雙穩態啟動器的製作方法
2023-05-26 00:57:21 1
專利名稱：雙穩態啟動器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種低能量的雙穩態啟動器，尤其涉及用於剩餘電流裝置例如剩餘電流電路斷路器的雙穩態啟動器。按照本發明的雙穩態啟動器將參照剩餘電流電路斷路器進行說明，但這並不意味著以任何方式限制本發明的應用範圍。
眾所周知，剩餘電流電路斷路器是一種用於交流電路的自動電路斷路器，其在電路導體中的電流的矢量和(在正常情況下是0)超過一個預定值時斷開。
剩餘電流電路斷路器一般用於阻止金屬部件例如電氣設備的外殼以及和具有合適的接地電阻的接地系統相連的被保護區域的金屬物件帶電(間接保護)，並且，如果所述電路斷路器足夠靈敏和快速，在一些情況下它們也能提供保護而避免和通常帶電的部件接觸(直接保護)。
剩餘電流電路斷路器的主要特性是能夠達到極短的斷開和閉合時間。
圖1示意地表示一種剩餘電流電路斷路器。所述電路斷路器包括用於檢測剩餘電流的檢測器1，其一般由磁芯和二次繞組4構成，在磁芯中穿過中線2和相線3，所述中線和相線和負載(未示出)的輸入端相連，並且在存在故障電流時，在二次繞組4兩端便產生電壓。電子耦聯繫統電路5被提供在檢測器4和啟動器6之間，接收來自二次繞組兩端產生的電壓信號。
剩餘電流電路斷路器還包括一個跳閘或釋放機構7，其由啟動器6啟動，並在出現接地故障電流時打開電路的觸點8和9。
在剩餘電流電路斷路器使用的常規的啟動器是電磁型的，例如去磁型的電磁繼電器，並具有以下缺點。
這些啟動器對磁場是敏感的，這影響它們的操作。例如，磁場的存在可能引起啟動器的誤啟動，或者外部磁場可能改變電磁繼電器的磁化狀態，因而改變剩餘電流電路斷路器的靈敏度。
所述啟動器對撞擊和振動也是敏感的，並且在機械上是複雜的，因而成本是高的。
本發明的目標在於提供一種對外部磁場不敏感的用於剩餘電流裝置的雙穩態啟動器。
在這一目標的範圍內，本發明的目的在於提供一種用於剩餘電流裝置的雙穩態啟動器，其能夠利用極短的啟動時間提供可靠的保護。
本發明的另一個目的在於提供一種用於剩餘電流裝置的雙穩態啟動器，其需要小的觸發能量，從而使得這種啟動器可以用於自供電的剩餘電流電路斷路器中，其中可利用的小量的能量僅僅是由接地故障電流得到的。
本發明的另一個目的在於，提供一種用於剩餘電流裝置的雙穩態的啟動器，其對撞擊和振動基本上是不敏感的。
本發明的另一個目的在於，提供一種用於剩餘電流裝置的雙穩態的啟動器，其可靠性高，製造容易，並且成本低。
本發明的這個目標和這些目的以及其它方面是通過一種用於剩餘電流裝置的雙穩態啟動器實現的，所述啟動器包括金屬薄層和支撐結構，其特徵在於所述薄層在其第一端的至少一個面上配備有至少一層壓電材料，所述第一端通過互鎖連接被插入所述支撐結構中，所述薄層的和第一端相對的第二端剛性地和支撐結構相連，使得把所述薄層被保持在第一穩定的平衡位置。
本發明的其它特徵和優點由下面結合附圖對優選實施例進行的詳細說明會更加清楚地看出，其中的優選實施例是非唯一的非限制性的例子，其中圖1是剩餘電流電路斷路器的示意的方塊圖；圖2是按照本發明的雙穩態啟動器的示意的側視圖；圖3是圖2的平面圖，用於說明按照本發明的雙穩態啟動器；圖4是按照本發明的雙穩態啟動器的第二實施例；圖5是按照本發明的雙穩態啟動器的第三實施例；圖6是按照本發明的雙穩態啟動器的第四實施例；圖7是按照本發明的的雙穩態啟動器第五實施例；圖8是按照本發明的的雙穩態啟動器第六實施例；圖9是按照本發明的的雙穩態啟動器第七實施例；圖10是按照本發明的的雙穩態啟動器第八實施例；圖11是按照本發明的的雙穩態啟動器第九實施例；
圖12是按照本發明的的雙穩態啟動器第十實施例；圖13是按照本發明的位於優選的結構中的啟動器。
參見上面的附圖，特別是圖2到圖13，按照本發明的雙穩態啟動器包括金屬薄層10，其基本上具有矩形的形狀；至少一層壓電材料11被設置在薄層的至少一個面的至少一部分上；具體地說，在優選實施例中，一層壓電材料11被固定在薄層10的第一端。
在其上設置有一層壓電材料11的金屬薄層10的第一端以互鎖連接的方式被插入支撐部件12中。
和第一端相對的薄層的第二端剛性地和支撐部件13相連，使得阻止薄層10的剛性連接端的任何運動。在這種情況下，薄層10處於第一個穩定平衡位置，如圖13的虛線所示。
在優選實施例中，支撐12和13是一個整體，此外，它們也可以是兩個不同的部件。
最好兩層壓電材料11被設置在薄層10的所述第一端的兩個相對的表面；這些層11被基本上相互平行地以雙壓電晶片的結構設置，把金屬薄層插在其間；此外，壓電材料11也可以被重疊地設置在薄層10的同一個面上。
壓電層11的一部分以互鎖連接的方式和薄層10一起插入支撐部件12中。這使得形成剛性連接，其中壓電材料11的作用類似樞軸，並以最佳的方式把彎曲運動向薄層10的自由部分傳遞，即向薄層10的和壓電層11相連的第一端和與支撐部件12相連的第二端之間的部分傳遞。
按照本發明的雙穩態啟動器的操作如下薄層受到軸向壓力，處於如圖13虛線所示的變形狀態。在壓電層11的自由的尖端上薄層10的偏轉，即相對於未變形狀態的變形比在薄層的自由部分上的變形小得多，因為壓電部分11的剛性比薄層10的自由部分強得多。
在存在接地故障電流時，對壓電層產生電啟動信號，引起壓電層變形。被設置有壓電材料的金屬薄層10的部分發生彎曲，並且在沒有以互鎖連接的方式被插入的壓電材料的端部上的偏轉減少，並運動到未變形狀態的虛線之外。用這種方式，薄層10成為非穩態的，因而快速運動到第二穩定位置，於是形成啟動，如圖13的實線所示。一般地說，這個啟動作用必然引起和剩餘電流電路斷路器的跳閘裝置相連的銷釘14的啟動。
應當注意，其上設置有壓電材料層11的薄層10的端部以互鎖連接方式被插入支撐部件中，以便使啟動器獲得最大的穩定，使沒有被插入支撐部件的端部的壓電元件得到最大的彎曲。
由於使用壓電材料，按照本發明的雙穩態啟動器固有地對磁場不靈敏。此外，壓電層11被粘結在薄層10上，這確保高度緊湊的結構，其製造簡單，相應地比常規的啟動器成本較低。
這樣設計出的啟動器也可以是雙穩態的這有助於實現所需的小的快速動作能量，從而使這種啟動器可以應用於自供電的剩餘電流電路斷路器中，其中只從接地故障電流中得到少量的可利用的能量。
此外，在特定的優選實施例中，如圖13所示，薄層10的端部以相對於在未變形狀態下的薄層的中心平面相互錯開的位置和支撐結構12相連。這使得能夠減少使薄層從一種狀態快速轉換為另一種狀態所需的能量。
薄層10可以利用超彈性的材料製成，以便對於提供同樣的衝擊和作用力需要較低的快速動作能量。當啟動器的長度被減少到某個值以下時，這種選擇是需要的。除去由超彈性的材料或偽彈性材料製成之外，薄層10也可以由線性超彈性材料製成。
儘管其具有雙穩態性質，通過選擇薄層10的合適的形狀，並局部減少其厚度，如圖4-12所示，按照本發明的啟動器在任何情況下都對撞擊和振動不敏感，因為在剩餘電流電路斷路器中，尤其是自供電型的，只有少量的能量可被利用，而又要達到快速的動作時間，因而需要雙穩態的薄層10在剛性、質量和尺寸方面滿足某些要求。
由上述可見，因而需要使啟動器的驅動能量最小，以便增加其機械穩定性，並使它的力位移特性最佳。為此目的，至少薄層10的接近和支撐結構13剛性相連的第二端的一部分一般被形成一定形狀，使得提供一種功能鉸鏈(funtional hinge)。具體地說，可以提供這種具有一定形狀的部分，在該部分的寬度和厚度被減少。
圖4和圖5是按照本發明的啟動器的側視圖，如圖所示，可以在由標號15表示的區域提供薄層10的截面的厚度被減少的部分。厚度減少的做法可以僅僅提供在金屬薄層10的接近所述第二端的部分，也可以提供在接近壓電層11的位置。
參見圖6-12，其中示出了本發明的啟動器的另一個實施例，其中金屬薄層10被形成一定的形狀，使其至少一部分具有被減少的寬度。具體地說，可以通過形成形狀合適的槽16實現寬度的減少，也可以只在薄層10的靠近第二端的部分提供這些槽，如圖6所示，或者在和壓電材料11相鄰的部分提供這些槽，如圖7所示。最好在每個感興趣的部分形成兩個槽16，它們可以是如圖6、7的方槽16，或如圖8、9的圓槽。
圖10-12是按照本發明的啟動器的另一個實施例，其中至少薄層10的一部分被形成一定形狀，使得其具有被減少的寬度。具體地說，如圖11所示，薄層10的和第二端鄰接的部分呈錐形。此外，和壓電材料層11鄰接的薄層10的部分也可以被形成錐形的形狀，如圖10和12所示。
實際上可以看出，按照本發明的啟動器完全實現了設計目標和目的，因為其能夠實現以極低的能量消耗獲得極短的啟動時間。
在存在接地故障電流的情況下，如果在剩餘電流電路斷路器中使用這種啟動器，則產生用於使壓電元件變形的電啟動信號。被粘結有壓電元件的金屬薄層的部分彎曲，並在所述彎曲期間，使薄層的自由部分快速動作到第二穩定狀態。
使金屬薄層10的端部具有不同形狀的做法使得能夠減少所需的啟動能量。
按照本發明的的啟動器可以用於各種裝置中。具體地說，可以用於剩餘電流電路斷路器中，如前所述。或者用於剩餘電流組件中，即和熱磁電路斷路器相連的組件中。此外還可以用於其它類型的電路斷路器或遮斷裝置中。
因而，這樣設計出的啟動器具有大量的改型和改變，這些都落在本發明的範圍之內。此外，所有的細節都可以用等效元件代替。
實際上，所使用的材料和尺寸，只要其滿足特定的用途，按照本領域的技術狀態和要求，可以不受限制。
權利要求
1.一種用於剩餘電流裝置的雙穩態啟動器，包括金屬薄層和支撐結構，其特徵在於所述薄層在其第一端的至少一個面上配備有至少一層壓電材料，所述第一端通過互鎖連接被插入所述支撐結構中，所述薄層的和第一端相對的第二端剛性地和支撐結構相連，使得把所述薄層被保持在第一穩定的平衡位置。
2.如權利要求1所述的雙穩態啟動器，其特徵在於，所述壓電材料層至少一部分和所述薄層一起以互鎖連接的方式被插入所述支撐結構中。
3.如權利要求1所述的雙穩態啟動器，其特徵在於，其包括被設置在所述薄層的第一端的兩個面上的兩層壓電材料。
4.如權利要求1所述的雙穩態啟動器，其特徵在於，所述金屬薄層的第一端和第二端以相對於未變形狀態下的薄層的中心面相互錯開的位置和支撐結構相連。
5.如前面一個或幾個權利要求所述的雙穩態啟動器。其特徵在於，所述薄層至少在所述第二端附近的位置具有減少的寬度。
6.如權利要求5所述的雙穩態啟動器，其特徵在於，所述金屬薄層在所述第二端附近的部分具有兩個槽。
7.如前面一個或幾個權利要求所述的雙穩態啟動器。其特徵在於，所述薄層在和所述壓電材料層鄰接的部分具有減少的寬度。
8.如權利要求7所述的雙穩態啟動器，其特徵在於，所述金屬薄層在和所述壓電材料層鄰接的部分具有兩個槽。
9.如權利要求1-4中一個或幾個所述的雙穩態啟動器，其特徵在於，所述金屬薄層在所述第二端附近的部分具有錐形的形狀。
10.如權利要求9所述的雙穩態啟動器，其特徵在於，所述金屬薄層在和所述壓電材料層鄰接的部分具有錐形的形狀。
11.如權利要求1-4一個或幾個所述的雙穩態啟動器，其特徵在於，所述金屬薄層至少在所述第二端附近被形成一定形狀，使得其具有較薄的橫截面。
12.如前面一個或幾個權利要求所述的雙穩態啟動器，其特徵在於，所述薄層是由超彈性或偽彈性(pseudoelastic)材料製成的。
13.一種剩餘電流電路斷路器，其特徵在於其包括按照前面一個或幾個權利要求所述的雙穩態啟動器。
14.一種剩餘電流組件，其特徵在於，其包括按照權利要求1-12中的一個或幾個所述的雙穩態啟動器。
全文摘要
一種用於剩餘電流裝置的雙穩態啟動器,包括被設置在其至少一個表面的金屬薄層,所述薄層的至少一部分配備有壓電材料層,所述薄層的具有壓電材料層的一端利用互鎖連接被插入支撐結構中。其相對端被剛性地和支撐結構相連,使得薄層處於被加載的狀態。
文檔編號H01L41/09GK1258088SQ99127069
公開日2000年6月28日 申請日期1999年12月24日 優先權日1998年12月24日
發明者A·夏卡, P·曼杜裡諾, D·科隆納, F·莫裡科尼 申請人:Abb裡切爾卡有限公司