CN101467225A - 监测开关电器的活动部分的位置的装置 - Google Patents

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CN101467225A CNA2007800211759A CN200780021175A CN101467225A CN 101467225 A CN101467225 A CN 101467225A CN A2007800211759 A CNA2007800211759 A CN A2007800211759A CN 200780021175 A CN200780021175 A CN 200780021175A CN 101467225 A CN101467225 A CN 101467225A
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Abstract

本发明涉及一种用于监测安装在开关电器(1)的壳体(10)上的活动部分(11)的位置的装置，所述活动部分(11)能进行至少二个确定位置(M，A)。所述装置包括永久磁铁(60，62)和设置有天线(40)以用于通过电磁耦合与跟开关电器相关联的接收器元件(5，5a，5b)进行非接触数据交换的读取器(4)。接收器元件(5，5a，5b)包括由微开关(2)控制的天线(50)，微开关(2)在与活动部分(11)的位置有关的两种状态之间切换，以使得进行读取器(4)和接收器元件(5，5a，5b)之间的电磁耦合或者将其断开。

Description

监测开关电器的活动部分的位置的装置
技术领域
本发明涉及用于监测开关电器的活动部分的位置的装置。所述活动部分是例如断路器例如小型断路器的杆。本发明还涉及能够接收多项例如设置有本发明的监控装置的断路器的开关电器的板。
背景技术
从US 4,706,073知道一种设置有在电流过载情形下促动的报警电路的断路器。永久磁铁安装在断路器的杆上，同时霍尔效应类型的传感器用以测量在杆的位置变化过程中的磁通量变化。当出现电气故障的启动动作(trip)时，永久磁体的移动使得霍尔效应传感器传感到的磁通量变化。根据该变化，检测器能够产生表示警报的输出信号。
在该类型的装置中，当另一磁体接近传感器时，霍尔效应传感器会易于受到干扰和外部影响。这样产生的磁通量的变化可以导致当断路器的杆并没有处于促动位置时警报意外的启动动作。此外，其需要安装昂贵和复杂的电子装置以测量磁通量的变化。因此，为了检测同一个电板上的数个断路器的状态而安装该类型的数个装置的安装不是非常有利的。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于检测断路器的活动部分的位置的装置，其非常精确，对于外界磁场不是非常敏感，其可以大量使用来以简单和低成本的方式监测电路板上的多个断路器。
该目的通过用于监测安装在开关电器的壳体上的活动部分的位置的装置实现，所述活动部分能够采取至少二确定位置，所述装置包括：
-永久磁铁，
-用于检测活动部分位置的装置，
其特征在于，
-检测装置包括设置有天线以通过电磁耦合与跟开关电器有关联的接收器元件非接触地互换数据的读取器，
-接收器元件包括在取决于活动部分的位置由微型开关控制在两种状态之间切换的天线，以建立或者中断读取器和接收器元件之间的电磁耦合，
-微型开关通过磁效应操作并包括能够与永久磁铁产生的磁场的场力线对齐的活动元件。
根据本发明的装置是特别精确的，因为促动微型开关的方法要求永久磁铁处于确定的位置。如果永久磁铁不在精确的位置，微型开关不切换。因此，根据本发明的装置更不易于受到干扰并且没有意外地切换的风险。
根据本发明的一变体实施例，永久磁铁是可移动的并且通过活动部分动作，所述接收器元件安装在开关电器的壳体上。永久磁铁通过例如活动部分支撑。
根据本发明，所述装置包括固定的永久磁铁，其具有场力线以使得活动元件采取一种状态。活动部分的位置变化使得所述固定的永久磁铁和在活动元件附近的可移动永久磁铁产生的磁力线的方向改变，从而使得其改变状态。
根据本发明的另一变体实施例，永久磁铁是安装在开关电器的壳体上，而接收器元件通过活动部分动作。接收器元件例如通过活动部分支撑。
根据本发明的又一变体实施例，所述装置包括活动部分，形成护罩(mask)，其通过活动部分动作，并且当活动部分处于其至少两位置之一时能够中断永久磁铁产生的在微型开关上的磁效应。
根据本发明，开关电器的活动部分可以采用三个位置，两个极限位置和一个中间位置，在两个极限位置的每一个中至少一个接收器元件通过永久磁铁控制(command)以建立或者中断与读取器的电磁耦合，在中间位置永久磁铁并不控制接收器元件。
根据特定的特征，微型开关例如与接收器元件的天线串联地安装。在闭合状态，微型开关允许在读取器和接收器元件之间建立电磁耦合。
根据另一特定的特征，微型开关例如相对于接收器元件的天线并联地安装。在闭合状态，微型开关使得可能短路天线，从而中断读取器和接收器元件之间的电磁耦合。
根据另一特定的特征，接收器元件是例如定位在电器上的RFID电子标签(tag)。读取器是例如用于读取该类型标签的站(station)。
根据另一特定的特征，活动部分是例如枢轴转动动作的杆。
根据本发明，监控装置可以是在开关电器上的适当的独立模块形式。
监控装置特别适于用在开关电器例如断路器，更特别地，小型断路器上。
监控装置可特别地应用在电路板的每一断路器上。在电路板上，读取器可例如对具有的所有开关电器项通用。
附图说明
其它特征和优点将在下面参照作为例子给出并通过附图表示的实施例的详细描述中显现，其中：
图1和2示出本发明的应用到二位置小型断路器的监控装置。
图3和4示意性地示出根据本发明的监控装置的操作原理。
图5和6示意性地示出根据本发明的监控装置的一变体实施例。
图7和8示意性地示出根据本发明的监控装置的另一变体实施例。
图9-11示出根据本发明的应用到三位置断路器的监控装置的变体。
图12示出根据本发明的接收器元件的变体实施例。
图13示出本发明的例如用于监控装置的微型开关。
图14A和14B示出分别处于断开位置和闭合位置的由永久磁铁促动的图13的微型开关。
图15示根据本发明的包括设置有监控装置的小型断路器阵列的电路板。
具体实施方式
根据本发明的装置被用于监测开关电器的活动部分的位置。
更具体地，开关电器是断开设备，例如开关、保险丝座或者断路器1，更具体地，小型断路器。以已知的方式，断路器1包括壳体10，在其上安装有活动部分，活动部分包括枢轴转动或者转动的杆11。杆11可以设定在至少两个位置即开(M)位置和关(A)位置之间运动。当电气故障例如短路被检测到时，开(M)和关(A)两位置之间的运动可以以用户期望的方式或者自动的方式进行。某些断路器1’可提供三个位置，杆的中间位置(S)位于开(M)位置和关(A)位置之间的中间以发出电气故障信号或者表明接触的熔断(图9-11)。
在图1-8中，示出的断路器1具有两个位置。
根据本发明的监控装置包括读取器，读取器包括用于发射/接收电磁波的站4。以已知的方式，该站4包括天线40，其适于发射/接收确定作用区域内的电磁波。该站4还包括以确定的载频发射的射频发射/接收装置、电子处理器单元和与处理器单元相关联的存储器。为了简单化的原因，这些已知部件在附图中没有示出。
根据本发明的装置还包括接收器元件5，例如电子标签，其包括其自己的天线50。该标签还包括射频发射/接收装置、电子处理器单元和用于存储电子芯片51上的信息的存储器。取决于其类型，主动的或者被动的，标签还可以包括其自己的电源。
以已知的方式，天线40，50由感应器形成，其可选择地与电阻器和电容器相关联，以匹配天线的阻抗并调谐期望的载频。接收器元件的天线可以是偶极类型的或者包括铜丝线圈(图3-8)。站4的天线40可以集成在站4的内部或者从站4分离开，其通过电缆连接到站4的壳体。接收器元件5的天线50结合在标签内部。在图3-8中，接收器元件5示出为具有天线50，其包括铜丝线圈。但是，本发明必须被理解为天线50可以是任何其它已知的类型。
本发明的装置根据RFID技术操作。在RFID技术中，当电子标签例如接收器元件5处于站4的动作区域中并且站4发射电磁信号时，标签和站5之间存在电磁耦合，站4的天线40和标签的天线50能够被认为是变压器的初级和次级。电子标签通过从站4的天线40发射的“载波”供电，只要其一到达所述站4的范围限制内。标签的天线50捕获的能量转换为电能并供应给安装在标签的芯片51上的内部电子电路。标签响应由站4发射的信号并且可以建立对话，信息通过载频上的振幅或者相位调制相互交换。每个标签通常存储唯一标签符，其发射到站4以允许其被站4识别。
发射载频的频率值可以选在称为低频(例如125KHz)的带中，或者优选地高频(例如13.56MHz)或者甚至超高频(900MHz和2.45GHz)。在这样的两种情形中，系统以在附近区域电感耦合操作，也就是，通常具有从几厘米到几十厘米数量级的范围，取决于可用能量。
根据本发明，参照图1和2，当杆11处于其位置之一例如OFF(A)位置时，接收器元件5安装在断路器1的壳体10上，与杆11相对。接收器元件5定位在站4的天线40的范围内，天线40持久地或者定期地发射电磁系统到接收器元件5。站4和接收器元件5相对于断路器1良好地固定。站4可例如集成到用以支撑一个或多个断路器1的电路板内。
根据本发明，接收器元件5由相对于其天线50串联(图3-8)或者并联(图12)地安装的微型开关2控制。该微型开关2可以在两种状态即断开状态(图3)和闭合状态(图4)之间由致动器切换。取决于其状态，微型开关2使得其可能建立或者中断接收器元件5和站4之间的电磁耦合。
根据本发明，微型开关2通过磁效应控制。例如，微型开关2对于磁致动器产生的磁场的场力线L的方向敏感。该类型的微型开关通过例如MEMS(微型机电系统)技术制造。
对场力线L的方向敏感的微型开关2的示例性构型在图13-14B中示出。
对场力线L的方向敏感的微型开关2包括可变形的铁磁活动膜20，其能够由磁致动器关于旋转轴(R)转动地促动。膜20是例如铁镍合金。
膜20具有纵轴(A)并在其一端通过连接臂22a，22b连接到固定到基底3的一个或多个锚定块23。基底3是例如在其上安装有接收器元件5的电子芯片51的基底。膜20能够相对于基底3沿着垂直于其纵轴(A)的转动轴(R)枢轴转动。连接臂22a，22b形成膜20和锚定块23之间的弹性连接并且当膜20枢轴转动时弯曲。
在相对其旋转轴的远端，膜支撑活动接触21。通过枢轴转动，膜20可采用至少二确定状态，即其中固定在基底3上的二固定的导电轨道31，32被断开的断开状态(图14A)或者其中二轨道31，32通过由膜20支撑的活动接触21连接在一起以闭合串联地或者并联地相对于接收器元件5的天线50定位的电路支路的闭合状态(图14B)。
促动膜20的方法之一包括施加由永久磁铁60产生的磁场。当在永久磁铁60产生的磁场的场力线L上对齐自身时，铁磁膜20在其两种状态之间移动。参照图14A和14B，永久磁铁60的磁场具有场力线L，其方向产生在膜20的铁磁层中沿着其纵轴(A)的磁分量BP0，BP1。膜20中产生的该磁分量BP0，BP1导致磁矩，其迫使膜20采用其状态之一，闭合(图14B)或者断开(图14A)。因此，通过相对于膜20移动永久磁铁60，可能使得膜受制于永久磁铁60的磁场的场力线L的二不同方向并致使膜20在其两种状态之间切换。
根据本发明，永久磁铁60与杆11同时移动。永久磁铁60例如直接安装在断路器1的杆11上，或者，根据变体，其还可以通过例如安装于活动部分上简单地机械地固定到杆，活动部分在每当杆运动时在竖直平移中动作。取决于杆11的位置，微型开关2的膜20要么处于要么不处于持久的可移动磁体60的磁影响之下。当杆11处于开(M)位置(图3)时，微型开关2不在永久磁铁60产生的磁场的影响下。因此，膜20处于不工作位置，平行于基底(图13)。当杆11自动地或者有目的地放置在关(A)位置(图4)时，由杆11支撑的永久磁铁60具有磁场线L，其方向使得膜20移动到其闭合状态(图14B)。因此，如果微型开关2相对于接收器元件5的天线50串联布置，其建立接收器元件5和站4之间的电磁耦合，或者，如果其相对于接收器元件5的天线50并联地布置，其中断接收器元件5和站4之间的该电磁耦合。当杆11返回到开(M)位置时，微型开关2不再处于永久磁铁60的磁场的影响之下，其通过机械效应使得膜20返回到其不工作位置，因此使得电磁耦合中断或者该耦合重建，其取决于微型开关2相对于接收器元件5的天线50的安装。
根据未示出的一变体实施例，永久磁铁60和接收器元件5之间的安置可以转化，接收器元件5变得可移动地机械地固定到杆11，永久磁铁60变为固定的。杆11的移动使得接收器元件5与永久磁铁60相对，从而使得微型开关2的切换处于永久磁铁60产生的磁场的影响下。该变体实施例的操作与刚在上面描述的相同。
根据图7和8所示的变体实施例，微型开关2例如永久地受制于第二固定永久磁铁61的磁场。该固定的永久磁铁61相对于微型开关2定位以使得其场力线的方向迫使膜20处于断开状态或者闭合状态，从而建立或者中断站4和接收器元件5之间的电磁耦合，其取决于微型开关2相对于接收器元件5的天线50的安装。例如，当杆11处于开(M)位置时，在固定的永久磁铁61产生的磁场的单独影响下，膜20处于断开状态或者闭合状态，取决于固定的永久磁铁61产生的磁场的场力线的方向。杆11以及因此的可移动永久磁铁60的位置变化，从开(M)位置到关(A)位置，使得由可移动永久磁铁60和固定的永久磁铁61联合产生并由膜20经受的磁场线的方向变化。膜20经历的场力线的新方向使得其移动到它的其它状态，闭合或者断开。在该变体实施例中，在其每一状态中，膜20因此通过磁效应控制，而不管断路器1的杆11的位置如何。
根据图5和6所示的另一个变体实施例，单一的固定的永久磁铁62与接收器元件5相对地定位以持久地作用在接收器元件5的微型开关2上。该固定的永久磁铁62例如安装在断路器1(在图5和6中不可见)的壳体10上。杆11(由于简单化的原因在图5和6中未示出)能够移动由磁性材料制成的活动部分7。该活动部分7固定到杆11并组成一护罩，其能够取决于杆11的位置在永久磁铁62和接收器元件5之间插入自身以中断微型开关2上的永久磁铁62的磁效应，因此取决于微型开关2相对于接收器元件5的天线50是并联还是串联安装，建立或者中断站4和接收器元件5之间的电磁耦合。
在上面参照附图1-4描述的本发明的操作原理同样可以适于断路器1’(图9-11)，其杆11可以采用三种确定的位置，即开(M)位置、关(A)位置和处于开(M)位置与关(A)位置之间的中间的中间位置(S)，该中间位置(S)使得可能表明电气故障或者接触之间的熔断。该三位置断路器1’外表上与上面描述的二位置断路器1相同。在该三位置断路器1’上，两个接收器元件5a，5b定位在壳体10上，当后者处于开(M)位置时一个与杆11相对，当后者处于关(A)位置时另一个与杆11相对。这些接收器元件5a，5b与上面描述的接收器元件5是相同的并可以根据上面描述的变体实施例之一促动。它们可以特定地直接由如图1-4所示的固定到杆11的可移动永久磁铁60促动，或者每一个与安装在壳体10上的固定的永久磁铁61相关联并由如图7和8所示的固定到杆的可移动永久磁铁60促动。该变体实施例的操作原理在下面描述，用固定到杆11的可移动永久磁铁60促动，并具有与其接收器元件5a，5b的天线50串联地安装的微型开关2。
根据该变体实施例，在正常操作中，不管杆11是处于开(M)位置还是关(A)位置，站4总是通过电磁耦合(图9和10)接收来自接收器元件5a，5b之一的信号。接收器元件5a，5b存储不同的标识符以能够由站4区分。在出现电气故障或者接触之间熔断的情形下，杆11处于中间位置(S)(图11)。根据该变体，接收器元件5a，5b和/或永久磁铁60安置的以使得在杆11的该位置，由永久磁铁60产生的磁场对二接收器元件5a，5b的每一微型开关2没有影响。因此，在杆11的该位置中，接收器元件5a，5b在站4的方向并不发射信号，其然后可以报告出现电气故障或者接触的熔断。
在二接收器元件5a，5b的每个上，微型开关2与天线50串联地安装，但是并联安装也是可以的。但是，在该后一种情形中，当杆11处于开或者关位置时站4接收不到信号，当杆11处于中间位置时从接收器元件5a，5b二者接收信号。
代替二接收器元件5a，5b和一个永久磁铁60，可以采用固定到杆的单一接收器元件和各自安装在壳体10上与杆11的开和关位置二者相对的二永久磁铁。但是，在该构型中，一个相同的信号将发送到站4，不管杆11是处于开还是关位置。通过相对于接收器元件的天线50并联地安装微型开关2，当杆11处于中间位置(S)时仅一个信号可以发送到站。
上面描述的监控装置可以应用在包括多个断路器1的电路板8的各个断路器1中。在如图15所示的该板8中，站4可以对于所有断路器1共用以读取板的所有断路器1的所有接收器元件5。在电路板8上，断路器由外壳80罩住，在其上布置有例如站4的天线40。
该板8包括例如一排或多排断路器1，每一个设置有杆11，其位置由根据本发明的监控装置监测。因为独特的标签符被分配到断路器1的每一个接收器元件5，所以站4能够基于可选择地使用防冲突方法的处理装置知道安装在板8上的断路器1的每个杆1的状态。处理装置可以耦合到信号发送件，其包括用以表明板的各个断路器1的状态的LED。
根据本发明，每个接收器元件5还可存储与断路器1相关的信息，其例如与负责控制的电路的名称相关。
各接收器元件5可以在读取模式和可选择的写模式可用。
根据本发明的监控装置特别易于放置就位并且不需要根本上变换开关电器，其使得可能限制其安装成本。
清楚地理解，可能不脱离本发明的范围而想到其它的变体和改进细节，甚至预见使用等效的装置。

Claims (16)

1.一种用于监测安装在开关电器(1，1’)的壳体(10)上的活动部分(11)的位置的装置，所述活动部分(11)能够采用至少两种确定的位置(M，A)，所述装置包括：
- 永久磁铁(60，62)，
- 用于检测所述活动部分(11)的位置的装置，
其特征在于，
- 所述检测装置包括读取器(4)，其设置有天线(40)以通过电磁耦合与跟所述开关电器有关联的接收器元件(5，5a，5b)非接触地互换数据，
- 所述接收器元件(5，5a，5b)包括由微型开关(2)控制的天线(50)，所述微型开关(2)取决于所述活动部分(11)的位置而在两种状态之间切换以建立或者中断所述读取器(4)和所述接收器元件(5，5a，5b)之间的电磁耦合，
- 所述微型开关(2)通过磁效应操作并包括能够与所述永久磁铁(60，62)产生的磁场的场力线(L)对齐的活动元件(20)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述永久磁铁(60)是可移动的并且通过所述活动部分(11)带动，并且所述接收器元件(5，5a，5b)安装在所述开关电器(1)的所述壳体(10)上。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述永久磁铁(60)安装在由所述活动部分(11)平移促动的活动部分上。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述永久磁铁(60)通过所述活动部分(11)支撑。
5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，固定的永久磁铁(61)具有使得所述活动元件(20)采用一种状态的场力线，并且所述活动部分(11)的位置变化使得由所述固定的永久磁铁(61)和在所述活动元件(20)附近的可移动永久磁铁(60)产生的磁场线的方向变化，从而导致其改变状态。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述永久磁铁安装在所述开关电器的所述壳体上，并且所述接收器元件通过所述活动部分运动。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述接收器元件由所述活动部分支撑。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其包括活动部分(7)，其形成护罩，通过所述活动部分(11)带动并且当所述活动部分(11)处于其至少两位置之一时能够中断所述永久磁铁(62)产生的在所述微型开关(2)上的磁效应。
9.如权利要求1-8之一所述的装置，其特征在于，所述开关电器(1’)的所述活动部分(11)可以采用三个位置(M，A，S)，两个极限位置(M，A)和一个中间位置(S)，在所述两极限位置(M，A)的每一个中至少一个接收器元件(5a，5b)由所述永久磁铁(60)控制以建立或者中断与所述读取器(4)的电磁耦合，在所述中间位置(S)所述永久磁铁(60)并不控制所述接收器元件(5a，5b)。
10.如权利要求1-9之一所述的装置，其特征在于，所述微型开关(2)与所述接收器元件(5，5a，5b)的天线(50)串联地安装。
11.如权利要求1-9之一所述的装置，其特征在于，所述微型开关(2)相对于所述接收器元件(5，5a，5b)的天线(50)并联地安装。
12.如权利要求1-11之任一所述的装置，其特征在于，所述接收器元件(5，5a，5b)是定位在所述电器上的RFID电子标签。
13.如权利要求1-12之任一所述的装置，其特征在于，所述活动部分是枢轴转动动作杆。
14.一种开关电器，其特征在于，其包括如权利要求1-13之一所述的监控装置。
15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，其包括小型断路器。
16.一种用以接收权利要求14和15所述类型的开关电器的多个项的电路板，其特征在于，所述读取器(4)对于所述多个开关电器的项目是共用的。
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