專利名稱：集成的電致動的機(jī)械釋放機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種集成的電致動的機(jī)械釋放機(jī)構(gòu)，更具體的，涉及用作電安全裝置如剩余電流斷路器的一部分的這樣一種機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
本技術(shù)領(lǐng)域中已知有多種機(jī)構(gòu)可提供電安全保護(hù)，用以防止可能存在的多種電氣故障。不幸的是，每種機(jī)構(gòu)通常都被設(shè)計來用于提供對某一特定類型電氣故障的防護(hù)。可能出現(xiàn)的多種相關(guān)類型的電氣故障為，例如與短路同時出現(xiàn)的總的過電流狀態(tài)，與導(dǎo)致或源自電源有關(guān)的不平衡的故障電流狀態(tài)，或盡管不足以觸發(fā)任何短路保護(hù)機(jī)構(gòu)，但仍對任何應(yīng)用安全機(jī)構(gòu)的裝置中的敏感電元件有害的小故障電流。通常，對于每種類型的故障，預(yù)先要求其單獨(dú)的檢測和致動機(jī)構(gòu)，這意味著電安全僅在一些特定的電學(xué)體系中才能得到保證。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種集成的單一電致動的釋放機(jī)構(gòu)，其能夠?qū)⒍嗉夒姳Ｗo(hù)集成到單一系統(tǒng)中。
為達(dá)到上述的目的，本發(fā)明提供了一種集成的可電致動的機(jī)械釋放機(jī)構(gòu)，其包括第一故障檢測裝置，用于檢測一電路中的第一故障狀態(tài)；第二故障檢測裝置，用于檢測該電路中的第二故障狀態(tài)；第三故障檢測裝置，用于檢測該電路中的第三故障狀態(tài)；和用于響應(yīng)于檢測到上述第一、第二或第三故障狀態(tài)中的任何一種狀態(tài)時，斷開該電路的裝置。
該第一故障狀態(tài)最好為一不足以觸發(fā)低電流保護(hù)機(jī)構(gòu)的低故障電流狀態(tài)。第二故障電流狀態(tài)最好為在一電路的兩個或多個部分之間的電流不平衡。第三故障電流狀態(tài)最好為如與短路狀態(tài)相關(guān)的總的過電流狀態(tài)。
在一較佳實(shí)施例中，該第一故障檢測裝置最好包括一雙金屬片，用于響應(yīng)于該電路中第一故障狀態(tài)的出現(xiàn)而彎曲。而且，第二故障檢測裝置最好包括一活性材料彎曲器，其被設(shè)置為響應(yīng)于第二故障狀態(tài)的出現(xiàn)而彎曲。另外，在該較佳實(shí)施例中，第三故障檢測裝置最好包括纏繞一磁心的線圈，在出現(xiàn)第三故障狀態(tài)時，該磁心被從該線圈內(nèi)彈出。
較佳的是，該活性材料彎曲器為在先前的國際公開號為WO-A-98/40917的申請中公開的壓電活性材料彎曲器，這里參考引用其相關(guān)的特征，這些特征對于完全地理解本發(fā)明是必需的。
該活性材料彎曲器可由若干薄片狀元件制成，所述元件一個疊一個地被疊起以便形成一薄型裝置。此外，還提供有一用于該活性材料彎曲器的驅(qū)動電路，其包括一環(huán)形變壓器，在該變壓器上纏繞有初級和次級線圈，適合于檢測在該電路的兩個或更多部分中的電流的不平衡。該變壓器最好進(jìn)一步被設(shè)置為在電流不平衡級尚不足以指示第二故障狀態(tài)的情況下飽和，該磁心的飽和造成高電壓、低功率的輸出驅(qū)動信號，該信號可用于驅(qū)動該活性材料彎曲器。
所有上述的檢測裝置(雙金屬元件、活性材料彎曲器和線圈)最好為線性獨(dú)立的，以便使用故障電流的能量來驅(qū)動該檢測裝置。此外，所有待被檢測的故障最好為電流驅(qū)動的。
本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)在于其提供了一種提供電性保護(hù)以防止多種不同的電氣故障的集成的單一致動器。由此，可在一寬范圍內(nèi)的電操作狀態(tài)下維持電性安全。
以下通過例子、結(jié)合附圖對本發(fā)明較佳實(shí)施例的描述會使本發(fā)明的進(jìn)一步的特征和優(yōu)點(diǎn)變得明顯。


圖1所示為本發(fā)明的集成機(jī)構(gòu)的示意性結(jié)構(gòu)；圖2所示為在本發(fā)明的集成機(jī)構(gòu)中使用的壓電活性材料彎曲器的某一較佳結(jié)構(gòu)的分解透視圖；圖3所示為沿圖2的線A-A、從箭頭方向看去該活性材料彎曲器的較佳結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖4所示為在本發(fā)明中使用的活性材料彎曲器和一用于斷開電觸點(diǎn)的機(jī)構(gòu)的集成的方框圖；和圖5所示為待與本發(fā)明的較佳的活性材料彎曲器一起使用的一較佳驅(qū)動電路。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參考圖1來描述本發(fā)明的集成的電致動機(jī)械釋放機(jī)構(gòu)的一參考圖1，電觸點(diǎn)94被設(shè)置為通過相關(guān)的電觸點(diǎn)(未示出)接收來自市電電源的電流。電觸點(diǎn)94可按要求被切換為與主觸電接觸或不接觸。已知在現(xiàn)有技術(shù)中有多種用于完成這一功能的機(jī)構(gòu)和裝置。
來自電觸點(diǎn)94的電流被送到開關(guān)裝置80，其包括適當(dāng)?shù)拈_關(guān)和連接件，用以將該必要的電流送到本發(fā)明三種檢測裝置的每一個。
第一檢測裝置包括由不同材料的兩個或多個層疊板構(gòu)成的雙金屬片82，每種材料關(guān)于溫度的擴(kuò)展系數(shù)都不同。片82在第一端被固定，且被提供有一安裝在另一端的致動器84。開關(guān)裝置80與該片的一端連接。
第二檢測裝置包括一由壓電-活性材料，如壓電-陶瓷構(gòu)成的壓電活性材料彎曲器62。所有活性材料的一個特征是它們的效率相對來說都比較低，在電驅(qū)動裝置和百分?jǐn)?shù)的致動機(jī)械輸出之間具有耦合系數(shù)。因此，使用該材料的致動器需要高的驅(qū)動場。為提供這樣一個高的驅(qū)動場，在雙金屬片82到環(huán)形變壓器70之間提供了連接，并由此連接到電壓乘法器61。該連接使得電流流過雙金屬片后，流到變壓器，接著流到電壓乘法器。該環(huán)形變壓器按后述方式向該乘法器提供一高電壓、低功率信號，該電壓乘法器對經(jīng)變壓的電壓進(jìn)行乘法運(yùn)算，并將其提供給活性材料彎曲器62的一端。接著，將該活性材料彎曲器的遠(yuǎn)端接回到該切換裝置80以完成該回路。該活性材料彎曲器還被提供有一致動器86和以可移動端44，其響應(yīng)于來自該電流的施加場而移動，這在以后將進(jìn)行描述。
第三故障檢測裝置包括一被設(shè)置為包在金屬磁芯90周圍的線圈88。線圈的每一端和切換裝置80均連接，用以允許將電流送到該線圈。該線圈檢測故障狀態(tài)的操作如下，在突然出現(xiàn)短路的情況下，電流的突增導(dǎo)致圍繞該導(dǎo)線的磁通的突增，在該導(dǎo)線中流有電流。當(dāng)被包進(jìn)線圈的磁通由于導(dǎo)線而被增強(qiáng)時，該增加了的磁通反作用于該金屬磁芯90，將其從該線圈中彈出。該彈出不必是完全彈出，但應(yīng)易于檢測且可用于驅(qū)動一觸發(fā)機(jī)構(gòu)。
本發(fā)明還提供一短路柱塞92，作為在檢測到與一短路相關(guān)的故障的情況下，用于斷開電觸點(diǎn)94的觸發(fā)機(jī)構(gòu)的一部分。設(shè)置該短路柱塞是用于響應(yīng)于由線圈88和磁心90檢測到的短路而動作，甚至可形成磁心90的一部分或被直接連接到磁心90上，當(dāng)然，情況不需一定如此。不管使用何種結(jié)構(gòu)來驅(qū)動該柱塞，該柱塞斷開電觸點(diǎn)94和主要觸點(diǎn)的接觸的操作必須盡可能地快，否則在短路情況下的高電流會使電觸電94熔進(jìn)主要觸點(diǎn)中。
在使用中，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)用作檢測多種類型的電故障。如上述已經(jīng)討論過的，線圈結(jié)構(gòu)88用于檢測引起總過電流狀態(tài)的短路，其要求非?？焖俚姆从骋苑乐箛?yán)重的或無法修復(fù)的損害。雙金屬片用于檢測不會立即產(chǎn)生危險的相對較小的故障電流。壓電材料彎曲器與環(huán)形變壓器組合用于檢測指示故障狀態(tài)的電流的不平衡。
雙金屬片依賴于流過該片的電流的熱效應(yīng)引起該片每一層的不同的延伸，并由此引起該片彎曲，因此反映相對較慢。在雙金屬片由于故障電流而彎曲的情況下，致動器84按壓在壓電材料62上，并引起該壓電材料變形。該變形可以通過下述的壓電材料的結(jié)構(gòu)機(jī)械地檢測到，或通過該變形壓電材料所產(chǎn)生的電流電性地測到。不管使用那種結(jié)構(gòu)，所檢測的變形都用于觸發(fā)該觸發(fā)機(jī)構(gòu)以使得該電觸點(diǎn)94被打開。
以下參考圖2和圖3，通過例子來對一引入該壓電活性材料元件的觸發(fā)機(jī)構(gòu)的較佳結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)地描述。
根據(jù)較佳實(shí)施例和附圖中所示的觸發(fā)機(jī)構(gòu)由多層板材構(gòu)成。不同層的相對厚度的選擇與待由這些層完成的不同的功能有關(guān)，該選擇考慮同樣適用于所采用的材料。為易于處理這一特定的結(jié)構(gòu)，該材料為一金屬片，其中，其厚度易于被控制為該制作過程可接受的范圍。已發(fā)現(xiàn)0.15-0.2mm的厚度是適合的，但也可使用其它的厚度，正如某些層可使用其它的材料。這些層不必是金屬的或是導(dǎo)電的，事實(shí)上，在某些情況下，對某些層來說，因由一適合的塑料原料制成而為絕緣的或是自動潤滑的有可能是一優(yōu)點(diǎn)。然而，在本發(fā)明的集成致動器中使用該較佳結(jié)構(gòu)時，最好是形成該活性材料彎曲器的一部分和/或其它層疊層的一部分的合金與該雙金屬片的合金匹配，以用于消除由于周圍溫度的天然改變而引起的尺寸改變或變形。
根據(jù)本發(fā)明的該較佳實(shí)施例的觸發(fā)機(jī)構(gòu)包括一基底10，其它堆積的層連接至該基底。該堆積層從基底10按順序包括一框架12，一分割層14和一平面雙壓電晶片元件層16。還提供有一滑動元件18，其被設(shè)置為在形成于框架12中的異型通道30內(nèi)滑動，且該滑塊具有一延伸到框架12內(nèi)中的異型通道30的開口端外的延伸部分32。
滑塊18具有一提供在延伸部分32中的槽34，該槽被設(shè)置為用于容納彈簧36，彈簧的一端位于提供有該槽的彈簧座37上，另一端與在其它一層上提供的彈簧座38銜接，在此情況下，該層為分隔層14?；瑝K元件能夠通過一可旋轉(zhuǎn)的棘爪40被鎖定，與彈簧36的作用隔離。棘爪40被安裝為用于借助于一軸承41來旋轉(zhuǎn)，在該較佳實(shí)施例中，該軸承41提供于分隔層14上，但其也可被提供于基底10之上。該分隔層還被提供有一孔42，雙壓電晶片元件的可操作、可移動端44通過該孔延伸以便控制該棘爪40的旋轉(zhuǎn)，從而釋放或鎖定該滑塊18。
在描述上述機(jī)構(gòu)的操作之前，有一點(diǎn)應(yīng)著重予以理解，即框架12中的異型通道30具有特制的形狀，以便滑塊17也能進(jìn)行微小的橫向運(yùn)動或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，盡管其可在彈簧36的作用下沿箭頭X的方向大幅度的線性移動。而且，該異型通道在通道開口端64的附近變窄，以便限制該滑塊的沖程，該滑塊所具有的突出部分46寬于該通道64的窄開口端。而且，該棘爪40具有一半圓形部分48，其被設(shè)置為可容納于該異型通道的相應(yīng)部分50，以便能夠沿異型通道中的箭頭A的方向(在圖中示為順時針方向)進(jìn)行角轉(zhuǎn)運(yùn)動。該棘爪還具有一成形的凹槽52，用于容納在滑塊18上遠(yuǎn)離彈簧36的一端上的相應(yīng)形狀的突出部分54。匯合突出部分54和凹槽52的形狀和尺寸是被精心設(shè)計的，目的是提供一特定的突發(fā)力，且該滑塊還被提供有一附加的成一角度的鎖定面56，其被設(shè)置為可滑動地與提供在框架12上的相應(yīng)地成一角度的鎖定面58銜接。各鎖定面56和58的傾斜角度使得在該滑塊18被鎖定時，由彈簧36施加在滑塊18上的力引起鎖定面56壓向鎖定面58，由鎖定面58產(chǎn)生的反作用力使得沿箭頭B的方向在該滑塊18上施加一轉(zhuǎn)距，如圖所示為逆時針方向。
圖3示出被裝配起來的各個層的橫截面。參考圖3，將會看到，雙壓電晶片元件16被提供有一銷構(gòu)件44，其延伸穿過在分隔層上提供的孔42，以與棘爪40咬合。典型的，銷構(gòu)件44對應(yīng)于分隔層14和滑塊18的深度，其通常為0.35mm。銷構(gòu)件44被提供于雙壓電晶片元件16的操作端之上，使得當(dāng)該雙壓電晶片元件16被驅(qū)動時，銷構(gòu)件44沿箭頭C的方向被移出棘爪40的旋轉(zhuǎn)面，其移出的程度使棘爪40能夠自由地沿箭頭A的方向旋轉(zhuǎn)。在圖3中，所示的棘爪40安裝于提供在分隔層14上的軸承41(未示出)上，當(dāng)然，也可將該軸承41提供于基底10上。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向該機(jī)構(gòu)的操作，假設(shè)所有各層均被組裝、堆疊在一起，如圖3所示，滑塊在通道30中的位置使得鎖定面56與框架12上的鎖定面58相嚙合，于是，彈簧36在彈簧座37和38之間處于受壓狀態(tài)。表面56和58傾斜一角度，使得彈力轉(zhuǎn)換為如箭頭B所示的旋轉(zhuǎn)力。該旋轉(zhuǎn)受到滑塊18上的突出部分54的限制，滑塊18受棘爪40中凹槽52的限制。棘爪40沿箭頭A方向的運(yùn)動受到銷構(gòu)件44的限制，該銷構(gòu)件44被提供于雙壓電晶片元件16的可移動端。
當(dāng)驅(qū)動該機(jī)構(gòu)時，一電信號被施加到雙壓電晶片元件16上，所述信號引起該雙壓電晶片元件發(fā)生變形，其變形使得銷44被向上拉出，離開圖2中的紙平面，且沿圖3所示的箭頭C所示的方向，脫離與棘爪40的嚙合。在由彈簧36施加的力的作用下，突出部分54和凹槽52的匯合面的形狀和匯合面56和58的形狀的結(jié)合引起滑塊18開始沿箭頭B的方向轉(zhuǎn)動，其又迫使棘爪40沿箭頭A所示的方向轉(zhuǎn)動，直到棘爪40釋放該突出部分54，其允許滑塊18首先沿箭頭B的方向沿一弓形方向移動，隨后，沿箭頭X方向移動，使得滑塊18延伸部分32可用于驅(qū)動另外的機(jī)構(gòu)和設(shè)備，如柱塞76的觸發(fā)機(jī)構(gòu)。
為復(fù)位和重新鎖定該機(jī)構(gòu)，假定未向雙壓電晶片元件16施加電信號，因此銷44在其最下方的位置。通過沿與方向X相反的方向克服彈簧36的彈力移動該滑塊18，該彈簧36被壓縮，且滑塊被移動經(jīng)過鎖定突出部分58以允許在滑塊一側(cè)的突出部分54被容納于棘爪中的凹槽52中。棘爪受到輕微的彈性力而在與箭頭A的方向相反的方向上被彈性偏移，以允許突出部分54被凹漕和銷44所捕獲，保持在該捕獲位置。
從上所述可明顯地看到，必須對因彈簧36的壓縮而由鎖定面56和58所產(chǎn)生的反作用力、突出部分53和凹槽52的突發(fā)力、棘爪40的反彈力進(jìn)行仔細(xì)地平衡，以獲得正確的操作。更具體的，盡管對本專業(yè)技術(shù)人員來說，可允許較大程度的變化，但應(yīng)理解，作用于使棘爪40返回鎖定位置的反彈力和由凹槽52和突出部分54的傾斜面所產(chǎn)生的突發(fā)力的和必需小于在彈簧36的壓縮下，由傾斜的鎖定面56和58所產(chǎn)生的反作用力，以使驅(qū)動雙壓電晶片元件16時，該滑塊被釋放。
由于嚙合深度和釋放力較小，因此有可能采用具有大位移的平面雙壓電晶片元件16來產(chǎn)生能夠使用小功率來操作的系統(tǒng)。
應(yīng)當(dāng)理解，以上結(jié)構(gòu)可制成不同的尺寸。事實(shí)上，由于該結(jié)構(gòu)的層狀特性，其非常適用于微加工技術(shù)。
以下參考圖5，描述用于檢測第二故障狀態(tài)并產(chǎn)生用于活性材料彎曲器的相應(yīng)的驅(qū)動信號的一較佳實(shí)施例，其中，所述第二故障狀態(tài)與帶電線和中性線中的電流不平衡有關(guān)。
在圖5中，用于活性材料彎曲器的驅(qū)動電路包括之前提到的環(huán)形變壓器70，具有第一初級線圈66的變壓器，該線圈用于將負(fù)載電流iL從電壓源64，例如，市電電源的帶電觸點(diǎn)運(yùn)送到負(fù)載74。從上述說明可明顯看到，在該較佳實(shí)施例中，來自市電電源的電流首先流過開關(guān)裝置80，接著流過雙金屬片82，最后送到環(huán)形變壓器。第一初級線圈66由圍繞變壓器70的環(huán)形線圈的單匝線圈構(gòu)成。還提供有由環(huán)形線圈的單匝線圈構(gòu)成的第二次級線圈，用于將電流iL從負(fù)載74運(yùn)回到電壓源64的中性點(diǎn)，且最好通經(jīng)由開關(guān)裝置80，當(dāng)然不必一定必需如此。
除了第一和第二初級線圈以外，在環(huán)形變壓器70的磁芯上還提供有一包含有多匝線圈的次級線圈68，該次級線圈68上的感應(yīng)輸出電壓E被送到一二極管橋式整流器76用于整流，接著，該來自次級線圈68的整流輸出驅(qū)動電壓被傳送到一電壓乘法器61，該電壓乘法器61用于對該輸出驅(qū)動電壓E進(jìn)行乘法運(yùn)算以達(dá)到操作電壓V的電壓相乘。在該最佳驅(qū)動電路中，還提供有一連接二極管橋式整流器76的輸出的平滑電容器78，用于在電壓乘法器61中進(jìn)行乘積之前平滑該經(jīng)整流的電壓。電壓乘法器61可以是任意方便的乘法裝置或電路元件，這一點(diǎn)對本專業(yè)技術(shù)人員來說很明顯。
盡管在上述和圖5所示的較佳驅(qū)動電路中，所示的來自次級線圈的輸出驅(qū)動電壓E先由二極管橋式整流器76進(jìn)行整流，然后在乘法器61中進(jìn)行乘法運(yùn)算，但這一順序?qū)Ρ景l(fā)明的操作來說并不是必需的，當(dāng)然也可將整流器76和乘法器61的順序顛倒過來，即來自次級線圈的AC電壓峰值輸出可以先由乘法器61進(jìn)行乘法運(yùn)算，然后由橋式整流器76進(jìn)行整流。
如上所述的驅(qū)動電路在本發(fā)明用作一個檢測電路，用于檢測為電流不平衡的第二故障狀態(tài)，且特別地，該變壓器的提供允許進(jìn)行精確的電流不平衡的測定，以下會更全面地對此進(jìn)行描述。較佳的是，初級線圈66和72僅包括單匝線圈，而次級線圈68包括大量匝數(shù)的線圈，通常超過1000匝?？墒褂酶邔?dǎo)磁材料，如鎳鐵，來提高整個系統(tǒng)的導(dǎo)電性。
具有上述結(jié)構(gòu)的活性材料彎曲器的驅(qū)動電路按下述方式操作。在環(huán)形變壓器70的次級線圈74的兩端所產(chǎn)生的電壓為反電動勢，其反對在任一初級線圈中流過的電流的任何變化，由大家熟知的公式E＝-Ldi/dt給出。在正常的情況下，即沒有故障狀態(tài)的情況下，分別流經(jīng)帶電線圈66(IL)和中性線圈72(IN)的電流是相等且反向的，于是與各電流相關(guān)的磁場被抵消，因此在次級線圈68中幾乎沒有感應(yīng)電流。
如果由于一故障狀態(tài)，如短路或有人面臨電擊的危險，而使一部分輸入電流IL流出負(fù)載，則與流經(jīng)兩初級線圈的各電流相關(guān)的磁場不再相等且相反，導(dǎo)致在次級線圈68中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。起初，該感應(yīng)波形為正弦形狀，與電壓源64具有同樣的頻率和相位，以與故障電流相匹配，但隨著故障電流的增加，環(huán)形變壓器被置為飽和，且次級線圈74兩端的輸出電壓波形E變?yōu)榧忉敔?。在傳統(tǒng)的電機(jī)繼電器中，這是一不利之處，因?yàn)檩敵龉β蕰档?。然而，壓電和電致伸縮的材料卻很特殊，其只需非常低的功率，但需要高的電場來進(jìn)行操作。如上所述，可由等式E＝-Ldi/dt算出感應(yīng)器的電壓輸出，其中E為電壓，L為系統(tǒng)電感，di/dt為電流對時間的變化率。磁芯的飽和導(dǎo)致di/dt非常高，于是，次級線圈上的電壓也上升。本發(fā)明最佳實(shí)施例中的驅(qū)動電路利用了這一性能，目的是從該環(huán)形變壓器產(chǎn)生一最初的高電壓。最好是將該變壓器的磁芯設(shè)計為在觸發(fā)值的大約50％處飽和，該觸發(fā)值為在兩個指示故障狀態(tài)的初級線圈之間的電流不平衡級。
在圖5所示的驅(qū)動電路中，最好將次級線圈上的感應(yīng)電壓波形E在一橋式二極管電路76中進(jìn)行整流，并使用平滑電容器78對其進(jìn)行平滑。然后經(jīng)如此整流和平滑后的信號被送到電壓乘法電路61，用于與一適當(dāng)?shù)南禂?shù)，如2或3相乘，達(dá)到操作電平V。然后，使用該輸出信號V來驅(qū)動活性材料彎曲器。
作為一替換的驅(qū)動電路，可進(jìn)一步提供一振蕩器電路和適當(dāng)?shù)目刂菩酒?，以控制流過變壓器上次級線圈的電流的切換。該操作類似于一切換模式電源的操作，這里應(yīng)用突然切斷感應(yīng)器中的電流來產(chǎn)生一高電壓脈沖，這里斷開的定時由一基準(zhǔn)電阻上的電壓來控制。如果使用該振蕩器電路來非?？焖俚剡M(jìn)行該切換，則可產(chǎn)生高電壓。然后，通過控制該振蕩器的頻率和工作周期，可從環(huán)形變壓器獲得必要的操作電壓。未獲得適當(dāng)?shù)碾妷海€必須整流該環(huán)形線圈的輸出，然后還必須整流驅(qū)動芯片的輸出。這兩種情況下均使用二極管橋式整流器進(jìn)行整流。
圖4示出如何將驅(qū)動電路和引入活性材料彎曲器的觸發(fā)機(jī)構(gòu)集成在一起的方框圖。更具體的，參考圖4，在環(huán)形變壓器70和負(fù)載74之間的帶電電路中提供有一對接觸開關(guān)63，用于斷開該帶電電路，由此防止電流流經(jīng)環(huán)形變壓器70的線圈。觸點(diǎn)63機(jī)械連結(jié)于引入活性材料彎曲器的觸發(fā)機(jī)構(gòu)，在圖中，該觸發(fā)機(jī)構(gòu)標(biāo)號為62。更具體的，觸點(diǎn)63最好機(jī)械連結(jié)于電性切換機(jī)構(gòu)的滑塊18的延伸部分32，且將其設(shè)置為使得當(dāng)滑塊18被從其在異型通道30內(nèi)的鎖定位置釋放后，該電觸點(diǎn)63為打開狀態(tài)，以便延伸部分32突出通道30該側(cè)之外很長一段距離。觸點(diǎn)63可直接安裝于滑塊18的延伸部分32之上，或可在該滑塊18和機(jī)械觸點(diǎn)63之間提供一機(jī)械連結(jié)件或其他機(jī)構(gòu)。
較佳的是，電觸點(diǎn)63是與由柱塞機(jī)構(gòu)打開的那些觸點(diǎn)相同的觸點(diǎn)，在這種情況下，在該滑塊18和柱塞92的觸發(fā)機(jī)構(gòu)之間提供一機(jī)械連結(jié)件或其他機(jī)構(gòu)，且該機(jī)械連結(jié)件或其他機(jī)構(gòu)被設(shè)置為其操作使得當(dāng)滑塊從異型通道30內(nèi)部被釋放時，該柱塞被觸發(fā)從而斷開觸點(diǎn)94。
因此，在操作中，假設(shè)電觸點(diǎn)63(94)閉合，且電流流經(jīng)負(fù)載74，則環(huán)形變壓器70用于通過在次級線圈上輸出為反電動勢的驅(qū)動電壓E，來檢測流經(jīng)帶電電線和中性電線的電流iL和IN之間的任何電流不平衡，接著，如果需要，則對該反電動勢進(jìn)行整流，并將其送到電壓乘法器61，用于進(jìn)行乘法運(yùn)算使其達(dá)到操作電壓V，操作電壓V被適當(dāng)?shù)刂糜陔p壓電晶片彎曲器16上，用于驅(qū)動該雙壓電晶片元件16彎曲離開棘爪40的作用平面，于是就將滑塊18從異型通道40上釋放掉，于是觸發(fā)柱塞92而打開這些觸點(diǎn)。
以下更詳細(xì)地描述雙金屬片檢測低電流故障狀態(tài)的操作。
如上所述，雙金屬片82的致動器84的作用是在出現(xiàn)低電流故障狀態(tài)時，壓迫活性材料彎曲器。從上述對圖2的觸發(fā)機(jī)構(gòu)的描述可以理解，片82的致動器84最好被設(shè)置為使觸發(fā)機(jī)構(gòu)的雙壓電晶片元件16移動離開棘爪40的作用平面，從而將滑塊18從通道30釋放掉。如上所述，滑塊18自通道的釋放最好使柱塞被觸發(fā)，從而斷開該電路。于是在雙金屬片檢測到一低電流狀態(tài)或活性材料彎曲器和相關(guān)的驅(qū)動電路檢測到一電流不平衡時，均可引起圖2的觸發(fā)機(jī)構(gòu)被釋放。其優(yōu)點(diǎn)是同樣的觸發(fā)機(jī)構(gòu)可被有效地用于檢測或作用于不同類型的電流驅(qū)動故障。
從上述的說明很明顯，本發(fā)明提出了一種集成致動器，其能夠被用于檢測多種電故障狀態(tài)，并將至少三種不同的檢測機(jī)構(gòu)組合到一個集成機(jī)構(gòu)中。
權(quán)利要求
1.一種集成的可電致動的機(jī)械釋放機(jī)構(gòu)，包括被設(shè)置為用于檢測一電路中的第一故障狀態(tài)的第一故障檢測裝置；被設(shè)置為用于檢測該電路中的第二故障狀態(tài)的第二故障檢測裝置；被設(shè)置為用于檢測該電路中的第三故障狀態(tài)的第三故障檢測裝置；和用于響應(yīng)于檢測到上述第一、第二或第三故障狀態(tài)中的任何一種狀態(tài)時，斷開該電路的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)構(gòu)，其中，所述第一故障狀態(tài)為一低故障電流狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的機(jī)構(gòu)，其中，所述第二故障狀態(tài)為在所述電路的兩個或多個部分之間的電流不平衡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3所述的機(jī)構(gòu)，其中，所述第三故障狀態(tài)為一總的過流狀態(tài)。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的機(jī)構(gòu)，其中，所述第一、第二或第三故障檢測裝置中的至少一個或多個是線性獨(dú)立的。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的機(jī)構(gòu)，其中，所述第一故障檢測裝置包括一雙金屬片，其被設(shè)置為響應(yīng)于電路中第一故障狀態(tài)的出現(xiàn)而彎曲。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)構(gòu)，其中該雙金屬片還被提供有一致動器，該致動器被設(shè)置為對第二故障檢測裝置起作用，以引起該第二故障檢測裝置指示一故障。
8.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的機(jī)構(gòu)，其中，該第二故障檢測裝置包括一活性材料彎曲器，其被設(shè)置為響應(yīng)于電路中第二故障狀態(tài)的出現(xiàn)而彎曲。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的機(jī)構(gòu)，其中，該第二故障檢測裝置還包括用于活性材料彎曲器的一驅(qū)動電流，該電路包括一環(huán)形變壓器和一電壓乘法器裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的機(jī)構(gòu)，其中，所述變壓器具有一第一初級線圈和第二初級線圈，和一次級線圈，該次級線圈被設(shè)置為響應(yīng)于流經(jīng)第一和第二初級線圈的各電流之間的任何電流不平衡，提供一輸出驅(qū)動電壓；該變壓器被進(jìn)一步設(shè)置為在小于指示該第二故障狀態(tài)的電流不平衡級的電流不平衡級處飽和。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的機(jī)構(gòu)，其中，所述變壓器被設(shè)置為在指示該第二故障狀態(tài)的電流不平衡級的50％處飽和。
12.根據(jù)權(quán)利要求9、10或11所述的機(jī)構(gòu)，其中，該驅(qū)動電流還包括一電壓整流裝置，用于整流輸出驅(qū)動電壓。
13.根據(jù)權(quán)利要求8至12的任意一個所述的機(jī)構(gòu)，其中，所述活性材料彎曲器包含于一觸發(fā)機(jī)構(gòu)之內(nèi)，該觸發(fā)機(jī)構(gòu)包括被提供有一異型通道的平面框架元件；被設(shè)置為可容納于該異型通道之內(nèi)的平面滑動元件；和被設(shè)置為將該平面滑動元件鎖定于所述異型通道內(nèi)的鎖定裝置，該鎖定裝置響應(yīng)于活性材料彎曲器，用于鎖定或釋放該滑動元件以閉合或打開一個或多個電觸點(diǎn)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的機(jī)構(gòu)，其中，所述活性材料彎曲器被層疊為所述的平面框架元件。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的機(jī)構(gòu)，其中，所述活性材料彎曲器還被設(shè)置為受到驅(qū)動時運(yùn)動離開鎖定裝置的作用平面。
16.根據(jù)權(quán)利要求13、14或15所述的機(jī)構(gòu)，其還包括一平面分隔元件，其被層壓于所述平面活性材料彎曲器和所述平面框架元件之間。
17.根據(jù)權(quán)利要求13至16中的任意一個所述的機(jī)構(gòu)，其中，所述鎖定裝置包括一可旋轉(zhuǎn)的棘爪，其被設(shè)置為當(dāng)被所述活性材料彎曲器固定于第一位置時，鎖定所述滑動元件。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的機(jī)構(gòu)，其中，所述可旋轉(zhuǎn)的棘爪還被提供有一具有一定形狀的凹槽，其被設(shè)置為容納在所述滑動元件上提供的具有相應(yīng)形狀的突出部分，其中，在鎖定模式的操作中，由所述活性材料彎曲器防止所述可旋轉(zhuǎn)的棘爪旋轉(zhuǎn)，使得所述成形的突出部分固定于所述成形的凹槽內(nèi)，以鎖定所述的滑動元件，而在釋放模式的操作中，所述活性材料彎曲器運(yùn)動以允許所述可旋轉(zhuǎn)的棘爪轉(zhuǎn)動，由此將所述成形的突出部分從所述成形的凹槽松開，以釋放所述的滑動元件。
19.根據(jù)權(quán)利要求13至18的任意一個所述的機(jī)構(gòu)，其中，所述異型通道被提供有第一傾斜鎖定面，所述滑動元件被提供有一第二傾斜鎖定面，該結(jié)構(gòu)使得當(dāng)所述滑動元件被鎖定時，所述第二傾斜鎖定面固定于與所述第一傾斜鎖定面銜接的可滑動的接合部分。
20.根據(jù)權(quán)利要求13至19的任意一個所述的機(jī)構(gòu)，還包括一彈簧裝置，其被設(shè)置為使所述的滑動元件偏離出所述的異型通道。
21.根據(jù)前述任意一個權(quán)利要求所述的機(jī)構(gòu)，其中，所述第三故障檢測機(jī)構(gòu)包括圍繞一磁心設(shè)置的線圈，該設(shè)置使得在出現(xiàn)第三故障狀態(tài)時，該磁心從所述線圈中彈出。
22.根據(jù)前述任意一個權(quán)利要求所述的機(jī)構(gòu)，其中，所述用于斷開電路的裝置包括一柱塞，其被設(shè)置為在檢測到一故障狀態(tài)時，斷開在電路中提供的電觸點(diǎn)。
全文摘要
一種集成的可電致動的機(jī)械釋放機(jī)構(gòu),其提供有三種單獨(dú)的故障檢測器,每一個被設(shè)置為檢測一電路中不同的電流驅(qū)動故障。在一較佳實(shí)施例中,一雙金屬片被用于檢測不足以觸發(fā)短路檢測機(jī)構(gòu)的低電流故障狀態(tài),一活性材料被用于檢測帶電線和中性線之間的電流的不平衡,一線圈和銜鐵被用于檢測短路。該集成機(jī)構(gòu)具有的優(yōu)點(diǎn)在于可在一電操作狀態(tài)范圍內(nèi)確保電性安全。
文檔編號H01H73/48GK1347563SQ00806430
公開日2002年5月1日 申請日期2000年4月19日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月19日
發(fā)明者西蒙·鮑威爾 申請人:Pbt(Ip)有限公司