CN1258088A - 双稳态启动器 - Google Patents

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Abstract

一种用于剩余电流装置的双稳态启动器,包括被设置在其至少一个表面的金属薄层,所述薄层的至少一部分配备有压电材料层,所述薄层的具有压电材料层的一端利用互锁连接被插入支撑结构中。其相对端被刚性地和支撑结构相连,使得薄层处于被加载的状态。

Description

双稳态启动器
本发明涉及一种低能量的双稳态启动器，尤其涉及用于剩余电流装置例如剩余电流电路断路器的双稳态启动器。按照本发明的双稳态启动器将参照剩余电流电路断路器进行说明，但这并不意味着以任何方式限制本发明的应用范围。
众所周知，剩余电流电路断路器是一种用于交流电路的自动电路断路器，其在电路导体中的电流的矢量和(在正常情况下是0)超过一个预定值时断开。
剩余电流电路断路器一般用于阻止金属部件例如电气设备的外壳以及和具有合适的接地电阻的接地系统相连的被保护区域的金属物件带电(间接保护)，并且，如果所述电路断路器足够灵敏和快速，在一些情况下它们也能提供保护而避免和通常带电的部件接触(直接保护)。
剩余电流电路断路器的主要特性是能够达到极短的断开和闭合时间。
图1示意地表示一种剩余电流电路断路器。所述电路断路器包括用于检测剩余电流的检测器1，其一般由磁芯和二次绕组4构成，在磁芯中穿过中线2和相线3，所述中线和相线和负载(未示出)的输入端相连，并且在存在故障电流时，在二次绕组4两端便产生电压。电子耦联系统电路5被提供在检测器4和启动器6之间，接收来自二次绕组两端产生的电压信号。
剩余电流电路断路器还包括一个跳闸或释放机构7，其由启动器6启动，并在出现接地故障电流时打开电路的触点8和9。
在剩余电流电路断路器使用的常规的启动器是电磁型的，例如去磁型的电磁继电器，并具有以下缺点。
这些启动器对磁场是敏感的，这影响它们的操作。例如，磁场的存在可能引起启动器的误启动，或者外部磁场可能改变电磁继电器的磁化状态，因而改变剩余电流电路断路器的灵敏度。
所述启动器对撞击和振动也是敏感的，并且在机械上是复杂的，因而成本是高的。
本发明的目标在于提供一种对外部磁场不敏感的用于剩余电流装置的双稳态启动器。
在这一目标的范围内，本发明的目的在于提供一种用于剩余电流装置的双稳态启动器，其能够利用极短的启动时间提供可靠的保护。
本发明的另一个目的在于提供一种用于剩余电流装置的双稳态启动器，其需要小的触发能量，从而使得这种启动器可以用于自供电的剩余电流电路断路器中，其中可利用的小量的能量仅仅是由接地故障电流得到的。
本发明的另一个目的在于，提供一种用于剩余电流装置的双稳态的启动器，其对撞击和振动基本上是不敏感的。
本发明的另一个目的在于，提供一种用于剩余电流装置的双稳态的启动器，其可靠性高，制造容易，并且成本低。
本发明的这个目标和这些目的以及其它方面是通过一种用于剩余电流装置的双稳态启动器实现的，所述启动器包括金属薄层和支撑结构，其特征在于所述薄层在其第一端的至少一个面上配备有至少一层压电材料，所述第一端通过互锁连接被插入所述支撑结构中，所述薄层的和第一端相对的第二端刚性地和支撑结构相连，使得把所述薄层被保持在第一稳定的平衡位置。
本发明的其它特征和优点由下面结合附图对优选实施例进行的详细说明会更加清楚地看出，其中的优选实施例是非唯一的非限制性的例子，其中：
图1是剩余电流电路断路器的示意的方块图；
图2是按照本发明的双稳态启动器的示意的侧视图；
图3是图2的平面图，用于说明按照本发明的双稳态启动器；
图4是按照本发明的双稳态启动器的第二实施例；
图5是按照本发明的双稳态启动器的第三实施例；
图6是按照本发明的双稳态启动器的第四实施例；
图7是按照本发明的的双稳态启动器第五实施例；
图8是按照本发明的的双稳态启动器第六实施例；
图9是按照本发明的的双稳态启动器第七实施例；
图10是按照本发明的的双稳态启动器第八实施例；
图11是按照本发明的的双稳态启动器第九实施例；
图12是按照本发明的的双稳态启动器第十实施例；
图13是按照本发明的位于优选的结构中的启动器。
参见上面的附图，特别是图2到图13，按照本发明的双稳态启动器包括金属薄层10，其基本上具有矩形的形状；至少一层压电材料11被设置在薄层的至少一个面的至少一部分上；具体地说，在优选实施例中，一层压电材料11被固定在薄层10的第一端。
在其上设置有一层压电材料11的金属薄层10的第一端以互锁连接的方式被插入支撑部件12中。
和第一端相对的薄层的第二端刚性地和支撑部件13相连，使得阻止薄层10的刚性连接端的任何运动。在这种情况下，薄层10处于第一个稳定平衡位置，如图13的虚线所示。
在优选实施例中，支撑12和13是一个整体，此外，它们也可以是两个不同的部件。
最好两层压电材料11被设置在薄层10的所述第一端的两个相对的表面；这些层11被基本上相互平行地以双压电晶片的结构设置，把金属薄层插在其间；此外，压电材料11也可以被重叠地设置在薄层10的同一个面上。
压电层11的一部分以互锁连接的方式和薄层10一起插入支撑部件12中。这使得形成刚性连接，其中压电材料11的作用类似枢轴，并以最佳的方式把弯曲运动向薄层10的自由部分传递，即向薄层10的和压电层11相连的第一端和与支撑部件12相连的第二端之间的部分传递。
按照本发明的双稳态启动器的操作如下：
薄层受到轴向压力，处于如图13虚线所示的变形状态。在压电层11的自由的尖端上薄层10的偏转，即相对于未变形状态的变形比在薄层的自由部分上的变形小得多，因为压电部分11的刚性比薄层10的自由部分强得多。
在存在接地故障电流时，对压电层产生电启动信号，引起压电层变形。被设置有压电材料的金属薄层10的部分发生弯曲，并且在没有以互锁连接的方式被插入的压电材料的端部上的偏转减少，并运动到未变形状态的虚线之外。用这种方式，薄层10成为非稳态的，因而快速运动到第二稳定位置，于是形成启动，如图13的实线所示。一般地说，这个启动作用必然引起和剩余电流电路断路器的跳闸装置相连的销钉14的启动。
应当注意，其上设置有压电材料层11的薄层10的端部以互锁连接方式被插入支撑部件中，以便使启动器获得最大的稳定，使没有被插入支撑部件的端部的压电元件得到最大的弯曲。
由于使用压电材料，按照本发明的双稳态启动器固有地对磁场不灵敏。此外，压电层11被粘结在薄层10上，这确保高度紧凑的结构，其制造简单，相应地比常规的启动器成本较低。
这样设计出的启动器也可以是双稳态的：这有助于实现所需的小的快速动作能量，从而使这种启动器可以应用于自供电的剩余电流电路断路器中，其中只从接地故障电流中得到少量的可利用的能量。
此外，在特定的优选实施例中，如图13所示，薄层10的端部以相对于在未变形状态下的薄层的中心平面相互错开的位置和支撑结构12相连。这使得能够减少使薄层从一种状态快速转换为另一种状态所需的能量。
薄层10可以利用超弹性的材料制成，以便对于提供同样的冲击和作用力需要较低的快速动作能量。当启动器的长度被减少到某个值以下时，这种选择是需要的。除去由超弹性的材料或伪弹性材料制成之外，薄层10也可以由线性超弹性材料制成。
尽管其具有双稳态性质，通过选择薄层10的合适的形状，并局部减少其厚度，如图4-12所示，按照本发明的启动器在任何情况下都对撞击和振动不敏感，因为在剩余电流电路断路器中，尤其是自供电型的，只有少量的能量可被利用，而又要达到快速的动作时间，因而需要双稳态的薄层10在刚性、质量和尺寸方面满足某些要求。
由上述可见，因而需要使启动器的驱动能量最小，以便增加其机械稳定性，并使它的力位移特性最佳。为此目的，至少薄层10的接近和支撑结构13刚性相连的第二端的一部分一般被形成一定形状，使得提供一种功能铰链(funtional hinge)。具体地说，可以提供这种具有一定形状的部分，在该部分的宽度和厚度被减少。
图4和图5是按照本发明的启动器的侧视图，如图所示，可以在由标号15表示的区域提供薄层10的截面的厚度被减少的部分。厚度减少的做法可以仅仅提供在金属薄层10的接近所述第二端的部分，也可以提供在接近压电层11的位置。
参见图6-12，其中示出了本发明的启动器的另一个实施例，其中金属薄层10被形成一定的形状，使其至少一部分具有被减少的宽度。具体地说，可以通过形成形状合适的槽16实现宽度的减少，也可以只在薄层10的靠近第二端的部分提供这些槽，如图6所示，或者在和压电材料11相邻的部分提供这些槽，如图7所示。最好在每个感兴趣的部分形成两个槽16，它们可以是如图6、7的方槽16，或如图8、9的圆槽。
图10-12是按照本发明的启动器的另一个实施例，其中至少薄层10的一部分被形成一定形状，使得其具有被减少的宽度。具体地说，如图11所示，薄层10的和第二端邻接的部分呈锥形。此外，和压电材料层11邻接的薄层10的部分也可以被形成锥形的形状，如图10和12所示。
实际上可以看出，按照本发明的启动器完全实现了设计目标和目的，因为其能够实现以极低的能量消耗获得极短的启动时间。
在存在接地故障电流的情况下，如果在剩余电流电路断路器中使用这种启动器，则产生用于使压电元件变形的电启动信号。被粘结有压电元件的金属薄层的部分弯曲，并在所述弯曲期间，使薄层的自由部分快速动作到第二稳定状态。
使金属薄层10的端部具有不同形状的做法使得能够减少所需的启动能量。
按照本发明的的启动器可以用于各种装置中。具体地说，可以用于剩余电流电路断路器中，如前所述。或者用于剩余电流组件中，即和热磁电路断路器相连的组件中。此外还可以用于其它类型的电路断路器或遮断装置中。
因而，这样设计出的启动器具有大量的改型和改变，这些都落在本发明的范围之内。此外，所有的细节都可以用等效元件代替。
实际上，所使用的材料和尺寸，只要其满足特定的用途，按照本领域的技术状态和要求，可以不受限制。

Claims (14)

1.一种用于剩余电流装置的双稳态启动器，包括金属薄层和支撑结构，其特征在于所述薄层在其第一端的至少一个面上配备有至少一层压电材料，所述第一端通过互锁连接被插入所述支撑结构中，所述薄层的和第一端相对的第二端刚性地和支撑结构相连，使得把所述薄层被保持在第一稳定的平衡位置。
2.如权利要求1所述的双稳态启动器，其特征在于，所述压电材料层至少一部分和所述薄层一起以互锁连接的方式被插入所述支撑结构中。
3.如权利要求1所述的双稳态启动器，其特征在于，其包括被设置在所述薄层的第一端的两个面上的两层压电材料。
4.如权利要求1所述的双稳态启动器，其特征在于，所述金属薄层的第一端和第二端以相对于未变形状态下的薄层的中心面相互错开的位置和支撑结构相连。
5.如前面一个或几个权利要求所述的双稳态启动器。其特征在于，所述薄层至少在所述第二端附近的位置具有减少的宽度。
6.如权利要求5所述的双稳态启动器，其特征在于，所述金属薄层在所述第二端附近的部分具有两个槽。
7.如前面一个或几个权利要求所述的双稳态启动器。其特征在于，所述薄层在和所述压电材料层邻接的部分具有减少的宽度。
8.如权利要求7所述的双稳态启动器，其特征在于，所述金属薄层在和所述压电材料层邻接的部分具有两个槽。
9.如权利要求1-4中一个或几个所述的双稳态启动器，其特征在于，所述金属薄层在所述第二端附近的部分具有锥形的形状。
10.如权利要求9所述的双稳态启动器，其特征在于，所述金属薄层在和所述压电材料层邻接的部分具有锥形的形状。
11.如权利要求1-4一个或几个所述的双稳态启动器，其特征在于，所述金属薄层至少在所述第二端附近被形成一定形状，使得其具有较薄的横截面。
12.如前面一个或几个权利要求所述的双稳态启动器，其特征在于，所述薄层是由超弹性或伪弹性(pseudoelastic)材料制成的。
13.一种剩余电流电路断路器，其特征在于其包括按照前面一个或几个权利要求所述的双稳态启动器。
14.一种剩余电流组件，其特征在于，其包括按照权利要求1-12中的一个或几个所述的双稳态启动器。
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