热脱扣组件和包括该热脱扣组件的电路断续器的制作方法

本申请要求在2014年6月24日提交的美国专利申请系列号14/312,917的优先权并且要求其权益，所述美国申请通过引用结合于此。

本申请与在2014年6月24日提交的标题为“Circuit Interrupter Including Thermal Trip Assembly and Printed Circuit Board Rogowski Coil(包括热脱扣组件和印刷电路板罗氏线圈的电路断续器)”的共同受让、共有的美国专利申请系列号14/312,994有关，所述美国申请的全部内容通过引用结合于此。

技术领域

所公开的构思总体上涉及电路断续器，具体涉及基于温度的脱扣机构和包括基于温度的脱扣机构的电路断续器。

背景技术：

电路断续器——例如但不限于，断路器——典型地为用于保护电路以免由于诸如过载状态的过流状态、短路或诸如电弧故障或接地故障的另一种故障状态而损坏。断路器典型地包括可分离触头。可分离触头可借助于操作手柄手动操作或响应于检测到的故障状态而自动操作。典型地，此类断路器包括设计成快速开闭可分离触头的操作机构和感测一定数量的故障状态以使断路器自动脱扣的诸如脱扣单元的脱扣机构。在感测到故障状态时，脱扣单元使操作机构脱扣至脱扣状态，这使可分离触头运动到它们的断开位置。

断路器中的故障状态通常通过感测流经受保护的电路的电流或通过感测断路器中的导体的温度来检测。断路器通常采用诸如电子脱扣单元或磁性脱扣单元的机构以基于流经受保护的电路的电流来引发脱扣。通过电子脱扣单元或磁性脱扣单元引发的脱扣通常是即时的或在预定延迟之后引发。

为了基于断路器中的导体的温度来引发脱扣，断路器已采用基于双金属的机构。更具体地，受保护的电路中的电流流经断路器中的双金属材料装置，从而引起双金属的温度上升。随着双金属的温度上升，双金属弯曲。一旦双金属足够的量，就触发引起脱扣的机制，例如锁闩被释放。

基于温度的脱扣通常由受保护的电路中引起受保护的电路中的导体升温的持续过流状态引起。然而，难以精确地控制引发基于温度的脱扣所需的时间量和电流量。特别是难以校准性能会显著地变化的基于双金属的脱扣机构。

美国专利公开No.2014/0078633公开了一种与电子脱扣单元相结合地用于提供基于温度的脱扣的温度传感器。然而，依然担心温度传感器的安放，因为直接靠着导体安放温度传感器会损坏温度传感器，而靠近导体安放温度传感器会导致温度传感器读数与导体的实际温度之间的时滞。

电路断续器存在改进的余地。

基于温度的脱扣机构存在改进的余地。

技术实现要素：

这些和其它需求通过所公开的构思的实施例来满足，在所述实施例中，用于与汇流排一起使用的热脱扣组件包括温度传感器和绝缘套筒。这些和其它需求通过所公开的构思的实施例来满足，在所述实施例中，电路断续器包括热脱扣组件。

根据所公开的构思的一方面，用于与汇流排一起使用的热脱扣组件包括：紧固件；绝缘套筒；温度传感器，其构造成感测所述汇流排的温度；和热脱扣电路，其构造成基于感测到的温度而输出脱扣信号，其中，所述绝缘套筒的一部分设置在所述温度传感器与所述汇流排之间；并且其中，所述紧固件将所述绝缘套筒和所述温度传感器与所述汇流排联接，使得所述绝缘套筒与所述汇流排的一部分直接接触。

根据所公开的构思的另一方面，一种电路断续器包括：第一端子；第二端子；将所述第一端子和第二端子电连接的多个汇流排(busbar)；可在闭合位置与断开位置之间移动的可分离触头，所述第一端子和第二端子在所述可分离触头处于所述断开位置时彼此脱离电连接；构造成断开所述可分离触头的操作机构；构造成与所述操作机构配合以脱扣断开所述可分离触头的致动器；构造成感测在所述第一端子与所述第二端子之间流动的电流的电流传感器；构造成从在所述第一端子与所述第二端子之间流动的电流获取电力的电流互感器；电子脱扣单元，其包括：另外的脱扣功能电路，所述另外的脱扣功能电路构造成基于通过所述电流传感器感测到的电流而输出第一脱扣信号以控制所述致动器与操作机构配合而脱扣断开所述可分离触头；和热脱扣组件，其包括紧固件、绝缘套筒以及温度传感器，所述温度传感器构造成感测所述多个汇流排中的一个汇流排的温度；以及热脱扣电路，其构造成基于感测到的温度输出第二脱扣信号。其中，所述绝缘套筒的一部分设置在所述温度传感器与所述多个汇流排中的一个汇流排之间；并且其中，所述紧固件将所述绝缘套筒和所述温度传感器与所述多个汇流排中的一个汇流排联接，使得所述绝缘套筒与所述多个汇流排中的一个汇流排的一部分直接接触。

附图说明

当结合附图阅读时可从以下对优选实施例的描述充分理解所公开的构思，在附图中：

图1是根据所公开的构思的示例性实施例的电路断续器的示意性形式的电路图；

图2是根据所公开的构思的示例性实施例的热脱扣电路的电路图；

图3是根据所公开的构思的实施例的包括环境温度传感器的电路断续器的示意性形式的电路图；

图4是根据所公开的构思的示例性实施例的包括与环境温度传感器相关的电路的热脱扣电路的电路图；

图5是根据所公开的构思的示例性实施例的汇流排的等距视图；

图6是根据所公开的构思的另一示例性实施例的另外的汇流排的等距视图；

图7是根据所公开的构思的示例性实施例的具有电流互感器和安装在该电流互感器上的罗氏线圈的图6的汇流排的等距视图；以及

图8是根据所公开的构思的示例性实施例的绝缘套筒、温度传感器和紧固件的分解图。

具体实施方式

文中所使用的方向用语，例如“左”、“右”、“前”、“后”、“顶部”、“底部”及其派生词涉及附图所示的元件的取向，而并非对权利要求加以限制，除非权利要求中清楚地叙述。

如文中所用，两个或多个零件“联接”在一起的表述应意味着所述零件被直接接合在一起或者通过一个或多个中间零件接合。

在图1中，电路断续器1包括通过诸如汇流排的电导体或其它合适的电导体电连接的第一端子2和第二端子4。电路断续器1还包括在第一端子2与第二端子4之间电连接的可分离触头6。可分离触头6在闭合时允许电流在第一端子2与第二端子4之间流动。当可分离触头6断开时，第一端子2与第二端子4之间的电连接断开并且电流无法在它们之间流动。电路断续器1中所包括的操作机构8构造成断开或闭合可分离触头6。电路断续器1中也包括的致动器10构造成与操作机构8配合以使操作机构8断开或闭合可分离触头6。

电路断续器1还包括电子脱扣单元12。电子脱扣单元12包括与感测在第一端子2与第二端子4之间流动的电流的电流传感器14(例如但不限于，罗氏线圈)电连接的另外的脱扣功能电路17。另外的脱扣功能单元17构造成基于感测到的在第一端子2与第二端子4之间流动的电流而控制致动器10以引发脱扣。

电子脱扣单元12还包括电源电路15。电源电路15与构造成从在第一端子2与第二端子4之间流动的电流获取电力的电流互感器16电连接。电源电路15构造成调整所取得的电力以使得它可被提供给电路断续器1中的各种构件。

电子脱扣单元12中所包括的热脱扣组件20构造成感测在第一端子2与第二端子4之间电连接的导体(例如但不限于，汇流排，例如相应图5和6的示例性汇流排60、60’)的温度，并且基于感测到的温度而引发脱扣。热脱扣组件20包括绝缘套筒22和构造成将绝缘套筒22与导体联接以使得其与导体直接接触的紧固件24。温度传感器26(例如但不限于，热敏二极管)装配在绝缘套筒22内部，使得绝缘套筒22设置在温度传感器26与导体之间。温度传感器26构造成感测温度并且基于感测到的温度而输出电信号。

绝缘套筒22由具有良好的电绝缘特性的材料制成。绝缘套筒22也具有适当高的热传导率和适当低的热电容。绝缘套筒的热传导率和热电容特性允许温度传感器26快速和精确地感测导体的温度。在所公开的构思的一些示例性实施例中，绝缘套筒22由导热硅酮材料(thermal silicone material)制成。在所公开的构思的另一些示例性实施例中，绝缘套筒22由基于硅橡胶的材料——例如但不限于，带陶瓷填料的硅橡胶——制成。然而，本领域的普通技术人员应理解，所公开的构思并不局限于此。具有合适的热传导率和合适的热电容特性的任何材料均可用于绝缘套筒22中。在所公开的构思的一些示例性实施例中，绝缘套筒22具有在约1.2W/mK至约1.8W/mK的范围内的热传导率和在约1.05kJ/kgK至约1.3kJ/kgK的范围内的比热容。

虽然所公开的紧固件24是夹子，但本领域的普通技术人员应理解，可采用适于将绝缘套筒22与导体联接的任何类型的紧固件而不脱离所公开的构思的范围。

除温度传感器26外，热脱扣组件20还可包括环境温度传感器28(图3)。环境温度传感器28与温度传感器26相似地感测温度。然而，环境温度传感器28设置在远离导体的位置处以便感测电路断续器1内部的环境温度。本领域的普通技术人员应理解，可省去环境温度传感器28而不脱离所公开的构思的范围。

温度传感器26和可选的环境温度传感器28(图3)(如果采用的话)两者均与热脱扣电路30电连接。热脱扣电路30构造成基于感测到的温度传感器26和环境温度传感器28的温度而控制致动器10以引发脱扣。将参考图2-4更详细地说明热脱扣电路30、30’。

图2是在热脱扣组件20(图1)不包括环境温度传感器28时的热脱扣电路30的例子。热脱扣电路30包括温度感测电路32、差分放大电路34、跟随电路36、积分器38和比较电路40。

温度感测电路32与在图2中表示为示例性二极管的温度传感器26电连接。温度感测电路32利用第一恒定电压V_A和运算放大器来向温度传感器26提供恒定电流。温度传感器26两端的电压基于通过温度传感器26感测到的温度而变化，并且因此温度感测电路32的输出端的电压也变化相同的量。

差分放大电路34构造成放大温度感测电路32的输出与第二恒定电压V_B之差。跟随电路36构造成用作差分放大电路34与积分电路38之间的缓冲。积分电路38包括布置为积分器的电阻和电容。积分电路38构造成使跟随电路36的输出的任何交流电分量平滑。

比较电路40与积分电路38的输出端电连接。比较电路40构造成将积分电路38的输出与基准电压V_REF进行比较。当积分电路38的输出超过基准电压V_REF时，比较电路40输出输出电压V_O。输出电压V_O用于控制致动器10以引发脱扣。

恒定电压V_A、V_B、基准电压V_REF以及热脱扣电路30中的构件的电阻和电容可被选择成使得热脱扣电路30控制致动器10以在导体的温度超过预定水平时引发脱扣。各值可通过实验、理论或采用其任何合适的组合方式确定。

热脱扣组件20具有比基于双金属的热脱扣单元更低的性能变化。此外，热脱扣组件20更容易校准并且脱扣性能设定调节的灵活性比基于金属的热脱扣单元要高。可通过经电路中的可变电阻器调节V_REF值来实现电子脱扣单元12的校准。

参照图3，根据所公开的构思的示例性实施例的电路断续器1’包括与图1的电路断续器1相似的构件。然而，图3的电路断续器包括热脱扣组件20’，该热脱扣组件也包括环境温度传感器28。环境温度传感器28与温度传感器26相似。然而，环境温度传感器28远离导体配置并且构造成感测电路断续器1’内部的环境温度。环境温度传感器28与热脱扣电路30’电连接。图3的热脱扣电路30’与图1的热脱扣电路30相似，除了图3的热脱扣电路30’包括与环境温度传感器28相关的附加电路以外。

如图4所示，热脱扣电路30’包括与温度传感器26相关的温度感测电路32、差分放大电路34、跟随电路36和积分电路38。热脱扣电路30’也包括与环境温度传感器28相关的环境温度感测电路42、环境差分放大电路44、环境跟随电路46、环境积分电路48和环境输出电路50。

更具体而言，环境温度感测电路42与在图4中表示为示例性二极管的环境温度传感器28电连接。环境温度感测电路42使用第三恒定电压V_C和运算放大器来向环境温度传感器28提供恒定电流。环境温度传感器28两端的电压基于通过环境温度传感器28感测到的温度而变化，并且因此环境温度感测电路42的输出端的电压也变化相同的量。

环境差分放大电路44构造成放大环境温度感测电路42的输出与第四恒定电压V_D之差。环境跟随电路46构造成用作环境差分放大电路44与环境积分电路48之间的缓冲。环境积分电路48包括布置为积分器的电阻和电容。环境积分电路48构造成使环境跟随电路46的输出的任何瞬态噪音和交流电分量平滑。

环境输出电路50与环境积分电路48的输出端和比较电路40的输入端电连接。环境输出电路50构造成用作环境积分电路48与比较电路40之间的缓冲。

比较电路40与积分电路38的输出端和环境输出电路50的输出端电连接。在比较电路40的输入端从积分电路38的输出扣除(subtract)环境输出电路50的输出。比较电路40将所得到的电压与基准值V_REF进行比较。当比较电路40的输入超过基准电压V_REF时，比较电路40输出输出电压V_O。输出电压V_O用于控制致动器10以引发脱扣。

恒定电压V_A、V_B、V_C、V_D、基准电压V_REF以及热脱扣电路30’中的构件的电阻和电容可被选择成使得热脱扣电路30’控制致动器10以在导体的温度超过预定水平时引发脱扣。各值可通过实验、理论或采用其任何合适的组合方式确定。通过在热脱扣组件20’中包括环境温度传感器28和相关的电路，在判断是否引发脱扣时可考虑电路断续器1’的环境温度。在环境温度比较高时考虑环境温度特别有用。可通过经电路中的可变电阻器调节V_REF值来实现电子脱扣单元12的校准。

参照图5，示例性汇流排60包括平坦部62。紧固件24将绝缘套筒22和温度传感器26联接至汇流排60的平坦部62以便绝缘套筒22与汇流排60的平坦部62直接接触。汇流排60还包括第一连接部64和第二连接部66。第一连接部64沿大致垂直于平坦部62的方向从平坦部62的端部延伸。第二连接部66沿大致垂直于平坦部62的方向从平坦部62的一侧延伸。第一连接部64和第二连接部66适于汇流排60与其它汇流排的电连接。

参照图6，另一示例性汇流排60’包括平坦部62’。紧固件24将绝缘套筒22和温度传感器26与汇流排60’的平坦部62’联接以便绝缘套筒22与汇流排60’的平坦部62’直接接触。汇流排60’还包括从平坦部62’的端部沿大致垂直于平坦部62’的方向延伸的第一连接部64’。汇流排60’还包括从平坦部62’的一侧沿大致垂直于平坦部62’的方向延伸的板部72。板部72的第一端与平坦部62’的一侧连接，并且板部72的第二端具有自其延伸的弯曲部。该弯曲部包括沿大致垂直于板部72的方向延伸的第一部分74和从第一部分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。汇流排60’可经由第一连接部64’和弯曲部的第二部分76与其它汇流排电连接。

参照图7，电流传感器14和电流互感器16设置在汇流排60’的弯曲部周围。在图7所示的示例性实施例中，电流传感器14是印刷电路板(PCB)罗氏线圈。PCB罗氏线圈包括由其上印刷有绕组的PCB组成的芯部，与包括由空气和由一定数量的电导体(即，电线)制成的绕组组成的空心罗氏线圈相反。PCB罗氏线圈提供流经汇流排60’的电流的线性和精确的测量。PCB罗氏线圈由于精确的匝数和制造的可重复性而提供比空心罗氏线圈更一致的测量结果。此外，与电流互感器不一样，PCB罗氏线圈不容易饱和(saturation)。在一些示例性实施例中，罗氏线圈具有约31mm的外径、约8mm的内径和约3.2mm的厚度。在一些示例性实施例中，电流互感器16具有约30mm的外径、约8mm的内径和约12mm的厚度。

如图7所示，PCB罗氏线圈和电流互感器16设置在汇流排60’的弯曲部的第一部分74周围。由于电流互感器16未用于感测电流，所以它是否饱和没有关系，并且因此可采用比较小的电流互感器14。包括绝缘套筒22、温度传感器26、电流互感器16和PCB罗氏线圈的汇流排60’共同具有比较小的尺寸并且可用于电路断续器中以提供温度和电流感测以及获取电力，对电路断续器的改造或尺寸影响比较小。

参照图8，温度传感器26构造成嵌合在绝缘套筒22内。紧固件24然后安放在绝缘套筒22周围。紧固件24然后可用于将绝缘套筒22和温度传感器与汇流排——例如但不限于，图5-7所示的任何汇流排60、60’——联接。

虽然已详细描述了所公开的构思的特定实施例，但本领域的技术人员应理解，可借鉴公开内容的整体教导发展这些细节的各种改型和变型。因此，所公开的具体装置仅为说明性的而非限制所公开的构思的范围，所述范围由所附权利要求及其任何和全部等同方案的全部涵盖内容给出。