимания сущности иллюстративных примеров осуществления этого изобретения. В приведенном ниже описании и на сопроводительных фигурах общеизвестные устройства и способы не рассмотрены во избежание чрезмерного усложнения описания настоящего изобретения. Кроме того, для ясности некоторые участки и виды в разрезе показаны в увеличенном масштабе. На сопроводительных фигурах одинаковыми позициями обозначены подобные или одинаковые конструктивные элементы, поэтому подробное описание таких элементов опущено. Кроме того, описанные особенности, конструктивные элементы или характеристики могут быть включены в один или несколько вариантов осуществления настоящего изобретения, для которого(-ых) они являются приемлемыми. Употребляемые в приведенном ниже описании термины, имеющие отношение к ориентации, обозначают направление, показанное на сопроводительных фигурах, и не используются в ограничительном смысле относительно конкретного исполнения автоматического выключателя по настоящему изобретению.
[0031] Фиг. 1 представляет собой упрощенное изображение в разрезе автоматического выключателя 100, выполненного в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, в замкнутом состоянии. Автоматический выключатель 100 содержит подвижный контакт 21, неподвижный контакт 22, исполнительный механизм 30, размыкающий блок и дугогасительный механизм. Подвижный контакт 21 и неподвижный контакт 22 электрически соединены с выводом источника питания и выводом нагрузки, соответственно, для образования основной цепи автоматического выключателя 100. Размыкающий блок соединен с основной цепью автоматического выключателя 100, и он может защищать соответствующие компоненты и нагрузки в цепи, своевременно разъединяя подвижный контакт 21 и неподвижный контакт 22 путем их размыкания при возникновении в цепи тока повреждения. Исполнительный механизм 30 при необходимости может быть приведен в действие для разъединения подвижного контакта 21 и неподвижного контакта 22 с тем, чтобы отключить ток в основной цепи автоматического выключателя 100 и, таким образом, защитить зависимые электрические устройства и нагрузки.
[0032] В частности, автоматический выключатель 100 содержит корпус 11, который используется как внешний защитный элемент, изготовленный из изоляционных материалов. Корпус 11 содержит основание 11а и корпус 11b крышки, и эти основание 11а и корпус 11b крышки вместе образуют полезный объем, в котором размещены соответствующие компоненты автоматического выключателя 100.
[0033] Первый вывод 12 и второй вывод 13, которые согласовываются с выводом источника питания и выводом нагрузки, соответственно, установлены внутри корпуса 11. Первый вывод 12 и второй вывод 13 соответственно установлены на двух противоположных один другому краях корпуса 11, так что они беспрепятственно могут быть соединены с внешними проводниками. Кроме того, в другом варианте осуществления настоящего изобретения первый вывод 12 и второй вывод 13 могут не быть установлены на двух противоположных один другому краях корпуса 11. Например, первый вывод 12 и второй вывод 13 могут быть установлены на одном и том же краю или на других частях корпуса, если такой вариант их расположения обеспечивает возможность электрического соединения автоматического выключателя с внешними источниками питания и нагрузками.
[0034] Один конец неподвижного контакта 22 обращен к подвижному контакту 21 и снабжен неподвижной контакт-деталью 221, а другой конец неподвижного контакта 22 простирается по направлению к первому выводу 12 и электрически соединен с первым выводом 12. Один конец подвижного контакта 21 с возможностью вращения удерживается вращающимся валом 34 внутри корпуса 11, а другой конец подвижного контакта 21 снабжен подвижной контакт-деталью 211. Подвижный контакт 21 электрически соединен со вторым выводом 13, так что между первым выводом 12 и вторым выводом 13 образуется основная цепь автоматического выключателя 100. Подвижная контакт-деталь 211 и неподвижная контакт-деталь 221 работают вместе как замыкаемые и размыкаемые контакт-детали для управления подключением или отключением основной цепи. В частности, один конец неподвижного контакта 22 электрически соединен с первым выводом 12, и внешняя поверхность, образованная изогнутым элементом на другом конце неподвижного контакта 22, снабжена неподвижной контакт-деталью 221, так что неподвижная контакт-деталь 221 электрически соединена с первым выводом 12. Фиг. 2 представляет собой упрощенное изображение подвижного контакта 21 в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения. Тот конец подвижного контакта 21, который подлежит соединению с неподвижным контактом 22, представляет собой контактный конец 215, а другой конец подвижного контакта 21, который находится на определенном расстоянии от контактного конца 215 и соединен с вращающимся валом 34, представляет собой неподвижный конец 216. Дугоизоляционный элемент 23 установлен вблизи контактного конца 215 и с трех сторон охватывает подвижный контакт 21, предотвращая перемещение электрической дуги, возникающей при разъединении подвижного контакта 21 и неподвижного контакта 22, по направлению к подвижному контакту 21 от неподвижной контакт-детали 221, тем самым предотвращая повреждение подвижного контакта 21 электрической дугой, при этом повреждение подвижного контакта 21 может привести к сокращению срока службы подвижного контакта и уменьшению контактного давления между подвижной контакт-деталью и неподвижной контакт-деталью.
[0035] В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, на сопроводительных фигурах изображен приведенный в качестве примера однополюсный автоматический выключатель. Автоматический выключатель также может представлять собой многополюсный автоматический выключатель, в котором определенные механизмы контактирования, соответствующие различным ветвям цепи, установлены параллельно на общем основании. Например, автоматический выключатель может представлять собой трехполюсный автоматический выключатель, и для цепи с тремя ветвями требуются три механизма контактирования, три пары выводов и т.д., причем соответствующие механизмы контактирования могут быть одинаковыми. В многополюсном автоматическом выключателе вращающийся вал может быть установлен перпендикулярно соответствующим механизмам контактирования, с тем чтобы вращающийся вал приводил во вращение соответствующие механизмы контактирования. Таким образом, исполнительный механизм может быть соединен с подвижным контактом и неподвижным контактом в промежуточном положении так, чтобы приводить во вращение упомянутый вращающийся вал.
[0036] В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения элемент 70 предотвращения обратного перемещения дуги установлен на подвижном контакте 21 и предназначен для предотвращения перемещения электрической дуги, возникающей при разъединении подвижного контакта 21 и неподвижного контакта 22, по направлению к исполнительному механизму 30 (т.е. он предотвращает перемещение электрической дуги по направлению к вращающемуся валу 34 и рычажному механизму). Фиг. 3А представляет собой упрощенное изображение элемента 70 предотвращения обратного перемещения дуги, показанного в направлении к валу в автоматическом выключателе 100, выполненном в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, и Фиг. 3В представляет собой упрощенное изображение элемента 70 предотвращения обратного перемещения дуги, показанного в направлении от вала. В частности, элемент 70 предотвращения обратного перемещения дуги представляет собой дугообразную пластину, имеющую вогнутую поверхность 73а и выпуклую поверхность 73b, при этом отверстие 71, через которое проходит подвижный контакт 21, расположено на продольной оси элемента 70 предотвращения обратного перемещения дуги вблизи его суженного края, и элемент 70 предотвращения обратного перемещения дуги установлен на подвижном контакте 21 вдоль его продольного направления через отверстие 71, так что элемент 70 предотвращения обратного перемещения дуги имеет возможность вращения вместе с подвижным контактом 21. Участок ниже отверстия 71 элемента 70 предотвращения обратного перемещения дуги может препятствовать перемещению электрической дуги по направлению к исполнительному механизму 30. Чтобы избежать значительных колебаний элемента 70 предотвращения обратного перемещения дуги, когда он вращается вместе с подвижным контактом 21, отверстие 71 выполнено в точном соответствии с формой подвижного контакта 21. Элемент 70 предотвращения обратного перемещения дуги после установки расположен у ближнего к неподвижному концу 216 края дугоизоляционного элемента 23, при этом верхняя кромка отверстия 71 опирается на верхнюю поверхность 214 подвижного контакта 21, и дугоизоляционный элемент 23 может функционировать как ограничительный элемент, предотвращающий отделение элемента 70 предотвращения обратного перемещения дуги от подвижного контакта 21 с контактного конца 215 вдоль продольного направления подвижного контакта 21, так что подвижный контакт 21 может зафиксировать элемент 70 предотвращения обратного перемещения дуги без какого-либо дополнительного ограничительного устройства.
[0037] Чтобы избежать значительных колебаний элемента 70 предотвращения обратного перемещения дуги, когда он вращается вместе с подвижным контактом 21, предусмотрены направляющие элементы, соответствующие вогнутой поверхности 73а и выпуклой поверхности 73b элемента 70 предотвращения обратного перемещения дуги, которые направляют движение элемента 70 предотвращения обратного перемещения дуги по траектории дуги. Эти направляющие элементы установлены с обеих сторон от элемента 70 предотвращения обратного перемещения дуги вдоль продольного направления подвижного контакта 21, и они соприкасаются с соответствующими поверхностями элемента 70 предотвращения обратного перемещения дуги в двух направлениях, тем самым направляя движение элемента 70 предотвращения обратного перемещения дуги. В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения направляющий элемент выполнен с выпуклой направляющей поверхностью 352, соответствующей вогнутой поверхности 73а, при этом упомянутая выпуклая направляющая поверхность направляет движение элемента 70 предотвращения обратного перемещения дуги со стороны вогнутой поверхности 73а. В частности, вращающийся вал 34, предназначенный для приведения во вращение подвижного контакта 21, расположен ниже исполнительного механизма 30, и вращающийся вал 34 выполнен так, чтобы его ось вращения являлась первой неподвижной точкой "О" опоры рычага для приведения во вращение подвижного контакта 21. Фиг. 4 представляет собой упрощенное изображение вращающегося вала 34 в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения. В примере, показанном на Фиг. 4, вращающийся вал 34 может приводить во вращение подвижные контакты 21 многополюсного автоматического выключателя, и вращающийся вал 34 снабжен вспомогательным направляющим элементом 35, соответствующим подвижному контакту 21 на каждом полюсе. Вспомогательный направляющий элемент 35 представляет собой веерообразные выступы, расположенные на вращающемся вале 34, и они могут быть выполнены как единое целое с вращающимся валом 34 или могут представлять собой деталь, выполненную отдельно от вращающегося вала 34. Выпуклая направляющая поверхность 352 образована двумя кромками, которые расположены на дальнем от вращающегося вала 34 конце веерообразных выступов вспомогательного направляющего элемента 35, и между веерообразными выступами образован удерживающий паз 351, вмещающий подвижный контакт 21. Неподвижный конец 216 подвижного контакта 21 находится в упругом соединении с вращающимся валом 34, которое образовано с помощью крепежных отверстий 212 и 213 и контактной пружины, так что подвижный контакт 21 имеет возможность упругого перемещения в направлении, противоположном направлению перемещения для образования контакта между подвижным контактом 21 и неподвижным контактом 22, и асинхронного с вращающимся валом 34, когда подвижный контакт 21 и неподвижный контакт 22 полностью сомкнуты, или упругого перемещения по направлению к положению размыкания и асинхронного с вращающимся валом 34, когда в цепи возникает большой ток короткого замыкания. При этом длина выпуклой направляющей поверхности 352 должна быть установлена так, чтобы соответствовать длине дуги вогнутой поверхности 73а элемента 70 предотвращения обратного перемещения дуги, так что вогнутая поверхность 73а скользит по существу по выпуклой направляющей поверхности 352, когда элемент 70 предотвращения обратного перемещения дуги вращается вместе с подвижным контактом 21. Таким образом, элемент 70 предотвращения обратного перемещения дуги не будет колебаться при вращении, и давление на подвижный контакт 21 не будет зависеть от колебаний элемента 70 предотвращения обратного перемещения дуги. Таким образом, элемент 70 предотвращения обратного перемещения дуги закреплен более устойчиво, и соответствующие компоненты, такие как вращающийся вал и рычажный механизм, могут быть эффективно защищены от электрической дуги.
[0038] В описанных выше вариантах осуществления этого изобретения вспомогательный направляющий элемент 35 выполнен в виде веерообразных выступов, при этом он имеет удерживающий паз 351 для вмещения подвижного контакта 21 и образует направляющую скольжения для элемента 70 предотвращения обратного перемещения дуги, которая направляет движение элемента 70 предотвращения обратного перемещения дуги при помощи поверхностей выступов на вращающемся вале 34. Однако объем этого изобретения не ограничен описанными выше вариантами его осуществления. В другом варианте осуществления этого изобретения вспомогательный направляющий элемент также может быть выполнен в виде полукруглых или прямоугольных выступов, снабженных двумя направляющими скольжения, на вращающемся вале 34, или в виде выступов другой формы с направляющими поверхностями, и такой вспомогательный направляющий элемент также может вмещать подвижный контакт 21 и направлять движение элемента 70 предотвращения обратного перемещения дуги.
[0039] В соответствии с одним из вариантов осуществления этого изобретения направляющий элемент также направляет движение элемента 70 предотвращения обратного перемещения дуги на стороне выпуклой поверхности 73b при помощи вогнутой направляющей поверхности 82. Фиг. 5 представляет собой упрощенное изображение удерживающего элемента 80 в автоматическом выключателе 100 в соответствии с одним из вариантов осуществления этого изобретения. В частности, удерживающий элемент 80 выполнен в виде пластин, изготовленных из изоляционных материалов, и расположен вблизи контактного конца 215 подвижного контакта 21 внутри корпуса 11. В удерживающем элементе 80 выполнен удлиненный паз 81, ширина которого соответствует ширине подвижного контакта 21, этот удлиненный паз делает верхнюю часть удерживающего элемента 80 соединительным элементом, а нижнюю часть удерживающего элемента 80 - отделенным элементом. Контактный конец 215 подвижного контакта 21 вставлен в паз 81 и всегда удерживается внутри паза 81, когда подвижный контакт 21 вращается вокруг первой неподвижной точки "О" опоры. Две опорные пластины, выступающие из поверхности удерживающего элемента 80, установлены напротив вращающегося вала 34, и удлиненные края упомянутых двух опорных пластин образуют вогнутые направляющие поверхности 82, соответствующие выпуклой поверхности 73b. Когда подвижный контакт 21 и удерживающий элемент 80 установлены вместе, выпуклая поверхность 73b элемента 70 предотвращения обратного перемещения дуги по существу соответствует вогнутой направляющей поверхности 82, так что выпуклая поверхность 73b скользит по существу по вогнутой направляющей поверхности 82, когда элемент 70 предотвращения обратного перемещения дуги вращается вместе с подвижным контактом 21. Таким образом, элемент 70 предотвращения обратного перемещения дуги не будет колебаться при вращении, и давление на подвижный контакт 21 не будет зависеть от колебаний элемента 70 предотвращения обратного перемещения дуги. Таким образом, направляющая скольжения, образованная упомянутой выпуклой направляющей поверхностью и упомянутой вогнутой направляющей поверхностью, ограничивает и направляет движение элемента 70 предотвращения обратного перемещения дуги, когда он вращается вместе с подвижным контактом 21, поэтому элемент 70 предотвращения обратного перемещения дуги закреплен более устойчиво, и соответствующие компоненты, такие как вращающийся вал и рычажный механизм, могут быть эффективно защищены от электрической дуги.
[0040] В описанных выше вариантах осуществления этого изобретения элемент 70 предотвращения обратного перемещения дуги представляет собой дугообразную пластину, предназначенную для предотвращения перемещения электрической дуги, возникающей при разъединении подвижного контакта и неподвижного контакта, по направлению к исполнительному механизму. Однако конструкция элемента предотвращения обратного перемещения дуги не ограничена описанным выше вариантом исполнения. В другом варианте осуществления этого изобретения в соответствии с фактически имеющимся пространством для установки или конкретными требованиями компоновки элемент предотвращения обратного перемещения дуги также может быть выполнен в виде элемента плоской пластинчатой формы или элемента другой пластинчатой или блочной формы, который также может предотвращать перемещение электрической дуги, возникающей при разъединении подвижного контакта и неподвижного контакта, по направлению к исполнительному механизму.
[0041] Фиг. 6 представляет собой упрощенное изображение исполнительного механизма 30 в автоматическом выключателе 100, выполненном в соответствии с одним из вариантов осуществления этого изобретения, в замкнутом состоянии. Исполнительный механизм 30 содержит рукоятку 311, рычаг 38, ограничительный элемент 37, рычажный механизм и основную пружину (не показана). В частности, рычаг 38 может быть с возможностью поворачивания установлен внутри корпуса 11 и соединен с рукояткой 311 с возможностью отсоединения; ограничительный элемент 37 может быть закреплен внутри корпуса 11 с возможностью поворачивания и шарнирно соединен с верхним рычагом 32; рукоятка 311 выступает за пределы верхней поверхности корпуса 11b крышки, чтобы обеспечить возможность принудительного поворачивания рычага 38 под действием внешней силы.
[0042] В соответствии с одним из вариантов осуществления этого изобретения предусмотрены два рычажных механизма, которые симметрично соединены с ограничительным элементом 37. В частности, каждый рычажный механизм содержит верхний рычаг 32 и нижний рычаг 33, которые взаимодействуют между собой, при этом один конец верхнего рычага 32 опирается на вторую неподвижную точку "С" опоры с возможностью вращения, а другой конец верхнего рычага 32 с возможностью вращения шарнирно соединен с нижним рычагом 33 валом 36 шарнира рычага, центр которого является подвижной точкой "В" опоры.
[0043] Фиг. 7 представляет собой упрощенное изображение ограничительного элемента 37 в соответствии с одним из вариантов осуществления этого изобретения. В соответствии с одним из вариантов осуществления этого изобретения в ограничительном элементе 37 предусмотрена ограничительная направляющая, и эта ограничительная направляющая ограничивает осевое перемещение вала 36 шарнира рычага и диапазон перемещения вала 36 шарнира рычага под действием упомянутой основной пружины, тем самым ограничивая диапазон перемещения верхнего рычага 32. В частности, ограничительный элемент 37 имеет две соединительные боковые стенки, которые симметричны одна относительно другой; на этих соединительных боковых стенках установлены две ограничительные направляющие, соответствующие двум рычажным механизмам, расположенным с обеих сторон от ограничительного элемента 37. Как показано на Фиг. 7, боковая ограничительная поверхность 371 используется для ограничения осевого перемещения вала 36 шарнира рычага с тем, чтобы избежать осевых колебаний вала 36 шарнира рычага; передняя ограничительная поверхность 372 используется для ограничения перемещения верхнего рычага 32 с тем, чтобы останавливать верхний рычаг в положении размыкания; задняя ограничительная поверхность 373 используется для ограничения перемещения верхнего рычага 32 с тем, чтобы останавливать верхний рычаг в положении замыкания; таким способом может быть реализовано точное позиционирование положений размыкания и замыкания рычажного механизма. В соответствии с одним из вариантов осуществления этого изобретения ограничительный элемент 37 размещен внутри корпуса 11 с возможностью вращения валом 39 шарнира ограничительного элемента, который также выполняет ограничительную функцию для верхнего рычага 32, имеющего соответствующий вырез, с тем, чтобы останавливать верхний рычаг 32 в положении замыкания вместо задней ограничительной поверхности 373. Нижний рычаг 33 шарнирно соединен с вращающимся валом 34 штифтом, проходящим через соединительное отверстие 353 вспомогательного направляющего элемента 35 (как показано на Фиг. 4), так что вращающийся вал 34 может приводить во вращение подвижный контакт 21. Приводной конец основной пружины (не показана) прикреплен к соответствующему пружинному креплению на рычаге, и ведомый конец основной пружины соединен с валом 36 шарнира рычага. Основная пружина прикладывает тянущую силу к валу 36 шарнира рычага, так что рычажный механизм имеет возможность приведения в движение вращающегося вала 34 для приведения во вращение подвижного контакта 21.
[0044] Принципы работы исполнительного механизма 30 описаны ниже со ссылкой на Фиг. 1, Фиг. 6 и Фиг. 8-10. Фиг. 8 представляет собой упрошенное изображение в разрезе автоматического выключателя 100, выполненного в соответствии с одним из вариантов осуществления этого изобретения, в разомкнутом состоянии. Фиг. 9 представляет собой упрощенное изображение исполнительного механизма 30 в автоматическом выключателе 100, выполненном в соответствии с одним из вариантов осуществления этого изобретения, в разомкнутом состоянии. Фиг. 10 представляет собой эпюру напряженных состояний рычажного механизма в соответствии с одним из вариантов осуществления этого изобретения.
[0045] Для того, чтобы ясно описать действия исполнительного механизма 30, управляющего подвижным контактом 21 и неподвижным контактом 22 для их соединения и разъединения, действия исполнительного механизма 30 могут быть упрощенно представлены как напряженные состояния рычажного механизма, показанные на Фиг. 10. На Фиг. 10 точка "G" соответствует точке крепления приводного конца основной пружины, точка "С" соответствует второй неподвижной точке опоры верхнего рычага 32, точка "В" соответствует точке шарнирного сочленения вала 36 шарнира рычага между верхним рычагом 32 и нижним рычагом 33, точка "А" соответствует точке шарнирного сочленения между нижним рычагом 33 и вращающимся валом 34 (т.е. положению шарнира вращающегося вала 34), и точка "О" соответствует центральной оси вращения вращающегося вала 34, а также является первой неподвижной точкой опоры. Положения первой неподвижной точки "О" опоры и второй неподвижной точки "С" опоры являются фиксированными, поэтому четырехрычажный подвижный механизм состоит из рычагов СВ, ВА, OA и СО, при этом рабочая длина верхнего рычага 32 равна длине линии между точкой шарнирного сочленения верхнего рычага 32 и валом 36 шарнира рычага, а рабочая длина нижнего рычага 33 равна длине линии между валом 36 шарнира рычага и положением "А" шарнира вращающегося вала 34. Соответственно, на Фиг. 10 линия GB, линия GB1 и линия GB' соответствуют линиям (осям) действия тянущей силы основной пружины, прикладываемой к валу 36 шарнира рычага, когда рычажный механизм перемещается в положение размыкания, промежуточное положение и положение замыкания; линия СА, линия СА1 и линия СА' соответствуют различным положениям рычажного механизма под действием тянущей силы основной пружины, прикладываемой к валу 36 шарнира рычага, когда рычажный механизм перемещается в положение размыкания, промежуточное положение и положение замыкания; линия OA, линия ОА1 и линия OA' соответствуют положению размыкания, промежуточному положению и положению замыкания поворотного рычага, образованного расстоянием от положения шарнирного сочленения между нижним рычагом 33 и вращающимся валом 34 до оси "О" вращения вращающегося вала 34 под действием основной пружины, когда рычажный механизм перемещается в положение размыкания, промежуточное положение и положение замыкания, эти линии также соответствуют трем положениям подвижного контакта. Угол (т.е. ∠OAA' на Фиг. 10) от положения замыкания до положения размыкания подвижного контакта 21 (т.е. упомянутого поворотного рычага) представляет собой угол поворота подвижного контакта в автоматическом выключателе. Чем больше угол поворота подвижного контакта, тем больше расстояние размыкания между подвижным контактом и неподвижным контактом при разъединении подвижного контакта и неподвижного контакта.
[0046] Рычажный механизм может быть переключен в положение замыкания или положение размыкания поворотом рукоятки 311 в положение соединения (показано на Фиг. 6) или положение разъединения (показано на Фиг. 9), соответственно. Рычажный механизм переключает автоматический выключатель 100 в состояние замыкания или состояние размыкания, переключаясь между положением разъединения и положением соединения и, взаимодействуя с основной пружиной, соединяя или разъединяя подвижный контакт 21 и неподвижный контакт 22. В частности, если необходимо переключить рычажный механизм исполнительного механизма 30 из положения размыкания в положение замыкания, рукоятку 311 принудительно перемещают из положения разъединения, показанного на Фиг. 9, в положение соединения, показанное на Фиг. 6. В этот момент основная пружина может незамедлительно переместить верхний рычаг 32 и нижний рычаг 33 из изогнутого положения, показанного на Фиг. 9, в выпрямленное положение, показанное на Фиг. 6, прикладывая тянущую силу к валу 36 шарнира рычага с тем, чтобы привести во вращение против часовой стрелки вращающийся вал 34 и подвижный контакт 21 и тем самым соединить подвижную контакт-деталь 211 и неподвижную контакт-деталь 221. Соответственно, тянущая сила, прикладываемая от точки "G" к точке "В", оказывает тянущее действие одновременно на верхний рычаг и на нижний рычаг, находящиеся в изогнутом положении, и тем самым перемещает их из изогнутого положения СВ и ВА в промежуточное положение СВ1 и А1В1 и затем в выпрямленное положение СВ' и А'В'. И наоборот, если необходимо переключить рычажный механизм исполнительного механизма 30 из положения замыкания в положение размыкания, рукоятку 311 принудительно перемещают из положения соединения, показанного на Фиг. 6, в положение разъединения, показанное на Фиг. 9. В этот момент основная пружина может незамедлительно переместить верхний рычаг 32 и нижний рычаг 33 из выпрямленного положения, показанного на Фиг. 6, в изогнутое положение, показанное на Фиг. 9, прикладывая тянущую силу к валу 36 шарнира рычага с тем, чтобы привести во вращение по часовой стрелке вращающийся вал 34 и подвижный контакт 21 и тем самым разъединить подвижную контакт-деталь 211 и неподвижную контакт-деталь 221. В отличие от Фиг. 9, на эпюре напряженных состояний, показанной на Фиг. 10, тянущая сила, прикладываемая от точки "G" к точке "В", перемещает верхний рычаг и нижний рычаг из выпрямленного положения СВ' и А'В' в промежуточное положение СВ1 и А1В1, а затем в изогнутое положение СВ и АВ.
[0047] В соответствии с одним из вариантов осуществления этого изобретения в исполнительном механизме 30 в автоматическом выключателе 100 можно установить такой угол поворота подвижного контакта, величина которого превышает 30°, установкой заранее определенных соотношений между рабочими длинами соответствующих рычагов рычажного механизма, что позволяет обеспечить большее расстояние размыкания между подвижным контактом 21 и неподвижным контактом 22 при их разъединении без необходимости увеличения габаритных размеров автоматического выключателя, а также существенно повысить эффективность размыкания автоматического выключателя.
[0048] Фиг. 11А представляет собой упрощенное изображение рычажного механизма, в котором соотношения рабочих длин соответствующих рычагов установлены в соответствии с выбранными параметрами. Фиг. 11В представляет собой упрощенное изображение рычажного механизма, в котором соотношения рабочих длин соответствующих рычагов установлены в соответствии с известным уровнем техники. В известном рычажном механизме, показанном на Фиг. 11В, угол поворота подвижного контакта составляет 30°, соотношение рабочих длин СВ и АВ составляет 0,78 и соотношение рабочих длин СВ и OA составляет 1,28.
[0049] Для того, чтобы увеличить угол поворота подвижного контакта 21, в одном из вариантов осуществления этого изобретения соотношение между рабочими длинами верхнего рычага 32 и нижнего рычага 33 рычажного механизма (т.е. соотношение рабочих длин СВ и АВ, показанных на Фиг. 11А) установлено в значение, превышающее 0,78, и соотношение между рабочей длиной верхнего рычага 32 и расстоянием от положения "А" шарнира вращающегося вала 34 до первой неподвижной точки "О" опоры (т.е. соотношение между длинами СВ и OA) установлено в значение, превышающее 1,28. В одном из вариантов осуществления этого изобретения рабочие длины соответствующих рычагов выбраны в соответствии с заранее определенными соотношениями между рабочими длинами соответствующих рычагов. Как показано на Фиг. 11А, соотношения между рабочими длинами соответствующих рычагов приведены в Таблице 1.
[0050]
[0051] Угол поворота подвижного контакта, угол поворота верхнего рычага 32 (∠BCB') и соотношение между ними, которые вычислены в соответствии с рабочими длинами соответствующих рычагов, показанных на Фиг. 11, приведены в Таблице 2.
[0052]
[0053] Как показано в Таблице 1 и Таблице 2, если соотношение между рабочей длиной верхнего рычага 32 и рабочей длиной нижнего рычага 33 (т.е. соотношение между длинами СВ и АВ на фигурах) установлено равным 0,95, и соотношение между рабочей длиной нижнего рычага 33 и расстоянием от положения шарнира вращающегося вала до первой неподвижной точки "О" опоры (т.е. соотношение между длинами СВ и OA) установлено равным 1,57, то рычажный механизм имеет возможность увеличить угол поворота подвижного контакта и тем самым повысить эффективность и надежность размыкания автоматического выключателя 100, при этом оптимизируя эффективность передачи силы основной пружины рычажным механизмом. Если соотношение между длинами верхнего рычага СВ и нижнего рычага АВ превышает 0.78, то соотношение между углом поворота подвижного контакта 21 и углом поворота верхнего рычага 32 превышает это же соотношение в известном уровне техники. Таким образом, по сравнению с известным автоматическим выключателем, имеющим такие же габаритные размеры, автоматический выключатель, выполненный в соответствии с вариантами осуществления этого изобретения, может обеспечить больший угол поворота подвижного контакта при меньшем угле поворота верхнего рычага. Таким образом, автоматический выключатель, выполненный в соответствии с вариантами осуществления этого изобретения, имеет возможность обеспечения большего расстояния размыкания механизма контактирования при разъединении механизма контактирования и существенно повышает эффективность размыкания автоматического выключателя, при этом сохраняя его относительно небольшие габаритные размеры.
[0054] Следует отметить, что в описанных выше вариантах осуществления этого изобретения автоматический выключатель 100 обеспечивает возможность поворота подвижного контакта на угол, превышающий 30°, путем установления соотношения между рабочими длинами верхнего рычага 32 и нижнего рычага 33 в значение, превышающее 0,78, и установления соотношения между рабочей длиной верхнего рычага 32 и расстоянием от первой неподвижной точки "О" опоры до положения "А" шарнира вращающегося вала 34 в значение, превышающее 1,28. Однако объем этого изобретения не ограничен описанными выше вариантами его осуществления. В другом варианте осуществления этого изобретения соотношение между рабочими длинами верхнего рычага и нижнего рычага и соотношение между рабочей длиной верхнего рычага и расстоянием от первой неподвижной точки "О" опоры до положения "А" шарнира вращающегося вала 34 могут быть установлены и в другие значения путем изменения соотношений между рабочими длинами соответствующих рычагов рычажного механизма при условии, что обеспечивается угол поворота подвижного контакта, превышающий 30°.
[0055] Для эпюры напряженных состояний рычажного механизма, показанной на Фиг. 10, можно вычислить эффективность передачи тянущей силы основной пружины упомянутым четырехрычажным механизмом, при этом упомянутая эффективность передачи охватывает эффективность передачи при нахождении четырехрычажного механизма в исходном положении (когда механизм контактирования находится в состоянии разъединения) и эффективность передачи при достижении мертвой точки замыкания (когда механизм контактирования находится в состоянии соединения).
[0056] Метод вычисления эффективности передачи заключается в следующем: для вычисления эффективности передачи тянущей силы основной пружины четырехрычажным механизмом предполагают, что рычажный механизм пребывает в положении размыкания, и F является движущей силой основной пружины, прикладываемой к четырехрычажному механизму. При переключении автоматического выключателя из состояния размыкания в состояние замыкания четырехрычажный механизм приводится в действие до тех пор, пока геометрическая ось основной пружины (т.е. линия действия силы F) выше верхнего рычага 32 (т.е. рычага СВ, как показано на соответствующей фигуре), при этом положение мертвой точки представляет собой положение, в котором основная пружина может передавать максимальный вращающий момент на вращающийся ват 34.
[0057] В соответствии с геометрическими соотношениями и положениями передачи силы, показанными на Фиг. 10, и при условии, что F является единицей силы, эффективность передачи тянущей силы основной пружины вычисляют по формуле:
[0058]
[0059] Когда рычажный механизм достигает выпрямленного положения, движущая сила основной пружины, прикладываемая к рычажному механизму, обозначена как F' и вычисляется по формуле:
[0060]
[0061] Таким образом, эффективность передачи тянущей силы основной пружины вычисляют по формуле:
[0062]
[0063] В приведенных выше формулах ∠1 и ∠2 представляют собой угол между СВ и F и угол между АВ и OA, соответственно, и они являются острыми углами; ∠4 и ∠5 представляют собой угол между СВ' и F' и угол между А'В' и OA', соответственно, и они являются острыми углами; d(OA), d(OA'), d(GB) и d(GB') представляют собой геометрические расстояния; d0 является начальной длиной основной пружины.
[0064] В четырехрычажном механизме в автоматическом выключателе могут иметь место по меньшей мере два режима отказа: 1) рукоятка поворачивается в положение замыкания, и четырехрычажный механизм не выполняет ответное действие; 2) четырехрычажный механизм не достигает заранее определенного положения замыкания (т.е. выпрямленного положения рычажного механизма) после выполнения действия замыкания (т.е. имеет место ложное замыкание).
[0065] В Таблице 3 приведены результаты вычисления эффективности передачи тянущей силы рычажным механизмом, полученные подстановкой выбранных рабочих длин рычагов в рычажном механизме, показанном на Фиг. 11А, в приведенные выше формулы.
[0066]
[0067] Как показано, в соответствии с результатами вычисления эффективности передачи тянущей силы основной пружины четырехрычажным механизмом по настоящему изобретению и в известном уровне техники, эффективность передачи четырехрычажным механизмом составляет не менее чем 0,84F в исходном положении и не менее чем 3,52F в мертвой точке, и угол поворота подвижного контакта превышает 30°. При этом автоматический выключатель 100, выполненный в соответствии с вариантами осуществления этого изобретения, может обеспечить соотношение между моментами силы, передаваемыми от основной пружины на вращающийся вал 34 в исходном напряженном состоянии (в момент, когда неподвижный контакт и подвижный контакт соединены) и в конечном напряженном состоянии, превышающее 1. Таким образом, рычажный механизм в автоматическом выключателе в соответствии с вариантами осуществления этого изобретения может предотвратить возникновение упомянутых выше двух режимов отказа.
[0068] Другие механизмы в автоматическом выключателе 100, такие как блок отключения, дугогасительный механизм и т.д., а также принципы их работы хорошо известны специалистам в этой отрасли, поэтому их описание опущено в этом документе.
[0069] Подводя итог, следует отметить, что изменением соотношений между рабочими длинами соответствующих рычагов в исполнительном механизме для приведения в движение подвижного контакта и неподвижного контакта для их соединения и разъединения автоматический выключатель, выполненный в соответствии с вариантами осуществления этого изобретения, оптимизирует эффективность передачи тянущей силы основной пружины рычажным механизмом, увеличивает расстояние размыкания между подвижным контактом и неподвижным контактом при их разъединении, и тем самым повышает эффективность и надежность размыкания автоматического выключателя при минимизации его габаритных размеров.
[0070] Настоящее изобретение может быть реализовано и в других конкретных вариантах осуществления в пределах сущности и объема этого изобретения. Таким образом, все аспекты настоящих вариантов осуществления этого изобретения следует рассматривать как приведенные в качестве примера, а не как ограничивающие объем этого изобретения, который определен приложенной формулой изобретения, а не приведенным описанием. Кроме того, все варианты осуществления этого изобретения, соответствующие смыслу и эквивалентам формулы изобретения, входят в объем этого изобретения. Различные особенности, раскрытые в различных вариантах осуществления этого изобретения, можно комбинировать для достижения определенных преимуществ. Специалисты в этой отрасли способны обосновать и реализовать и другие варианты осуществления этого изобретения на основе изучения сопроводительных фигур, описания и формулы изобретения.