寄生電源和包括電源的傳感器設(shè)備的制作方法
【專利摘要】寄生電源從與電力導(dǎo)體的接近中獲得電力。該電源包括具有設(shè)置在與電力導(dǎo)體平行布置的磁芯上的線圈的變壓器。該線圈具有由流進電力導(dǎo)體的電流所感應(yīng)的電壓。電壓調(diào)節(jié)電路和變壓器協(xié)作并包括具有電壓的電容器,被構(gòu)造為從線圈電壓給電容器充電的充電開關(guān),被構(gòu)造為當電容器電壓低于第一預(yù)定值時允許充電開關(guān)給電容器充電的自舉電路,被構(gòu)造為當電容器電壓低于第二預(yù)定值時允許充電開關(guān)給電容器充電的充電控制器,以及由電容器電壓供電的電壓調(diào)節(jié)器。
【專利說明】寄生電源和包括電源的傳感器設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般地涉及電源,更具體地涉及用于配電系統(tǒng)的寄生電源。本發(fā)明也涉及用于配電系統(tǒng)的傳感器設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]編號7,145,322和7,253,602的美國專利公開了一種電源,其采用的電壓是通過將電源總線(power bus)磁耦合到一個或多個線圈產(chǎn)生的,以便從流入電源總線的電流產(chǎn)生的磁通對功率傳感器和其它電路供電。外殼耦合到載流電源總線,例如電源母線(powerbus bar)。該電源包括:兩個通電線圈,每一個都具有開口;具有兩個端部的鐵氧體磁芯;和具有兩個端部的磁通量聚集器部件。該鐵氧體磁芯穿過通電線圈的開口。該磁通量聚集器部件的端部與鐵氧體磁芯的各個端部接合。該鐵氧體磁芯和磁通量聚集器部件環(huán)繞并捕獲電源母線。該鐵氧體磁芯和磁通量聚集器部件進一步組合以起到磁通聚集器的作用,也為電源母線支持傳感器裝置。該傳感器裝置使用兩個磁通感應(yīng)通電線圈和用于提高磁通量耦合的共用插入式鐵氧體磁芯,以將磁通量從電源母線轉(zhuǎn)換到可用的電壓源,從而為電源提供合適的輸入功率。因此,該傳感器裝置是自供電的。
[0003]專利7,253,602也公開了一種電源,其包括:具有交流電壓輸出的線圈,電壓乘法器電路,例如倍壓器電路,具有與線圈輸出電互連的輸入和直流電壓輸出;和電壓調(diào)節(jié)器,具有至少一路電壓的至少一路輸出。該電源電壓調(diào)節(jié)器包括適用于監(jiān)測直流電壓和當該直流電壓低于預(yù)定值(例如,但不限于,3.5VDC)時使電壓調(diào)節(jié)器電路停止工作的電路。另外,電壓調(diào)節(jié)器電路的使能輸入被拉低以使能該電路從而獲得電壓。
[0004]對于電力導(dǎo)體在寄生電源中有改善的空間。
[0005]對于電力導(dǎo)體在傳感器設(shè)備中也有改善的空間。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]這些需求及其它需求由本發(fā)明的實施例來滿足,其采用包括設(shè)置在被構(gòu)造為與電力導(dǎo)體平行布置的磁芯上的線圈的變壓器,該線圈具有由流入電力導(dǎo)體的電流所感應(yīng)的電壓;和與該變壓器協(xié)作的電壓調(diào)節(jié)電路,該電壓調(diào)節(jié)電路包括:具有電壓的電容器,被構(gòu)造為從線圈的電壓給電容器充電的充電開關(guān),被構(gòu)造為當該電容器的電壓低于第一預(yù)定值時允許該充電開關(guān)給電容器充電的自舉電路,被構(gòu)造為當該電容器的電壓低于第二預(yù)定值時允許該充電開關(guān)給電容器充電的充電控制器,以及由該電容器的電壓供電的電壓調(diào)節(jié)器。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個方面,寄生電源是用于電力導(dǎo)體的。該電源包括:設(shè)置在被構(gòu)造為與電力導(dǎo)體平行布置的磁芯上的線圈的變壓器,該線圈具有由流入電力導(dǎo)體的電流所感應(yīng)的電壓;和與該變壓器協(xié)作的電壓調(diào)節(jié)電路,該電壓調(diào)節(jié)電路包括:具有電壓的電容器,被構(gòu)造為從線圈的電壓給電容器充電的充電開關(guān),被構(gòu)造為當該電容器的電壓低于第一預(yù)定值時允許該充電開關(guān)給電容器充電的自舉電路,被構(gòu)造為當該電容器的電壓低于第二預(yù)定值時允許該充電開關(guān)給電容器充電的充電控制器,以及由該電容器的電壓供電的電壓調(diào)節(jié)器。
[0008]充電開關(guān)、自舉電路和充電控制器中的每一個可以接通或關(guān)斷。
[0009]該線圈和該電容器可以構(gòu)成用于電壓調(diào)節(jié)器的電感-電容濾波網(wǎng)絡(luò)。
[0010]該充電控制器可以包括提供充電開關(guān)的滯后的晶體管和電阻器。
[0011]該磁芯可以橫向于流入所述電力導(dǎo)體的電流,由磁性低碳電工鋼或鎳鋼制成,具有中心區(qū)域和約等于或小于所述電力導(dǎo)體的寬度的寬度,并且具有在所述電流的方向上延伸的端部以便于磁通量的聚集;并且所述線圈卷繞在所述磁芯的中心區(qū)域上。
[0012]該磁芯具有朝著電力導(dǎo)體彎曲的端部以便于磁通量的聚集。
[0013]該磁芯具有朝著電力導(dǎo)體彎曲并且并延伸超出所述電力導(dǎo)體的端部以便于磁通量的聚集。
[0014]該磁芯具有朝著電力導(dǎo)體彎曲的端部以便于磁通量的聚集;并且該端部的一部分也可以遠離電力導(dǎo)體延伸。
[0015]所述端部中的第一端部的第一部分可以還朝著所述端部中的第二端部的第二部分向內(nèi)延伸;并且所述端部中的第二端部的第二部分還可以朝著所述第一部分向內(nèi)延伸。
[0016]磁芯的一部分可以纏繞在電力導(dǎo)體周圍。
[0017]該磁芯可以包括多次纏繞在電力導(dǎo)體周圍的芯體材料層。
[0018]該電力導(dǎo)體可以具有長度;磁芯可以包括沿著所述電力導(dǎo)體的長度布置的兩個延長的平行部件和垂直于所述兩個延長的平行部件布置的橫向部件;并且線圈被卷繞在橫向部件的周圍。
[0019]該磁芯可以包括第一繞組和單獨且分開的第二繞組;第一繞組可以與電壓調(diào)節(jié)電路電互連;并且第二繞組可以電連接到電容器以構(gòu)成諧振儲能電路,其被構(gòu)造為以流進電力導(dǎo)體的電流的頻率形成進行諧振。
[0020]作為本發(fā)明的另一個方面,傳感器設(shè)備包括:外殼;夾具或緊固件,被構(gòu)造為將所述外殼和電力導(dǎo)體夾在或固定在一起;電源,該電源包括:包括設(shè)置在與電力導(dǎo)體平行布置的磁芯上的線圈的變壓器,該線圈具有由流入電力導(dǎo)體的電流所感應(yīng)的電壓,和與該變壓器協(xié)作的電壓調(diào)節(jié)電路,該電壓調(diào)節(jié)電路包括:具有電壓的電容器,被構(gòu)造為從線圈的電壓給電容器充電的充電開關(guān),被構(gòu)造為當所述電容器的電壓低于第一預(yù)定值時允許所述充電開關(guān)給所述電容器充電的自舉電路,被構(gòu)造為當所述電容器的電壓低于第二預(yù)定值時使能所述充電開關(guān)的充電控制器,以及由該電容器的電壓供電的電壓調(diào)節(jié)器,被構(gòu)造為感應(yīng)電力導(dǎo)體的特性并輸出信號的傳感器,和由電源供電并被構(gòu)造為輸出與來自所述信號的感測到的特性有關(guān)的信息的電路。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]當結(jié)合附圖閱讀時,從對優(yōu)選的實施例的以下描述中,可以得到本發(fā)明的充分理解,其中:
[0022]圖1A是根據(jù)本發(fā)明的實施例的變壓器和母線(bus bar)的平面視圖。
[0023]圖1B是圖1A中的變壓器和母線的垂直視圖。
[0024]圖1C是圖1A中的母線和變壓器磁芯的正軸側(cè)視圖。
[0025]圖2-7是根據(jù)本發(fā)明的其它實施例的變壓器磁芯和母線的正軸側(cè)視圖。[0026]圖8A是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的變壓器的平面視圖。
[0027]圖8B是圖8A中的變壓器的垂直視圖。
[0028]圖9A是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的變壓器的平面視圖。
[0029]圖9B是圖9A中的變壓器的垂直視圖。
[0030]圖9C是圖9A中變壓器磁芯的多個疊片的平面視圖。
[0031]圖10A-10C是根據(jù)本發(fā)明的其它實施例的變壓器磁芯和繞組的簡視圖。
[0032]圖11A-11B是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的電壓調(diào)節(jié)電路的示意形式的框圖。
[0033]圖12是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的傳感器設(shè)備的示意形式的框圖。
【具體實施方式】
[0034]正如本文所采用的,術(shù)語“數(shù)量”指的是一個或大于一個的整數(shù)(即,多個)。
[0035]正如本文所采用的,術(shù)語“聲波的”指的是亞音速的、音速的、和/或超音速的一個
或多種聲音。
[0036]正如本文所采用的,術(shù)語“電力導(dǎo)體”指的是導(dǎo)線(例如,實心的,絞合的,絕緣的,非絕緣的),銅導(dǎo)體,鋁導(dǎo)體,合適的金屬導(dǎo)體,電母線,電源母線,電源總線,或其它允許電流容易流動的合適的材料或物體。
[0037]正如本文所采用的,術(shù)語“電氣接頭”指的是電氣地和機械地連接多個電導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)。
[0038]正如本文所采用的,術(shù)語“接線柱”指的是端子或其它導(dǎo)電性接頭,其電氣地和機械地連接一個或多個電導(dǎo)體。
[0039]正如本文所采用的,術(shù)語“導(dǎo)電性故障”指的是電弧故障,放電擊穿,或松動或電導(dǎo)體的其它間歇性的電氣連接,導(dǎo)致發(fā)光接觸的電接頭和/或接線柱。
[0040]正如本文所采用的,兩個或更多個部件“連接”或“耦合”在一起的表述指的是部件直接接合在一起或通過一個或多個中間部件接合。更進一步的是,正如本文所采用的,兩個或更多個部件“附接”的表述指的是部件直接接合在一起。
[0041]正如本文所采用的,術(shù)語“標記圖(signature)”指的是用于區(qū)分或識別其它事物的某種事物。例如,聲波標記圖用于區(qū)分或識別導(dǎo)電性故障。
[0042]正如本文所采用的,術(shù)語“緊固件”指的是鉚釘,粘合劑,螺釘,螺栓以及螺栓及螺帽的組合(例如,但不限于,鎖緊螺母)和螺栓、墊圈及螺母的組合。
[0043]正如本文所采用的,術(shù)語“螺栓”指的是被構(gòu)造為將兩個或更多個部件栓接到一起(例如通過將電力導(dǎo)體和包括絕緣墊片(insulation spacer)的外殼栓接)以將它們牢牢固定的裝置或設(shè)備。螺栓例如可以是用于將物體拴在一起的金屬桿或釘,其通常在一端具有頭部,在另一端具有螺紋,并且通過螺帽拴牢。
[0044]正如本文所采用的,術(shù)語“夾具”指的是被構(gòu)造為將兩個或更多個部件捆綁或壓緊或壓擠到一起(例如通過將電力導(dǎo)體和絕緣墊片固定或壓在一起)以將它們牢牢固定的裝置或設(shè)備。術(shù)語“夾具”清楚的排除了緊固件。
[0045]正如本文所采用的,術(shù)語“SuperCap”或“超級電容器”指的是電雙層電容器(EDLC),超級電容器(supercondenser),贗電容器,電化學(xué)雙層電容器,超電容器,或與常規(guī)的電解電容器相比具有相對高能量密度的其它電化學(xué)電容器。[0046]本發(fā)明結(jié)合示例聲波傳感器進行描述,盡管該本發(fā)明適用于寬范圍的傳感器(例如,但不限于,溫度傳感器,壓力傳感器,電流傳感器,電壓傳感器,其它被供電傳感器或其它感測裝置)和其它的應(yīng)用,比如,例如但不限于,跳閘單元和過載單元,這些單元需要電力來使它們的電子電路通電。
[0047]參考圖1A-1C和11A-11B,顯示了變壓器2,電力導(dǎo)體(例如母線4),和電壓調(diào)節(jié)電路6(圖11A-11B)。變壓器2和電壓調(diào)節(jié)電路6共同構(gòu)成寄生電源8,寄生電源8用于與母線4連接和從其附近獲取電力。變壓器2包括設(shè)置在磁芯12上的線圈10,磁芯12被構(gòu)造為與母線4平行布置。線圈10具有由流進母線4的電流14所感應(yīng)的電壓。電壓調(diào)節(jié)電路6與變壓器2協(xié)作,并且包括具有電壓18的電容器16、被構(gòu)造為從線圈10的整流電壓給電容器16充電的充電開關(guān)20、被構(gòu)造為當電容器電壓18低于第一預(yù)定值(例如,但不限于,大約2.1VDC)時允許充電開關(guān)20給電容器16充電的自舉電路22、被構(gòu)造為當電容器電壓18低于第二預(yù)定值(例如,但不限于,大約1.8VDC)時允許充電開關(guān)20給電容器16充電的充電控制器24、以及由電容器電壓18供電的電壓調(diào)節(jié)器26。當電容器電壓18低于較小的第三預(yù)定值(例如,但不限于,大約0.8VDC)時,自舉電路22允許充電開關(guān)20給電容器16充電。當電容器電壓18約大于較小的第三預(yù)定值時,充電控制器24禁用自舉電路22。示例開關(guān)型升壓調(diào)節(jié)器26在電壓18超過較小的第三預(yù)定值時將其升高到期望的電壓88(例如,但不限于,大約3.6VDC)。
[0048]所公開的電源8提供電力給傳感器28 (圖12)和/或其對應(yīng)的電子電路30 (圖12),而沒有使用到電源(未示出,但是其給示例母線4通電)的直接電連接。電源8以相對低的電力導(dǎo)體電流提供足夠的功率而沒有響應(yīng)于相對高的電力導(dǎo)體電流、過載電流和短路電流產(chǎn)生損壞相對高的電壓輸出和電壓尖峰。
[0049]變壓器2通過聚集由流進母線4的相對非常低的電流14產(chǎn)生的磁通量32(圖1C)來產(chǎn)生電力。電子電壓調(diào)節(jié)電路6工作在相對寬范圍的母線電流水平上,并防止相對高的電壓輸出(例如,但不限于,在相對高的母線電流期間由開路變壓器2產(chǎn)生)。
[0050]第一磁芯結(jié)構(gòu)40被顯不在圖1A-1C中。變壓器2包括線圈10和相對軟的磁芯材料42。磁芯12與母線4的表面平行,并橫向于母線電流14 (圖1A和1C),與磁通量32 —致。值得注意的是,磁通量32圍繞母線4中的電流14循環(huán),并且磁芯12的中心區(qū)域44與磁通量一致。因此,磁芯12橫向于母線4和母線電流14。線圈10 (圖1A和1B)卷繞在磁芯12的中心區(qū)域44上。變壓器2以相對非常低的母線電流提供足夠的功率來供應(yīng)給傳感器28 (圖12)和/或相對應(yīng)的電子電路30 (圖12)。
[0051]磁芯12例如由相對軟的磁性低碳電工鋼(例如,但不限于,M-22或M-5)或相對高的鎳鋼(例如,但不限于,Hiperm-49或HyMu_80)制成。示例磁芯12是扁平的磁性芯體,其寬度大體上等于或小于母線4的寬度并與其表面46平行。磁芯12的相對窄的中心區(qū)域44橫向于母線電流14。線圈10卷繞在相對窄的中心區(qū)域44上。磁芯12的相對寬的端部50在母線電流14的方向上延伸以便于磁通量32的聚集。磁芯12中磁通量32的增加導(dǎo)致從線圈10輸出的功率增加。
[0052]圖11A-11B顯示了電壓調(diào)節(jié)電路6。開始于晶體管Q152并在升壓開關(guān)調(diào)節(jié)器54之前的全部電路預(yù)期為接通或關(guān)斷的。由晶體管Q152、Q258、Q360構(gòu)成的充電開關(guān)20,是具有合適的電平移動和極性反轉(zhuǎn)的簡單的通-斷開關(guān),并且通過在晶體管Q360的基極上施加合適的低電壓而被接通。晶體管Q152、Q258、Q360和Q662耐受變壓器2的全電壓直至它們的TVS保護二極管(未顯示)的閥值。
[0053]由晶體管Q465、Q566與二極管D2A68,D2B70 一起構(gòu)成的充電控制器24形成電壓敏感開關(guān),該電壓敏感開關(guān),例如但不限于,在電壓18低于1.8DVC時接通,以導(dǎo)通對充電開關(guān)晶體管Q152的驅(qū)動電流。
[0054]未提及的自舉電路22由晶體管Q662、Q776構(gòu)成,當電壓調(diào)節(jié)電路6被第一次上電時,充電開關(guān)20將保持關(guān)斷,這是因為直到充電開關(guān)20的電路下游建立了合適的電壓才有驅(qū)動電流給晶體管Q360。晶體管Q662接通充電開關(guān)20直到電容器16上的輸出電壓18超過大約0.8DVC。此時,自舉電路22被鎖定并且由充電控制器24接替。
[0055]儲能電容器16和升壓開關(guān)調(diào)節(jié)器54消除電壓紋波并協(xié)作提供,例如但不限于,平整的3.6VDC給傳感器28 (圖12)和/或相對應(yīng)的電子電路30 (圖12)。到調(diào)節(jié)器54的輸入電壓是相對低的不對稱的三角波,例如但不限于,集中在2.0VDC周圍,具有由充電控制器24中的滯后(hysteresis)所確定的振幅。上坡是從變壓器2可獲得多大充電電流的函數(shù)。下坡是多大電流被傳感器28和/或相對應(yīng)的電子電路30汲取的函數(shù)。晶體管Q566,通過電阻器R972,提供某種滯后以確保充電開關(guān)20的合適的“快(snap)”動作以避免圍繞切入點的振蕩。
[0056]由于所有部件都是接通或關(guān)斷的,二極管D2A68、D2B70例外,因此電壓調(diào)節(jié)電路6有相當?shù)偷墓β屎纳?。該電路耗散最小的變壓器能量?br>
[0057]變壓器峰值開路電壓是指,例如但不限于,在最小總線電流處至少大約為5VDC。電容器16,優(yōu)選SuperCap,例如但不限于,當被完全充電時具有跨過它的大約2.1VDC0例如但不限于,電容器電壓18在有足夠的總線電流給電容器16完全充電時從大約2.1VDC變化到大約1.8VDCο例如但不限于,在充電開關(guān)20中具有大約0.2VDC的滯后。電壓調(diào)節(jié)電路6在高于,例如但不限于,大約850mV的任意的電容器電壓18處提供,例如但不限于,調(diào)節(jié)過的 3.6VDCο
[0058]該電壓調(diào)節(jié)電路6可以由電池80 (顯示在虛線圖中)或外部AC/DC電源82 (顯示在虛線圖中)供電。外部電源插口 84具有內(nèi)置開關(guān)85,其在外部AC/DC電源82被連接時將斷開與電池80的連接。例如,這允許使用非可再充電鋰電池。通過阻塞二極管86保護電池80不被電壓調(diào)節(jié)電路6充電。
[0059]由于電壓調(diào)節(jié)電路6的相對低的工作電壓,例如但不限于,從電容器電壓18期望得到大約1.4VDC的調(diào)節(jié)電壓降,這由兩個正向偏置的硅二極管D2A68、D2B70提供。例如但不限于,自舉電路22采用比電容器電壓18低0.7VDC的調(diào)節(jié)過的電壓。
[0060]阻止相對高的電壓脈沖通過最終VDC輸出88的主電路結(jié)構(gòu)包括變壓器2和電容器16。變壓器2有相對非常高的阻抗。例如但不限于,看起來好像大約1.5H的電感器(大約560Ω電抗)與大約750 Ω的電阻器串聯(lián)至充電開關(guān)20。變壓器2就像一個相對弱的電流源甚至達到大約幾百伏特的開路電壓。當充電開關(guān)晶體管Q152導(dǎo)通時,電路電壓被限制為電容器電壓18。電容器等效串聯(lián)電阻是,例如但不限于,大約三分之一 Ω,所以它不會偏離其端電壓18許多,即使在相對高的變壓器電壓的情況下。線圈10的電感和電容器16的相對大的電容組成電感-電容濾波網(wǎng)絡(luò)以防止相對大的電壓脈沖傳給調(diào)節(jié)器54。當充電開關(guān)晶體管Q152關(guān)斷時(這發(fā)生在大約2.1VDC的電容器端電壓18上),它之前的原始DC電壓能夠上升到變壓器線圈10的開路電壓,減去橋式整流器(未在圖1lA中編號)的正向電壓降。該電壓通過跨線圈10的端子(未編號)的TVS (瞬態(tài)電壓抑制)保護二極管(未顯示)而被限制為最大電壓為低于晶體管Q152、Q258、Q360和Q662能承受的擊穿閥值電壓的水平。
[0061]參考圖2,另一個磁芯90類似于圖1A-1C的磁芯12,除了磁芯90的相對寬的端部92朝著母線4向下彎曲以便于磁通量32 (圖1C)的聚集。磁芯90橫向于流進母線4的電流14 (圖1C)的方向,由磁性低碳電工鋼或鎳鋼制成,具有中心區(qū)域94和約等于或小于母線4的寬度97的寬度96,并且具有在電流14的方向上延伸的端部98以便于磁通量32的聚集。線圈99卷繞在磁芯中心區(qū)域94上。
[0062]圖3顯示了另一個磁芯100,其類似于圖2的磁芯90,除了磁芯100比母線4寬之外,并且相對寬的端部102向下彎曲(相對于圖3)到母線4的表面103下面。然而,這減小了圍繞母線4的的空間,這對相-相隔離很關(guān)鍵。磁芯100橫向于流進母線4的電流14(圖1C),由磁性低碳電工鋼或鎳鋼制成,具有中心區(qū)域104和大于母線寬度97的寬度106,并且具有向母線4彎曲并延伸超出母線4的端部108以便于磁通量32 (圖1C)的聚集。線圈109卷繞在磁芯中心區(qū)域104上。
[0063]圖4顯示了另一個磁芯110,其類似于圖2的磁芯90,除了向下彎曲(相對于圖4)的相對寬的端部112也向上延伸(相對于圖4)。磁芯110橫向于流進母線4的電流14,由磁性低碳電工鋼或鎳鋼制成,具有中心區(qū)域114和約等于或小于母線寬度97的寬度116,并且具有朝母線4彎曲的端部118以便于磁通量32 (圖1C)的聚集。端部118的一部分也遠離母線4延伸。線圈119卷繞在磁芯中心區(qū)域114上。
[0064]圖5顯示了另一個磁芯120,其類似于圖4的磁芯110,除了向下彎曲(相對于圖5)的相對寬的端部122在其底部123還向內(nèi)延伸(相對于圖5)。磁芯120橫向于流進母線4的電流14,由磁性低碳電工鋼或鎳鋼制成,具有中心區(qū)域124和約等于或小于母線寬度97的寬度126,并且具有朝母線4彎曲的端部128以便于磁通量32 (圖1C)的聚集。線圈129卷繞在磁芯中心區(qū)域124上。端部128中的第一端部的第一部分也朝著端部128中的第二端部的第二部分向內(nèi)延伸。端部128中的第二端部的第二部分也朝著該第一部分向內(nèi)延伸。
[0065]圖6顯示了環(huán)繞母線4的另一個磁芯結(jié)構(gòu)130。該磁芯結(jié)構(gòu)130包括纏繞母線4的相對薄的芯體材料層132。這顯著地增加了磁芯中的磁通量(未示出)和增加了來自線圈(未示出)的輸出功率。但是,該磁芯結(jié)構(gòu)130減小了圍繞母線4的空間,這對相-相隔離很關(guān)鍵。
[0066]圖7顯示了另一個磁芯結(jié)構(gòu)140,其包括多次纏繞母線4的相對窄的芯體材料薄層。該磁芯結(jié)構(gòu)140等效于使用導(dǎo)線142纏繞母線4,這顯著地增加了磁芯中的磁通量(未示出)和增加了來自線圈(未示出)的輸出功率。然而,該磁芯結(jié)構(gòu)140減小了圍繞母線4的空間,這對相-相隔離很關(guān)鍵。
[0067]如果變壓器2不比母線4寬,則相應(yīng)的圖3、6和7中的磁芯結(jié)構(gòu)100、130和140
不被米用。
[0068]參考圖8A-8B,顯示了包括磁芯152和線圈154的另一個變壓器。示例磁芯152包括沿著母線4的長度158 (圖1A)設(shè)置的兩個延長的平行部件156和垂直于兩個延長的平行部件156設(shè)置的橫向部件159。示例線圈154卷繞著橫向部件159并具有單個繞組(例如,但不限于,8000膽,40AWG,779Q )。在該示例中,磁芯152的相對寬的端部160被向左(相對于圖8A)延伸得相對較遠以便于磁通量32 (圖1C)的聚集。該磁芯152的相對寬的端部162被向右(相對于圖8A)稍微地延伸來為傳感器設(shè)備210 (圖12)的其它的部件提供容納空間。例如,磁芯152不是對稱的“H”形,因為在示例傳感器設(shè)備210中有需要位于此結(jié)構(gòu)中心的其它部件(未示出)(例如,但不限于,聲波傳感器,安裝螺釘/螺栓)。
[0069]圖9A-9C顯示了包括磁芯172和兩個線圈174、175的另一個變壓器170。示例磁芯172包括沿著母線4的長度158(圖1A)設(shè)置的兩個延長的平行部件176和垂直于兩個延長的平行部件176設(shè)置的橫向部件178。示例線圈174、175卷繞著橫向部件178并具有兩個繞組。兩個延長的平行部件176由多個L形的疊片180構(gòu)成。示例L形的疊片180 (圖9C)(例如,但不限于,0.025”厚的M-22的4疊片)便于裝配。磁芯疊片180能夠從其每個端部交替地滑入到線圈174、175 (例如,4疊片層交替地向上或向下翻轉(zhuǎn))。
[0070]圖10A-10C顯示了各種不同的變壓器磁芯190、192、194。在相對高的母線電流情況下,變壓器磁芯磁飽和,并且來自變壓器線圈的開路輸出電壓變得高度失真,導(dǎo)致了能夠破壞相對應(yīng)的電子電路30 (圖12)的相對大的電壓尖峰。因此,適當?shù)碾妷赫{(diào)節(jié)被采用。
[0071]兩種類型的電壓衰減將被描述如下:諧振儲能電路(圖10C),和多繞組電路(圖10B)。當變壓器磁芯飽和時,輸出能量被集中到相對小的時間間隔,這使得輸出電壓失真,并且導(dǎo)致相對大的輸出電壓尖峰。隨著變壓器磁芯變得相對較飽和,峰值輸出電壓的大小就變得相對較大。因為沒有電流,開路線圈產(chǎn)生最大輸出電壓。因為產(chǎn)生的線圈電流減小了磁芯中的磁通,短路線圈產(chǎn)生最小輸出電壓。線圈能夠由一個繞組196(用于圖8A-8B的圖10A)或多個繞組198、199或200、202 (用于圖9A-9B的圖10B-10C)構(gòu)成。串聯(lián)電連接的多繞組198、199 (圖10B)起單個繞組的作用。然而,多個繞組198、199中每一個都能比較容易相互隔離,以防止最初的匝與最末的匝緊密接近,其中在高電壓尖峰期間可能發(fā)生電介質(zhì)擊穿。
[0072]圖1OC的磁芯194包括第一繞組200和單獨且分開的第二繞組202。第一繞組200與電壓調(diào)節(jié)電路6 (圖11A-11B)電互連。第二繞組202電連接到電容器204以組成諧振電感-電容儲能電路206,其被構(gòu)造成以母線4的電流14 (圖1A)的頻率進行諧振。第一繞組200提供功率給傳感器28 (圖12)和/或相對應(yīng)的電子電路30 (圖12)。相對于第二繞組202的感應(yīng)系數(shù)選擇電容器204的值,從而以母線4中的電流14 (圖1C)的頻率進行諧振(例如,但不限于,50或60Hz)。當變壓器磁芯材料在相對高的母線電流(例如,短路電流)下飽和時,儲能電路206使得輸出電能在諧振周期散開,這提供了來自第一繞組200的輸出電壓的衰減。
[0073]參考圖12,傳感器設(shè)備210包括:外殼212 ;夾具213或緊固件214,其被構(gòu)造為將外殼212和電力導(dǎo)體216夾在或固定在一起;寄生電源218,其由圖11A-11B的電壓調(diào)節(jié)電路6以及圖1A-1C、2-7、8A-8B、圖9A-9C和/或圖10A-10C中的一個變壓器組成;傳感器28,其被構(gòu)造為感測電力導(dǎo)體216的特性222 (例如,但不限于,聲波信號或標記圖)并輸出信號224 ;以及電路226,由電源218供電并被構(gòu)造為輸出與來自信號224的感測到的特性222有關(guān)的信息228 (例如,但不限于,導(dǎo)電性故障)。
[0074]雖然已詳細描述了本發(fā)明的具體實施例,但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解根據(jù)公開內(nèi)容的的全面教導(dǎo)對這些細節(jié)做出各種改進和替代。因此,所公開的特定布置僅僅是示例性的,而不是對本發(fā)明的范圍進行限制,本發(fā)明的范圍是由所附的權(quán)利要求及其任何及全部等同物的全部范圍給出。
【權(quán)利要求】
1.一種用于電力導(dǎo)體(4)的寄生電源(8),所述電源包括:變壓器(2),其包括設(shè)置在磁芯(12)上的線圈(10),該磁芯(12)被構(gòu)造為與所述電力導(dǎo)體平行布置,所述線圈具有由流入所述電力導(dǎo)體的電流(14)所感應(yīng)的電壓;和與所述變壓器協(xié)作的電壓調(diào)節(jié)電路(6),所述電壓調(diào)節(jié)電路包括:具有電壓(18)的電容器(16),被構(gòu)造為從所述線圈的電壓給所述電容器充電的充電開關(guān)(20 ),被構(gòu)造為當所述電容器的電壓低于第一預(yù)定值時允許所述充電開關(guān)給所述電容器充電的自舉電路(22),被構(gòu)造為當所述電容器的電壓低于第二預(yù)定值時允許所述充電開關(guān)給所述電容器充電的充電控制器(24),以及由所述電容器的電壓供電的電壓調(diào)節(jié)器(26 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電源(8),其中所述充電開關(guān)、所述自舉電路和所述充電控制器中的每一個接通或關(guān)斷。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的電源(8),其中所述電容器是超級電容器(16)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的電源(8),其中所述線圈的電壓具有最大電壓;并且其中所述充電開關(guān)包括具有比所述線圈的電壓的最大電壓大的擊穿閥值電壓的多個晶體管(52,58,60)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的電源(`8),其中所述線圈和所述電容器構(gòu)成用于所述電壓調(diào)節(jié)器的電感-電容濾波網(wǎng)絡(luò)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的電源(8),其中所述充電控制器是電壓敏感開關(guān),其大概在所述第二預(yù)定值接通以導(dǎo)通對所述充電開關(guān)的驅(qū)動電流。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的電源(8),其中所述充電控制器包括提供所述充電開關(guān)的滯后的晶體管(66)和電阻器(72)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的電源(8),其中當所述電容器的電壓低于比所述第二預(yù)定值小的第三預(yù)定值時,所述自舉電路允許所述充電開關(guān)給所述電容器充電。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的電源(8),其中當所述電容器的電壓約大于較小的所述第三預(yù)定值時,所述充電控制器禁用所述自舉電路。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的電源(8),其中所述電壓調(diào)節(jié)器包括具有直流電壓的輸出(88)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的電源(8),其中所述電壓調(diào)節(jié)器進一步包括接收所述電容器的電壓的輸入;并且其中所述電容器的電壓是具有上坡和下坡的不對稱的三角波,上坡是從所述變壓器可獲得的充電電流的函數(shù),下坡是由所述直流輸出提供的負載電流的函數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的電源(8),其中所述磁芯(12)橫向于流入所述電力導(dǎo)體的電流,由磁性低碳電工鋼或鎳鋼制成,具有中心區(qū)域(44)和約等于或小于所述電力導(dǎo)體的寬度(97)的寬度,并且具有在所述電流的方向上延伸的端部(50)以便于磁通量的聚集;并且其中所述線圈卷繞在所述磁芯的中心區(qū)域上。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的電源(8),其中所述磁芯(90)橫向于流入所述電力導(dǎo)體的電流,由磁性低碳電工鋼或鎳鋼制成,具有中心區(qū)域(94)和約等于或小于所述電力導(dǎo)體的寬度(97 )的寬度(96 ),并且具有朝著所述電力導(dǎo)體彎曲的端部(98 )以便于磁通量的聚集;并且其中所述線圈卷繞在所述磁芯的中心區(qū)域上。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的電源(8),其中所述磁芯(100)橫向于流入所述電力導(dǎo)體的電流,由磁性低碳電工鋼或鎳鋼制成,具有中心區(qū)域(104)和大于所述電力導(dǎo)體的寬度(97)的寬度(106),并且具有朝著所述電力導(dǎo)體彎曲并延伸超出所述電力導(dǎo)體的端部(108)以便于磁通量的聚集;并且其中所述線圈卷繞在所述磁芯的中心區(qū)域上。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的電源(8),其中所述磁芯(110)橫向于流入所述電力導(dǎo)體的電流,由磁性低碳電工鋼或鎳鋼制成,具有中心區(qū)域(114)和約等于或小于所述電力導(dǎo)體的寬度(97)的寬度(116),并且具有朝著所述電力導(dǎo)體彎曲的端部(118)以便于磁通量的聚集;其中所述端部的一部分還遠離所述電力導(dǎo)體延伸;并且其中所述線圈卷繞在所述磁芯的中心區(qū)域上。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的電源(8),其中所述端部(128)中的第一端部的第一部分還朝著所述端部(128)中的第二端部的第二部分向內(nèi)延伸;并且其中所述端部(128)中的第二端部的第二部分還朝著所述第一部分向內(nèi)延伸。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的電源(8),其中所述磁芯(130)的一部分(132)纏繞在所述電力導(dǎo)體周圍。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的電源(8),其中所述磁芯(140)包括多次纏繞在所述電力導(dǎo)體周圍的芯體材料層(142)。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的電源(8),其中所述電力導(dǎo)體具有長度(158);并且其中所述磁芯包括沿著所述電力導(dǎo)體的長度布置的兩個延長的平行部件(156 ;176)和垂直于所述兩個延長的平行部件布置的橫向部件(159 ;178);所述線圈(154 ;174 ;175)卷繞在所述橫向部件周圍。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的電 源(8),其中所述兩個延長的平行部件由多個L形疊片(180)構(gòu)成。
21.根據(jù)權(quán)利要求1的電源(8),其中所述磁芯(190)包括單個繞組(196)。
22.根據(jù)權(quán)利要求1的電源(8),其中所述磁芯(192;194)包括串聯(lián)電連接的多個繞組(198,199 ;200,202)。
23.根據(jù)權(quán)利要求1的電源(8),其中所述磁芯包括第一繞組(200)和單獨且分開的第二繞組(202);其中所述第一繞組與所述電壓調(diào)節(jié)電路電互連;并且其中所述第二繞組電連接到電容器以構(gòu)成諧振儲能電路(206),該諧振儲能電路(206)被構(gòu)造為以流進所述電力導(dǎo)體的所述電流的頻率(204)進行諧振。
24.—種傳感器設(shè)備(210),包括:外殼(212);夾具(213)或緊固件(214),其被構(gòu)造為將所述外殼和電力導(dǎo)體(216)夾在或固定在一起;電源(218 ;8),其包括:變壓器(2),其包括設(shè)置在與所述電力導(dǎo)體平行布置的磁芯(12)上的線圈(10),所述線圈具有由流入所述電力導(dǎo)體的電流(14)所感應(yīng)的電壓,和與所述變壓器協(xié)作的電壓調(diào)節(jié)電路(6),所述電壓調(diào)節(jié)電路包括:具有電壓(18)的電容器(16),被構(gòu)造為從所述線圈的電壓給所述電容器充電的充電開關(guān)(20 ),被構(gòu)造為當所述電容器的電壓低于第一預(yù)定值時允許所述充電開關(guān)給所述電容器充電的自舉電路(22),被構(gòu)造為當所述電容器的電壓低于第二預(yù)定值時使能所述充電開關(guān)的充電控制器(24),以及由所述電容器的電壓供電的電壓調(diào)節(jié)器(26);傳感器(28),其被構(gòu)造為感測所述電力導(dǎo)體的特性(222)并輸出信號(224);以及電路(226),其由所述電源供電并被構(gòu)造為輸出與來自所述信號的感測到的特性有關(guān)的信息(228)。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的傳感器設(shè)備(210),其中所述電路由電池(80)或交流電到直流電源(82)交替供電。`
【文檔編號】H02M3/156GK103534917SQ201280023682
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2012年5月18日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月17日
【發(fā)明者】M·A·朱德斯, E·T·吉斯克, N·K·科代拉, X·周, J·爾 申請人:伊頓公司