CN103582976A - 插入式复合配电组件和包括该组件的系统 - Google Patents
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Abstract
为例如航空器电气系统（2）之类的系统提供配电组件（100）。该配电组件（100）包括框架（102），框架（102）具有被构造为安装到例如航空器面板（200）的导热结构上的一定数量的安装点（104，106，108，110）。外壳（120）被设置在框架（102）上。底板（130）被设置在外壳（120）中。该底板（130）包括多个至少部分嵌入的电导体（132，134，136，138，140，142，144，146，148，150，152）。例如继电器或接触器（154，156，158）之类的电气设备（154，156，158，160，162）电连接到至少部分嵌入的电导体（132，134，136，138，140，142，144，146，148，150，152）。继电器或接触器（154，156，158）产生热量。底板（130）、至少部分嵌入的电导体（132，134，136，138，140，142，144，146，148，150，152）、和框架（102）提供用于将离开所述配电组件（100）的所述热量传递到航空器面板（200）的直接热路径（300）。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年5月31日提交的、题为“PLUG-IN COMPOSITEPOWER DISTRIBUTION ASSEMBLY AND SYSTEM INCLUDINGSAME”的、序列号为61/491,466的美国临时专利申请的权益，其通过引用的方式并入于此。
技术领域
本发明一般的涉及配电组件，更具体地涉及这样的配电组件，例如，插入式复合配电组件。本发明也涉及包括配电组件的系统。
背景技术
航空器或航天电气系统产生、调节和/或分配电力给整个航空器。
航天配电组件，例如，通常包括壳体，一定数量的输入和输出连接器，内部电气总线（bussing），电导体，一定数量的电气开关装置（例如接触器，断路器，继电器等），和/或保险丝。更具体地，在航空器或航天电气系统中，相对较小的断路器，通常称为超小型或航空器断路器，常常被用于防止由于过电流条件对电气电路产生的破坏，例如过载条件或相对较高的短路或故障条件。航空器断路器常常也用作接通或关断设备的开关，并在航空器内部，与壳体外板上易装卸的断路器/开关一起被组装为电路保护模块的一部分。
在壳体内部，由三聚氰胺或合适的热固性化合物制成的底板通常用于满足介质绝缘要求并适当地分离和隔离电子元器件。然而，在航空器电气系统中产生大量的热量，这提高电阻率并对系统性能产生不利影响。在底板的三聚氰胺或热固性材料通常很好地充当有效电绝缘体的同时，它是隔热的，因此阻止了向自由空间或航空器结构的良好热传递。相应地，在其它的不利的情况中，已知的配电组件和系统要求大量的使用点对点电导体（例如，导线）、母线（bus bar）之间相对较大的间距、和/或电绝缘涂层，和/或使用风扇以减少热量。
在配电组件和包括配电组件的系统中存在改进的空间。
发明内容
本发明的实施例可满足这些及其它需求，本发明的实施例涉及配电组件和包括该组件的系统。除了其它的优点，该配电组件在相对轻便和紧凑的结构中提供有效的热传递。
作为本发明的一个方面，配电组件被提供给电气系统。该配电组件包括：框架，其包括被构造为安装到导热结构上的一定数量的安装点；设置在框架上的外壳；设置在外壳内部的底板，该底板包括多个至少部分嵌入的电导体；和电连接到至少部分嵌入的电导体的多个电气设备。该电气设备产生热量。该底板、至少部分嵌入的电导体、和框架被构造为提供用于将离开所述配电组件的所述热量传递到所述导热结构的直接热路径。
该多个至少部分嵌入的电导体可以包括多个电气总线部件，并且该底板可以进一步包括多个电连接器，其中所述电连接器电连接到电气总线部件。所述多个电气设备可包括一定数量的接触器或继电器，所述一定数量的接触器或继电器分别电连接到所述电连接器中的对应集合。
所述底板是导热的和电绝缘的，以便于热传递并对所述电气总线部件电绝缘。所述框架、所述外壳、和所述底板被机械连接在一起，从而提供到所述导热结构的所述直接热路径。所述底板进一步包括多个紧固件；其中所述紧固件将所述底板固定并热连接到所述外壳和所述框架。
所述外壳可进一步包括第一侧、与所述第一侧远离且相对设置的第二侧、和可移除地连接到所述第一侧的面板。所述面板可包括多个断路器，并且所述底板可进一步包括断路器接口。所述断路器可被电连接到所述断路器接口。
作为本发明的另一个方面，一种系统包括：导热结构；和配电组件，该配电组件包括：框架，其包括用于将所述框架安装到所述导热结构上的一定数量的安装点；设置在框架上的外壳；设置在外壳内的底板，该底板包括多个至少部分嵌入的电导体；和电连接到至少部分嵌入的电导体的多个电气设备。该电气设备产生热量。该底板、至少部分嵌入的电导体、和框架提供用于将离开所述配电组件的所述热量传递到所述导热结构的直接热路径。
该系统可以是航空器电气系统，该配电组件可以是用于航空器电气系统的航空器配电单元，以及该导热结构可以是航空器面板。
附图说明
当结合附图阅读时，从以下优选实施例的描述中，可以得到本发明的充分理解，其中：
图1是依据本发明的实施例的配电组件和电气系统的正轴侧视图；
图2是图1中的配电组件和系统的俯视图，也显示了依据本发明的一个非限制性实施例的各种不同的电气连接选项；
图3和4分别是图2中的配电组件和系统的侧面和端部的正视图；
图5是图4中的配电组件的底面视图；
图6是图5中的配电组件的顶面视图，其盖子已被移除以显示内部的元器件；
图7是图6中的配电组件的正轴侧视图；
图8是图7中的底板的正轴侧视图；
图9和10是图8中的底板的顶面视图，其电气设备已被移除并且电气总线部件被显示在图10中的虚路图中；
图11是图10中的底板的局部剖视图中的部分侧视图，也显示了框架的一部分；以及
图12是沿图9中的线12-12截取的剖视图。
具体实施方式
为了说明的目的，这里以与采用超小型或航空器断路器及其它电气设备（例如，但不限于，继电器；接触器）的航空器或航天配电组件和系统相关联的方式描述本发明，但是本发明适用于宽广范围的不同应用也是显而易见的。例如但不限于，本发明能够在具有大约400Hz典型频率的航空器交流电（AC）系统中被采用，但是也能够被用在直流电（DC）系统中。显然，本发明适用于其它类型的电气系统，其包括，例如但不限于，用在以其它频率运行的AC系统中的断路器面板或电路保护模块；适用于较大的断路器，例如小型的家用或商用断路器；以及适用于宽广范围的断路器应用，例如，家用、商用、工业、航天和汽车之类。
正如本文所采用的，术语“紧固件”指的是任何合适的连接或紧固机构，清楚地包括，但不限于，铆钉、销钉、螺钉、螺栓以及螺栓和螺母的组合（例如，但不限于，锁紧螺母）和螺栓、垫圈及螺母的组合。
正如本文所采用的，术语“电导体”意指导线（例如，实心的；绞合的；绝缘的；非绝缘的）、电气总线部件、引脚、连接器、铜导体、铝导体、合适的金属导体，或允许电流容易流动的其它合适的材料或物体。
正如本文所采用的，术语“嵌入”指的是被设置在一材料中，以便在该材料中整体形成，被该材料包围或覆盖。因此，除非明确指出，否则，
根据本发明的电导体的“至少部分嵌入”可能是完全嵌入在该材料中（例如，在材料中整体形成；被材料包围；被材料覆盖），或该电导体的一部分从此材料中向外伸出。
正如本文所采用的，术语“液晶聚合物”指的是可塑性材料（例如，但不限于，通过注射成型的方式），其同时具备展示介电特性的导热性和不导电性（例如，电绝缘体），并清楚地包括，但不限于，
D5506，这可以从Cool Polymers,Inc获得，其在51Circuit Drive，North Kingstown,Rhode Island02852有营业场所。
正如本文所采用的，术语“被管理”或“管理”指的是使用一定程度的技能进行处理或指导，为目的而工作或尽力改变，或成功完成或达到目的。
正如本文所采用的，两个或更多个部件被“连接”或“耦合”在一起的表述指的是这些部件被直接或者通过一个或多个中间部件而接合在一起。进一步地，正如本文所采用的，两个或更多个部件被“附接”的表述指的是这些部件被直接接合在一起。
正如本文所采用的，术语“数量”指的是一个或大于一个的整数（即，多个）。
现在参照附图，所述附图不是旨在限制本发明的范围，图1-7示出了根据本发明的实施例的配电组件100。尽管未对此作限制，但是所示的本发明的实施例特别适合在航天（例如，航空器）配电系统2（图1-4和11）中使用。
正如将在下文中描述的，本发明是配电组件100，除其它特征之外，其使用嵌入的插入式断路器装置。在一个非限制性的实施例中，配电组件100包括安装骨架或框架102、外壳120、和底板130。除了其它的好处之外，这种复合结构相对重量轻，但却提供相对高强度的壳体来安装/支撑插入式断路器盖板组件。如图所示的本实施例被配置为三相AC系统；然而，其它的配置可以被使用，包括，但不限于，单相DC配置（未示出）。
如图1所示，安装骨架或框架102被连接到外壳120。在一个非限制性的实施例中，框架102用铝制成，外壳120用碳纤维制成；然而，在这两种情况下使用的这些材料不是旨在仅限于此。当使用碳纤维时，该碳纤维成分可以包括，例如，EMI屏蔽材料和导电纳米颗粒以赋予特定的电和/或物理特性。在航空器应用中，外壳120可以包括至少一个连接器，其提供配电组件100与一个或多个其它系统（例如驾驶舱断路器面板（未示出））进行电通信。安装框架102与外壳120和底板130接合并机械互锁，提供到邻近的导热结构200（例如，但不限于，参见如图11部分所示的航空器结构）的直接热路径300（图11和12），而不危及安全。
插入式断路器4、6（图1和2）被安装在外壳120的盖子或面板126上，和/或者电气设备（例如，但不限于，继电器或接触器154、156、158、160、162（全部示出在图6-8和9中））被安装到底板130上，例如，使用已经被转让给伊顿公司的、2010年3月29日提交的编号为12/748,639的美国专利申请中所描述的发明。插入式断路器4、6（如图1部分所示）可以被安装在使用引脚的盖子或面板126上，如图1所示。这种结构允许插入式断路器4、6被并入到配电组件100，消除点对点接线。这种结构也允许热管理断路器面板126被并入到配电组件100。所述结构对替换断路器4、6和访问内部元器件（例如，但不限于，接触器；电流感测模块；电子线路可替换单元（LRU））提供维护便利。虽然在图示的实施例中采用引脚和插座布置时，但是可以使用其它的插入式配置，包括，但不限于，飞线（flying lead）、抽头和边缘连接器，而不偏离本发明的范围。
如图1、3、4和7所示，该示例外壳120包括第一侧122和与第一侧122远离且相对设置的第二侧124。前面提到的盖子或面板126被可移除地连接到第一侧，如图1所示。可以理解，外壳120优选地设置在框架102上并与其连接，如图6和7最佳所示。
底板130被布置在外壳120中并包括多个至少部分嵌入的电导体132、134、136、138、140、142、144、146、148、150、152（如图10最佳所示）。电气设备（参见，例如但不限于，图6、8和9中的接触器或继电器154、156、158、160、162）被电连接到至少部分嵌入的电导体132、134、136、138、140、142、144、146、148、150、152，如图6和9中的俯视图最佳所示。正如将在下文更详细的讨论，电气设备，特别是继电器154、156、158，产生相对大量的热（例如，高达配电组件100中热量的90%，或者更多）。因此，如上所述，所公开的框架102、外壳120和底板130的独一无二的结构提供直接热路径300，用于将离开配电组件100的热量传递到航空器结构200（如图11部分所示），如图11和12所示。
更具体地，在图10的示例中，电气总线部件132、134、136、138、140、142（如虚线图所示）安装接触器或继电器（例如，154，156，158），并提供到安装有配电组件100的导热结构200（图11）（例如，在航天应用中的铝面板200）的直接热路径300。这种方式封装并保护电气总线部件132、134、136、138、140、142（例如，电力母线），特别是当与要求更大母线间距和介电粉末涂层的更常规配置比较时。换句话说，在底板130中存在至少部分嵌入保护电子元器件远离短路和介电击穿。电气总线部件132、134、136、138、140、142也与导热底板130有紧密联系，用于进行到安装框架102并到航空器结构200上的更好热传递。示例框架102具有多个安装点104、106、108、110（如图2、5和6所示的4个点）。底板130也是电绝缘的。这种改进减轻了重量，降低了整体封装尺寸和显著地减轻了装配劳动。在一个非限制性的实施例中，底板130由
D5506制成，它是导热的电阻材料。可以理解，其它的导热的电绝缘材料也可以被使用，例如，利用热掺杂化合物的液晶聚合物。
参考图9和10，可以理解，示例底板130进一步包括以电连接到总线部件132、134、136、138、140、142（如图10中的虚线图所示）的引脚144、146、148、150、152形式的多个电导体。底板130也包括电连接器164、166、168、170、172、174，其将上文提到的电气设备（参见，例如但不限于，图9中的接触器或继电器154、156、158、160、162）电连接到相对应的电气总线部件132、134、136、138、140、142（图10）。
如图11和12所示，参考继电器154，继电器154通过电连接器164、166而被机械耦合并热连接到框架102和底板130，这里所显示和描述的非限制性示例中的电连接器是铜接线柱。铜接线柱164、166延伸到底板130中并分别容纳紧固件190、192，用于将继电器154固定到底板130并进而将它热连接到底板130、框架102、以及航空器结构200（在图11的点划线图中部分示出）。以这种方式，提供了前文提到的用于从配电组件100中去除热量的直接热路径300。
具体地，热路径300被显示在图11和12中。如图11所示，由继电器154的接触组件155（如图12的剖视图所示）产生的热量通过前文提到的铜接线柱164、166和紧固件190、192而离开，进入底板130，到框架102，并最终通过框架102的安装点108而出来直至航空器结构200。如此，热量被有效的管理，而不要求单独的冷却装置或组件（例如，但不限于，强制通风；粉末涂层；风扇组件（未显示））。另外，因为底板130的导热和电绝缘的性质，该设计能够保持相对较小（例如，紧凑）和重量轻。
图12从不同的视角显示了直接热路径300。也就是说，与电流关联的热量被显示流经引脚146，进入并通过铜接线柱164和相关的紧固件190，再进入继电器154的接触组件155，在这里相对大量的热被产生并被回送出继电器154，如上文中关于图11的所示和描述，并如图所示流进并通过紧固件192和铜接线柱166、和底板130。
所公开的配电组件也优选包括浮动底板（floating floor）配置，以解决底板130、铝框架102和碳纤维外壳120的不同材料之间的热膨胀系数差异。
例如但不限于，如图7所示，底板130通过多个紧固件180、182而被固定到框架102上。因此，该浮动底板配置可以由开口、紧固件（例如，但不限于，180，182）以及框架102、外壳120、底板130和紧固件（例如，但不限于，180，182）之间的固定位置的合适尺寸和配置组成，以适应这些不同元器件的不同材料之间的热膨胀差异。例如，底板130可以包括用于每个紧固件180、182的通孔，该通孔的尺寸充分适应紧固件180、182和/或底板130相对于框架102和/或外壳120的热膨胀，而充分保证组件在一起。
导热碳纤维外壳120提供了能被直接安装到航空器结构200（图11）上的重量轻的且相对刚性的结构。在一个非限制性的实施例中，外壳120包括由导热的注射成型级别的热塑性塑料（例如，
D5506）制成的底层底板（sub-floor）。母线或印刷电路板（PCB）粗迹线（heavy trace）也可以被嵌入到底层底板中的通道中，正如先前所描述的和图10中的虚线图所示的那样。该PCB（例如，仅信号中继控制迹线）可以被粘结到底板130以减少所需的紧固件的数目和增加元器件和组件整体刚性。
在如图6-10所示的实施例中，底板130还包括断路器接口186和已安装的可作为模块而附接到底板130上的电流传感器194。电流传感器194可以被配置为提供相位失衡或单独导体测量，并且也能够起到用于补充保护的自恢复保险丝的作用。作为一种选择，其它的电流传感器可以被采用在组件中，包括，但不限于，霍尔效应和分流传感器（未示出）。断路器接口186提供合适的电气连接，例如，用于前文提到的断路器4、6（图1和2）。
可以相信，通过阅读和理解本说明书，本发明的各种改动和修改对本技术领域的技术人员将变得显而易见。可以确定所有这样的改动和修改都包括在本发明中，只要它们属于所附的权利要求的范围内。
虽然已详细描述了本发明的具体实施例，但是本领域的技术人员能够理解根据公开内容的全部教导可以对这些细节做出各种改进和替代。因此，所公开的特定布置仅仅是示例性的，而不是对本发明的范围进行限制，本发明的内容是由所附的权利要求及其任何和全部等同物的全部范围给出。
Claims (15)
1.一种用于电气系统（2）的配电组件（100），所述配电组件（100）包括：
框架（102），其包括被构造为安装到导热结构（200）上的一定数量的安装点（104，106，108，110）；
设置在所述框架（102）上的外壳（120）；
设置在所述外壳（120）中的底板（130），所述底板（130）包括多个至少部分嵌入的电导体（132，134，136，138，140，142，144，146，148，150，152）；和
电连接到所述至少部分嵌入的电导体（132，134，136，138，140，142，144，146，148，150，152）的多个电气设备（154，156，158，160，162），
其中所述电气设备（154，156，158，160，162）产生热量，并且
其中所述底板（130）、所述至少部分嵌入的电导体（132，134，136，138，140，142，144，146，148，150，152）和所述框架（102）被构造为提供用于将离开所述配电组件（100）的所述热量传递到所述导热结构（200）的直接热路径（300）。
2.根据权利要求1的配电组件（100），其中所述多个至少部分嵌入的电导体包括多个电气总线部件（132，134，136，138，140，142）；其中所述底板（130）进一步包括多个电连接器（164，166，168，170，172，174）；并且其中所述电连接器（164，166，168，170，172，174）电连接到所述电气总线部件（132，134，136，138，140，142）。
3.根据权利要求2的配电组件（100），其中所述多个电气设备包括一定数量的接触器或继电器（154，156，158），所述一定数量的接触器或继电器（154，156，158）分别电连接到所述电连接器（164，166；168，170；172，174）中的对应集合。
4.根据权利要求2的配电组件（100），其中所述底板（130）是导热的和电绝缘的，以便于热传递并对所述电气总线部件（132，134，136，138，140，142）电绝缘。
5.根据权利要求1的配电组件（100），其中所述框架（102）、所述外壳（120）、和所述底板（130）被机械连接在一起，从而提供到所述导热结构（200）的所述直接热路径（300）。
6.根据权利要求5的配电组件（100），其中所述底板（130）进一步包括多个紧固件（180，182）；并且其中所述紧固件（180，182）将所述底板固定并热连接到所述外壳（120）和所述框架（102）。
7.根据权利要求1的配电组件（100），其中所述外壳（120）包括第一侧（122）、与所述第一侧远离且相对设置的第二侧（124）、和可移除地连接到所述第一侧（122）的面板（126）；其中所述面板（126）包括多个断路器（4，6）；其中所述底板进一步包括断路器接口（186）；并且其中所述断路器（4，6）被电连接到所述断路器接口（186）。
8.一种系统（2），包括：
导热结构（200）；和
配电组件（100），其包括：
框架（102），其包括用于将所述框架（102）安装到所述导热结构（200）上的一定数量的安装点（104，106，108，110），
设置在所述框架（102）上的外壳（120），
设置在所述外壳（120）中的底板（130），所述底板（130）包括多个至少部分嵌入的电导体（132，134，136，138，140，142，144，146，148，150，152），和
电连接到所述至少部分嵌入的电导体（132，134，136，138，140，142，144，146，148，150，152）的多个电气设备（154，156，158，160，162），
其中所述电气设备（154，156，158，160，162）产生热量，并且
其中所述底板（130）、所述至少部分嵌入的电导体（132，134，136，138，140，142，144，146，148，150，152）和所述框架（102）提供用于将离开所述配电组件（100）的所述热量传递到所述导热结构（200）的直接热路径（300）。
9.根据权利要求8的系统（2），其中所述多个至少部分嵌入的电导体包括多个电气总线部件（132，134，136，138，140，142）；其中所述底板（130）进一步包括多个电连接器（164，166，168，170，172，174）；并且其中所述电连接器（164，166，168，170，172，174）电连接至所述电气总线部件（132，134，136，138，140，142）。
10.根据权利要求9的系统（2），其中所述多个电气设备包括一定数量的接触器或继电器（154，156，158），所述一定数量的接触器或继电器（154，156，158）分别电连接到所述电连接器（164，166；168，170；172，174）中的对应集合。
11.根据权利要求9的系统（2），其中所述底板（130）是导热的和电绝缘的，以便于热传递并对所述电气总线部件（132，134，136，138，140，142）电绝缘。
12.根据权利要求8的系统（2），其中所述框架（102）、所述外壳（120）、和所述底板（130）被机械连接在一起，从而提供到所述导热结构（200）的所述直接热路径（300）。
13.根据权利要求12的系统（2），其中所述底板进一步包括多个紧固件（180，182）；并且其中所述紧固件（180，182）将所述底板（130）固定并热连接到所述外壳（120）和所述框架（102）。
14.根据权利要求8的系统（2），其中所述外壳（120）包括第一侧（122）、与所述第一侧远离且相对设置的第二侧（124）、和可移除地连接到所述第一侧（122）的面板（126）；其中所述面板（126）包括多个断路器（4，6）；其中所述底板进一步包括断路器接口（186）；并且其中所述断路器（4，6）被电连接到所述断路器接口（186）。
15.根据权利要求8的系统（2），其中所述系统是航空器电气系统；其中所述配电组件是用于所述航空器电气系统的航空器配电单元（100）；并且其中所述导热结构是航空器面板（200）。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20151014 Address after: American Texas Applicant after: Eaton Corporation Address before: ohio Applicant before: eaton corporation |
|
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140212 |