浅层电气保护器件(GFCI、AFCI和AFCI/GFCI)系统和方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年12月7日提交的美国临时专利申请第62/595,760号的优先权，其全部内容通过引用明确地并入本文。

本申请包含与由肯尼·帕德罗(kennypadro)等人转让给本申请受让人的题为“用于开关电气器件的紧凑型闭锁机构(compactlatchingmechanismforswitchedelectricaldevice)”的美国专利第8,830,015b2号中所包含的主题相关的主题，并且其全部内容通过引用明确地并入本文。

实施例涉及开关电气器件，更具体地，涉及电路中断器件。

技术实现要素：

当检测到一个或多个条件时，电路中断器件(诸如接地故障电路中断器(gfci)器件)从“复位”或闭锁状态切换到“跳闸”或解锁状态。具有朝向打开位置偏置的接触件的gfci器件需要闭锁机构来将接触件设定并且保持在闭合位置。同样，具有朝向闭合位置偏置的接触件的开关电气器件需要闭锁机构来将接触件设定并且保持在打开位置。传统类型的器件的示例包括电路中断类型的器件，(仅举几例)诸如断路器、电弧故障中断器和gfci。

许多电气插座具有内置接地故障保护电路系统，即gfci插座。此类保护电路系统和相关联的机构通常占据插座壳体内的大量物理空间，其尺寸受到它们必须安装的标准接线盒的限制。本申请中所公开的实施例试图通过提供更紧凑的器件来解决这些问题，从而实现更浅的插座和用于其他元件和/或特征的更多空间。

一个实施例公开了一种电气插口插座，所述电气插口插座包含：壳体，所述壳体包括面板；以及多个传感芯体，所述多个传感芯体各自被配置成接收经过中心空腔的电流。所述电流界定经过所述中心空腔的电流方向，其中所述电流方向平行于所述面板，并且所述多个传感芯体在平移方向上在所述电气插口插座两端对称放置。

另一实施例公开了一种电气插口插座，所述电气插口插座包含：壳体，所述壳体包括面板；以及传感芯体，所述传感芯体被配置成接收经过中心空腔的电流。所述电流界定经过所述传感芯体的所述中心空腔的电流方向，其中所述电流方向平行于所述面板。

另一实施例公开了一种电气插口插座，所述电气插口插座包含：电路板，所述电路板界定第一平面；一组固定接触件；一组可移动接触件；螺线管，所述螺线管具有垂直于所述第一平面的中心轴线；滑架，所述滑架可沿所述螺线管轴向移动并且被配置成与所述一组可移动接触件相互作用；升降架，所述升降架可滑动地耦合到所述滑架中的狭槽并且可在垂直于所述螺线管的所述中心轴线的平移方向上移动；滑动机构，所述滑动机构耦合到所述升降架并且可在所述升降架的所述平移方向上移动；复位柱塞，所述复位柱塞具有延伸穿过所述螺线管的第一端部并且可在其中轴向移动的部分；以及衔铁，所述衔铁可沿所述复位柱塞延伸穿过所述螺线管的所述部分轴向移动。所述电路板包括至少一个接触焊盘。所述螺线管包括与所述第一端部相对的第二端部。所述滑架适于推进所述一组可移动接触件，以在所述电气插口插座的复位期间与所述一组固定接触件形成电连通。所述升降架包括闭锁部分。所述滑动机构包括凸轮表面，以将向下的力转换成施加到所述已耦合的升降架的平移力。所述复位柱塞包括被配置成接合所述升降架的所述闭锁部分的中间轴环。所述衔铁包括倾斜突起，所述倾斜突起被配置成接触所述滑动机构的所述凸轮表面并且在所述凸轮表面上提供所述向下的力。

通过考虑详细说明和附图，本申请的其他方面将变得显而易见。

附图说明

参考附图阅读这些示例性实施例的说明，各种示例性实施例的方面和特征将变得更加显而易见，在附图中：

图1是并入本申请的可复位开关装置的插座的前透视图；

图2是图1的插座的前透视图，其中移除了前盖和后盖以及防篡改机构；

图3是示出根据一个实施例的一组可移动接触件和一组固定接触件的配置的前透视图；

图4a是根据一个实施例的插座的载体组件的前透视图；

图4b是根据另一实施例的插座的载体组件的前透视图；

图5a是插座的芯体组件的前透视图；

图5b是示出根据一个实施例的传感变压器芯体的配置的前透视图；

图5c是示出根据另一实施例的传感变压器芯体的配置的前透视图；

图6a是根据一个实施例的插座的芯体组件的侧透视图；

图6b是根据另一实施例的插座的芯体组件的侧透视图；

图7是根据一个实施例的螺线管组件的分解的前透视图；

图8是图7的螺线管组件的组装的前透视图；

图9是根据一个实施例的螺线管组件的复位柱塞组件和滑架的侧透视图；

图10是类似于图9的复位柱塞组件和滑架的不同角度的另一侧透视图；

图11是根据一个实施例的复位柱塞组件和闭锁机构的侧透视图；

图12a示出了根据本申请的一个实施例的两件式闭锁机构设计；

图12b至12c示出了根据本申请的一个实施例的单件式闭锁机构设计；

图13是图7的螺线管组件的底部透视图；

图14a是处于静止位置的螺线管组件的侧透视图；

图14b是图14a所示的螺线管组件的复位柱塞组件和闭锁机构的侧透视图；

图15至18是复位过程期间处于渐进状态的复位柱塞组件和闭锁机构的侧透视图；以及

图19是处于复位位置的螺线管组件的剖视图。

图20是根据一些实施例的插座的印刷电路板和线圈的透视图。

图21是根据一些实施例的耦合到插座的歧管的图20的印刷电路板和线圈的透视图。

具体实施方式

在详细解释本申请的任何实施例之前，应理解的是，本申请在其应用中不限于在以下说明中阐述的或在以下附图中示出的部件的构造和布置的细节。本申请能够有其他实施例且能够以各种方式实践或施行。

如本文所述，诸如“前”、“后”、“侧”、“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”、“向上”和“向下”等术语旨在有利于描述本申请的电气插座，并且不是旨在将本申请的结构限制在任何特定的位置或取向。

符合本申请的器件的示例性实施例包括以下详细描述的一个或多个新颖的机械特征和/或电气特征。此类特征可包括紧凑定位的传感芯体、垂直螺线管和闭锁机构，所述闭锁机构包括升降架、滑动机构、中间轴环和凸轮表面。在本申请的一些示例性实施例中，以上列出的多个特征被结合到一个元件中，而在其他示例性实施例中，每个特征彼此不同并且耦合以彼此进行交互。本文中详细描述的新颖的机械特征和/或电气特征高效地利用了器件壳体内的空间，从而为附加特征和/或部件提供了更多的面积。

图1示出了根据本申请的一个实施例的gfci插座10的透视图。gfci插座10包括前盖12，所述前盖具有带有相开口16、中性开口18和接地开口20的插口面14。插口面14还具有用于复位按钮24的中心开口22，所述中心开口邻近用于测试按钮28的开口26。后盖36通过螺钉(未示出或列举)固定到前盖12。当给插座10布线时，螺纹端子38机械地和/或电气地耦合电线。接地轭/桥组件40包括从插座10的端部突出的标准安装耳42。

参考图2，移除了前盖12、后盖36和防篡改机构(未列举)的gfci插座10示出相端子30、中性端子32、接地端子34和电路板58。相端子30、中性端子32和接地端子34分别被配置成接收诸如电源线等的连接电气器件的电气插头35。电路板58为插座10的大多数工作部件提供控制和物理支撑。相端子30和中性端子32可分别通过汇流条44、46移动、支撑和通电。汇流条44、46充当支撑一组接触件48的悬臂。如图3的实施例所示，所述一组接触件48包括一组可移动接触件48a和一组固定接触件48b。汇流条44、46分别用作所述一组可移动接触件48a的悬臂支撑而所述一组固定接触件48b由载体组件8支撑。在本文中未详细描述的本申请的其他实施例中，可颠倒或改变这种配置。在各种实施例中，指示灯l可包括在gfci插座10中并且被配置成指示gfci插座10的状态。

由汇流条44、46提供的悬臂支撑的弹性将所述一组可移动接触件48a远离所述一组固定接触件48b偏置。在下面的附图中进一步详细描述的包括可移动滑架的闭锁机构用于与所述一组可移动接触件48a接合，从而在向上的方向上推动所述一组可移动接触件48a以在gfci插座10的复位期间在闭合位置接合所述一组固定接触件48b。所述一组可移动接触件48a的这一向上运动还引起更靠近插座10的前盖12的贴合的相端子30和中性端子32的对应的向上运动。然后，可将电从外部电源输送到插座开口16、18、20。在其他实施例中，悬臂式汇流条44、46的弹性可使所述一组可移动接触件48a朝向所述一组固定接触件48b偏置，并且在gfci插座10跳闸期间，可反向采用闭锁机构来接合并且保持所述一组可移动接触件48a在打开位置远离所述一组固定接触件48b。相端子30和中性端子32同样将增加与前盖12的距离，从而阻止外部电源与插座开口16、18、20之间电的流动。闭锁机构的各种实施例可由各种应用设计使用，本文中不详细公开每一个的细节。

参考图4a，除了为所述一组固定接触件48b提供结构支撑之外，载体组件8还为传感变压器芯体50和导体绕组52、54提供结构支撑。在图4b所示的另一实施例中，载体组件8可为多组传感变压器芯体50、51提供结构支撑，如以下进一步详细描述。传感变压器芯体50、51的各种放置是可能的并且将在下面的附图中进一步描述。

图5a示出了图1描绘的gfci插座10的芯体组件2的透视图。螺线管60被取向成界定中心轴线a。多个传感变压器芯体50可堆叠在一起并且被配置成通过公共中心空腔56接收相导体绕组52和中性导体绕组54。可将附加组堆叠的传感变压器芯体51添加到载体组件8(参见图4b)，以向gfci插座10提供进一步的测量，诸如电弧故障测量。相导体绕组52和中性导体绕组54分别将来自相端子30和中性端子32的ac电流引导经过中心空腔56，在所述中心空腔中，可测量用于潜在接地故障或电弧故障的电流。经过中心空腔56的ac电流界定方向b，方向b垂直于螺线管60的中心轴线a。在图5a的实施例中，所述两组传感变压器芯体50、51对称地放置在电路板58的两个端部处，其中电流方向彼此平行。这一对称放置使传感变压器芯体50、51分别与相开口16、中性开口18或接地开口20较少或基本上没有干扰。本领域中的技术人员将领会，所述组传感变压器芯体的其他定位配置是可能的并且本文中未穷尽描述。例如，由多组传感变压器芯体50、51界定的电流方向可彼此成一定角度并且都平行于电路板58。由电流方向界定的角度可为锐角、直角或钝角。在图5b至5c所示的另一示例中，gfci插座10中可包括仅一个传感变压器芯体50。传感变压器芯体50可放置在电路板58的任一端部处并且具有各种取向，以使与相开口16、中性开口18或接地开口20较少或基本上没有干扰。

参考图6a至6b，螺线管60耦合到滑架62，所述滑架可沿螺线管60轴向移动。一方面，滑架62耦合到一组滑架弹簧64，其压缩力使滑架62在静止位置远离电路板58。另一方面，滑架62被配置成接合所述一组可移动接触件48a，当处于未偏置的静止位置时，所述一组可移动接触件48a向下压在滑架62上。在gfci插座10的复位过程期间，滑架62将对抗邻接的一组可移动接触件48a的弹性，以在向上的方向上推进所述一组可移动接触件48a并且与所述一组固定接触件48b形成电连通。一旦与所述一组固定接触件48b形成电连通，所述一组可移动接触件48a的向上运动便停止。在gfci插座10的跳闸过程期间，邻接的一组可移动接触件48a的弹性将滑架62在向下的方向上推回到其原始静止位置，从而有效地断开所述一组可移动接触件48a与所述一组固定接触件48b之间的电连接。所述一组可移动接触件48a的向下运动范围由螺线管支撑结构61中的停止平面限制。一旦所述一组可移动接触件48a碰到停止平面或回位到未偏置的静止位置，便不再在滑架62上施加推力，从而有效地中止向下运动并限制滑架62的最大运动范围。gfci插座10的复位和闭锁可由电路板58控制，所述电路板从传感变压器芯体50、51接收接地故障和电弧故障信号输入。

图7示出了根据本申请的一个实施例的gfci插座10的螺线管组件4的分解图。螺线管组件4包括复位按钮24、复位弹簧68、螺线管60、复位柱塞组件6、螺线管支撑结构61和电路板58。在一些实施例中，螺线管支撑结构61耦合到电路板58并且支撑螺线管60。当如图8所示组装时，只要没有推力施加在复位按钮24上，复位按钮24便经由复位弹簧68被偏置远离螺线管60。当在复位按钮24上施加推力并随后释放推力时，复位弹簧68的压缩力将远离螺线管支撑结构61偏置的复位柱塞66和复位按钮24回位到初始静止位置。同样，在没有外部施加的向下的力的情况下，滑架62经由一组滑架弹簧64被偏置远离电路板58。当外力消除时，滑架弹簧64的压缩力使远离电路板58偏置的滑架62回位到初始位置。

参考图9至11，复位柱塞组件6包括具有中间轴环78的复位柱塞66和可沿复位柱塞66的长度轴向移动的衔铁70。衔铁70包含由螺线管60通电的倾斜突起特征71，衔铁70延伸穿过所述螺线管。倾斜突起特征71被配置成与闭锁机构接合，所述闭锁机构在结构上由滑架62和一组滑架弹簧64支撑。闭锁机构包括耦合到升降板74的凸轮表面72。如图10所示，升降板74通过滑架62中的狭槽75耦合。如图11所示，升降板74包括闭锁部分80，所述闭锁部分被配置成在gfci插座10的复位和跳闸期间接收并且接合复位柱塞66的中间轴环78。回位弹簧76耦合到升降板74的一个端部并且被配置成对滑架62的一侧施加压缩力。

在图12a至12c中示出了闭锁机构的两个示例性实施例。在图12a的两件式闭锁机构设计中，凸轮表面72a被配置成耦合到升降板74a中的通道(未列举)的独立三角形板。另外，升降板74a的一个端部处的一组突片73a被配置成与凸轮表面72a的边缘接合，以将平移力从凸轮表面72a转移到升降板74a。回位弹簧76a定位在升降板74a的另一端部与滑架62a的一侧之间。闭锁部分80a被配置成升降板74a中的唯一开口并且接收/接合中间轴环78。

在图12b至12c的单件式闭锁机构中，凸轮表面72b作为一个元件集成到升降板74b中。由于凸轮表面72b不独立于升降板74b移动，因此在升降板74b中不需要包括通道(未列举)和突片74a的耦合机构。升降板74b包括开口77b和闭锁部分80b。回位弹簧76b位于开口77b中并且在开口77b的边缘与滑架62b的一侧之间施加压缩力。闭锁部分80b被配置成接收/接合中间轴环78。本领域中的技术人员将理解，本文中未详细描述的其他设计可能性可用于实现本质上相同的结果并且不偏离本申请的教导。

根据图13所示的一个实施例，接触弹簧82耦合到升降板74的底部。当处于如下进一步详细描述的解锁推动状态时，接触弹簧82将与电路板58上的至少一个接触焊盘(未示出或列举)形成电连通。这一电连通将从电路板58向螺线管60提供通信信号和电力，从而使衔铁70通电并且使gfci插座10复位。

根据本申请的实施例的gfci插座10具有四种不同的状态：1)解锁状态或跳闸状态，2)解锁推动状态，3)闭锁拉动状态，以及4)闭锁状态或复位状态。在图14a至14b的跳闸状态期间，滑架62经由滑架弹簧64远离电路板58偏置处于静止位置，因此接触弹簧82(未示出)不与电路板58上的至少一个接触焊盘(未示出或列举)形成电连通。所述一组可移动接触件48a不与所述一组固定接触件48b(未示出)接合，并且插座端子30、32、34经由悬臂式母线44、46保持远离插座开口16、18、20偏置。因此，螺线管60不接收外部电力并且不通电，从而使衔铁70的倾斜突起特征71远离凸轮表面72偏置(图14b)。回位弹簧76中不存在压缩力，并且升降板74的接合部分80错位以接收远离升降板74偏置的中间轴环78。

一旦从用户按下复位按钮24在复位柱塞66上接收到向下的推力，gfci插座10便进入图15的解锁推动状态。在解锁推动状态下，向下的力将复位柱塞66推向升降板74，直到中间轴环78与接合部分80的上表面接合。由于接合部分80与前一跳闸状态的中间轴环78错位，因此中间轴环78与接合部分80的上表面接合，但不闭锁到接合部分80的上表面。因此，来自中间轴环78的向下的力转移到接合部分80和升降板74，这从而导致滑架62经由狭槽75向下运动(图10)。这一向下运动一直持续到接触弹簧82(未示出)与电路板58上的至少一个接触焊盘(未示出或列举)形成电连通为止。一旦接触，电力和通信便从电路板58发送到螺线管60，从而在输入ac电源的正半周期使螺线管通电并且沿复位柱塞66轴向移动衔铁70。参考图16，衔铁70的倾斜突起特征71与凸轮表面72接合，所述凸轮表面将向下的力转换成平行于电路板58的平移力。凸轮表面72的平移运动也抵抗回位弹簧76的压缩力而平移地移动耦合的升降板74，从而将接合部分80与中间轴环78对准。参考图17，使用者施加在复位柱塞66上的持续向下的力使中间轴环78穿过对准的接合部分80行进。此时，螺线管60在输入ac电源的负半周断电并且沿复位柱塞66轴向缩回，如图18所示。回位弹簧76的压缩力推动滑架62的侧面，并且将升降板74和凸轮表面72回位到初始位置。在此初始位置，中间轴环78与接合部分80再次错位。当使用者在复位柱塞66上释放向下的推力时，复位弹簧68在复位柱塞66和中间轴环78上提供向上的拉力，从而将中间轴环78闭锁并锁定到接合部分80的下表面。因此，gfci插座10进入复位过程的闭锁拉动状态。

当gfci插座10处于图19所示的闭锁拉动状态时，复位弹簧68的压缩力在复位按钮24和耦合的复位柱塞66上产生向上的力。这个向上的力拉动中间轴环78和闭锁的升降板74，所述闭锁的升降板经由狭槽75耦合到滑架62，从而使滑架62沿螺线管60轴向向上移动。滑架62的轴向向上运动对抗邻接的一组可移动接触件48a的弹性并将接触弹簧82(未示出)与电路板58上的至少一个接触焊盘(未示出或列举)断开连接，从而防止螺线管60继续通电。滑架62与所述一组可移动接触件48a接合，以与所述一组固定接触件48b形成电连接。因此，插座端子30、32、34也抵抗悬臂式母线44、46并且移动得更靠近前盖12。一旦在所述一组可移动接触件48a与所述一组固定接触件48b之间形成电连通，便可经由母线44、46将电从插座端子30、32、34输送到插座开口16、18、20。因此，gfci插座10完全复位。

当传感变压器芯体50、51检测到故障的存在时，gfci插座10完成跳闸过程。在跳闸过程期间，gfci插座10以相反的顺序经历复位过程的状态，从而将中间轴环78从闭锁部分80解锁并且断开所述一组可移动接触件48a与所述一组固定接触件48b之间的电连通。

图20和21示出了根据一些实施例的gfci插座10。在所示实施例中，gfci插座10包括印刷电路板90。在一些实施例中，印刷电路板90包括一个或多个狭槽或孔92。如图所示，狭槽92可被配置成接收或放置在线路导体94和/或中性导体96、或其一部分(例如，汇流条44、46)之上。印刷电路板90可进一步包括或耦合到可用于感测和/或监控电流的线圈(例如，变压器芯体50、51)。在此类实施例中，线圈还可包括狭槽、孔，所述狭槽、孔被配置成接收或放置在线路导体和/或中性导体、或其一部分(例如，汇流条44、46)之上。

在某些其他实施例中，诸如弹簧、接触件等的附加元件可包括在gfci插座10内的不同位置中，以完成器件的复位或跳闸。实施例的所有组合和设计的变化在本文中未穷尽详细描述。本领域中的技术人员将所述组合和变化理解为不偏离本申请的教导。