CN102272876A - 包括多个开关组件的开关设备以及相关方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改进的电气开关设备，该设备包括处于联动构型的多个电气开关组件。桥接装置将所述电气开关组件的致动器装置机械地连接在一起，以便当在所述联动的电气开关组件中的任何一个上检测到过载或电弧故障时，使得所有电气开关组件同时脱扣。

Description

包括多个开关组件的开关设备以及相关方法

技术领域

本发明涉及电气开关设备，尤其涉及电路中断器，例如提供电弧故障保护的飞行器或航空断路器。本发明还涉及包括构造为同时操作的多个电路中断器的电气开关设备。

背景技术

断路器被用于保护电气电路免受由于过电流状况(例如过载状况或较高电平短路或故障状况)导致的损害。在用于住宅和轻型商业应用的通常被称为小型断路器的小的断路器中，这样的保护通常由热磁脱扣装置提供。此脱扣装置包括双金属器件，其响应持续的过电流状况而发热和弯曲。该双金属器件继而解锁弹簧供能的操作机构，该操作结构打开断路器的可分离触点以中断受保护电力***中的电流。

例如在飞行器或航空电气***中使用微型/超小型断路器，其中该微型断路器不仅提供过电流保护，而且还用作开通和断开设备的开关。这种断路器必须很小以适应断路器面板的高密度布局，这使得断路器用于用户可接近的大量电路。例如飞行器电气***通常包括数百个断路器，每个断路器通过推拉手柄用于电路保护功能以及电路断开功能。在开发和使用任何给定飞行器所要求的各种各样的断路器方案方面存在困难。

通常，微型断路器已提供了对于持续过电流的保护，这由双金属器件响应过电流导致的I²R加热而触发的闩锁实现。对于提供附加保护、最重要的是电弧故障保护的兴趣在日益增加。

在偶尔发生的电弧故障状况期间，断路器的过载性能将不起作用，这是因为故障电流的均方根(RMS)值过小以至于不能致动自动脱扣电路。给断路器添加电子电弧故障感测可以添加溅射电弧故障保护所需的其中一个元件——理想地，电子电弧故障感测电路的输出直接脱扣和从而打开断路器。参见例如美国专利第6,710,688；6,542,056；6,522,509；6,522,228；5,691,869以及5,224,006号。

在例如断路器上致动测试功能的常见方法包括采用机械按钮开关。参见例如美国专利第5,982,593；5,459,630；5,293,522；5,260,676；以及4,081,852号。但是，这样的机械机构常常由于机械应力而失效，并且可能被错误地致动。此外，当在相对小的断路器(例如微型断路器)上使用时，这样的机械机构具有相对大的尺寸。

近距离传感器(proximity sensor)包括例如霍尔效应传感器。用在自动金属检测器中的这些传感器在暴露于磁体时改变它们的电气特性。通常，这样的传感器具有用于电源电压、信号和地的三条缆线。

在特定应用场合使用的电器开关设备存在改进的空间。

发明内容

这些要求以及其它要求由本发明满足，本发明提供了一种电气开关设备，该电气开关设备包括处于一起联动(ganged-together)构型的形式为小型断路器的多个电气开关组件。其它要求由使用该电气开关设备的改进的方法满足。

本发明的一个方面是，从多个电气开关组件构造电气开关设备，所述电气开关组件可具有不同的额定负载容量。

本发明的另一方面是，提供具有多个电气开关组件的电气开关设备，所述多个电气开关组件被桥接在一起以便同时操作。

因此，本发明的另一个方面是，提供一种电气开关设备，该电气开关设备的总体性质可被阐述为包括多个电气开关组件、连接组件和桥接装置。所述电气开关组件中的每一个包括壳体、可分离触点、构造成打开和关闭可分离触点的操作机构、能够沿其伸长方向在OFF(关断)和ON(接通)位置之间平移并且与操作机构协作以打开和闭合可分离触点的伸长致动器装置、以及与操作机构协作以脱扣打开可分离触点的脱扣组件。该连接组件构造成将电气开关组件机械地连接在一起。该桥接装置构造成将致动器装置机械地连接在一起。

利用该电气开关设备中断电路的至少一部分的独创性方法总体上可阐述为包括：通过其中一个电气开关组件的脱扣组件来触发它的操作机构，以便脱扣打开它的可分离触点并且使它的致动器装置朝OFF位置平移，以及利用桥接装置来使其它电气开关组件的致动器装置朝它们的OFF位置移动并且打开它们的可分离触点。

附图说明

通过结合附图阅读下文对优选实施例的描述，可以更充分地理解本发明，在附图中：

图1是根据本发明的断路器的框图。

图2是图1的处理器、电源、有源整流器和增益级(gain stage)、尖峰检测器和霍尔效应传感器的示意形式的框图。

图3是采用图1的断路器的电气开关设备的分解图。

图4是安装到面板上并且处于ON位置的图3的电气开关设备的前视图。

图5是与图4类似的视图，但是示出电气开关设备处于OFF或TRIPPED(脱扣)位置。

图6是与图5类似的视图，但是示出显示指示器的其中一个断路器，该指示器指示电弧故障状况。

图7是图3的电气开关设备的紧固器组件的分解图。

具体实施方式

本发明是关于飞行器或航空电弧故障断路器进行描述的，但是本发明可应用于很大范围内的电气开关设备，例如，适于检测电力电路中的各种故障(例如电弧故障或接地故障)的电路中断器。

参照图1，形式为电弧故障断路器1的电气开关组件连接在电力***11中，该电力***11具有线路导体(L)13和中性导体(N)15。断路器1包括电连接在线路导体13中的可分离触点17。可分离触点17由操作机构19打开和关闭。除了通过手柄(未示出)手动操作之外，操作机构19还可由脱扣组件21致动以打开可分离触点17。此脱扣组件21包括常规的双金属器件23，该双金属器件23被持续的过电流加热并且弯曲以致动操作机构19以便打开可分离触点17。脱扣组件21中的衔铁25被非常高的过电流产生的很大磁力所吸引，从而也致动操作机构19并且提供瞬时脱扣功能。

断路器1还具有电弧故障检测器(AFD)27。AFD 27通过监控经引线31相对于局部地基准47跨双金属器件23的电压，来感测电力***11中的电流。如果AFD 27检测到电力***11中的电弧故障，则生成脱扣信号35，该脱扣信号35接通开关(例如可控硅整流器(SCR)37)以便给脱扣螺线管39通电。脱扣螺线管39在被通电时致动操作机构19以打开可分离触点17。与螺线管39的线圈串联的电阻器41限制线圈电流，并且电容器43保护SCR 37的栅极免受电压尖峰和由于噪声而错误脱扣。可选择地，不需要使用电阻器41。

AFD 27与操作机构19协作以响应电弧故障状况而脱扣打开可分离触点17。AFD 27包括有源整流器和增益级45，其整流和适当地放大通过引线31和局部地基准47跨双金属器件23的电压。有源整流器和增益级45在输出51上输出代表双金属器件23中的电流的整流信号49。整流信号49由尖峰检测器电路53和微控制器(μC)55输入。

有源整流器和增益级45以及尖峰检测器电路53形成第一电路57，该第一电路57适于基于在电力***11中流动的电流来确定整流交流电流脉冲的尖峰幅值59。尖峰幅值59由尖峰检测器电路53存储。

μC 55包括模数转换器(ADC)61、微处理器(μP)63和比较器65。μP 63包括一个或多个电弧故障算法67。ADC 61将整流交流电流脉冲的模拟尖峰幅值59转换成对应的数字值以便由μP 63输入。μP 63、电弧故障算法67以及ADC 61形成第二电路69，该第二电路69适于确定电流脉冲的尖峰幅值是否大于预定幅值。继而，算法67相应地采用该尖峰幅值以确定电力***11中是否存在电弧故障状况。

μP 63包括适于重置尖峰检测器电路59的输出71。第二电路69还包括比较器65，以便基于从适当的基准73(例如，稍大于0的合适的正值)的以上或以下(或者从以上到以下)转变的整流信号49来确定在电力***11中流动的交流电流脉冲的状态的改变(或者，负(即，负向)过零点)。响应于由比较器65确定的此负过零点，μP 63使得ADC 61将尖峰幅值59转换成对应的数字值。

AFD 27采用的示例性电弧故障检测方法是“事件驱动”，即，在由比较器65检测到出现电流脉冲之前，该方法不工作(例如，睡眠)。当这种电流脉冲出现时，算法67记录由尖峰检测器电路53和ADC 61确定的电流脉冲的尖峰幅值59，以及由与μP 63相关联的计时器(未示出)所测量的自上一个电流脉冲出现所经过的时间。然后所述电弧故障检测方法使用算法67来处理电流幅值和时间信息，以确定是否存在危险的电弧故障状况。尽管示出了示例性的AFD方法和电路，但是本发明可应用于很大范围的AFD方法和电路。参见例如美国专利第6,710,688；6,542,056；6,522,509；6,522,228；5,691,869和5,224,006号。

合适的近距离传感器，例如(但不限于)霍尔效应传感器101的输出100被上拉电阻器103保持为“高”。当霍尔效应传感器101例如被合适的目标(target)，例如(但不限于)磁性棒105致动时，传感器输出100(例如，被开放漏极输出)驱动为低。当μP 63确定输出107为低时，它在输出111上输出适当的脉冲序列信号109。该信号109被反馈到有源整流器和增益级45的输入。继而，脉冲序列信号109使得AFD算法67确定存在电弧故障脱扣状况(虽然是测试状况)，从而设定脱扣信号35。使用阻断二极管113以防止任何电流流入μP输出111。

图2是图1的μC55、电源77、有源整流器和增益级45、尖峰检测器53和霍尔效应传感器101的示意形式的框图。μC 55例如可以为合适的处理器，例如由Chandler，Arizona的Microchip Technology Inc.销售的型号PIC16F676。数字输出79包括脱扣信号35。模拟输入81接收用于ADC 61(图1)的尖峰幅值59。μC 55的数字输入RC0被用以读取比较器65的输出(COUT)。μC 55的另一数字输入RC2 107被用以读取传感器输出100。μC 55的另一数字输出RC5 111包括脉冲序列信号109，以响应通过传感器101感测棒105来模拟电弧故障脱扣状况。因此，μC 55形成包括测试电路的电弧故障脱扣机构，该测试电路适合于模拟电弧故障脱扣状况以脱扣打开可分离触点17(图1)。

图3是形式为飞行器或航空断路器设备121的改进的电气开关设备的分解图，该设备包括在图3中以附图标记1A、1B和1C指示的多个断路器1。应指出，断路器1A、1B和1C可与断路器1不同，而不会背离本发明的概念。

除了断路器1A、1B和1C之外，断路器设备121包括连接组件123和桥接装置125。连接组件123可被表述为使断路器1A、1B和1C机械地连接在一起或者联动。桥接装置125可被表述为使断路器1A、1B和1C操作性地连接在一起或者联动，进一步应指出，桥接装置125还将断路器1A、1B和1C中的每一个的至少一部分机械连接在一起。

如图3中所示，断路器1A、1B和1C中的每一个可被表述为包括：其上设有螺纹连接器129的壳体127、能够沿其伸长方向在ON位置和OFF或TRIPPED位置之间平移的伸长致动器装置131、以及固定组件133，该固定组件133可与螺纹连接器129协作以便将断路器设备121安装在面板166(图4-6)或其它支撑件上。

如从图3中进一步可见，固定组件133包括锁紧垫圈135和紧固器组件137。紧固器组件137包括采取螺母的示例性形式的紧固器139，以及采取联接到一起的锥形弹簧141的示例性形式的偏压装置。

断路器1A、1B和1C中的每一个还包括位于壳体127上的照明元件143，该照明元件在发亮时指示断路器1A、1B和1C的某些方面是操作的。断路器1A、1B和1C中的每一个还包括构造成感测磁性目标(文中未明确描述)的近距离传感器145。文中所描述的示例性实施例中的近距离传感器145为图1和2的霍尔效应传感器101。

如图3中进一步可见，连接组件123包括一对隔板147和一对销149。隔板147由至少部分地半透明并且构造成透射由照明元件143生成的可见光的材料形成。销149被接纳在壳体127中形成的孔150A以及隔板147中形成的孔150B中，以使断路器1A、1B和1C以及隔板147连接在一起处于联动构型。销149可以通过多种方式中的任何方式固定在孔150A和150B中，例如通过使销149的与其头部相对的自由端向外展开或通过其它方式。

如图3中可见，桥接装置125包括第一构件151和第二构件153，该第一构件151和第二构件153通过采取机用螺钉的示例性形式的紧固件155连接到一起。在文中描述的示例性实施例中，每个紧固件155被接纳在第一构件151或第二构件153中形成的通孔157内，并且能够通过螺纹配合被接纳在螺纹***件159中，该螺纹***件159设置在第一构件151和第二构件153中的另一个上。

可以看到，桥接装置125形成为具有在第一和第二构件151和153中形成的一定数量的接收部161，在文中所描述的示例性实施例中，每个接收部161包括支撑壁163。当被组装时，致动器装置131的向外展开的端部165被接纳在接收部161中，其中，向外展开的端部165接合支撑壁163以将致动器装置131和桥接装置125固定地和机械地连接到一起。

断路器设备121在图4、5和6中被示出为处于安装在例如飞行器或其它设备的面板166上的组装状态。螺纹连接器129被接纳在面板166中形成的开口167内。锁紧垫圈135和紧固器组件137被接纳在螺纹连接器129上，并且锁紧垫圈135位于紧固器组件137和面板166的表面之间。然后通过将致动器装置131的向外展开的端部165接纳在接收部161中以及将紧固件155接纳在通孔157和螺纹***件159中，将桥接装置125连接到致动器装置131。任选地，如果需要的话，还可将弹性构件接纳在接收部161中，以便抵靠支撑壁163紧紧地撑住向外展开的端部165。

如上文所述，断路器设备121在图4中示出为处于ON位置，这意味着断路器1A、1B和1C中的每一个闭合了与其连接的电路的打开部分。桥接装置125将致动器装置131刚性地机械连接到一起，由此桥接装置125可用于在图4的ON位置与例如图5和6大致示出的OFF或TRIPPED位置之间切换断路器设备121、更具体地说断路器1A、1B和1C。也就是说，桥接装置125可用于在ON和OFF位置之间手动切换断路器设备121，并且还可用于一旦过电流状况已经停止和/或一旦电弧故障状况已被解决，则使断路器设备121从TRIPPED位置返回ON位置。

如从图4-6可以理解，在作为示例示出的实施例中的锥形弹簧141总是与桥接装置125接合，并且朝断路器设备121的OFF或TRIPPED位置偏压桥接装置125。因此，在断路器1A、1B和1C中的一个经历了导致其脱扣的状况的情况下，锥形弹簧141有助于同时移动致动器装置131、并因此同时移动断路器1A、1B和1C到OFF位置。

但是，应理解的是，锥形弹簧141不必需在断路器设备121的所有位置与桥接装置125偏压地接合。例如，锥形弹簧141可在ON位置与桥接装置125偏压地接合，但是可构造为在OFF或TRIPPED位置不与桥接装置125接合。

图5示出处于OFF或TRIPPED位置的断路器设备121。这种位置可这样产生，即，桥接装置125在沿着远离壳体127向外的方向上被手动移动以便打开断路器1A、1B和1C的可分离触点17。类似地，图5可表示TRIPPED位置，该位置例如是由于断路器1A、1B和1C中的一个或多个的热过载导致的。

图6类似于图5，但是示出断路器设备121处于TRIPPED位置，并且断路器1C指示该电路上存在电弧故障。具体地，每个断路器1A、1B、1C进一步包括指示器167，该指示器167在图6中示出为与断路器1C相结合，并且该指示器167通常保持隐藏而不可见，但是由脱扣组件21运用以响应电弧故障检测器127在与断路器1C连接的电路上检测到电弧故障。因此，有利地，当其中一个断路器例如断路器1C检测到电弧故障时，脱扣组件21脱扣打开其可分离触点17，将致动器装置131移动到TRIPPED、即OFF位置，并且运用如图6所示的与断路器1C相关联的指示器167。与桥接装置125连接的致动器装置131的移动使得断路器1A和1B从它们的ON位置移动到OFF位置。这样，锥形弹簧141对桥接装置125朝着断路器1A、1B和1C的OFF位置的偏压进一步有助于所有断路器1A、1B和1C朝它们的OFF或TRIPPED位置同时移动。

图7以分解形式示出紧固器组件137。从图7可以看到，紧固器139中形成有圆柱形底座169，还可以看到，锥形弹簧141包括线圈部分171和柄脚(tang)173。柄脚173例如通过干涉配合或其它方式被接纳在底座169内，但是在任何情况下，锥形弹簧141和紧固器139都联接在一起以便易于安装。但是，应理解的是，锥形弹簧141可联接到其它装置，例如桥接装置125，而不会背离本发明的概念。

应明确指出的是，断路器设备121的构型可与文中明确描述的构型不同。例如，电气开关设备121的其它实施例可包括处于相同联动形式的更多或更少数量的断路器1。这样的构型可通过提供更长或更短的销149、更多或更少数量的隔板147、以及更大或更小的桥接装置125而实现，该桥接装置125具有的接收部161的数量足以在其中接纳断路器1的致动器装置131。

另外，断路器设备121或断路器设备121的其它实施例的各个断路器1不必需具有相同的承载容量。可以理解的是，断路器1可具有预定负载，在该预定负载下，脱扣组件21将使得可分离触点17脱扣打开。应明确指出的是，例如，断路器设备121的一个断路器1的预定负载可具有与相同断路器设备的另一断路器1不同的额定预定脱扣负载，但不限于此。这样的构型有利地使得装置的组合能够在更多类型的情况下被切换或脱扣关断。

例如，一个实施例可具有四个断路器1，其中三个断路器1共同形成三相电路中断器，并且这三个断路器1中的每一个具有12amps的额定负载容量。同一断路器设备的第四断路器1可与这样的***连接，即，该***与断路器组件的三相部分所操作的***完全分离，但是在物理上或逻辑上有一定接近。在这样的形式中，多个***可通过手动或者通过脱扣被同时控制，这增加了断路器设备的多功能性。作为另一个示例，应指出，一个线束的所有电路可由单个断路器设备121操作，即，这通过使单独的断路器1用于线束中的每个这样的电路而实现。改进的断路器设备121的其它应用将是显而易见的。

尽管已经详细描述了本发明的具体实施例，但是本领域技术人员应理解的是，可以根据公开的总体教导开发出这些细节的各种变型和替代方案。因此，公开的特定布置旨在仅是说明性的，而不是限制本发明的范围，本发明的范围将由所附权利要求的全部内容及其任何和所有等同方案给出。

Claims (17)

1.一种电气开关设备(121)，包括：

多个电气开关组件(1A，1B，1C)，每个电气开关组件包括：

壳体(127)，

可分离触点(17)，

构造成打开和关闭可分离触点的操作机构(19)，

伸长的致动器装置(131)，该致动器装置能够沿着该致动器装置的伸长方向在关断和接通位置之间平移并且与操作机构协作以打开和关闭可分离触点，以及

脱扣组件(21)，该脱扣组件与操作机构协作以脱扣打开可分离触点；

连接组件(123)，所述连接组件构造成将电气开关组件机械地连接在一起；和

桥接装置(125)，所述桥接装置构造成将致动器装置机械地连接在一起。

2.根据权利要求1的电气开关设备，其特征在于，每个电气开关组件还包括构造成将致动器装置朝关断位置偏压的偏压元件(141)。

3.根据权利要求2的电气开关设备，其特征在于，在致动器装置的接通位置，所述偏压元件接合桥接装置并且朝致动器装置的关断位置偏压该桥接装置。

4.根据权利要求2的电气开关设备，其特征在于，每个电气开关组件还包括紧固器(139)，所述紧固器(139)构造成将该电气开关组件紧固到支承件(166)，所述紧固器和偏压元件联接在一起。

5.根据权利要求1的电气开关设备，其特征在于，每个电气开关组件还包括照明元件(143)，所述连接组件包括至少第一隔板(147)，所述第一隔板(147)由至少部分半透明的材料形成并且构造成邻近其中一个照明元件设置。

6.根据权利要求1的电气开关设备，其特征在于，每个脱扣组件包括：

测试电路，所述测试电路构造成模拟脱扣状况以脱扣打开可分离触点；以及

近距离传感器(145)，所述近距离传感器(145)构造成感测一目标以致动测试电路。

7.根据权利要求6的电气开关设备，其特征在于，所述近距离传感器包括输出(100)，该输出(100)构造成在感测到目标时被致动，以及，该测试电路包括具有输入(107)的处理器(63)，该输入(107)构造成接收近距离传感器的输出并且也具有输出。

8.根据权利要求7的电气开关设备，其特征在于，所述处理器的输出构造成响应于接收近距离传感器的被致动输出的所述处理器的输入而被致动。

9.根据权利要求8的电气开关设备，其特征在于，所述脱扣组件包括电弧故障脱扣机构(55)，所述处理器的输出包括脉冲序列信号(109)，该脉冲序列信号(109)构造成模拟电弧故障脱扣机构的电弧故障脱扣状况。

10.根据权利要求1的电气开关设备，其特征在于，每个电气开关组件还包括构造成由脱扣组件激活的指示器(168)。

11.根据权利要求1的电气开关设备，其特征在于，每个电气开关组件的脱扣组件构造成在额定预定负载下触发操作机构以脱扣打开可分离触点，以及，至少其中一个电气开关组件的额定预定负载与另一个电气开关组件的额定预定负载不同。

12.根据权利要求1的电气开关设备，其特征在于，所述电气开关组件为小型断路器。

13.根据权利要求1的电气开关设备，其特征在于，所述电气开关组件为飞行器断路器。

14.利用根据权利要求1的电气开关设备来中断电路的至少一部分的方法，该方法包括：

利用其中一个电气开关组件的脱扣组件触发该电气开关组件的操作机构，以脱扣打开该电气开关组件的可分离触点并且使该电气开关组件的致动器装置朝关断位置平移；以及

利用桥接装置来使其它电气开关组件的致动器装置朝关断位置移动并且打开所述其它电气开关组件的可分离触点。

15.根据权利要求14的方法，其特征在于，所述其中一个电气开关组件包括指示器(168)，所述方法还包括利用所述其中一个电气开关组件的脱扣组件来触发所述指示器的启动。

16.根据权利要求14的方法，其特征在于，每个电气开关组件还包括偏压元件(141)，所述方法还包括利用所述偏压元件朝致动器装置的关断位置偏压桥接装置。

17.根据权利要求14的方法，其特征在于，每个电气开关组件的脱扣组件构造成在额定预定负载下触发该电气开关组件的操作机构以脱扣打开可分离触点，以及，与一个电路连接的其中一个电气开关组件的额定预定负载和与另一个电路连接的另一个电气开关组件的额定预定负载不同，所述方法还包括利用所述电气开关设备来中断所述一个电路和所述另一个电路。

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