Низковольтная электрическая контактная система с улучшенным эффектом гашения дуги

Изобретение относится к электрической контактной системе, содержащей первый и второй электрические контакты (1, 5), каждый из которых имеет контактную поверхность (4, 8). Первый электрический контакт (1) имеет мезоструктурированный участок электрического контакта с множеством щелевых отверстий и ребер, образованных между соседними щелевыми отверстиями из указанного множества щелевых отверстий. Эти щелевые отверстия и ребра проходят в поперечном направлении к указанной плоскости (X-Z) переключения и образуют множество путей тока. Пути тока наклонены к поверхности (4) первого контакта на первый угол, составляющий менее 60 градусов, так что ток (12) прерывания, протекающий через мезоструктурированный участок электрического контакта и через электрическую дугу (11), проходящую между поверхностью (4) первого контакта и поверхностью (8) второго контакта после подъёма поверхности (4) первого контакта от поверхности (8) второго контакта, выталкивает указанную электрическую дугу (11) в направлении вершины указанного первого угла из первого положения во второе положение. Техническим результатом является повышение надежности. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 11 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области аппаратуры распределения низкого или среднего напряжения, например, относится к таким устройствам, как автоматические выключатели двигателя или стартеры/контакторы двигателя.

Уровень техники

В большинстве низковольтных автоматических выключателей контактная пара стационарного или подвижного электрических контактов соприкасаются между собой в замкнутом состоянии автоматического выключателя. Если путь электрического тока через автоматический выключатель будет прерываться, подвижный электрический контакт перемещается вдоль пути перемещения относительно стационарного контакта, в результате чего между стационарным или подвижным электрическими контактами образуется электрическая дуга. Опорные точки электрических контактов аналогичны пятнам и достаточно стационарны на начальной фазе процесса прерывания. Для гашения электрической дуги могут использоваться несколько способов. Большинство из них имеют общее свойство, состоящее в том, что электрическая дуга возбуждается вдоль набора токопроводящих рельсов, электрически соединённых со стационарным или подвижным электрическими контактами в направлении набора пластин разделителя, где электрическая дуга в конечном счёте прерывается.

Первый подход состоит в том, что электрическая дуга перемещается в направлении набора пластин разделителя с помощью потока сжатого воздуха.

Второй подход состоит в том, что электрическая дуга подвергается воздействию магнитного поля, например, создаваемого постоянным магнитом. Упомянутый магнит применяется для отталкивания электрической дуги от стационарного и подвижного электрических контактов в направлении набора пластин разделителя.

Третий подход состоит в проектировании номинального пути проводника, так же как на стационарном и подвижном электрических контактах, таким образом, что естественное магнитное поле от тока, протекающего через путь тока, оказывает воздействие через свою мощность на электрическую дугу, в результате чего электрическая дуга отталкивается от стационарного и подвижного электрических контактов в направлении набора пластин разделителя. Приближенный вид участка прерывания, представляющего третий подход, показан на фиг. 1. Эта электрическая контактная система, проиллюстрированная на фиг. 1, содержит первый электрический контакт 1, показанный как верхний контакт, а также второй электрический контакт 3, показанный как нижний контакт в разомкнутом состоянии электрической контактной системы. Первый электрический контакт 1 имеет носитель 2 первого контакта, который электрически соединяется с первым контактным элементом 3, имеющим поверхность 4 первого контакта. Аналогичным образом второй электрический контакт 5 имеет носитель 6 второго контакта, который электрически соединяется со вторым контактным элементом 7, имеющим поверхность 8 второго контакта. Первый электрический контакт 1 и второй электрический контакт 5 являются подвижными относительно друг друга вдоль тракты переключения, проходящем в плоскости X-Z переключения. Тракт переключения может быть линейным или дугообразным.

Поверхность 4 первого контакта и поверхность 8 второго контакта соприкасаются между собой в замкнутом состоянии электрической контактной системы. Поверхность 4 первого контакта смещается с помощью изолирующего расстояния 9 от поверхности 8 второго контакта в разомкнутом состоянии электрической контактной системы, в результате чего достигается желаемое прерывание и безопасная электрическая изоляция между первым и вторым контактами. Поверхность 4 первого контакта и поверхность 8 второго контакта проходят в поперечном направлении, т.е. перпендикулярно к указанной плоскости X-Z переключения в направлении виртуальной плоскости X-Z. Как только эта электрическая контактная система размыкается, между поверхностью 4 первого контакта и поверхностью 8 второго контакта образуется электрическая дуга 11. Поскольку путь тока для заданного тока, также как и путь тока прерывания, проходит через первый электрический контакт 1 и второй электрический контакт 5 в виде петли, если смотреть в плоскости X-Z, естественное магнитное поле тока 12 прерывания толкает электрическую дугу 11 в направлении слева направо. Другими словами, естественное магнитное поле тока 12 прерывания создаёт давление или силу 13 на электрическую дугу 11.

На третий подход может оказывать влияние проблема, состоящая в том, что естественное магнитное поле от тока, протекающего через путь тока, оказывает только небольшое силовое воздействие на путь электрической дуги, в результате чего путь электрической дуги может оставаться между стационарным и подвижным электрическими контактами слишком долго перед тем, как начнёт перемещаться в направлении набора пластин разделителя, при условии, что электрическая дуга хотя бы сколько-нибудь перемещается в направлении разделителя.

Раскрытие изобретения

Задача, которая должна решаться с помощью настоящего изобретения, состоит в перемещении электрической дуги, описанном в третьем подходе, более быстро и надёжно от контактных наконечников электрических контактов для гашения дуги.

Эта задача решается с помощью специфической геометрии контактных наконечников электрических контактов, направляющих электрическую дугу таким образом, что она принуждается протекать под острым углом к контактной поверхности контактных наконечников, и таким образом, к электрическим контактам. В результате достигается намного более высокая магнитная приводная сила, воздействующая на электрическую дугу при размыкании электрических контактов.

Более быстрое перемещение электрической дуги от действующих электрических контактов является предпочтительным, поскольку может быть уменьшено время взаимодействия с контактной дугой. Чем короче время взаимодействия с контактной дугой, тем меньше разрушение контакта.

В дальнейшем под термином «низкое напряжение» понимается напряжение менее 1000 В, а под термином «среднее напряжение» понимается напряжение более 1000 В, но меньше чем 72 кВ.

В самом базовом варианте осуществления изобретения электрическая контактная система содержит первый электрический контакт с поверхностью первого контакта, и второй электрический контакт с поверхностью второго контакта. Первый электрический контакт и второй электрический контакт являются подвижными по отношению друг к другу вдоль тракта переключения, проходящего в плоскости переключения, таким образом поверхность первого контакта и поверхность второго контакта соприкасаются между собой в замкнутом состоянии электрической контактной системы. В этом контексте под вариантом осуществления изобретения следует понимать не только вариант, содержащий варианты осуществления изобретения электрических контактных систем, где только первый электрический контакт является подвижным относительно стационарного второго электрического контакта, но также содержащий варианты осуществления изобретения, где только второй электрический контакт является подвижным относительно стационарного первого электрического контакта, а также варианты осуществления изобретения, где оба контакта, т.е. и первый электрический контакт и второй электрический контакт являются подвижными относительно друг друга.

Поверхность первого контакта смещается на изолирующее расстояние от поверхности второго контакта в разомкнутом состоянии электрической контактной системы. Поверхность первого контакта и поверхность второго контакта проходят в поперечном направлении относительно указанной плоскости переключения. По меньшей мере один из контактов, т.е. первый электрический контакт или второй электрический контакт, содержит мезоструктурированный участок электрического контакта с множеством щелевых отверстий и ребер, сформированных между соседними щелевыми отверстиями из множества щелевых отверстий. Множество щелевых отверстий и ребер проходят в направлении, являющимся поперечным к указанной плоскости переключения, и образуют множество путей тока, проходящих через мезоструктурированный участок электрического контакта.

В зависимости от варианта осуществления изобретения, термин щелевые отверстия не будет ограничиваться щелевым отверстием, которое является разомкнутым с контактной поверхностью, но также охватывает варианты осуществления изобретения, где щелевые отверстия заканчиваются где-то ниже контактной поверхности, в результате чего они ограничиваются электропроводящим материалом, если смотреть в плоскости (X-Z) переключения. Другими словами, для щелевых отверстий нет необходимости разряжаться на соответствующей им контактной поверхности, но они могут иметь замкнутое поперечное сечение, если смотреть в плоскости (X-Z) переключения.

Кроме того, термин «ребра» не будет ограничиваться ребрами, имеющими форму штыря или пальца, которые проходят к контактной поверхности, но также будет относиться к ребрам, которые заканчиваются где-то ниже контактной поверхности, если смотреть в плоскости (X-Z) переключения.

Под термином «мезоструктурированный участок электрического контакта» понимается пористый композиционный материал, содержащий множество электропроводящих участков, подобных ребрам с размерами между 50 мкм и 2 мм, которые используются для того, чтобы сформировать пути тока, и множество щелевых отверстий, формирующих барьеры для электрического тока, поскольку они предотвращают свободное протекание номинального тока, а также тока прерывания через специальные области электрической контактной системы. Вспомогательный термин «мезо» обозначает, что структура электрического контактного участка находится между классической микроструктурой, которая может быть обнаружена только посредством использования микроскопа, и классической макроструктурой, компоненты которой можно увидеть невооружённым глазом. В настоящем случае мезоструктурированный участок электрического контакта является суперструктурой, содержащей две подструктуры. Первая подструктура формируется множеством щелевых отверстий. Поскольку щелевые отверстия имеют среднюю ширину в диапазоне от приблизительно 50 мкм до приблизительно 0,5 мм, они могут сами формировать микроструктуру в том случае, если ширина щелевого отверстия находятся на нижнем конце диапазона. Вторая подструктура формируется с помощью микроструктуры, содержащей токопроводящий участок, например, серебряный с металлооксидными частицами с размером приблизительно 50 мкм. Поэтому мезоструктурированный участок электрического контакта, в частности, проектируется как комбинация по существу идеальных путей тока и по существу электрически изолирующих участков, которые выполняются в виде грозди, таким образом ток прерывания направляется и проводится в заранее выбранном и предпочтительном, т.е. в заданном направлении внутри мезоструктурированного участка электрического контакта, и в областях, находящихся в непосредственной близости к этому участку. Как будет разъясняться в дальнейшем, щелевые отверстия необязательно остаются пустыми.

Множество путей тока являются наклонными, соответственно к поверхности первого контакта и поверхности второго контакта, т.е. если второй контакт также имеет мезоструктурированный участок электрического контакта, на первый угол менее 60 градусов, в результате чего ток прерывания, протекающий через мезоструктурированный участок электрического контакта и через электрическую дугу, проходящую соответственно между поверхностью первого контакта и поверхностью второго контакта, т.е. если второй контакт также имеет мезоструктурированный участок электрического контакта, после подъёма поверхности первого контакта от поверхности второго контакта, толкает указанную электрическую дугу в направлении вершины указанного угла от первого ко второму положению.

Если магнитное давление на электрическую дугу будет даже более интенсивным, рекомендуется выбирать первый угол, который должен составлять менее чем 45 градусов.

В варианте осуществления изобретения, особенно адаптированном к потребностям производства, множество путей тока проходят параллельно друг другу по меньшей мере в одном из контактов из числа первого электрического контакта и второго электрического контакта. Другими словами, в структуре создаётся множество щелевых отверстий, например, с помощью лазерного нарезания щелевых отверстий в поверхности первого контакта и втором электрическом контакте, где это применимо. Структура необязательно должна быть однородной, когда она может доказывать свои преимущества, и отклоняться от этой структуры, например, на краевых участках.

Благодаря такой адаптированности к потребностям производства, достигается преимущество, если множество путей тока имеет сечение в виде полоски, проходящее в каждой плоскости переключения, при этом главная ось каждого этого сечения в виде полоски проходит в направлении путей тока. Следует отметить, что термин «в виде полоски» не должен рассматриваться как ограничивающийся только прямоугольными формами. И, наоборот, вариации в общем удлинённых отверстий также будут охватывать продолговатые или эллиптические формы этого поперечного сечения. Кроме того, также могут допускаться нелинейные поперечные сечения, подобные дугообразным щелевым отверстиям, например, в вариантах осуществления изобретения, где щелевые отверстия изготавливаются с помощью лазерного резания.

Для достижения особенно предпочтительного эффекта в мезоструктурированном участке электрического контакта, средняя ширина щелевого отверстия, проходящего в плоскости переключения вдоль второстепенной оси поперечного сечения и проходящего перпендикулярно главной оси, находится в диапазоне от 50 мкм до 0,5 мм.

В вариантах осуществления изобретения, где требуется существенное управление тока прерывания, протекающего по путям тока, через ребра, при этом соотношение геометрических размеров длины щелевого отверстия, проходящей в направлении главной оси, к ширине щелевого отверстия, проходящей в направлении второстепенной оси, составляет по меньшей мере 4:1.

В зависимости от варианта осуществления изобретения, множество щелевых отверстий могут быть равномерно или неравномерно распределены вдоль по меньшей мере одной из поверхностей из числа поверхности первого контакта и поверхности второго контакта, если смотреть в плоскости переключения.

Благодаря допустимой токовой нагрузки в амперах с учётом общей компактности электрической контактной системы, хорошие результаты могут быть достижимы в том случае, если общее отношение щелевых отверстий к ребрам вдоль по меньшей мере одной из поверхностей из числа соответственно поверхности первого контакта и поверхности второго контакта, т.е. если второй контакт также имеет мезоструктурированный участок электрического контакта, также в плоскости переключения, составляет значение из диапазона от 30% : 70% до 50% : 50%. Последнее значение фиксирует особенно подходящую величину, если щелевые отверстия не заполняются наполнителем, как в этом описании в дальнейшем производится ссылка на эти значения.

Следует позаботиться о том, чтобы опорная точка основания электрической дуги не образовывалась на торцевой поверхности единственного ребра или единственного пути тока, чтобы предотвращать нежелательное разрушение мезоструктурированного участка посредством чрезмерного локального плавления. Поэтому целесообразно, чтобы минимальный промежуток между двумя соседними щелевыми отверстиями в направлении поверхности первого контакта в плоскости переключения составляло по меньшей мере одну третью часть от вычисленного диаметра зоны воздействия электрической дуги. Диаметр зоны воздействия электрической дуги распространяется на поверхность первого контакта и определяет границы области первого контакта, где электрическая дуга расплавляет поверхность первого контакта в рабочем состоянии электрической контактной системы.

В тех вариантах осуществления изобретения, в которых замкнутая и таким образом шероховатая контактная поверхность является нежелательной, тем не менее возможно извлекать пользу от увеличенной магнитной силы, воздействующей на электрическую дугу, если множество щелевых отверстий проходят в плоскости переключения таким образом, что их внутренние концы ориентированы соответственно в направлении по меньшей мере одной из поверхностей из числа поверхности первого контакта и поверхности второго контакта, т.е. если второй контакт также имеет мезоструктурированный участок электрического контакта, при этом они располагаются на заданном расстоянии соответственно под поверхностью первого контакта и поверхностью второго контакта, таким образом формируется контактный слой электрической дуги. Заданное расстояние изменяется в соответствии с плотностью тока в зоне воздействия электрической дуги, а также материала контакта, выбранного для первой и/или поверхности второго контакта.

Хорошие результаты переключения достижимы в том случае, если слой, контактирующий с дугой, имеет толщину от приблизительно 50 мкм до 2 мм. Слой, контактирующий с дугой, изготавливается из подходящего контактного материала электрической дуги и может формироваться с помощью отдельного элемента или элемента, встроенного в носитель контакта или промежуточный проводящий корпус, в зависимости от требований и общей настройки автоматического выключателя. В показательном варианте осуществления изобретения, спроектированном для использования в низковольтных схемах, слой, контактирующий с дугой, имеет толщину приблизительно 0,5 мм.

Поскольку преобразование всех существующих электрических контактов на контакты с мезоструктурированным участком электрического контакта может быть неподходящим вариантом, тем не менее желаемый эффект может быть достигнут в том случае, если один из электрических контактов из числа первого электрического контакта и второго электрического контакта содержит контактный элемент, который механически или электрически присоединяется к носителю контакта. Указанный контактный элемент проектируется таким образом, чтобы действовать как слой, контактирующий с дугой. Мезоструктурированный участок электрического контакта обеспечивается в одном из следующих вариантов:

а) связанный с контактным элементом,

b) связанный с носителем контакта,

с) связанный с контактным элементом, также как и с носителем контакта, при этом контактный элемент и носитель контакта располагаются по отношению друг к другу таким образом, что пути тока контактного элемента продолжаются в путях тока носителя контакта. Из этого очевидно следует, что позитивный эффект будет оставаться даже в том случае, если первый угол в контактном элементе и первый угол в носителе контакта в какой-то степени отличаются друг от друга, при условии, что общее направление путей тока остаётся неизменным.

Для достижения оптимального магнитного давления на электрическую дугу целесообразно, чтобы не только первый электрический контакт, но также и второй электрический контакт имели мезоструктурированный участок электрического контакта. Щелевые отверстия мезоструктурированного участка электрического контакта во втором электрическом контакте ориентированы таким образом, что полка первого угла пересекается с полкой первого угла мезоструктурированного участка электрического контакта во втором электрическом контакте в области плоскости переключения, расположенной между поверхностью первого контакта и поверхностью второго контакта. В показательном варианте осуществления изобретения, где каждый первый угол составляет 45°, угол пересечения будет составлять 90°.

Механически простой, а также эффективный способ побуждать прохождение тока прерывания через пути тока мезоструктурированного участка электрического контакта состоит в расположении канавки, находящейся поблизости от указанного мезоструктурированного участка электрического контакта, связанного с ним электрического контакта. Эта канавка проектируется и располагается таким образом, что ток прерывания направляется к путям тока и может иметь форму или поперечное сечение, также отвечающее зарегистрированным требованиям по управлению.

Формирование путей тока необязательно требует, чтобы щелевые отверстия были пустотелыми. Наоборот, по меньшей мере некоторые щелевые отверстия из множества таких щелевых отверстий могут быть заполнены материалом-наполнителем, имеющим низкую электропроводимость или электрически изолирующие свойства. Преимущества наличия такого наполнителя состоит в том, что он вносит свой вклад в общую механическую стабильность мезоструктурированного участка электрического контакта и таким образом, в общем всей электрической контактной системы, поскольку он предотвращает расплавление ребер или сплавление их между собой вследствие воздействия энергии электрической дуги, в результате чего желаемый эффект уменьшается или даже может быть в дальнейшем недоступным при длительной эксплуатации автоматических выключателей. В том случае, когда гарантируется удовлетворяющий требованиям мезоструктурированный участок электрического контакта, и таким образом электрическая контактная система, становится особенно важным условие, что ребра дистанцируются один от другого сравнительно широко. Пористый заполнитель содержит по меньшей мере один элемент из группы, содержащей:

а) полимерный материал,

b) вольфрам,

с) материал, который высвобождает углеродистый газ, когда он подвергается воздействию электрической дуги,

d) оксид металла.

Преимущество пункта а) состоит в том, что он очень легко реализуется, поскольку щелевые отверстия могут быть заполнены с помощью пропитки. Примерами подходящих полимеров являются полиоксиметилен (POM), полиамид (РА), полипропилен (РР), поликарбонат (РС). Преимущество пункта b) состоит в том, что он вносит вклад в лучшую защиту против чрезмерного износа электрической контактной системы. В случае использования пункта с) материал может активно вносить вклад в желаемое быстрое гашение электрической дуги. Преимущество пункта d) состоит в том, что он позволяет недорогое формирование электрически изолирующих участков наряду с путями тока. Примерами подходящих полимеров являются полиоксиметилен (POM), полиамид (РА), полипропилен (РР), поликарбонат (РС). В показательном варианте осуществления изобретения в качестве наполнителя используется оксид алюминия. В других показательных примерах наполнитель содержит оксид кремния, оксид титана, оксид цинка, олово. Читатель этого описания будет осознавать, что возможно комбинировать по меньшей мере два элемента из числа этих элементов a) - d), чтобы получать преимущества от обоих предпочтительных эффектов.

Указанные положительные эффекты будут вносить вклад в создание улучшенных автоматических выключателей низкого или среднего напряжения, если они включают в себя такую электрическую контактную систему.

Краткое описание чертежей

В описании производятся ссылки на прилагаемые чертежи, которые схематически показываются на фигурах:

фиг. 1 является боковым видом традиционной электрической контактной системы;

фиг. 2 является боковым видом первого варианта осуществления изобретения электрической контактной системы, в соответствии с настоящим изобретением;

фиг. 3 является боковым видом второго варианта осуществления изобретения электрической контактной системы, в соответствии с настоящим изобретением;

фиг. 4 является видом сверху на нижний электрической контакт вдоль плоскости II-II на фиг. 3;

фиг. 5 является видом сверху на нижний электрической контакт третьего варианта осуществления изобретения вдоль плоскости II-II на фиг. 3;

фиг. 6 является видом снизу на верхний электрической контакт третьего варианта осуществления изобретения, показанный в комбинации с фиг. 5;

фиг. 7 является боковым видом второго варианта осуществления изобретения, показанного на фиг. 3;

фиг. 8 является боковым видом четвёртого варианта осуществления изобретения электрической контактной системы, в соответствии с настоящим изобретением;

фиг. 9 является боковым видом пятого варианта осуществления изобретения электрической контактной системы, в соответствии с настоящим изобретением;

фиг. 10 является боковым видом шестого варианта осуществления изобретения электрической контактной системы, в соответствии с настоящим изобретением;

фиг. 11 является боковым видом седьмого варианта осуществления изобретения электрической контактной системы, в соответствии с настоящим изобретением.

На чертежах идентичным или по меньшей мере функционально идентичным элементам и токам задаются идентичные ссылочные позиции.

Осуществление изобретения

Боковой вид первого варианта осуществления изобретения электрической контактной системы 10, в соответствии с настоящим изобретением, показан на фиг. 2. Фактически боковой вид является поперечным сечением электрической контактной системы, в то же время какая-либо перекрёстная штриховка была пропущена для получения более хорошей видимости и увеличенной чёткости. Эта электрическая контактная система 10 содержит первый электрический контакт 1, показанный на фигуре как верхний контакт, а также второй электрический контакт 3, показанный как нижний контакт в разомкнутом состоянии электрической контактной системы. Первый электрический контакт и второй электрический контакт изготовлены из медного сплава. В отличие от электрической контактной системы, показанной на фиг. 1, не существует такого контактного элемента, в котором поверхность 4 первого контакта обеспечивается непосредственно на конечной области первого электрического контакта 1. Поверхность 8 второго контакта обеспечивается непосредственно на конечной области второго электрического контакта 5. Первый электрический контакт 1 и второй электрический контакт 5 являются подвижными относительно друг друга, и могут перемещаться вдоль пути тока, находящегося в плоскости X-Z переключения. Путь тока может быть линейным или дугообразным. Поверхность 4 первого контакта и поверхность 8 второго контакта соприкасаются между собой в замкнутом состоянии электрической контактной системы. Поверхность 4 первого контакта смещается на изолирующее расстояние 9 от поверхности 8 второго контакта в разомкнутом состоянии электрической контактной системы, в результате чего достигается желаемое прерывание и безопасная электрическая изоляция между первым и вторым контактами. Поверхность 4 первого контакта и поверхность 8 второго контакта проходят поперечно, т.е. перпендикулярно, к указанной плоскости X-Z переключения в направлении виртуальной плоскости X-Z. Как только эта электрическая контактная система размыкается, между поверхностью 4 первого контакта и поверхностью 8 второго контакта возникает электрическая дуга 11. Поскольку путь тока номинального тока, также как и путь 12 тока прерывания проходят через первый электрический контакт 1 и второй электрический контакт 5 в виде петли, если смотреть в плоскости X-Z, естественное магнитное поле тока 12 прерывания толкает электрическую дугу 11 в направлении слева направо.

Первый электрический контакт 1 содержит мезоструктурированный участок 14 электрического контакта с множеством щелевых отверстий 15 и ребер 16, сформированных между соседними щелевыми отверстиями множества щелевых отверстий 15. Множество щелевых отверстий 15 и ребер 16 проходят в направлении, ориентированном поперечно/ перпендикулярно к плоскости X-Z переключения, и образуют множество путей 12 тока, ведущих через ребра 16 мезоструктурированного участка 14 электрического контакта. Пути 12 тока являются наклонными по отношению к поверхности первого контакта на первый угол 17 с количественным определением менее чем 60 градусов, в результате чего ток прерывания, протекающий через мезоструктурированный участок 14 электрического контакта и через электрическую дугу 11, проходящую между поверхностью 4 первого контакта и поверхностью 8 второго контакта после подъёма поверхности 4 первого контакта от поверхности 8 второго контакта, толкает указанную электрическую дугу 11 в направлении вершины указанного первого угла 17 из первого положения 18 (здесь расположено слева) во второе положение (здесь расположено на конце наконечника первого электрического контакта 1).

Наклонные пути 16 тока (из которых только единственный путь тока из множества путей тока показан на фиг. 2 для ясности изложения) направляют и управляют током 12 прерывания, в результате чего по сравнению с традиционной схемой, показанной на фиг. 1, предотвращается или по меньшей мере по существу затрудняется оставление током поверхности 4 первого контакта в перпендикулярном направлении относительно поверхности 4 первого контакта. В результате, сила 13, воздействующая на электрическую дугу 11, в варианте осуществления изобретения, выполненном в соответствии с фиг. 2, превышает силу в варианте осуществления изобретения, выполненном в соответствии с фиг. 1. Некоторая квантификация разницы сил была выполнена таким образом, что стрелка, показывающая силу 13, иллюстрируется как стрелка большего размера, чем на фиг. 1.

Щелевые отверстия 15 были вырезаны в первом электрическом контакте 1 с помощью лазерного резания под первым углом приблизительно 45°, таким образом множество путей тока проходят параллельно друг другу. Щелевые отверстия имеют сечение в виде полоски, каждое из которых проходит в плоскости X-Z переключения, при этом главная ось 21 каждого из этих сечений в виде полоски проходит в направлении путей 16 тока, т.е. ребер 16. Средняя ширина 34 щелевого отверстия, ориентированная в плоскости переключения вдоль второстепенной оси 22 поперечного сечения и ориентированная перпендикулярно к главной оси 21, приблизительно составляет 0,3 мм для использования в автоматическом выключателе низкого напряжения.

Соотношение геометрических размеров длины 35 щелевого отверстия, ориентированной в направлении главной оси 21 к ширине 34 щелевого отверстия, ориентированной в направлении второстепенной оси 22, приблизительно составляет 5:1. Среднее соотношение щелевого отверстия к ребру вдоль по меньшей мере одной из поверхностей 4 первых контактов (например, вдоль линии III-III на фиг. 2 только в пазовой области) приблизительно составляет 40-60%.

Далее будет описываться боковой вид второго варианта осуществления изобретения электрической контактной системы 20, в соответствии с настоящим изобретением со ссылкой на фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 7. В дальнейшем описание будет адресоваться только к разницам в получаемом эффекте и отличающимся элементам по сравнению с первым вариантом 10 осуществления изобретения.

В этом варианте 20 осуществления изобретения второму электрическому контакту 5 придаётся точно такая же форма, как у первого электрического контакта 1. Следовательно, щелевые отверстия 15 мезоструктурированного участка 14 электрического контакта во втором электрическом контакте 5 ориентированы таким образом, что полка первого угла 17 пересекается с полкой первого угла 17 мезоструктурированного участка 14 электрического контакта во втором электрическом контакте 5 в области плоскости X-Z переключения, расположенной между поверхностью 4 первого контакта и поверхностью 8 второго контакта с углом 23 пересечения, составляющем приблизительно 90°.

На фиг. 3 электрическая дуга 11 показывается более реалистично, чем на фиг. 1, в виде столба электрической дуги (обозначается как заштрихованная структура), проходящего между поверхностью 4 первого контакта и поверхностью 8 второго контакта. Столб дуги слева представляет первое положение 18 электрической дуги 11 после воспламенения, в то время как столб дуги справа представляет второе положение 19 электрической дуги 11 незадолго перед затуханием. Следует отметить, что хотя электрическая дуга 11 показана на фиг. 3 как в первом положении 18, так и во втором положении 19, она не будет находиться в обоих положениях в тот же самый момент времени при реальной эксплуатации автоматического выключателя. Направление перемещения дуги обозначается с помощью стрелки 24. И снова ток 12 прерывания обозначается только в репрезентативном местоположении для отображения его новой формы по сравнению с показанным на фиг. 2 вариантом 10 осуществления изобретения.

Фиг. 4 показывает, что минимальный промежуток между двумя соседними щелевыми отверстиями 15 в направлении поверхности 4 первого контакта и поверхности 8 второго контакта в плоскости X-Z переключения составляет по меньшей мере одну треть от вычисленного диаметра 25 зоны воздействия электрической дуги, таким образом электрическая дуга 11 всегда может начинаться от по меньшей мере двух ребер 16. Как показано на фигуре, желаемая сила 13 на электрической дуге превышает силу в первом варианте 10 осуществления изобретения.

Третий вариант 30 осуществления изобретения, в отличие от второго варианта 20, показанного на фиг. 3, изображается и разъясняется со ссылками на фиг. 5 и фиг. 6. Единственное изменение заключается в том, что щелевые отверстия 15 не только наклонены на первый угол 17, но также и на второй угол 26 в случае нижнего электрического контакта, видимого вдоль плоскости II-II, как показано на фиг. 3. Аналогичным образом, щелевые отверстия 15 не только наклонены на первый угол 17, но также и на третий угол 26 в случае верхнего электрического контакта, видимого вдоль плоскости I-I, как показано на фиг. 3. Обеспечение второго угла 26 и третьего угла 27 является предпочтительным, поскольку они вносят вклад в более плавное продолжение, т.е. менее ступенчатое перемещение электрической дуги 11 в направлении 24 перемещения электрической дуги по сравнению со вторым вариантом 20 осуществления изобретения.

Четвёртый вариант 40 осуществления изобретения электрической контактной системы показывается и разъясняется со ссылками на фиг. 8. Единственное изменение по сравнению с третьим вариантом осуществления изобретения заключается в том, что электрический контакт 1 содержит первый контактный элемент 3, который электрически и механически присоединяется к носителю 28 первого электрического контакта 1. Носитель 28 контакта имеет по существу такую же функцию, как и носитель 2 первого контакта и носитель 6 второго контакта. Указанный контактный элемент 3 содержит поверхность 4 первого контакта, и, следовательно, проектируется таким образом, чтобы действовать как контактный слой электрической дуги 11. Контактный слой электрической дуги, который формируется с помощью указанного контактного элемента 3, имеет толщину около 0,5 мм для использования в автоматическом выключателе низкого напряжения.

Пятый вариант 50 осуществления изобретения электрической контактной системы, который показывается и разъясняется со ссылками на фиг. 9, отличается от четвёртого варианта 40 осуществления изобретения тем, что второй контактный элемент 7 электрически и механически присоединяется к носителю 28 второго электрического контакта 5 таким же способом, как в первом электрическом контакте 1.

Шестой вариант 60 осуществления изобретения электрической контактной системы, который показывается и разъясняется со ссылками на фиг. 10, отличается от пятого варианта 50 осуществления изобретения тем, что все щелевые отверстия 15 заполняются с помощью пористого заполнителя 29, содержащего оксид алюминия, для увеличения общей механической стабильности и долговечности мезоструктурированного участка 14 электрического контакта.

Седьмой вариант осуществления изобретения, который показывается и разъясняется со ссылками на фиг. 11, имеет первый электрический контакт 1, который формируется отдельно от второго электрического контакта 5. По сравнению с пятым вариантом 50 осуществления изобретения первый электрический контакт 1 содержит канавку 31, расположенную поблизости от мезоструктурированного участка 14 электрического контакта. Упомянутая выше канавка 31 проектируется и располагается таким образом, что ток 12 прерывания направляется к путям тока, проходящим между ребрами 16. Кроме того, первый контактный элемент 3 формируется таким образом, что он также имеет мезоструктурированный участок 14 электрического контакта. Первый угол составляет приблизительно 45° но щелевые отверстия 15 и ребра 16 в первом контактном элементе 3 являются более тонкими, чем в носителе 28 контакта. Кроме того, щелевые отверстия 15 в первом контактном элементе 3 не проходят к поверхности 4 первого контакта. И наоборот, множество этих щелевых отверстий 15 проходят в плоскости X-Z переключения только таким образом, что их ближайшие концы ориентированные в направлении поверхности 4 первого контакта, располагаются на расстоянии 32 под поверхностью 4 первого контакта, и таким образом формируется контактный слой 33 электрической дуги (показанный на фиг. 11 пунктирными линиями). На фиг. 11 контактный слой электрической дуги имеет толщину, которая является сравнительно маленькой в направлении оси Z, составляющую около 0,4 мм.

По сравнению с первым вариантом осуществления изобретения, показанным на фиг. 1, и пятым вариантом 50 осуществления изобретения, показанным на фиг. 9, второй контактный элемент 7, показанный как нижний контакт седьмого варианта 70 осуществления изобретения, имеет второй контактный элемент 7, который электрически и механически присоединяется к носителю 28 контакта. Второй контактный элемент 7 имеет геометрию очень похожую на геометрию первого контактного элемента 3, но устанавливается в зеркальной ориентации по отношению к первому контактному элементу 3, в результате чего первые углы первого электрического контакта 1 и второго электрического контакта 5 пересекаются с углом пересечения, как описывалось ранее.

Седьмой вариант 70 осуществления изобретения является чисто схематическим и показывает возможное изменение для получения преимущества от настоящего изобретения. В том случае, когда это потребуется, дополнительные варианты осуществления изобретения электрической контактной системы могут содержать второй электрический контакт, который формируется таким же способом, как и описанный выше первый электрический контакт. Аналогичным образом возможно формировать первый электрический контакт таким же способом, как и описанный выше второй электрический контакт.

Читающий это описание специалист в данной области техники будет принимать во внимание, что множество комбинаций из каких-либо первых электрических контактов и вторых электрических контактов, раскрываемых в этом описании и фигурах, являются достижимыми, таким образом будет достигаться желаемый эффект магнитного давления на электрическую дугу.

Список цифровых обозначений:

1 - первый электрический контакт,

2 - носитель первого контакта,

3 - первый контактный элемент,

4 - поверхность первого контакта,

5 - второй электрический контакт,

6 - носитель второго контакта,

7 - второй контактный элемент,

8 - поверхность второго контакта,

9 - изолирующее расстояние; отделяющее расстояние; изолирующий зазор,

10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 - электрическая контактная система,

11 - электрическая дуга,

12 - ток прерывания,

13 - давление/сила, действующая на электрическую дугу,

14 - мезоструктурированный участок электрического контакта,

15 - щелевое отверстие,

16 - ребро; путь тока,

17 - первый угол,

18 - первое положение дуги,

19 - второе положение дуги,

21 - главная ось,

22 - второстепенная ось,

23 - угол пересечения,

24 - направление перемещения дуги,

25 - диаметр зоны воздействия электрической дуги,

26 - второй угол,

27 - третий угол,

28 - носитель контакта,

29 - пористый заполнитель,

31 - канавка,

32 - расстояние,

33 - контактный слой электрической дуги,

34 - ширина щелевого отверстия,

35 - длина щелевого отверстия.

1. Электрическая контактная система (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70), содержащая

первый электрический контакт (1) с поверхностью (4) первого контакта и второй электрический контакт (5) с поверхностью (8) второго контакта,

причем первый электрический контакт (1) и второй электрический контакт (5) являются подвижными относительно друг друга вдоль тракта переключения, проходящего в плоскости (X-Z) переключения, так что поверхность (4) первого контакта и поверхность (8) второго контакта касаются друг друга в замкнутом состоянии электрической контактной системы, при этом поверхность (4) первого контакта смещена на изолирующее расстояние (9) от поверхности (8) второго контакта в разомкнутом состоянии электрической контактной системы; поверхность (4) первого контакта и поверхность (8) второго контакта проходят поперек указанной плоскости (X-Z) переключения,

отличающаяся тем, что первый электрический контакт (1) и/или второй электрический контакт (5) содержит мезоструктурированный участок (14) электрического контакта с множеством щелевых отверстий (15) и ребер (16), образованных между соседними щелевыми отверстиями (15) из указанного множества щелевых отверстий (15),

при этом указанные множество щелевых отверстий (15) и ребер (16) проходят в поперечном направлении к указанной плоскости (X-Z) переключения и образуют множество путей (16) тока, проходящих через указанный мезоструктурированный участок (14) электрического контакта; причем указанное множество путей (16) тока наклонены к поверхности (4) первого контакта и поверхности (8) второго контакта соответственно под первым углом (17), составляющим менее 60 градусов, так что ток (12) прерывания, протекающий через мезоструктурированный участок (14) электрического контакта и через электрическую дугу (11), проходящую между поверхностью (4) первого контакта и поверхностью (8) второго контакта соответственно после подъёма поверхности (4) первого контакта от поверхности (8) второго контакта, выталкивает электрическую дугу (11) в направлении вершины указанного первого угла (17) из первого положения (18) во второе положение (19).

2. Электрическая контактная система (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70) по п. 1, отличающаяся тем, что первый угол (17) составляет меньше 45 градусов.

3. Электрическая контактная система (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70) по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что указанное множество путей (16) тока проходят параллельно друг другу в первом электрическом контакте (1) и/или во втором электрическом контакте (5).

4. Электрическая контактная система (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70) по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что каждое из указанного множества щелевых отверстий (15) в плоскости (X-Z) переключения имеет сечение, вытянутое в виде полоски, причем главная ось (21) каждого указанного сечения в виде полоски проходит в направлении путей (16) тока,

при этом средняя ширина (34) щелевого отверстия в указанной плоскости переключения, определяемая вдоль второстепенной оси (22) сечения, перпендикулярно главной оси (21), составляет величину в диапазоне от 50 мкм до 0,5 мм.

5. Электрическая контактная система (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70) по п. 4, отличающаяся тем, что отношение длины (35) щелевого отверстия, вытянутой вдоль главной оси (21), к ширине щелевого отверстия вдоль второстепенной оси (22), составляет по меньшей мере 4:1.

6. Электрическая контактная система (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70) по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что общее соотношение между щелевыми отверстиями и ребрами вдоль поверхности (4) первого контакта и/или поверхности (8) второго контакта в плоскости (X-Z) переключения находится в диапазоне от 30% : 70% до 50% : 50%.

7. Электрическая контактная система (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70) по любому из пп. 1-6, отличающаяся тем, что минимальный промежуток между двумя соседними щелевыми отверстиями (15) в направлении поверхности (4) первого контакта в плоскости (X-Z) переключения составляет по меньшей мере одну треть от вычисленного диаметра (25) зоны воздействия электрической дуги,

при этом указанный диаметр (25) зоны воздействия электрической дуги простирается по поверхности (4) первого контакта и ограничивает область первого контакта (1), где электрическая дуга (11) расплавляет поверхность (4) первого контакта в рабочем состоянии электрической контактной системы (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70).

8. Электрическая контактная система (40, 50, 60, 70) по любому из пп. 1-7, отличающаяся тем, что указанное множество щелевых отверстий (15) проходят в плоскости (X-Z) переключения таким образом, что их ближайшие концы, указывающие в направлении поверхности (4) первого контакта и/или поверхности (8) второго контакта соответственно, находятся на некотором расстоянии (32) под поверхностью (4) первого контакта и поверхностью (8) второго контакта соответственно, так что образуется контактный слой (33) электрической дуги.

9. Электрическая контактная система (40, 50, 60, 70) по п. 8, отличающаяся тем, что контактный слой (33) электрической дуги имеет толщину приблизительно от 50 мкм до 2 мм.

10. Электрическая контактная система (40, 50, 60, 70) по любому из пп. 1-9, отличающаяся тем, что первый электрический контакт (1) и/или второй электрический контакт (5) содержит контактный элемент (3, 7), который механически и электрически соединен с носителем (28) контакта, причём контактный элемент выполнен с возможностью действовать как контактный слой (33) электрической дуги,

при этом указанный мезоструктурированный участок (14) электрического контакта выполнен в одном из следующих компонентов:

а) указанный контактный элемент (3, 7),

b) указанный носитель (28) контакта,

с) указанный контактный элемент (3), а также указанный носитель (28) контакта, при этом контактный элемент (3, 7) и носитель (28) контакта расположены относительно друг друга таким образом, что пути (16) тока контактного элемента (3, 7) продолжаются в путях (16) тока носителя (28) контакта.

11. Электрическая контактная система (20, 30, 40, 50, 60, 70) по любому из пп. 1-10, отличающаяся тем, что первый электрический контакт (1), а также второй электрический контакт (5) имеют мезоструктурированный участок (14) электрического контакта,

при этом щелевые отверстия (15) мезоструктурированного участка (14) во втором электрическом контакте (5) ориентированы таким образом, что сторона первого угла (17) пересекается со стороной первого угла (17) мезоструктурированного участка (14) во втором электрическом контакте (5) в области плоскости (X-Z) переключения, находящейся между поверхностью (4) первого контакта и поверхностью (8) второго контакта.

12. Электрическая контактная система по любому из пп. 1-11, отличающаяся тем, что первый электрический контакт (1) и/или второй электрический контакт (5) содержит канавку (31), находящуюся поблизости от мезоструктурированного участка (14) электрического контакта, при этом указанная канавка (31) выполнена таким образом, чтобы ток (12) прерывания направлялся к путям (16) тока.

13. Электрическая контактная система (60) по любому из пп. 1-12, отличающаяся тем, что по меньшей мере некоторые щелевые отверстия из указанного множества щелевых отверстий (15) заполнены пористым заполнителем (29), который является электроизолятором или обладает электропроводимостью, более низкой, чем электропроводимость ребер (16).

14. Электрическая контактная система по п. 13, отличающаяся тем, что пористый заполнитель (29) содержит по меньшей мере один элемент из группы, содержащей:

а) полимерный материал,

b) вольфрам,

с) материал, который высвобождает углеродсодержащий газ под воздействием электрической дуги,

d) оксид металла.

15. Автоматический выключатель для низкого или среднего напряжения, содержащий электрическую контактную систему (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70) по любому из пп. 1-14.