一种电开关装置和一种电气系统的制作方法

一种电开关装置和一种电气系统
1.相关申请的交叉引证
2.本技术要求2020年10月14日提交的美国临时专利申请第63/091,774号的权益。
技术领域
3.本文描述了用于与诸如接触器和电熔丝装置的电开关装置一起使用的构造，具体地，涉及一种具有改进的环氧树脂气密密封的电开关装置和电气系统。


背景技术：

4.连接和断开电路与电路本身一样传统，并且通常用作在“开”和“关”状态之间开断通向所连接的电气装置的功率的方法。通常用于连接和断开电路的一个装置的实例是接触器，其电连接到一个或多个装置或电源。接触器配置为使得其可以中断或完成电路以控制去往装置和来自装置的电功率。一种类型的常规接触器是气密密封的接触器。
5.除了用于在装置的正常操作期间连接和断开电路的接触器之外，可采用各种附加装置以便提供过电流保护。这些装置可防止短路，过载，以及对电气系统或所连接的电气装置的永久损坏。这些装置包括断开装置，其可以永久的方式快速断开电路，使得电路将保持断开，直到断开装置被修复，替换或重置。一个这种类型的断开装置是熔丝装置，并且常规的熔丝是一种用牺牲装置的类型的低电阻导体。典型的熔丝包括金属丝或金属条，当过多的电流通过其流过时，金属丝或金属条熔化，中断其连接的电路。还开发了其他更复杂的熔丝装置，例如在受让给gigavac公司(本技术的受让人)的美国专利9,887,055中描述的那些，该专利通过引证结合于此。
6.随着社会的进步，对电气系统和电子装置的各种创新变得越来越普遍。这种创新的一个实例包括电动汽车的最新进展，其正在成为节能标准并且正在取代许多传统的石油动力车辆。在这种昂贵且常规使用的电气系统中，过电流保护对于防止系统故障和防止对系统的永久损坏是特别必要的。此外，过电流保护可防止安全危险，例如电气火灾。这些对电气系统和装置的现代改进需要用于在系统中使用的接触器和熔丝装置的现代解决方案，以提高电气系统的性能，可靠性，便利性，效率和安全性。
7.随着这些电气系统和电子系统变得更普遍，人们一直在努力开发用于这些系统的在不同环境条件下更可靠的接触器和熔丝装置。这些环境条件中的一个是热循环，其中，电气系统及其部件在操作期间会经历不同的高温和低温(例如热循环)。对于开关装置来说，在其工作寿命期间可靠地承受许多热循环是重要的。


技术实现要素：

8.本发明涉及一种在热循环期间布置成更可靠操作的开关装置。本发明特别适用于接触器装置，并且在一些实施方式中，接触器装置中可包括不同的内部元件以帮助装置在许多热循环期间保持其气密密封。这些内部元件可包括热膨胀系数(cte)相对接近接触器装置的内部密封材料的热膨胀系数的材料，并且可包括具有一定柔性的材料。这允许内部
元件在热循环期间随密封材料弯曲/移动。
9.根据本发明的电开关装置的一个实施方式包括外壳和在外壳内的内部操作部件。内壳包括在外壳中，围绕内部操作部件中的至少一些。密封材料也包括在外壳内，该密封材料能够在外壳内形成气密密封，其中，密封材料接触内壳。内壳具有的cte与密封材料的cte基本上匹配。
10.根据本发明的电气系统的一个实施方式包括电路和电开关装置，该电开关装置电连接到电路以断开或闭合该电路。开关装置包括外壳和外壳内的内部操作部件。电隔离的内壳包括在外壳中，围绕内部操作部件中的至少一些。密封材料包括在外壳内，其中，密封材料接触内壳。其中，内壳具有的cte与密封材料的cte基本上相同。
附图说明
11.从以下结合附图的详细描述中，本发明的这些和其他进一步的特征和优点对本领域技术人员来说将是显而易见的，其中，相同的附图标记表示附图中的相应部件，在附图中：
12.图1是根据本发明的接触器装置的一个实施方式的透视图；
13.图2是图1所示的接触器装置的侧视图；
14.图3是图1和图2所示的接触器装置沿着图2的剖面线3-3截取的剖视图；
15.图4是图1至图3所示的接触器装置的另一侧视图；以及
16.图5是图1至图4所示的接触器装置沿着图4的剖面线5-5截取的剖视图。
具体实施方式
17.现在，本公开将阐述根据本发明的接触器装置的某些实施方式的详细描述。这些接触器装置可电连接到电气装置或电气系统以“接通”或“断开”去往所连接的装置或系统的电力。应理解，尽管本发明参考接触器装置进行描述，但是本发明也可用于其他装置，例如熔丝装置。
18.本发明一般涉及提供能通过重复的热循环的改进的接触器装置的可靠性。在常规的接触器装置中，可包括内部密封材料(例如环氧树脂)以填充接触器装置内部的某些空间，并且提供与某些内部部件的气密密封。这种气密密封通常形成在内部操作部件之间，例如围绕螺线管的外芯(由低碳钢制成)，固定触点，以及装管装置。
19.这些内部操作部件中的一些与密封材料相比可以具有不同的cte，并且可以是相对刚性的。这会导致特定的内部部件在热循环期间不以相同的速率膨胀，移动或弯曲，并且不与密封材料一起膨胀，移动或弯曲。这进而可使密封材料和内部部件之间的气密密封劣化，并且可最终导致两者之间的密封失效。
20.根据本发明的实施方式的改进的可靠性可通过改进接触器装置的内部组件与其密封材料(例如环氧树脂)之间的粘附性来提供。这可以许多不同的方式实现，其中一些实施方式包括一个或多个具有更接近密封材料的cte的内部部件。这允许部件和密封材料以相同或相似的速率膨胀和收缩，以帮助保持两者之间的密封。其他实施方式也可包括具有改进的柔性的部件。这允许内部部件与密封材料一起移动或弯曲，以帮助保持两者之间的密封。如下面更详细描述的，内部部件可包括表面特征或表面纹理以改善与密封材料的密
封。
21.在一些实施方式中，内部部件可包括通常在常规接触器装置中找不到的额外部件。在一些实施方式中，内壳可被包括在接触器装置的内部操作部件中的至少一些周围，特别是围绕螺线管的外芯。如上所述，在常规的接触器装置中，这些内部部件将与密封材料接触，并且在热循环期间可能不提供预期的粘附性。
22.内壳可用作内部部件和密封材料之间的屏障，其中密封材料接触内壳而不是内部部件。内壳可通过具有不同的特性来提供改进的粘附性，例如更接近密封材料的cte，相对良好的柔性，以及表面处理(例如纹理化)。这些特性允许内壳在热循环期间随密封材料弯曲/移动，并且保持与密封材料的粘附。这进而允许接触器装置在重复的热循环之后可靠地保持其气密密封。
23.在整个本说明书中，所示的优选实施方式和实例应当被认为是实例，而不是对本发明的限制。如本文使用的，术语“发明”，“装置”，“本发明”或“本装置”是指本文所述的发明的实施方式中的任一个以及任何等效物。此外，在整个本文件中对“发明”，“装置”，“本发明”或“本装置”的各种特征的引用并不意味着所有要求保护的实施方式或方法都必须包括所引用的特征。
24.还应理解，当一个元件或特征被称为在另一元件或特征“上”或“邻近”另一元件或特征时，其可以直接在该另一元件或特征上或者邻近该另一元件或特征，或者也可以存在中间元件或特征。还应理解，当元件被称为“连接”或“联接”到另一元件时，其可以直接连接或联接到该另一元件，或者可以存在中间元件。诸如“内”和“外”的相对术语以及类似术语，可以在本文中用于描述一个特征与另一特征的关系。应理解，这些术语旨在包括除了图中所示的方位之外的不同方位。
25.尽管术语第一，第二等可以在本文用来描述各种元件或部件，但是这些元件或部件不应当受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件或部件与另一个元件或部件区分开。因此，在不脱离本发明的教导的情况下，下面讨论的第一元件或部件可以被称为第二元件或部件。
26.本文使用的术语仅用于描述特定实施方式，而不是要限制本发明。如本文使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。将进一步理解，术语“包括”，“具有”当在本文使用时，表示存在所述特征、元件、和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、元件、部件、和/或其组合。
27.本文参考不同的视图和图示来描述本发明的实施方式，这些视图和图示是本发明的理想化实施方式的示意图。因此，例如由于制造技术和/或公差而导致的图示形状的变化是可预期的。本发明的实施方式不应被解释为限于本文所示的区域的特定形状，而是包括例如由制造引起的形状偏差。
28.图1至图5示出了根据本发明的接触器装置10的一个实施方式，其中接触器装置10处于“断开”电路位置，其中，电流不流过接触器装置10，如下面更详细描述的。接触器装置10还可被控制以“闭合”电路位置操作，在该“闭合”电路位置中电流可流过接触器装置10。
29.接触器装置10包括外部主体或外壳14(“外壳”)，以及两个固定触点结构16a，16b，该固定触点结构配置为将接触器装置的内部操作部件17电连接到外部电路，例如，电连接到电气系统或电气装置。内部操作部件17包括操作以移动可移动触点与固定触点16a，16b
接触和脱离接触的部件。这些部件可包括但不限于螺线管、轴、弹簧、可移动触点等。
30.外壳14可包括任何合适的材料，其可支撑如本文公开的接触器装置10的结构和功能。优选的材料是坚固的材料，其可以为接触器装置10提供结构支撑，而不干扰通过固定触点16a，16b和装置的内部操作部件17的电流。在一些实施方式中，外壳14可包括耐用塑料或聚合物。外壳14至少部分地围绕接触器装置1的各种内部操作部件17，其在本文中进一步更详细地描述。
31.外壳14可包括适合于容纳各种内部操作部件17的任何形状，包括圆柱形形状，或者任何规则或不规则的多边形形状。外壳14可以是连续的结构，或者可包括多个接合的组成部件。在一些实施方式中，外壳可包括基体“杯”和顶部“头部”部分，该顶部“头部”部分利用诸如环氧树脂材料的粘合剂密封到基杯。一些实例主体构造包括在美国专利号7,321,281，7,944,333，8,446,240和9,013,254中阐述的那些，所有这些专利都受让给本技术的受让人gigavac公司，并且所有这些专利的全部内容都通过引证结合于此。
32.固定触点16a，16b配置为使得接触器装置10的容纳在外壳14内的各种内部操作部件17可通过固定触点16a，16b与外部电气系统电联接。这允许接触器装置10用作开关以断开或接通电路，如本文所述。
33.固定触点16a，16b可包括任何合适的导电材料，用于提供与接触器装置10的内部操作部件17的电接触。在一些实施方式中，固定触点16a，16b可包括多种金属和金属材料，或者本领域已知的任何刚性的导电接触材料或结构。固定触点16a，16b可包括单个连续接触结构(如图所示)或者可包括接合在一起的多个电连接结构。例如，在一些实施方式中，固定触点16a，16b可包括两个部分，从主体14延伸的第一部分，其电连接到主体4内部的第二部分，该第二部分配置为与在内部保持在外壳14中的其他部件相互作用，如本文所述。
34.在一些实施方式中，外壳14可包括对注入外壳中的气体具有低渗透性或基本上无渗透性的材料。在一些实施方式中，外壳14可包括配置为提高装置的性能的各种内部气体、液体或固体。外壳14可配置为使得外壳14的内部空间被气密地密封，该内部空间容纳接触器装置10的各种内部操作部件17。在一些实施方式中，接触器装置10的内部区域可以处于真空中，或者可具有内部气体(例如，电负性气体，例如六氟化硫或者氮气和六氟化硫的混合物)。外壳14的气密密封构造可保持这种真空或气体，这可帮助减轻或防止相邻导电元件之间的电弧，并且在一些实施方式中，帮助提供空间上分离的触点之间的电隔离。主体14可以利用任何已知的产生气密密封的电气装置的方式来气密地密封。气密密封装置的一些实例包括在美国专利号7,321,281、美国专利号7,944,333、美国专利号8,446,240和美国专利号9,013,254中阐述的那些，这些专利结合到如上所述的本技术中。
35.当不与主体14内部的任何其他部件相互作用时，固定触点16a，16b以其他方式彼此电隔离，使得电不能在它们之间自由流动。固定触点16a，16b可通过任何已知的电隔离结构或方法彼此电隔离。
36.接触器装置10还包括内部可移动触点18。当接触器装置10处于其“断开”位置时，如图3和图5中最佳示出的，以其他方式电隔离的固定触点16a，16b两者都不与可移动触点18接触，使得电流不流过装置10。当可移动触点18向上移动到固定触点16a，16b并与其接触时，可移动触点18用作原本电隔离的固定触点16a，16b之间的导电桥。在可移动触点18处于此位置的情况下，电信号流过装置10。例如，电信号可从第一固定触点16a通过可移动触点
18流到第二触点16b，或者反之亦然。因此，接触器装置10可连接到电路、系统或装置，并且在可移动触点18与固定触点16a，16b电接触时接通电路。
37.可移动触点18可包括任何合适的导电材料，包括本文关于固定触点16a，16b所讨论的任何材料。与固定触点16a，16b类似，可移动触点18可包括单个连续结构(如图所示)，或者可包括多个彼此电连接的组成部件，以便用作原本电隔离的固定触点16a，16b之间的接触桥，使得电流可流过接触器装置10。
38.可移动触点18可配置为使得其可移动成与固定触点16a，16b电接触和脱离电接触。这导致电路在可移动触点与固定触点16a，16b电接触时“闭合”或接通，并且在可移动触点18不与固定触点16a，16b电接触时“打开”或断开。在一些实施方式中，可移动触点18可物理地连接到轴结构20，该轴结构配置为在接触器装置10内沿着预定距离移动。轴20可包括任何适合于其作为内部可移动部件的功能的材料或形状，该内部可移动部件物理地连接到可移动触点18，使得可移动触点18可与轴20一起移动。
39.轴20的运动控制可移动触点18的运动，这进而控制可移动触点18相对于固定触点16a，16b的位置。这进而控制通过接触器装置10的电流，如本文所述。轴的运动可通过各种构造来控制，包括但不限于，电气的和电子的、磁性的和螺线管的、以及手动的。用于控制连接到可移动触点的轴的手动构造的实例在授予gigavac公司的美国专利号9,013,254中阐述，该专利结合到如上所述的本技术中。手动控制特征的这些实例构造中的一些包括磁性构造、隔膜构造和波纹构造。
40.对于接触器装置10，轴20的运动由螺线管22控制。螺线管22也在外壳14内部，并且在驱动轴20上操作以移动可移动触点18。可使用许多不同的螺线管，其中合适的螺线管的一个实例是在低电压下并以相对高的力操作的螺线管。合适的螺线管的一个实例是市场上可买到的型号为sd1564 n1200的螺线管，其来自bicron公司，但是也可使用许多其他的螺线管。在所示的实施方式中，驱动轴20可包括金属材料，其可由螺线管22移动和控制。装置10还可具有内部弹簧24，当螺线管22不作用在驱动轴20上时，该内部弹簧将可移动触点18偏置到期望位置。
41.接触器装置通常在螺线管22周围设置有磁路。这可包括许多不同的材料，例如钢或低碳钢。此磁路围绕螺线管22，并且可包括围绕螺线管的底表面和侧表面的外芯，以及覆盖螺线管的顶部和外芯的开口的顶芯。
42.如图3和图5中最佳示出的，接触器装置10包括头部26，该头部闭合主体14的顶部开口并且封闭内部操作部件17。头部26可由许多不同的材料制成，其中一些实施方式具有由陶瓷制成的头部。
43.为了帮助气密地密封接触器装置10的内部操作部件17，密封材料28可包括在外壳14中，在外壳14，头部26和接触器装置10的内部操作部件17之间形成的空间中。可使用许多不同的密封材料，其中一些实施方式使用环氧树脂。在所示的实施方式中，密封材料28在固定触点16a，16b、装管29和内壳之间提供密封，如下所述。
44.对于如上所述的传统的接触器装置，密封材料接触某些内部操作部件17并且旨在与其形成密封，例如围绕螺线管的外芯。然而，形成外芯的材料可以是相对非柔性的，并且可具有与密封材料28显著不同的热膨胀系数(cte)。这可导致外芯和密封材料在热循环期间经历不同的膨胀和收缩的速率和量。这会降低密封材料28与内芯和外芯之间在热循环期
间的粘附性。这会对接触器装置10的可靠性产生负面影响，并且最终会导致装置10的气密密封失效。这种cte失配也会发生在密封材料和其他内部操作部件之间。
45.在根据本发明的接触器装置中，包括额外的内部“壳体”或“罐”30，其提供与密封材料的改进的粘附性以在热循环期间为接触器装置10提供改进的可靠性。此内壳30不涉及接触器装置10的操作，并且被认为与内部操作部件17分离。在一些实施方式中，内壳与内部操作部件17电隔离，并且主要被包括以提供与密封材料的改进的密封，如下所述。在一些实施方式中，可在内壳30的开口上方包括内壳帽31。
46.如图3和图5中最佳示出的，内壳30和帽31可布置成围绕接触器装置10的某些内部操作部件17。在所示的实施方式中，内壳30是杯形的，并且可移动触点18、轴20、螺线管22、弹簧24和固定触点16a，16b的下部位于内壳30内。内部部件还包括上述磁路，该磁路包括外芯32和围绕螺线管的顶芯34。顶芯34的尺寸可以被确定成使得其嵌套在外芯32的顶表面内，或者尺寸被确定成使得其位于外芯的顶表面上。在任一情况下，在顶芯34和外芯32之间提供适当的结合。
47.如上所述，外芯32和顶芯34可包括不同的材料，例如低碳钢。内壳30围绕这些部件，使得密封材料28主要接触内壳30。应理解，一些内部部件，例如外芯32和内芯14以及螺线管22，可以调整尺寸(例如，变窄或缩短)，以便能够嵌套在内壳30中。
48.内壳30可包括许多不同的材料，但是优选地包括足够刚性以可靠地保持接触器装置10的内部操作部件17的材料，但是与其他内部操作部件17(例如外芯32和内芯34)相比，具有的cte更接近环氧树脂密封材料28的cte。在一些实施方式中，内壳的cte可相对于密封材料的cte在10％内变化。在其他实施方式中，其可在20％或30％内变化，而另一些实施方式可在40％内变化。应理解，其他实施方式可在内壳和密封材料之间具有不同的百分比变化。
49.内壳还应当相对柔性并且能够在热循环期间与环氧树脂密封材料28一起弯曲/移动。在一些实施方式中，内壳30可包括金属或金属的组合，其中一种合适的金属为铝(al)。内壳的柔性可根据抗挠刚度来测量，并且在一些实施方式中，内壳的抗挠刚度小于其他内部操作部件17，例如内芯32和外芯34。在一些实施方式中，内壳的抗挠刚度可以比内芯和外芯小至少10％，而在其他实施方式中，其可以小至少20％或30％。在其他实施方式中，其可以比内芯或外芯小至少40％。这些仅是接触器10的内壳和其他内部部件的抗挠刚度之间的差异的一些实例。
50.通过使密封材料28接触内壳30，接触器装置可更可靠地经受多个热循环。更可靠地保持内壳30和密封材料之间的粘附，以便更可靠地保持接触器装置10的气密密封。
51.应理解，内壳30可包括进一步增强内壳30和密封材料28的粘合表面的特征。这些可包括密封材料接触内壳30的某些表面特征，其中一些表面特征包括表面纹理化或表面粗糙化。在一些实施方式中，表面纹理化或粗糙化可以是随机的，而在其他实施方式中，其可以是图案化的。在另一些实施方式中，内壳的表面可具有诸如切口或凹口的表面特征，而其他实施方式可具有诸如凸片或其他表面凸起的表面特征。这些表面纹理化和特征改变了内壳30的表面，使得与密封材料形成更强的结合。许多不同的方法可用于形成该纹理化或特征，其中一些实施方式具有通过等离子体蚀刻、喷砂、砂磨或阳极氧化形成的纹理化。
52.尽管已经参考本发明的某些优选构造详细描述了本发明，但是其他形式也是可能
的。本发明的实施方式可包括在各个附图中示出的兼容特征的任何组合，并且这些实施方式不应限于明确示出和讨论的那些。例如，内部部件在上面被描述为具有杯形的内壳。应理解，内部部件的其他实施方式可包括不同的形状并且可处于不同的位置。一些实施方式可包括由多于一个部件制成的结构。例如，一些实施方式可包括一个或多个圆柱形装置，其可在顶部和底部处打开。因此，本发明的精神和范围不应限于上述形式。
53.前述内容旨在覆盖落入本发明的精神和范围内的所有修改和替代构造，其中，如果在任何权利要求中没有阐述，则本公开的任何部分都不旨在明确地或隐含地专用于公共领域。