断路器制造技术

本发明专利技术涉及一种断路器，用于在超过电流极限值或/和电流‑时间间隔极限值时中断电路，所述断路器具有能量转换器，能量转换器在初级侧与电路连接，并且在次级侧为断路器的至少一个控制单元提供能量供应。能量转换器具有芯，芯的剩磁通密度(Br2)小于饱和磁通密度(Bs2)的30％，或者芯的矫顽磁场强度(Hc2)小于10A/m。

Circuit breaker

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】断路器
本专利技术涉及一种根据权利要求1的前序部分的断路器。
技术介绍
断路器是与保险装置类似地工作的保护装置。断路器监视借助导体流过断路器的电流，并且当超过保护参数、例如电流极限值或者电流-时间间隔极限值时，即，当在一定的时间间隔内存在电流值时，中断至能量汇或者用电设备的电流或者能量流，这称为触发。例如，通过断路器的断开的触点来进行中断。尤其是对于低压电路或者低压电网，与所提供的电流的大小相关地，在电路中存在不同类型的断路器。本专利技术的意义上的断路器尤其是意为在电流为63至6300安培的低压设备中使用的开关。更具体地，针对63至1600安培、尤其是125至630或者1200安培的电流使用闭路断路器。尤其是针对630至6300安培、更具体地1200至6300安培的电流使用。开路断路器也称为空气断路器(AirCircuitBreaker)，简称为ACB，闭合断路器也称为塑壳断路器(MouldedCaseCircuitBreaker)或者紧凑断路器，简称为MCCB。低压尤其是意为最大1000伏特的交流电压或者1500伏特的直流电压的电压。本专利技术的意义上的断路器尤其是意为具有控制单元、例如电子触发单元(也称为电子脱扣单元(ElectronicTripUnit)，简称为ETU)的断路器。控制单元监视通过传感器、例如罗氏线圈(Rogowskispulen)测量的电流的大小，或者附加地以类似的方式监视电路的电压和/或其它参数的大小，并且使得电路中断。控制单元的运行需要电能，通过能量转换器、例如变压器来提供电能。能量转换器在初级侧与要保护的电路连接，并且在次级侧与控制单元连接。在电流太“大”的情况下，断路器根据其保护参数或者响应值中断电路。保护参数或者响应值基本上是电流的大小和如下时间，在持续“大”的电流的情况下，应当在该时间之后中断电路。与保险装置不同，断路器中的这些保护参数或者响应值，例如可以借助控制单元、例如电子触发单元来调节。能量转换器用于对断路器进行所谓的自供电。能量转换器基于磁耦合的功率传输原理，由此为控制单元、例如电子触发单元提供能量。目前在断路器中使用在线性范围内在定义的初级电流的最大大约200％的电流下工作的能量转换器、例如电力转换器。目前使用的能量转换器、例如电力转换器基于由晶粒定向的FeSi电磁钢板(硅铁(Ferrosilicium))制成的绕制的芯。这种材料沿着轧制方向具有高的磁导率，具有通常1.9T的高的饱和磁化以及在50Hz下通常大约1至2W/kg的相对小的磁功率损耗。这些参数使得能够实现非常小的磁横截面，由此使得能够实现电力转换器的非常紧凑的结构形式，以实现所需要的最小次级输出功率。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，改进开头提到的类型的断路器。对于断路器，从权利要求1的前序部分出发，上述技术问题通过权利要求1或5的特征部分来解决，以及通过根据权利要求11的用于断路器的转换器单元来解决。根据本专利技术设置为，断路器具有能量转换器，能量转换器具有芯，芯的：a)剩磁通密度(Br2)小于饱和磁通密度(Bs2)的30％、尤其是小于饱和磁通密度的20％，或(/和)b)矫顽磁场强度(Hc2)小于10A/m，尤其是小于5A/m。这种芯例如可以由铁磁纳米晶体材料制成。纳米晶体材料意为具有1至100nm的颗粒大小的材料，尤其是具有5至20nm的颗粒大小的材料。尤其是10nm的晶粒大小是特别合适的。这具有如下优点：避免了已知的晶粒定向的FeSi电磁钢板或者电磁钢中的一般的Z字形状的磁滞回线，参见图1。在传统的FeSi材料(硅铁(Ferrosilicium))的情况下，能量转换器在没有外部磁场的情况下示出剩磁通。当磁芯由于控制单元、例如电子触发单元(ETU)的负载而进入磁饱和状态时，这种所谓的剩磁效应特别大。当非常大的初级电流产生非常大的次级电流，次级功率增大，随后超过电力转换器的视在功率时，达到这种状态。在磁饱和状态下，芯中的磁通不再能够随时间改变。其结果是，不感生次级电压，并且次级电流崩溃。经常在电路中发生短路的情况下观察到所描述的行为，由此能量转换器中的初级侧电流非常大。通过随后的初级电流的极性变化来消除高的剩余磁化的状态。然而，断路器中的控制单元、例如电子触发单元的任务是识别短路情况，并且触发开关，以禁止初级侧电流继续流过断开的开关。这在必要时仅以延迟的方式进行。如果在稍后的时间点又接通开关，则又流动的初级电流的极性是不可预见的。因此，可能发生极性与触发之前的最后的极性相同，因此电子运行准备延迟极性变化的时间。这种情况在单相系统中是特别关键的，因为延迟可能持续多达半个周期。剩余磁化是具有高的磁导率的一般的电磁钢板的固有特性。剩余磁化不仅在晶粒定向的钢板中，而且在非晶粒定向的板钢中出现。通过原材料选择和特殊的技术处理，可以在没有外部磁场的情况下减弱强的剩余磁化，并且使磁滞转变为R型。但是材料的磁导率一般同时降低。通过在磁芯中增加气隙而形成另一种可能性。在该气隙处，剩磁状态下的磁畴的平行取向被破坏。物理学要求准静态系统中的势能最小化，因此在高导磁的电磁钢板的气隙中禁止外部磁场。因此，沿着通向气隙的边缘形成具有垂直的磁化方向的闭合畴其又在芯中通过具有相反的磁化方向的畴继续，也就是说，阻止磁极化沿一个方向的平行取向。在此，磁导率的明显减小也是不利的，其实际上仅仍然通过气隙宽度与有效磁芯长度的比来确定。但是需要高的磁导率，以便在可用的结构空间小的情况下，针对小的初级电流确保电子触发准备。根据本专利技术，这通过具有所提到的技术值的能量转换器来实现，该能量转转换器例如由(现代的)纳米晶体材料制成，避免了所提到的缺点，并且具有提到的优点。在从属权利要求中给出了有利的设计方案。在本专利技术的一个有利的设计方案中，能量转换器具有芯，芯的饱和磁通密度是至少1T、尤其是至少1.2T。这具有如下特别的优点：在磁场强度小的情况下，实现大的磁通，由此可以实现能量转换器的小的结构形式。在本专利技术的一个有利的设计方案中，能量转换器的芯是纳米晶体带芯。尤其是具有1至100μm之间的厚度、更具体地具有10至35μm的厚度、尤其是20至25μm的厚度的带是非常合适的。这具有如下特别的优点：通过叠置或者缠绕带，可以制造几乎任意大小的芯。在本专利技术的一个有利的设计方案中，芯具有横向磁各向异性。横向磁各向异性尤其是意为横向磁场各向异性。这具有如下特别的优点：尤其是由纳米晶体带制成的这种类型的芯几乎没有剩磁通。磁滞具有F形状(平的)，也参见图2。尽管如此，这种类型的芯仍然具有与一般的电磁钢板类似的磁导率，其中，附加地，纳米晶体环形带芯中的磁功率损耗也小得多。在本专利技术的一个有利的设计方案中，电路具有至少一个引导通过断路器的导体，导体的电流至少部分是能量转换器的初级电流。这具有如下特别的优点：电路的全部电流不形成能量转换器或者电力转换器的初级电流，而是仅形成定义的部分电流。由此，在断路器中能够实现更小的结构形式的能量转换器。在本专利技术的一个有利的设计方案中，能量转换器以环形形状或者作为环形芯来实施。这具有如下特别的优点：可以实现能量转换器的特别紧凑的结构方式，因为有棱角的形状(M截面、E-I截面、…)在功率相同的情况下具有更高的空间需求。在本专利技术的一个有利本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种断路器，用于在超过电流极限值或/和电流‑时间间隔极限值时中断电路，所述断路器具有能量转换器，所述能量转换器在初级侧与电路连接，并且在次级侧为断路器的至少一个控制单元提供能量供应，其特征在于，所述能量转换器具有芯，芯的：a)剩磁通密度(Br2)小于饱和磁通密度(Bs2)的30％，或者b)矫顽磁场强度(Hc2)小于10A/m。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.01.26 DE 102017201239.01.一种断路器，用于在超过电流极限值或/和电流-时间间隔极限值时中断电路，所述断路器具有能量转换器，所述能量转换器在初级侧与电路连接，并且在次级侧为断路器的至少一个控制单元提供能量供应，其特征在于，所述能量转换器具有芯，芯的：a)剩磁通密度(Br2)小于饱和磁通密度(Bs2)的30％，或者b)矫顽磁场强度(Hc2)小于10A/m。2.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于，所述能量转换器具有芯，芯的饱和磁通密度(Bs2)是至少1T、尤其是至少1.2T。3.根据权利要求1或2所述的断路器，其特征在于，所述能量转换器具有芯，芯的剩磁通密度(Br2)小于饱和磁通密度(Bs2)的20％。4.根据权利要求1、2或3所述的断路器，其特征在于，所述能量转换器具有芯，芯的矫顽磁场强度(Hc2)小于5A/m。5.一种断路器，用于在超过电流极限值或/和电流-时间间隔极限值时中断电路，所述断路器具有能量转换器，所述能量转换器在初级侧与电路连接，并且在次级侧为断路器的至少一个控制单元提供能量供应，其特征在于，所述能量转换器具有由纳米晶体材料制成的铁磁芯。6.根据前述权利要求中任一项所述的断路器，其特征在于，所述能量转换器的芯是纳米晶体带芯。7.根据前述权利要求中任一项所述的断路器，其特征在于，芯具有横向磁各向异性。8.根据前述权利要求中任一项所述的断路器，其特征在于，电路具有至少一个引导通过断路器...

【专利技术属性】
技术研发人员：G普兰克，M施特勒，
申请(专利权)人：西门子股份公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE