CN106030751A - 采用形状记忆合金元件的电路中断装置 - Google Patents

Abstract

一种电路中断装置包括支撑部，一组可分离的触点，可在断开位置与接通位置之间活动的第一构件，第二构件以及包括形状记忆合金元件的传输机构。当第一构件处于断开位置时，第二构件处于延伸位置，形状记忆合金元件处于其第一形状，第一表面和另一第一表面相互接合，并阻挡第一构件远离断开位置的运动。形状记忆合金元件响应于一电脉冲，转换到其第二形状，并朝接通位置移动第一构件。当第二构件处于延伸位置时，另一第二表面与第二表面相接合，以阻挡第一构件远离接通位置的运动。

Description

采用形状记忆合金元件的电路中断装置

技术领域

所公开和要求保护的概念通常涉及电力中断装置，特别是涉及一种采用形状记忆合金元件的电路中断装置。

背景技术

在相关技术中很好地理解了许多类型的电路中断装置。在这些众所周知的电路中有断路器，真空中断器、通/断开关等，而不限制。虽然电路中断装置对于其指定目的通常已经有效，但它们并不是没有限制。

某些应用需要一种能够在高电流环境中操作的电路中断装置，例如其中不断地进给以400到500安培数量级的电流。适用于这种电路的电路中断装置可能潜在地很难在接通和断开位置之间移动。对于该原因以及对于其他原因，这种电路中断装置因此有时采用例如螺线管以及其他类似装置的装置，以在某些预定情况下将电路中断装置切换到其断开位置。然而，此外需要指出的是，一种适用于打开额定400到500安培的电路中断装置连续进给的触点的螺线管体积庞大且笨重。这种体积和重量在某些应用中是不期望的，例如航天应用。因此将期望提供一种改进的电路中断装置。

发明内容

根据一个方面，一种电路中断装置包括支撑部，在开启状态和关闭状态之间活动的一组可分离的触点，以及位于所述支撑部上并且在断开位置和接通位置之间活动的第一构件，所述断开位置与所述开启状态对应，所述接通位置与所述关闭状态对应。所述活动构件朝所述第一位置偏置并具有第一表面和第二表面。所述电路中断装置还包括一个位于所述支撑部上并且在伸展位置和收缩位置之间活动的第二构件。所述第二构件朝所述伸展位置偏置并且具有另一第一表面和另一第二表面。所述电路中断装置还包括一个传输机构，所述传输机构包括一个响应于电脉冲在第一形状和不同的第二形状之间可变形的形状记忆合金元件。在所述电路中断装置的第一结构中，所述第一构件处于所述断开位置中，所述第二构件处于所述伸展位置中，所述形状记忆合金元件处于其第一形状中，并且所述第一表面和所述另一第一表面彼此接合，并被构成阻挡第一构件远离所述断开位置运动。响应于电脉冲，所述形状记忆合金元件被构成转换到其第二形状并朝其接通位置移动所述第一构件。在所述电路中断装置的第二结构中，所述第二构件处于伸展位置中，并且所述另一第二表面与所述第二表面接合以阻挡所述第一构件远离所述接通位置的运动。

附图说明

当结合附图阅读时，可从以下说明书获得对所公开和和要求保护的概念的进一步理解，其中：

图1是一种根据所公开和和要求保护的概念的改进电路中断装置的透视图；

图2是沿图1的线2-2获取的透视剖面图；

图3-5是沿图1的线2-2获取的图1电路中断装置的正视剖视图，其操作设备和/或闩锁设备处于不同的相对位置中；

图3A是图3的指示部分的放大视图；

图4A是图4的指示部分的放大视图；以及

图5A是图5的指示部分的放大视图。

相似的附图标记在整个说明书中表示相似部件。

具体实施方式

在图1-5A描述了一种改进的电路中断装置4。如在图3-5中可以看到的那样，电路中断装置4包括或至少配合地连接一组可分离的触点6，该组可分离的触点6与线路导体8和负载导体10连接。电路中断装置4可操作以在图3和5描绘的开启状态与图2和4描绘的关闭状态之间移动该组可分离的触点6。电路中断装置4自身可在图3和5中描绘的断开位置和图2和4中描绘的接通位置之间活动。电路中断装置4的断开位置与该组可分离的触点6的开启状态对应，并且电路中断装置4的接通位置与该组可分离的触点6的关闭状态对应。如现有技术中通常理解的那样，该组可分离的触点6的关闭状态导致线路和负载导体8和10被电连接在一起。

电路中断装置4通常包括支撑部12，其上设有一操作设备16和一闩锁设备20。操作设备16包括一个操作构件24，该操作构件24沿第一纵向28在图2和4中描绘的接通位置和图3和5中描绘的断开位置之间平移。操作构件24在其接通和断开位置之间的这些运动用于在接通和断开位置之间切换电路中断装置4。

操作设备16还包括一个朝断开位置偏置操作构件24的复位弹簧32，并进一步包括一个传输机构36。如以下将更详细阐述的那样，传输机构36可操作以响应于电脉冲而将操作构件24从断开位置移动到接通位置。

操作构件24本身可包括一细长的杆40，杆40可操作地与该组可可分离的触点6的一个可活动的触点相连，如图3到5所描绘的那样。操作构件24还包括一个环形法兰44，该环形法兰从杆40向外突出，并包括在图3A、4A和5A中最佳描绘的斜坡表面48和邻接表面52。斜坡表面48通常倾斜于第一纵向28，邻接表面52通常垂直于第一纵向28。如本文中所采用的，表述“倾斜”通常指一种既不平行也不垂直的关系。斜坡表面48和邻接表面52通常彼此远离。

可陈述该传输机构36包括形状记忆合金元件56和散热器60，该形状记忆合金元件56具有与操作构件24的连接部64，该形状记忆合金元件56具有与散热器60的另一连接部68。在所描绘的示例性实施例中，形状记忆合金元件56在安装在支撑部12上的销轴72的一部分周长周围延伸。在所描绘的示例性实施例中，散热器60本身安装在支撑部12上。

该形状记忆合金元件56由单晶形状记忆合金(SCSMA)形成，该单晶形状记忆合金(SCSMA)可由一种其成分主要包括铜铝镍(Cu-Al-Ni)的金属合金或其他适合的合金形成。SCSMA具有超过常规形状记忆合金(SMA)的多种优点，因此形状记忆合金元件56希望由SCSMA形成。SCSMA的优点包括明显更大的应变恢复，即对于SMA来说9％对3％。SCSMA超过SMA的其他优点包括真正的恒力偏转，以及通常100％可重复和完整的非常狭窄的加载磁滞和恢复。SCSMA另外还具有一个例如在-200℃到+250℃范围内的转变温度范围，这是与常规SMA相比更大的转变范围。其他优点在常规技术中是已知的。然而，还需要指出的是，根据特定应用的需求，形状记忆合金元件56可由SMA形成。

如在本领域中通常理解的那样，一种形状记忆合金材料，例如常规的SMA或改进的SCSMA，通常成形为具有某种初始形状。SMA或SCSMA之后可通过弯曲、拉伸等变形成多种形状的任一种，同时其温度低于其转变温度。然而，在将SMA或SCSMA加热到其转变温度时，该形状记忆合金从其变形形状转换回其初始形状。在其转变温度以下冷却形状记忆合金后，它可恢复到变形形状。

因此，在此应用的形状记忆合金元件56可在一初始形状与一变形形状之间变动。形状记忆合金元件56响应于加热恢复到其初始形状，该加热由被施加到形状记忆合金元件56的电脉冲所提供。更具体说，在所描述的实施例中，形状记忆合金元件56是一细长的结构，当其在该变形形状与该初始形状之间变化时，其长度改变。该初始形状具有细长的结构，并具有相对较短的长度，而该变形形状同样具有细长的结构，但具有相对较长的长度。当对该形状记忆合金元件56施加一电脉冲，并且在其转变温度之上对其加热时，形状记忆合金元件56从其相对较长的变形形状缩短到其相对较短的初始形状。如下文中更详细阐述的那样，由施加到形状记忆合金元件56上的电脉冲所引起的其长度的这种缩短或减小导致该操作构件24从其断开位置移动到其接通位置。

在所描述的示例性实施例中，形状记忆合金元件56是由SCSMA形成的细长的纤维。当通过施加到形状记忆合金元件56上的前述电脉冲加热形状记忆合金元件56时，形状记忆合金元件56的长度收缩大约9％，这是一种足以将操作构件24从其断开位置移动到其接通位置的长度变化，这将在以下更详细地描述。

示例性的散热器60由铝或其他适合的导热材料形成，并被构造成在施加电脉冲之后迅速将形状记忆合金元件56冷却到一个低于其转变温度的温度。通过将热量远离形状记忆合金元件56分流，散热器60以通常理解的方式这样做。散热器60期望地被构造成具有热量分流能力，尽管重复地操作电路中断装置4，所述热分流能力足够大以提供充足的热量分流以将形状记忆合金元件56冷却到一个低于其转变温度的温度。就是说，散热器60具有足够的热量分流能力，它将在重复施加电脉冲到形状记忆合金元件56以及将由此产生的热量分散到散热器60的环境中持续在其转变温度以下冷却形状记忆合金元件56。

闩锁装置20包括都位于支撑部12上的螺线管76和偏置元件80。螺线管76为一种微型螺线管，并且包括电子线圈84，例如闭合线圈，以及柱塞88。柱塞88可沿第二纵向90在图2、3、3A、4和4A中描绘的一延伸位置和图5和5A中描绘的一收缩位置之间活动。注意到，图2、3、3A、4和4A以虚线进一步描绘了在其收缩位置中的柱塞88，以示出在延伸和收缩位置之间运动的距离。在所描述的示例性实施例中，第一纵向28和第二纵向90相互垂直，尽管根据特定应用的需求可以采用其他的位置关系。在所描述的实施例中，当被激励时，线圈84致使柱塞88移动到其收缩位置。偏置元件80朝延伸位置偏置柱塞88。

柱塞88在其一端可包括一个与操作构件24的法兰44相互作用的闩锁元件92。闩锁元件92包括相互远离的呈角度的表面94和接合表面98。在所描述的示例性实施例中，该呈角度的表面94与第二纵向90和第一纵向28均倾斜。仍然在所描述的示例性实施例中，该示例性的接合表面98基本上垂直于第一纵向28，并且大致平行于第二纵向90。可以看出，邻接表面52的朝向相同。

图3中的电路中断装置4处于与电路中断装置4的断开位置对应的第一结构中。图2和4中的电路中断装置4可以是一种与电路中断装置4的接通位置对应的第二结构。此外，电路中断装置4可在所述第一结构和第二结构之间变动。

更具体地，从图3和3A可以理解，当电路中断装置4处于第一结构中时，由于螺线管76断电以及偏置元件80朝延伸位置偏置柱塞88，形状记忆合金元件56处于其相对较长的变形形状，操作构件24处于其断开位置，该组可分离的触点6处于它们的开启状态，柱塞88处于其延伸位置。在这种情况下，法兰44的斜坡表面48和闩锁元件92的呈角度的表面94彼此接合。斜坡表面48和呈角度的表面94的这种接合以及用于维持这种接合的偏置元件80的偏置有助于将操作构件24保持在其断开位置中，尽管存在振动、加速等情况。为了完整性，需要重申的是，复位弹簧32朝断开位置偏置操作构件24，这进一步帮助将操作构件24和电路中断装置4保持在断开位置中。因此可以理解的是，当电路中断装置4处于其断开位置时，在闩锁元件92与操作构件24的法兰44之间的相互作用帮助将电路中断装置4保持在其断开位置。

当希望将电路中断装置4从其断开位置切换到其接通位置时，如以上所阐述的，被施加到形状记忆合金元件56的电脉冲对该形状记忆合金元件56进行加热，并使它从其相对较长的变形形状转换到其相对较短的初始形状。通过形状记忆合金元件56的这种收缩或压缩或形状转换，即从其相对较长的变形形状转换到其相对较短的初始形状而改变其长度，使得对操作构件24施加张力。这种张力沿第一纵向28以及大致沿从图3和图3A的向上方向施加到操作构件24上。通过使斜坡表面48和呈角度的表面94沿彼此滑动以及使柱塞88从其延伸位置朝收缩位置移动，该张力足够大以克服复位弹簧32的偏置，以及克服偏置元件80的偏置。除了通过这种斜坡表面48和呈角度的表面94之间的这种滑动运动克服偏置元件80的偏置，形状记忆合金元件56的张力另外还克服了在斜坡表面48和呈角度的表面94之间的静态和动态摩擦。

如上所述，当形状记忆合金元件56被电脉冲加热时，形状记忆合金元件56的长度收缩大致9％。在所描述的示例性实施例中，该组可分离的触点6具有一个处于开启状态的0.038英寸的标称弧隙。而且，该组可分离的触点6的可活动部分还可相对于操作构件24沿第一纵向28活动，以提供一种超程和/或磨损容差。因此，操作构件24沿第一纵向28在接通和断开位置之间的整体示例性运动为0.053英寸。因此，使用接触9％的导线将需要0.589英寸的导线长度以实现所需的整体运动。在所描述的示例性实施例中，形成形状记忆合金元件56的导线具有0.020英寸数量级的直径。缠绕在一起的多个导线可用于增加同一整体运动。

一旦由形状记忆合金元件56施加到操作构件24的张力充分地朝收缩位置移动柱塞88，斜坡表面48和呈角度的表面94不再相互接合，即它们脱离，形状记忆合金元件56的收缩以及被施加到操作构件24的合成张力导致该操作构件24沿第一纵向28沿从图3和4的透视图向上的方向平移，直到操作构件24处于图4和4A描绘的接通位置。在这种情况下，法兰44已经沿从图3-4A的透视图向上的方向充分地移动，法兰44已经清除了闩锁元件92，偏置元件80从而能够移动柱塞88和其上的闩锁元件92到图4和4A中描绘的延伸位置。在这种状况下，闩锁元件92的接合表面98相对于邻接表面52定位，使得邻接表面52和接合表面98彼此可接合并用于阻挡操作构件24从接通位置移离到断开位置。

需要特别指出的是，图4A描绘了在如下状况的法兰44，其中形状记忆合金元件56处于其相对较短的初始形状，例如在施加电脉冲过程中或立即在由散热器60冷却形状记忆合金元56之后或之前。因此，邻接表面52被描述为从接合表面98轻微地间隔。在以低于形状记忆合金元件56的转变温度冷却形状记忆合金元件56后，形状记忆合金元件56将朝其相对较长的变形形状返回。这将允许复位弹簧32沿从图4和4A的透视图大致向下的方向偏置操作构件24，直到邻接表面52接合该接合表面98。在这种情况下，操作构件24和电路中断装置4保持在接通位置。

于是可以理解的是，施加到形状记忆合金元件56的电脉冲致使形状记忆合金元件56从其变形形状过渡到其初始形状，从而使操作构件24和电路中断装置4移动到接通位置。在该位置，在法兰44和闩锁元件92之间的相互作用，更具体为在邻接表面52和接合表面98之间的相互作用，有助于将电路中断位置4保持在其接通位置中。这可以是电路中断装置4的第二结构。有利地，当电路中断装置4处于在图4和4A描绘的其接通位置中时，由于螺线管76处于其断电状态，螺线管76本身不消耗电力以将电路中断装置4维持在其接通位置中。相反，电路中断装置4经由邻接表面52和接合表面98之间的相互作用被保持在其接通位置，螺线管76处于空载或断电状态，这有利地节省电力。

当需要将电路中断装置4从图4和4A描绘的其接通位置移动时，电路中断装置4能够通过短暂地激励螺线管76的线圈84以使柱塞88从图4和4A中的其延伸位置移动到图5和5A中的其收缩位置而从其接通位置移动到其断开位置。柱塞88到图5和5A的收缩位置的这种运动使接合表面98从法兰44及其邻接表面52的行进方向脱离，从而使复位弹簧32可将操作构件24偏置到其断开位置。如果在柱塞88从延伸位置运动到收缩位置之前，邻接表面52和接合表面98彼此接合，例如如果形状记忆合金元件56已经充分地冷从而经由通过散热器60的热量分流使其返回到其相对更长的变形形状，通过柱塞88到收缩位置的这些运动将涉及克服在邻接表面52和接合表面98之间的静态和动态摩擦，并将导致邻接表面52和接合表面98彼此脱离。

应当理解，图5和5A描绘了处于断开位置的电路中断装置4，同时螺线管76被激励，柱塞88处于其收缩位置中。当螺线管76的线圈84断电时，偏置元件80将使柱塞88及其闩锁元件92朝延伸位置返回，其将导致呈角度的表面94沿图3和3A中描绘的邻接表面52行进并与其接合，使电路中断装置4向后放置在如上所述的其第一结构。

因此可以看出，作为施加到形状记忆合金元件56的电脉冲的结果，电路中断装置4可从其断开位置变换到其接通位置。在施加该电脉冲到形状记忆合金元件56之后，闩锁元件92和法兰44彼此配合以保持操作构件24，从而在接通位置中保持电路中断装置4，同时螺线管76的线圈84处于空载状态中。处于其接通位置的电路中断装置4可通过电脉冲调制或激励螺线管76的线圈84而返回到其断开位置，这导致闩锁元件92和法兰44充分解除彼此相互作用，使复位弹簧32能够移动操作构件24，从而电路中断装置4变到断开位置。而且，如上所述，当螺线管76的线圈84断电时，偏置元件80使闩锁元件92返回到与法兰44的接合，由此该结构将电路中断装置4保持在其断开位置，螺线管76再次处于空载状态。在该位置，形状记忆合金元件56同样处于空载状态。

虽然已经详细描绘了所公开概念的具体实施例，本领域技术人员将会意识到的是，可以根据本发明的总体教导开发对这些细节的各种修改和替代。因此，所公开的特定布置仅是说明性的，并不限于被赋予所附权利要求及其任何等效方案的全部宽度的所公开概念的范围。

Claims (20)

1.一种电路中断装置，包括：

支撑部；

可在开启状态和关闭状态之间活动的一组可分离的触点；

位于所述支撑部上并可在一断开位置与一接通位置之间活动的第一构件，所述断开位置与所述开启状态相对应，所述接通位置与所述关闭状态相对应，该可活动的构件朝第一位置偏置，并具有第一表面和第二表面；

位于所述支撑部上并可在一延伸位置与一收缩位置之间活动的第二构件，所述第二构件朝所述延伸位置偏置，并具有另一第一表面和另一第二表面；

传输机构，所述传输机构包括一形状记忆合金元件，该形状记忆合金元件可响应于一电脉冲而在一第一形状与一不同的第二形状之间转换；

在所述电路中断装置的一第一结构中，所述第一构件处于断开位置，所述第二构件处于延伸位置，所述形状记忆合金元件处于其第一形状，所述第一表面和所述另一第一表面相互接合，所形成的结构阻挡所述第一构件远离所述断开位置的运动；

响应于一电脉冲，所述形状记忆合金元件转换到其第二形状，并朝其接通位置移动所述第一构件；

在所述电路中断装置的第二结构中，所述第二构件处于其延伸位置，所述另一第二表面可与所述第二表面接合，以阻挡所述第一构件远离所述接通位置的运动。

2.根据权利要求1所述的电路中断装置，其中，所述传输机构还包括一个散热器，所述散热器热传导地与所述形状记忆合金元件相连，并且该散热器的结构设置为在一电脉冲后，从所述形状记忆合金元件分流走足以使所述形状记忆合金元件从其第二形状转换为其第一形状的热量。

3.根据权利要求2所述的电路中断装置，其中，在所述电路中断装置的一第三结构中，已从所述形状记忆合金元件分流至少一部分热量，所述第二构件处于延伸位置，所述第二表面和所述另一第二表面相互接合，以阻挡所述第一构件远离所述接通位置的运动。

4.根据权利要求3所述的电路中断装置，其中，在所述第三结构中，所述第二构件可朝收缩位置活动，以使所述第二表面和所述另一第二表面彼此脱离，从而能够偏置所述第一构件，以朝所述断开位置移动该第一构件。

5.根据权利要求4所述的电路中断装置，其中，所述电路中断装置包括一螺线管，所述第二构件为该螺线管的一个部件，当该螺线管被激励时，该螺线管将所述第二构件从延伸位置朝收缩位置移动。

6.根据权利要求4或5所述的电路中断装置，其中，由于所述第二构件的偏置，从收缩位置返回到延伸位置的所述第二构件与所述第一构件接合。

7.根据权利要求4到6中任何一项所述的电路中断装置，其中，当所述第二构件的偏置使所述第二构件从收缩位置返回到延伸位置时，所述电路中断装置处于其第一结构。

8.根据权利要求1到7中任何一项所述的电路中断装置，其中，所述第一构件可沿一第一纵向在断开位置与接通位置之间平移，所述第二构件可沿一第二纵向在延伸位置与收缩位置之间平移，所述第一纵向和第二纵向相互垂直。

9.根据权利要求8所述的电路中断装置，其中，所述第一表面和所述另一第一表面中的至少一个具有斜坡形状，所述斜坡形状的方向与所述第一纵向和所述第二纵向均倾斜。

10.根据权利要求9所述的电路中断装置，其中，所述第二表面和所述另一第二表面中的至少一个与所述第一纵向垂直，并与所述第二纵向基本平行。

11.根据权利要求9或10所述的电路中断装置，其中，具有斜坡形状的所述第一表面和所述另一第一表面中的至少一个与所述第二表面和所述另一第二表面中的至少一个倾斜。

12.根据权利要求1到11中任何一项所述的电路中断装置，其中，朝其第二形状变动的所述形状记忆合金元件将一闭合力施加到所述第一构件，所述闭合力足以克服所述第二构件的偏置以及克服在所述第一表面和所述另一第一表面之间的摩擦，以使所述第一表面和所述另一第一表面相对于彼此移动以及相互脱离。

13.根据权利要求12所述的电路中断装置，其中，所述闭合力足以另外克服所述第一构件的偏置。

14.根据权利要求12或13所述的电路中断装置，其中，所述形状记忆合金元件与所述第一构件连接在一起。

15.根据权利要求14所述的电路中断装置，其中，所述形状记忆合金元件在所述第一构件与所述支撑部之间延伸。

16.根据权利要求1到15中任何一项所述的电路中断装置，其中，所述电路中断装置包括一螺线管，所述第二构件是该螺线管的一个部件，当所述螺线管被激励时，该螺线管从延伸位置朝收缩位置移动所述第二构件，从而使所述第一构件可偏置，以将所述第一构件从接通位置朝断开位置移离。

17.根据权利要求1到16中任何一项所述的电路中断装置，其中，相互接合的所述第二表面和所述另一第二表面阻挡所述第一构件从接通位置移离。

18.根据权利要求17所述的电路中断装置，其中，所述第一表面和所述第二表面相互远离地面对。

19.根据权利要求17或18所述的电路中断装置，其中，所述另一第一表面和所述另一第二表面相互远离地面对。

20.根据权利要求1到19中任何一项所述的电路中断装置，其中，至少一个：

所述第一表面和所述第二表面相互倾斜；以及

所述另一第一表面和所述另一第二表面相互倾斜。