包括熱脫扣組件和印刷電路板羅氏線圈的電路斷續器的製作方法

2023-05-19 04:59:56 1

本申請要求在2014年6月24日提交的美國專利申請系列號14/312,994的優先權並且要求其權益，所述美國申請通過引用結合於此。

本申請與在2014年6月24日提交的標題為「Thermal Trip Assembly and Circuit Interrupter Including the Same(熱脫扣組件和包括其的電路斷續器)」的共同受讓、共有的美國專利申請系列號14/312,917有關。

技術領域

所公開的構思總體上涉及電路斷續器，具體涉及包括基於溫度和基於電流的脫扣機構的電路斷續器。

背景技術：

電路斷續器——例如但不限於，斷路器——典型地為用於保護電路以免由於諸如過載狀態的過流狀態、短路或諸如電弧故障或接地故障的另一種故障狀態而損壞。斷路器典型地包括可分離觸頭。可分離觸頭可藉助於操作手柄手動操作或響應於檢測到的故障狀態而自動操作。典型地，此類斷路器包括設計成快速開閉可分離觸頭的操作機構和感測一定數量的故障狀態以使斷路器自動脫扣的諸如脫扣單元的脫扣機構。在感測到故障狀態時，脫扣單元使操作機構脫扣至脫扣狀態，這使可分離觸頭運動到它們的斷開位置。

斷路器中的故障狀態通常通過感測流經受保護的電路的電流或通過感測斷路器中的導體的溫度來檢測。斷路器通常採用諸如電子脫扣單元或磁性脫扣單元的機構以基於流經受保護的電路的電流來引發脫扣。通過電子脫扣單元或磁性脫扣單元引發的脫扣通常是即時的或在預定延遲之後引發。電流傳感器用於斷路器中以感測流經斷路器中的導體的電流。一些斷路器已使用電流互感器來獲獲取電力並感測電流。然而，電流互感器在設計成避免在斷路器的額定電流下飽和的情況下會比較大。

為了基於斷路器中的導體的溫度來引發脫扣，斷路器已採用基於雙金屬的機構。更具體地，受保護的電路中的電流流經斷路器中的一塊雙金屬，從而引起雙金屬的溫度上升。隨著雙金屬的溫度上升，雙金屬彎曲。一旦雙金屬足夠的量，就觸發引起脫扣的機制，例如鎖閂被釋放。

基於溫度的脫扣通常由受保護的電路中引起受保護的電路中的導體升溫的持續過流狀態引起。然而，難以精確地控制引發基於溫度的脫扣所需的時間量和電流量。特別是難以校準性能會顯著地變化的基於雙金屬的脫扣機構。

美國專利公開No.2014/0078633公開了一種與電子脫扣單元相結合地用於提供基於溫度的脫扣的溫度傳感器。然而，依然擔心溫度傳感器的安放，因為直接靠著導體安放溫度傳感器會損壞溫度傳感器，而靠近導體安放溫度傳感器會導致溫度傳感器讀數與導體的實際溫度之間的時滯。

電路斷續器存在改進的餘地。

基於溫度的脫扣機構存在改進的餘地。

技術實現要素：

這些和其它需求通過所公開的構思的實施例來滿足，在所述實施例中，電路斷續器包括印刷電路板羅氏線圈和熱脫扣組件。

根據所公開的構思的一方面，一種電路斷續器包括：第一端子；第二端子；將所述第一端子和第二端子電連接的多個匯流排(busbar)；可在閉合位置與斷開位置之間移動的可分離觸頭，所述第一端子和第二端子在所述可分離觸頭處於所述斷開位置時彼此脫離電連接；構造成斷開所述可分離觸頭的操作機構；構造成與所述操作機構配合以斷開所述可分離觸頭的致動器；構造成感測在所述第一端子與所述第二端子之間流動的電流的印刷電路板羅氏線圈(printed circuit board Rogowski coil)；構造成從在所述第一端子與所述第二端子之間流動的電流獲取電力的電流互感器；電子脫扣單元，其包括：另一脫扣電路，所述另一脫扣電路構造成基於通過所述電流傳感器感測到的電流而輸出第一脫扣信號以控制所述致動器與操作機構配合而斷開所述可分離觸頭；和熱脫扣組件，其構造成感測所述多個匯流排中的一個匯流排的溫度並且基於感測到的溫度而輸出第二脫扣信號。

附圖說明

當結合附圖閱讀時可從以下對優選實施例的描述充分理解所公開的構思，在附圖中：

圖1是根據所公開的構思的示例性實施例的電路斷續器的示意性形式的電路圖；

圖2是根據所公開的構思的示例性實施例的熱脫扣電路的電路圖；

圖3是根據所公開的構思的實施例的包括環境溫度傳感器的電路斷續器的示意性形式的電路圖；

圖4是根據所公開的構思的示例性實施例的包括與環境溫度傳感器相關的電路的熱脫扣電路的電路圖；

圖5是根據所公開的構思的示例性實施例的匯流排的等距視圖；

圖6是根據所公開的構思的另一示例性實施例的另一匯流排的等距視圖；

圖7是根據所公開的構思的示例性實施例的具有電流互感器和安裝在該電流互感器上的羅氏線圈的圖6的匯流排的等距視圖；

圖8是根據所公開的構思的示例性實施例的絕緣套筒、溫度傳感器和緊固件的分解圖；以及

圖9是根據所公開的構思的示例性實施例的羅氏線圈的正視立面圖。

具體實施方式

文中所使用的方向用語，例如「左」、「右」、「前」、「後」、「頂部」、「底部」及其派生詞涉及附圖所示的元件的取向，而並非對權利要求加以限制，除非權利要求中清楚地敘述。

如文中所用，兩個或多個零件「聯接」在一起的表述應意味著所述零件被直接接合在一起或者通過一個或多個中間零件接合。

在圖1中，電路斷續器1包括通過諸如匯流排的電導體或其它合適的電導體電連接的第一端子2和第二端子4。電路斷續器1還包括在第一端子2與第二端子4之間電連接的可分離觸頭6。可分離觸頭6在閉合時允許電流在第一端子2與第二端子4之間流動。當可分離觸頭6斷開時，第一端子2與第二端子4之間的電連接斷開並且電流無法在它們之間流動。電路斷續器1中所包括的操作機構8構造成斷開或閉合可分離觸頭6。電路斷續器1中也包括的致動器10構造成與操作機構8配合以使操作機構8斷開或閉合可分離觸頭6。

電路斷續器1還包括電子脫扣單元12。電子脫扣單元12包括與感測在第一端子2與第二端子4之間流動的電流的電流傳感器14(例如但不限於，羅氏線圈)電連接的另一脫扣功能電路17。另一脫扣功能單元17構造成基於感測到的在第一端子2與第二端子4之間流動的電流而控制致動器10以引發脫扣。

電子脫扣單元12還包括電源電路15。電源電路15與構造成從在第一端子2與第二端子4之間流動的電流獲取電力的電流互感器16電連接。電源電路15構造成調整所取得的電力以使得它可被提供給電路斷續器1中的各種構件。

電子脫扣單元12中所包括的熱脫扣組件20構造成感測在第一端子2與第二端子4之間電連接的導體(例如但不限於，匯流排，例如相應圖5和6的示例性匯流排60、60』)的溫度，並且基於感測到的溫度而引發脫扣。熱脫扣組件20包括絕緣套筒22和構造成將絕緣套筒22與導體聯接以使得其與導體直接接觸的緊固件24。溫度傳感器26(例如但不限於，熱敏二極體)裝配在絕緣套筒22內部，使得絕緣套筒22配置在溫度傳感器26與導體之間。溫度傳感器26構造成感測溫度並且基於感測到的溫度而輸出電信號。

絕緣套筒22由具有良好的電絕緣特性的材料製成。絕緣套筒22也具有適當高的熱傳導率和適當低的熱電容。絕緣套筒的熱傳導率和熱電容特性允許溫度傳感器26快速和精確地感測導體的溫度。在所公開的構思的一些示例性實施例中，絕緣套筒22由導熱矽酮材料(thermal silicone material)製成。在所公開的構思的另一些示例性實施例中，絕緣套筒22由基於矽橡膠的材料——例如但不限於，帶陶瓷填料的矽橡膠——製成。然而，本領域的普通技術人員應理解，所公開的構思並不局限於此。具有合適的熱傳導率和合適的熱電容特性的任何材料均可用於絕緣套筒22中。在所公開的構思的一些示例性實施例中，絕緣套筒22具有在約1.2W/mK至約1.8W/mK的範圍內的熱傳導率和在約1.05kJ/kgK至約1.3kJ/kgK的範圍內的比熱容。

雖然所公開的緊固件24是夾子，但本領域的普通技術人員應理解，可採用適於將絕緣套筒22與導體聯接的任何類型的緊固件而不脫離所公開的構思的範圍。

除溫度傳感器26外，熱脫扣組件20還可包括環境溫度傳感器28(圖3)。環境溫度傳感器28與溫度傳感器26相似地感測溫度。然而，環境溫度傳感器28配置在遠離導體的位置處以便感測電路斷續器1內部的環境溫度。本領域的普通技術人員應理解，可省去環境溫度傳感器28而不脫離所公開的構思的範圍。

溫度傳感器26和可選的環境溫度傳感器28(圖3)(如果採用的話)兩者均與熱脫扣電路30電連接。熱脫扣電路30構造成基於感測到的溫度傳感器26和環境溫度傳感器28的溫度而控制致動器10以引發脫扣。將參考圖2-4更詳細地說明熱脫扣電路30、30』。

圖2是在熱脫扣組件20(圖1)不包括環境溫度傳感器28時的熱脫扣電路30的例子。熱脫扣電路30包括溫度感測電路32、差分放大電路34、跟隨電路36、積分器38和比較電路40。

溫度感測電路32與在圖2中表示為示例性二極體的溫度傳感器26電連接。溫度感測電路32利用第一恆定電壓VA和運算放大器來向溫度傳感器26提供恆定電流。溫度傳感器26兩端的電壓基於通過溫度傳感器26感測到的溫度而變化，並且因此溫度感測電路32的輸出端的電壓也變化相同的量。

差分放大電路34構造成放大溫度感測電路32的輸出與第二恆定電壓VB之差。跟隨電路36構造成用作差分放大電路34與積分電路38之間的緩衝。積分電路38包括布置為積分器的電阻和電容。積分電路38構造成使跟隨電路36的輸出的任何瞬態噪音和交流電分量平滑。

比較電路40與積分電路38的輸出端電連接。比較電路40構造成將積分電路38的輸出與基準電壓VREF進行比較。當積分電路38的輸出超過基準電壓VREF時，比較電路40輸出輸出電壓VO。輸出電壓VO用於控制致動器10以引發脫扣。

恆定電壓VA、VB、基準電壓VREF以及熱脫扣電路30中的構件的電阻和電容可被選擇成使得熱脫扣電路30控制致動器10以在導體的溫度超過預定水平時引發脫扣。各值可通過實驗、理論或採用其任何合適的組合方式確定。

熱脫扣組件20具有比基於雙金屬的熱脫扣單元更低的性能變化。此外，熱脫扣組件20更容易校準並且脫扣性能設定調節的靈活性比基於金屬的熱脫扣單元要高。可通過經電路中的可變電阻器調節VREF值來實現電子脫扣單元12的校準。

參照圖3，根據所公開的構思的示例性實施例的電路斷續器1』包括與圖1的電路斷續器1相似的構件。然而，圖3的電路斷續器包括熱脫扣組件20』，該熱脫扣組件也包括環境溫度傳感器28。環境溫度傳感器28與溫度傳感器26相似。然而，環境溫度傳感器28遠離導體配置並且構造成感測電路斷續器1』內部的環境溫度。環境溫度傳感器28與熱脫扣電路30』電連接。圖3的熱脫扣電路30』與圖1的熱脫扣電路30相似，除了圖3的熱脫扣電路30』包括與環境溫度傳感器28相關的附加電路以外。

如圖4所示，熱脫扣電路30』包括與溫度傳感器26相關的溫度感測電路32、差分放大電路34、跟隨電路36和積分電路38。熱脫扣電路30』也包括與環境溫度傳感器28相關的環境溫度感測電路42、環境差分放大電路44、環境跟隨電路46、環境積分電路48和環境輸出電路50。

更具體而言，環境溫度感測電路42與在圖4中表示為示例性二極體的環境溫度傳感器28電連接。環境溫度感測電路42使用第三恆定電壓VC和運算放大器來向環境溫度傳感器28提供恆定電流。環境溫度傳感器28兩端的電壓基於通過環境溫度傳感器28感測到的溫度而變化，並且因此環境溫度感測電路42的輸出端的電壓也變化相同的量。

環境差分放大電路44構造成放大環境溫度感測電路42的輸出與第四恆定電壓VD之差。環境跟隨電路46構造成用作環境差分放大電路44與環境積分電路48之間的緩衝。環境積分電路48包括布置為積分器的電阻和電容。環境積分電路48構造成使環境跟隨電路46的輸出的任何瞬態噪音和交流電分量平滑。

環境輸出電路50與環境積分電路48的輸出端和比較電路40的輸入端電連接。環境輸出電路50構造成用作環境積分電路48與比較電路40之間的緩衝。

比較電路40與積分電路38的輸出端和環境輸出電路50的輸出端電連接。在比較電路40的輸入端從積分電路38的輸出扣除(subtract)環境輸出電路50的輸出。比較電路40將所得到的電壓與基準值VREF進行比較。當比較電路40的輸入超過基準電壓VREF時，比較電路40輸出輸出電壓VO。輸出電壓VO用於控制致動器10以引發脫扣。

恆定電壓VA、VB、VC、VD、基準電壓VREF以及熱脫扣電路30』中的構件的電阻和電容可被選擇成使得熱脫扣電路30』控制致動器10以在導體的溫度超過預定水平時引發脫扣。各值可通過實驗、理論或採用其任何合適的組合方式確定。通過在熱脫扣組件20』中包括環境溫度傳感器28和相關的電路，在判斷是否引發脫扣時可考慮電路斷續器1』的環境溫度。在環境溫度比較高時考慮環境溫度特別有用。可通過經電路中的可變電阻器調節VREF值來實現電子脫扣單元12的校準。

參照圖5，示例性匯流排60包括平坦部62。緊固件24將絕緣套筒22和溫度傳感器26聯接至匯流排60的平坦部62以便絕緣套筒22與匯流排60的平坦部62直接接觸。匯流排60還包括第一連接部64和第二連接部66。第一連接部64沿大致垂直於平坦部62的方向從平坦部62的端部延伸。第二連接部66沿大致垂直於平坦部62的方向從平坦部62的一側延伸。第一連接部64和第二連接部66適於匯流排60與其它匯流排的電連接。

參照圖6，另一示例性匯流排60』包括平坦部62』。緊固件24將絕緣套筒22和溫度傳感器26與匯流排60』的平坦部62』聯接以便絕緣套筒22與匯流排60』的平坦部62』直接接觸。匯流排60』還包括從平坦部62』的端部沿大致垂直於平坦部62』的方向延伸的第一連接部64』。匯流排60』還包括從平坦部62』的一側沿大致垂直於平坦部62』的方向延伸的板部72。板部72的第一端與平坦部62』的一側連接，並且板部72的第二端具有自其延伸的彎曲部。該彎曲部包括沿大致垂直於板部72的方向延伸的第一部分74和從第一部分74的端部延伸的第二部分76。第一部分74和第二部分76彼此大致垂直。匯流排60』可經由第一連接部64』和彎曲部的第二部分76與其它匯流排電連接。

參照圖7，電流傳感器14和電流互感器16配置在匯流排60』的彎曲部周圍。在圖7所示的示例性實施例中，電流傳感器14是印刷電路板(PCB)羅氏線圈。PCB羅氏線圈包括由其上印刷有繞組的PCB組成的芯部，與包括由空氣和由一定數量的電導體(即，電線)製成的繞組組成的空心羅氏線圈相反。PCB羅氏線圈提供流經匯流排60』的電流的線性和精確的測量。PCB羅氏線圈由於精確的匝數和製造的可重複性而提供比空心羅氏線圈更一致的測量結果。此外，與電流互感器不一樣，PCB羅氏線圈不容易飽和(saturation)。在一些示例性實施例中，羅氏線圈具有約31mm的外徑、約8mm的內徑和約3.2mm的厚度。在一些示例性實施例中，電流互感器16具有約30mm的外徑、約8mm的內徑和約12mm的厚度。

如圖7所示，PCB羅氏線圈和電流互感器16配置在匯流排60』的彎曲部的第一部分74周圍。由於電流互感器16未用於感測電流，所以它是否飽和沒有關係，並且因此可採用比較小的電流互感器14。包括絕緣套筒22、溫度傳感器26、電流互感器16和PCB羅氏線圈的匯流排60』共同具有比較小的尺寸並且可用於電路斷續器中以提供溫度和電流感測以及獲取電力，對電路斷續器的改造或尺寸影響比較小。

參照圖8，溫度傳感器26構造成嵌合在絕緣套筒22內。緊固件24然後安放在絕緣套筒22周圍。緊固件24然後可用於將絕緣套筒22和溫度傳感器與匯流排——例如但不限於，圖5-7所示的任何匯流排60、60』——聯接。

在圖9中，圖7的PCB羅氏線圈被示出與匯流排60』分離。PCB羅氏線圈包括由例如但不限於玻璃纖維-環氧樹脂層壓材料製成的PCB基板80。如圖9所示，PCB羅氏線圈包括印刷在PCB基板上的多個內端子82和外端子84。印刷在PCB基板上的繞組86將內端子82和外端子84電連接。在該示例性實施例中，繞組36具有位於順時針方向上的36匝和位於逆時針方向上的36匝。繞組86串聯地電連接，使得由附近磁場誘發的噪音被消除並且使信號加倍。在另一示例性實施例中，可使用兩個PCB羅氏線圈並且這兩個PCB羅氏線圈上的繞組可在相反方向上串聯地電連接以實現噪音消除效果。

在PCB基板上還印刷有適於將PCB羅氏線圈與外部電路電連接的輸出端子88。在所公開的構思的一些示例性實施例中，PCB羅氏線圈具有在約26-36mm的範圍內的外徑。在所公開的構思的一些示例性實施例中，PCB羅氏線圈具有在約3-13mm的範圍內的內徑。在所公開的構思的一些示例性實施例中，PCB羅氏線圈具有在約2-5mm的範圍內的厚度。然而，應理解，PCB羅氏線圈的尺寸可變化而不脫離所公開的構思。

雖然已詳細描述了所公開的構思的特定實施例，但本領域的技術人員應理解，可借鑑公開內容的整體教導發展這些細節的各種改型和變型。因此，所公開的具體裝置僅為說明性的而非限制所公開的構思的範圍，所述範圍由所附權利要求及其任何和全部等同方案的全部涵蓋內容給出。