CN1267124A - 电机的集成软起动器 - Google Patents

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Abstract

一种通常称为软起动器的固态电机起动器(10)是按照易于制造、同时将所有需要的元件组合在相对较小的组件中。因态电力开关(46,48)以偏量方式夹紧在一对汇流条(32,42)之间以容纳分立的开关继电器(50),该继电器以倒置方式装在线路输入(36)和与负载输出(44)相连的汇流条之间。当处于电机运转方式中时,电流从固态电力开关装置(46,48)分流,并通过开关继电器,一个基本为直线的电流通路形成以减少电耗和热量蓄积。

Description

电机的集成软起动器
通常称为“软起动器”的固态电机起动器借助闸门式半导体器件如SCRs(半导体可控整流器)、闸流晶体管或通称为固态电力开关来控制电机的起动和停机。本发明一般涉及电机起动器，更具体来说，涉及结构紧凑的固态电机起动器，其用于减少空间需求并整体地组合在一个完整的小型组件中。
工业标准的软起动器结构布置一般由若干分开的分立式元件组构成。这种组包括控制器、旁流接触器、传感器、过载保护、减声器、冷却风扇、功率半导体、汇流条、绝缘子、组装硬件及安装板。当组装成一个组件时，上述现有技术的电机起动器相当庞大。
控制器通常装在带有分立螺纹式接线盒和安装脚的II级壳体中。控制器的尺寸和功率要求可按照控制的应用和复杂程度而变化。控制器组件往往分解成若干分离的需要相互连接和安装的印刷电路板分组件。
分立的旁流接触器用于在电机达到其运转速度后使功率半导体被旁路。旁流接触器需要安装硬件、带有接头的线圈引线，以及软起动器的线路和负载侧的电力导体。
软起动器可以具有几种不同类型的传感器。软起动器中最基本的传感器是电流传感器，其构造一般相当大。一些最常用的检测电流的方法包括带有匹配电流表和相当大的安装架的大型变流器。另一种方法包括匹配电流表或印刷电路板组件的铁氧体环状线圈，也要求庞大笨重的安装布置。另一种方法包括罗氏线圈(Rogowski coil)和匹配电路板组件，也要求庞大的安装架。
更详尽来说，最常见的工业作法是使用与变流器相同的原理测量电流。当电流流过导体时围绕导体产生磁场。该磁场在磁芯中引起感应。磁芯材料可以是很好的磁性材料如铁磁性的铁或钢。也需要一个第二线圈，环绕磁芯材料或围绕载流件。第二线圈的磁感应电流量依赖于所用磁芯材料的磁阻，以及需要的信号电流量。因此，电流信号应与有关导体中实际电流成正比。研制出一种标度，以便阅读导体中的耦合电流信号值来作为实际电流信号。可使用的仪表一般是电流表。但是，如果第二线圈电路具有许多小尺寸导线的匝，那么，耦合信号具有低的电流值，因而也可用电压表替代。下面详述一些最常用的完成这种电流检测的方法。第二线圈的输出也可用于驱动一个过载继电器。
最常用的使用换流器原理测量电流的方法或许应该用形成许多环的导线环绕导体，并测量在所述导线中感应的电流。这种方法类似于气芯换流器，通常称为换流器。另一种方法是用具有良好磁阻的铁氧体芯材料的刚性件环绕一导体，然后用导线环绕铁氧体材料，并测量感应电流。这种方法类似于空气铁芯换流器，通常简称为环状线圈(toroid)。
类似地，若干叠层构成的芯可以围绕导体设置，绕叠层回路的一部分缠绕导线，测量在线圈中感应的电流，这也类似于铁芯换流器。为了便于组装，研制出上述方案的一种变型，其中叠芯是拼合式的，被监测的导体不必在其可以适当定位之前穿过芯部。芯部关于叠层拼合线是敞口的，有关的导体在需要的位置上插装在芯部中，然后闭合芯部以保持磁回路的低磁阻。另一种方法采用钢的薄叠层作为铁氧体芯材料，然后用导线缠绕铁氧体材料。由于芯区小、导线细，因而可以测量感应电压。这种方法类似于铁芯换流器，称为罗氏线圈(Rogowski coil)。
所有上述的一般用在软起动器中的测量电流的技术具有一个常见的物理局限性，它是构制结构紧凑的电机起动器时的重大缺陷。这种常见的缺隐在于，用来形成感应电路或电压信号的第二线圈或铁氧体芯必须围绕有关导体外周设置。由于电机起动器需要相对较大的导体，因而围绕导体的任何附加材料导致电机起动器体积过大。另外，在具有必须加以监测的三个分开的导体的任何三相电机起动器中，电流传感器之间的交互影响的可能性相当高。
软起动器也可能需要热监测以保护功率半导体。热保护的一个常用方法包括双金属盘，其需要安装托架、硬件和电绝缘子，这取决于它离开软起动器的载流件的位置。在工作中，当双金属盘达到跳闸温度时，双金属盘跳入应变位置，改变电触头的状态，从而向控制电路发出已达到温度极限的信号。但是，双金属盘由于其本身金属量大，具有很窄的温度范围，因而对温度变化的响应很慢。假如要监测几个温度范围，那么每个温度范围都需要一个单独的双金属盘。另一种热保护使用红外热传感器。虽然这些器件并不需要设置在载流件上，但是必须离载流件很近。因此，需要安装托架和匹配电路板组件，传感器必须“瞄准”被监测的零件。热敏电阻也可用于测量电元件的温度。热敏电阻的电阻随温度而变化。然后，电阻的变化被标定于电压，电压则用作温度基准，指示元件的温度。热敏电阻由于其本身材料量小，因而对温度变化的响应很快。
双金属盘和热敏电阻通常设置得离开电气设备的载流件很近或者就装在其上。两者都要求分立的电引线或接头，这需要布线和终端。这些器件在现有技术中的应用也需要独立的安装紧固件或托架。为了保护这些器件免受载流件的线路电势，需要附加的电绝缘或屏障。由于这些器件一般是独立安装的，它们在被监测的电设备中需要附加的空间，因而增加了设备的尺寸。
软起动器也需要减声组件，其一般包括串联的电阻和电容器以保护功率半导体元件免于瞬间噪声。减声组件横过电机起动器的线路和负载接头连接，并具有分立的引线。这些器件也需要安装架和有关硬件。
在自然对流不足以冷却电机起动器的场合，需要风扇以提供强制冷却空气。冷却风扇一般会加大外壳的尺寸，或者安装在外部，通过外壳通风口使起动器通风。在这两种情形中，冷却风扇都会显著增加总体尺寸。
软起动器也包括过载保护，这是所有电力控制设备上都需要的，可以通过使用过载继电器或过载电路板组件来实现。一般来说，当被测电流达到预定极限时，过载会改变状态，使电机与电源脱开。过载可以是一个分立的器件，也可以是控制器的整体功能。这种器件通常具有一个极限范围，对电机电流很敏感。
软起动器使用分立的半导体或SCR“pucks”(可控硅整流器)。取决于功率要求，这种器件可能变得很大，会增加安装的复杂度，并显著增加尺寸。在多相应用场合，需要多个功率导体，极间的实际间隔取决于工作电压。导体的尺寸也与必须承载的起动冲量电流和必须从功率半导体除去的热量成正比。
软起动器的所有上述元件通常安装在一个安装板上，因而导致很大的总体尺寸，以这种方式组装的现有技术的软起动器需要过长的生产组装时间、体积过大、因而质量过大、外壳也太大。
本发明的目的是提供一种可以解决上述问题的固态电机起动器，以及提供一种软起动器组件，它可将上述元件集成为一个相对较小的组合件，从而减小壁或占地的需求，同时使电机起动器易于制造。
按照本发明的一个方面，一种固态电机起动器包括一个在线路输入端的适于接纳来自电源的外部载流导体的第一导电汇流条和在负载输出端的适于接纳可连接于电机的外部载流导体的第二导电汇流条。具有至少一个夹紧在第一和第二导电汇流条之间的固态电力开关装置和一个分立的电磁开关继电器，它具有电输入和电输出，形成一个围绕固态电力开关装置的旁流电路。电输入可连接于来自电源的外部载流导体，电输出连接于第二导电汇流条，分流固态电力开关装置。分立的电磁开关继电器的安装使得继电器电流通路与第二导电汇流条成直线关系(即在一条直线上)，从而当分立的电磁开关继电器将电力从电源转接至电机时形成通过固态电机起动器的直线电流通路，这可以减少在软起动器中蓄积的热量。
另外，按照本发明的另一个方面，电机起动器的分立的电磁开关继电器安装在第二导电汇流条之后，令人满意地以倒置的方式装配，使其内部触头与第一导电汇流条成紧密关系，并使其内部磁铁离第一导电汇流条间隔最远。电机起动器也包括一个散热器，它安装在第二导电汇流条上，与分立的电磁开关继电器成间隔开来的关系，以便使冷却风扇可以安装在散热器和分立的电磁开关继电器之间，迫使空气流过散热器以提供附加的冷却作用。另外，第二导电汇流条的大的质量当固态电力开关装置导通时用来散热。
一个罩组件模制得装配在固态电机起动器上，并具有一散热器隧道以容纳冷却风扇和散热器。一热敏电阻安装在罩组件中以检测散热器上的气流温度。一个电流传感器和热敏电阻组件直接安装在导电汇流条之一上，该汇流条经过改变，以便形成一个相对较小的电流检测区，这是通过从汇流条外缘向中央区域切割一对槽而实现的。与现有技术中用于检测这种大型汇流条电流的方法不同的是，可以使用很小的霍尔效应传感器来完成电流检测。另外，一共用电路板用于霍尔效应传感器和热敏电阻，该热敏电阻用于监测在电流检测区蓄积的热量。
按照本发明的另一个方面，一个固态电机起动器具有两个独特的电流通路，构制在一个相对较为紧凑的小组合件中，它包括一个第一电流通路，该第一电流通路是按下述方式限定的：由一电源输入连接于第一汇流条，第一汇流条与一对固态电力开关电连通，从而在至少一个固态电力开关转换至接通状态，以便在电机起动期间向可连接于第二汇流条的电机斜坡式增加(ramp-up)电力，以及在电机停机时斜坡式减小(ramp-down)电力时，完成与第二汇流条的电连接。第二电流通路是在电机运转方式中工作的，按照下述方式限定：电源输入连接于一个倒置的电磁继电器，该继电器可在电流导通方式和电流非导通方式之间转换。当电磁继电器处于电流导通方式，且固态电机起动器因而处于运转方式时，第二电流通路进一步通过电磁继电器的输出和可连接于电机的第二汇流条之间的电连接限定。有利的是，第二电流通路是一条横过电机起动器的基本为直线的电流通路，这不仅可减少电耗，而且也可减少在电机运转方式中的蓄积的热量。
按照本发明的另一方面，用在大型导电汇流条中的电流传感器组件包括一个汇流条，其内具有由一对槽形成的相对较窄的电流通路，每条槽从汇流条外缘向内伸至相对较窄的电流通路。这对槽形成沿电流流动方向的相对较窄的电流通路。一对磁销在相对较窄的电流通路的外周与电流通路成横向地穿过汇流条。磁销间隔开来形成在这对磁销之间的磁通通路。磁销并不产生磁通本身，而是在磁销之间集中磁通。因此，在磁销之间形成磁通通路。相对较窄的电流通路最好在汇流条中央或中央附近以避免与来自相邻汇流条的磁通相互干扰。在某些应用场合，也许最好使窄的电流通路与中央偏置以便加大与磁销间形成的磁通通路的距离。一个霍尔效应传感器设在磁销之间，在相对较窄的电流通路上方，并且在由所述一对磁销形成的磁通通路以内。另外，该霍尔效应传感器与一个热敏电阻一起安装在一电路板上，该热敏电阻用于监测在电流检测区中汇流条的温度。
现在对照以下附图进一步详述本发明的各种特征、目的和优点：
以下附图表示目前构想的实施本发明的最佳方式。
图1是按照本发明的电机起动器的立体图。
图2是图1的一部分的立体图。
图3是沿图1中3-3线截取的侧剖图。
图4是沿图3中4-4线截取的放大剖视图。
图5是图4的一部分的放大剖视图。
图6是图2结构的分解立体图。
图7是图6一部分的放大平面图。
图8是沿8-8线截取的图3的一部分的顶视平面图。
图9是图8结构的分解立体图。
图10是沿图8中10-10线截取的剖视图。
图11是沿11-11线截取的图10结构的侧剖图。
图12是图1的一部分的立体图。
图13是沿13-13线截取的图12的一部分的详图。
图14是本发明的电机起动器另一实施例的立体图。
图15是图14的电机起动器中使用的汇流条的立体图。
图16是以百分数表示的霍尔效应输出对霍尔效应电流额定值的曲线图。
现在参阅附图，图1表示一个三相三极固态电机起动器10，也称为电机软起动器。电机起动器10包括一个罩组件12，在其电机连接端或负载端16上有一空气进口14。相似的空气出口18设置在电机起动器10的电源端或线路端20。罩组件12内也装有由电路罩22A保护的一个电子控制器电路22。控制器电路22并不是本发明的要素，这里不作赘述。电机起动器10也包括一个底座组件24内装三个电极组件26，28和30。每个电极组件26，28和30对于一个既定的电机来说都是结构相同的，因而本说明书将只对一个电极组件28作详细说明。
图2是一个单一电极组件，如电机起动器10的电极组件28的立体图。电极组件28包括第一导电汇流条32，其用于接受接线片连接器(未画出)，该接线片连接器则在输入端36接受来自电源(未画出)的外部电流承载导体。一个L形导体34具有一个凸缘38，该凸缘具有一对螺栓孔40，其用于将电极组件28在负载端16安装在底座组件24(图1)上。现参阅图2，电机起动器10的电极组件28具有第二导电汇流条42，其机械式地且电气连接于L形导体14，以便接受一个接线片连接器(未画出)，从而将电极组件28连接于外部电流承载导体(未画出)，该外部电流承载导体可在输出端44连接于一电机(未画出)。在一推荐实施例中，一对固态电开关装置46和48，例如SCRs，夹紧在第一和第二导电汇流条32和42之间。取决于被电机起动器驱动的电机的电力要求，汇流条可或大或小。另外，取决于所需要的开关特性和总的电力要求，另一实施例可使用SCR’s以外的固态开关装置。
一个分立的电磁开关继电器50以倒置方式安装在电极组件28中，使内部触点在下端52朝下，并使内部磁铁和定子处于上端54。开关继电器50具有一对静止触头56和58。输出静止触头56用至少一个安装螺栓60连接于L形导体34。输入静止触头58借助六个夹紧螺栓62中的两个安装在第一汇流条32上。通过以图示的倒置方式安装开关继电器，在本发明的结构中，为了以电机运转方式工作而实现一条穿过电极组件28的基本呈直线的电流通路，这将在下文中详述。
分立的电磁开关继电器50的内部结构可以为标准结构。这种继电器的实例公开在美国专利第5,337,214号中，该专利在1994年8月9日授予Lindsey等人，并转让给本发明的受让人。但是，本专业技术人员容易理解，本发明的触头56和58从相反两侧向外延伸，而美国专利第5,337,214号公开的继电器的触头则从相同侧向外延伸。本专业技术人员容易理解，这种触头位置通过对外壳和结构作微小改变即可实现。
图2的电极组件28也具有安装在第一导电汇流条32上的散热器64。散热器64与电磁开关继电器50间隔开来，以便可在其间插入及安装冷却风扇66。冷却风扇66由罩组件12支承(图1)。在一个推荐实施例中，每个电极组件26，28和30具有其各自的冷却风扇66，其安装在罩12内，可以接合在每个电极组件26，28和30的空间68中。
在工作中，电机起动器10的每个电极组件26，28和30具有两条独特的电流通路。在电机起动方式中工作的第一电流通路结构是通过所连接的电源(未画出)限定的，以便向第一汇流条32供电。第一电流通路进一步受到限定，以包括固态电力开关46和48，以便当至少一个固态电力开关46，48处于接通(ON)状态，以便向着可通过L形导体34连接于第二汇流条42的电机(未画出)在电机起动期间斜坡式增加电力，以及在电机停止期间斜坡式减小电力时完成与第二汇流条42的电连接。第二电流通路在电机运转期间工作，它只在电机已迅速增速后才开始。第二电流通路结构是由通过第一汇流条32连接于倒置的电磁继电器50的输入静止触头58的电源来限定的。继电器50可在电流导通方式和电流不导通方式之间转变。当电机迅速增速或迅速减速时，可转换的继电器50处于不导通方式，因而第二电流通路被开关继电器50中断。但是，当电磁开关继电器50处于电流导通方式，且电机起动器10因而处于电机运转方式时，第二电流通路完成，电力送至可连接于电机的输出静止触头56。一旦电机使用第一电流通路中的SCRs46和48迅速提速时，可转换的电路开关继电器50被赋能，使电流从SCRs分流，此时SCR’s可被关断(OFF)，按照这种方式，在电路开关继电器50中的接触允许由于不经受否则将会发生的起弧而受到保护。同样，为了关断电机，SCR’s 46和48几乎与继电器去能的同时被接通，因而在继电器50中实际上不发生电弧。然后，SCR’s可迅速使电机减速。如图2所示，第二电流通路结构可提供从第一汇流条32通过输入静止触头58、通过继电器50及通过输出静止触头56的基本呈直线的电流通路。这种直线的电流通路不仅减少了在电机运转方式中的电耗，也最大程度地减少了在电机起动器中的热量蓄积。另外，这种独特的结构很紧凑，在应用中可节约宝贵的占地或壁空间。
图3表示沿图1中3-3线截取的图1的固态电机起动器10的剖视图。电极组件28用一组安装螺栓70安装在底座组件24中。安装螺栓70中的两个在负载输出端16位于L形导体34的凸缘38中。另一组安装螺栓(未画出)例如在线路进口端36穿过第二汇流条42进入孔72中，将电极组件28紧固在底座组件24上。安装于罩组件12的冷却风扇66设置在倒置的继电器50和散热器64之间，沿线路75使气流引出空气出口18。罩组件12也包括一个用于安装电子控制总电路22的电路板分壳体74。一对固态电力开关装置46和48分别具有输入导线47和49，它们可连接于电子控制器电路22。每个开关装置46和48分别通过一对销子76和78在第一汇流条32和第二汇流条42之间固定在位，并通过一组夹紧螺栓62夹紧在汇流条32和42之间。
在区域A中的可用空间中，一个电流传感器和热敏电阻组件126安装在第一汇流条32的下侧上，以便测量通过汇流条的电流，并检测汇流条的温度，这将参阅图8-11进一步描述。区域A也用来放置减声电路77，以便减小电噪声及瞬态保护。减声电路引线连接于线路及负载连接器，这是公知的。
图4是沿图3中4-4截取的放大视图，表示夹紧螺栓62a。图4中所示的夹紧螺栓的布置是六个夹紧螺栓的例子，图2中所示的其中的三个已装配，图7中全部未装配。现在参阅图4，夹紧螺栓62a将固态电力开关装置46夹紧在第一汇流条32和第二汇流条42之间。一系列贝氏垫圈79与夹紧螺栓一起使用，由紧固螺母83压紧。夹紧螺栓62a具有一个接合在绝缘子82中的艾伦氏头部(Allen head)80，绝缘子82用于使第一汇流条与第二汇流条绝缘。
图5表示图4所示夹紧螺栓62a、贝氏垫圈79和紧固螺母83的一部分的放大剖视图。如图所示，一系列贝氏垫圈79包括相对的凹和凸偏压垫圈，其间具有小的间隙84，以便使汇流条32和42在各工作方式期间可以收缩和膨胀，从而在装置46和48之间保持压力。
现在参阅图6，该图是图2的电极组件28的分解立体图。如图所示，在该推荐实施例中，使用六个夹紧螺栓62，以及六个垫圈81和六个绝缘子82。夹紧螺栓62穿过第二汇流条42的夹紧孔86、第一汇流条32的夹紧孔88和散热器64的四个夹紧孔90。继电器50也装有贝氏垫圈79和穿过输入静止触头58中的孔92的夹紧螺栓62，使继电器和汇流条之间可因膨胀和收缩而作微小的运动。每个夹紧螺栓62设有相应一组贝氏垫圈79和紧固螺母以便在第一汇流条32和第二汇流条42之间夹紧电力开关装置46和48。
电力开关装置46和48分别在第一和第二汇流条32和42的小直径销孔94中的销子76和78上定心。另外，散热器64借助穿过散热器64中的安装孔100和穿过第一汇流条32中的安装孔102的螺栓96和螺母98安装在第二汇流条42上，以便补偿槽104和105，对汇流条42提供附加支承作用，这将在下文参阅图7作进一步描述。如前所述，继电器50借助最前部的夹紧螺栓62和紧固螺母78在输入端58安装在第一汇流条32上。具有输入静止触头56的继电器50的另一端通过螺栓60和螺母61安装在L形导体34上，L形导体34的下侧面有沉头孔以接纳螺母61。当安装时，接线片组件装于三个画出的孔中。L形导体34通过螺栓106和螺母108安装于第二汇流条42。安装孔110沉头扩孔，以便在其中齐平地安装螺栓106。
图7表示第一汇流条32的顶视详图。SCR’s46和48用虚线表示从下侧安装，并以销子76和78定心。六个最左侧的夹紧孔88如前所述用于将SCR’s夹紧在第一汇流条上。安装孔112沉头扩孔以便将整个电极组件28(图3)安装在底座组件24上。其余的孔114用于安装接线片(未画出)。槽104和105切入汇流条42以便将流过第一汇流条32的电流收敛在一个相对较小的、最好是中心的电流检测区116内。槽104和105从侧缘118和120向内延伸，向着一对销孔122向内延伸。一对磁铁销124装在孔122中，并从汇流条32的顶面垂直延伸。最好是钢制的销124用来集中和引导在穿过电流检测区116的电流通路中的电流流动和销子配置产生的磁通。销124如图3和11所示从汇流条32外伸至需要的高度，其中，电流传感器和热敏电阻组件126安装在其上。螺孔128(图7)用于将电流传感器和热敏电阻组件安装在第一汇流条32上。
图8沿图3中8-8线截取，表示电流传感器和热敏电阻组件126。钢销124不仅引导和集中穿过汇流条的电流产生的磁通，而且也用于定位电流传感器和热敏电阻组件126，从而适当地使霍尔效应传感器130定位，这将参阅图9-11详述。
现在参阅图9，该图表示围绕磁铁销124的电流传感器和热敏电阻组件126的分解图。电流传感器和热敏电阻组件126包括一电路板132，它具有一个从电路板向外延伸的霍尔效应传感器130，以便检测流过电流检测区116，因而流过整个汇流条32的电流。霍尔效应传感器130垂直于电路板132伸出，因而一个指定的“甜点”131将最终位于钢销124之间的最大磁通通路中。所谓“甜点”131一般标识在霍尔效应传感器130上以便指定在霍尔效应传感器中的最有效区域。电路板132也具有一个热敏电阻134以测量汇流条上的温度。一引线连接器136焊接在电路板上，一电线束138从其延伸以连接至控制器电路22。霍尔效应传感器130和热敏电阻134象通常那样连接。电流传感器和热敏电阻组件126也具有一个定位块140，在其中接纳电路板132，并围绕可与销124接合的销孔142将霍尔效应传感器130装入定位块40下侧上的霍尔效应传感器槽144中，如图10和11所示。
定位块40也具有一个截锥形热敏电阻隧道146，以便在该隧道最窄部分装入热敏电阻134，如图10所示。截锥形热敏电阻隧道的最大区域紧靠第一汇流条32，以便检测在电流检测区中汇流条的温度。截锥形热敏电阻隧道中弥散着导热膏，以保证从汇流条32表面向热敏电阻134的热传递。
现在参阅图9，电流传感器和热敏电阻组件126也包括一个绝缘子，即，绝缘子150，其用于形成电路板132及其元件与汇流条32的电绝缘。电流传感器和热敏电阻组件126用穿过绝缘子154的非磁性螺钉152安装在汇流条上，如图10所示。
现在参阅图11，如图所示，电路板132上的霍尔效应传感器130位于定位块140的霍尔效应传感器槽144中。定位块140具有一个销孔142a，其直径接近销124的直径，还具有另一个销孔142b，其稍呈椭圆形以容许销的稍许误对准。
由于本发明的电机起动器10具有三个电极组件26，28和30，因而重要的是尽可能减小相邻导体间可能影响霍尔效应传感器130的相互干扰。为此，窄的电流检测区116(图7)从第一汇流条32的外侧缘118和120中心定位，这可以最大程度减小来自相邻汇流条的磁通影响。另外，通过从第一汇流条32的表面152伸出磁销124，使霍尔效应传感器144交叉与销124垂直的电流引起的最大磁通通路，从而进一步减小相邻导体之间的相互影响。
现在参阅图7，槽104和105分别从电流检测区116向后倾斜于外侧缘118和120，使槽104，105在第一汇流条32的一对安装孔88和102之间穿过。由于散热器64(图2)安装在槽104和105(图7)上，因而散热器64(图2)的强度减小了汇流条32的结构的弱化。应注意的是，槽104，105不必倾斜以产生电流检测区116，无不必具有相同的长度。但是，在推荐实施例中槽是倾斜的且具有相同长度，从而使电流检测区116位于汇流条中央以减小前述的相互影响并减小槽104和105引起的结构弱化。
现在参阅图12，罩组件12的分壳体154带有凹部156，158和160以容纳每个电极组件26，28和30(图1)的散热器64。气流方向由箭头162(图12)表示。为了监测罩组件12内的气流温度，具有热敏电阻166的电路板164装在两凹部158和160之间的侧支承件168上，如图13所示。电路板164装配在侧支承件168上的摩擦配合槽170内。气槽172使得当电路板164完全接合在侧支承件168的槽170内时空气可直接接触热敏电阻166。
现在参阅图14描述本发明的另一实施例。图示的固态电机起动器174的外壳已卸去。电机起动器174具有一个相对较短的旁路电流通路，其沿线176从负载接线片178开始直至线路接线片180基本为直线的。电机起动器174有较低的电力处置要求，与图1所示较大的曲棍球式SCR’s不同，使用内部相控半导体开关元件。散热器182直接安装在电机起动器174上。
图15表示在图14的电机起动器中使用的汇流条184的结构。汇流条184具有接线片端186和接触器端188。为了形成相对较小的电流检测区190，与参阅图7的汇流条42所作的描述相似，切出槽192和194，迫使电流流过电流检测区190。图7的槽104和105与图15的汇流条184的槽192和194的比较显示，槽的具体取向并不是关键，但是，电流检测区的尺寸是截流要求的函数。图15的汇流条184可以类似地设有图9所示的电流传感器和热敏电阻组件126。销124的长度将受到调节以适应汇流条184的厚度，因而使销在一个侧面上齐平，只是足以与霍尔效应传感器130相交，如在图11中那样。
现在参阅图16，霍尔效应电流传感器的需要的特性曲线200是霍尔效应输出对软起动器电流的函数，以百分数表示。该图表示本发明结合了在测量电流中使用霍尔效应电流传感器的线性和非线性特性。应注意的是，通过改变一系列因素可以获得需要的特性。例如，通过改变受限的电流检测区116(图7)和190(图15)的宽度和形状，可以根据需要改变特性曲线。另外，改变磁销124的材料类型和量也可以改变导磁性，从而获得需要的特性曲线。作为一个实例，一个中空的销子可用来替代相同外径的实心钢销，但是中空销子具有小得多的导磁性，因而形成完全不同的特性曲线。
霍尔效应传感器电压输出曲线的需要特性在软起动器工作范围的关键部分或活性区域中应具有基本为直线的部分。虽然在该范围中，电流读数可以在装置稳态工作过程中得到，并与外部测量装置作精确的比较，但是，霍尔效应输出电压，在超出装置正常工作范围的初始倒圆阶段204中，应该开始显著逐渐减小。最初的倒圆阶段204最好是当磁销开始进入饱和时装置的额定值的大约120％-130％。当销继续饱和时，倒圆中段206为线性电流测量范围的大约130％-1(50)％。通过移入饱和的销倒圆阶段208的延伸部，霍尔效应装置继续对电流增加作出反应，使电流测量范围延伸至装置的线性电流范围的大约300％。最终的可使用的电流测量阶段210是在销子饱和时出现的，曲线具有很小的斜度。这个阶段将电流范围延伸至大约600％，或电流测量范围的有效线性部分的六倍。过载电流的幅度受到霍尔效应电源的限制。在最终阶段212中，霍尔效应电流信号触及电源轨道，因而不能得到进一步的可用的电流测量信息。
本发明已经结合推荐实施例进行了描述，除了那些已明确表述的以外各种等同物、替代物及修改也可能属于权利要求书的范围之内。

Claims (49)

1.一种固态电机起动器(10)，它包括：
一个第一导电汇流条(32)，其用于在输入端(36)从电源接纳外部载流导体；
一个第二导电汇流条(42)，其用于在电机起动器(10)的输出端(44)接纳可连接于一电机的外部截流导体；
一对夹紧在第一和第二导电汇流条(32和42)之间的固态电力开关装置(46，48)；以及
一个分立的电磁开关继电器(50)，它具有电输入(58)和构成旁流电流通路的电输出(56)，所述电输入(56)可从电源通过第一导电汇流条(32)连接于外部截流导体(36)，所述开关继电器(50)的电输出(56)可连接于电机起动器(10)的输出端(44)，所述分立的电磁开关继电器(50)安装得使所述旁电流通路与第二导电汇流条(42)呈直线关系，因而当所述分立的电磁开关继电器(50)从电源向电机转接电力时提供一条穿过固态电机起动器(10)的直线的电流通路。
2.如权利要求1所述的固态电机起动器(10)，其特征在于：还包括一组安装螺栓(62)，其穿过第一和第二导电汇流条(32和42)，且其上具一系列贝氏垫圈(79)和紧固螺母(83)，以便在第一和第二导电汇流条(32和42)之间夹紧固态电力开关装置(46，48)。
3.如权利要求2所述的固态电机起动器(10)，其特征在于：还包括一个借助所述一组安装螺栓(62)、贝氏垫圈(79)和紧固螺母(83)安装在第一导电汇流条(32)上的散热器(64)，其中，贝氏垫圈(79)容许第一和第二导电汇流条(32和42)和散热器(64)之间的膨胀和收缩差。
4.如权利要求1所述的固态电机起动器(10)，其特征在于：所述分立的电磁开关继电器(50)倒置地安装在固态电机起动器(10)中，以便当继电器(50)接通电流时提供所述直线的电流通路。
5.如权利要求4所述的固态电机起动器(10)，其特征在于：所述分立的电磁开关继电器(50)在一端(58)直接安装于第一导电汇流条(32)。
6.如权利要求5所述的固态电机起动器(10)，其特征在于：还包括安装螺栓(62a)，其穿过第一和第二导电汇流条(32和42)将固态电力开关装置(46，48)夹紧在其间，并穿过分立的电磁开关继电器(50)的一个触头(58)，在所述安装螺栓(62a)的至少一端上具有贝氏垫圈(79)以容许膨胀和收缩，同时保持固态电力开关装置(46，48)的充分夹紧。
7.如权利要求1所述的固态电机起动器(10)，其特征在于：还包括一个散热器(64)，它安装在第一导电汇流条(32)上，并与分立的电磁开关继电器(50)间隔开来以便可以在其间插入冷却风扇(66)。
8.如权利要求1所述的固态电机起动器(10)，其特征在于：还包括一对磁销(124)，其从第一导电汇流条(32)垂直地延伸以便将磁通集中在第一导电汇流条(32)的电流检测区(116)内，并且具有一个检测电流的霍尔效应传感器(130)，它安装在电路板(132)上并位于所述一对磁销(124)之间。
9.如权利要求所述的固态电机起动器(10)，其特征在于：第一导电汇流条(32)上切有一对槽(104，105)，每条槽(104，105)从一外侧缘(118，120)延伸至磁销(124)之一，以便将流过第一导电汇流条(32)的电流收敛在电流检测区(116)内。
10.如权利要求9所述的固态电机起动器(10)，其特征在于：所述一对槽(104，105)分别从电流检测区(116)向后倾斜至外侧缘(118，120)，使槽(104，105)在第一导电汇流条(32)上的安装孔(88，102)之间穿过，以便尽量减小所述一对槽(104，105)引起的第一导电汇流条(32)的结构弱化。
11.如权利要求8所述的固态电机起动器(10)，其特征在于：电流检测区(116)从第一导电汇流条(32)的外侧缘(118，120)居中央设置以尽量减小来自相邻汇流条的磁通影响。
12.如权利要求8所述的固态电机起动器(10)，其特征在于：磁销(124)是钢制的，从第一导电汇流条(32)伸出一个需要的高度，使检测电流的霍尔效应传感器(130)相交最大磁通通路。
13.如权利要求12所述的固态电机起动器(10)，其特征在于：电路板(130)设置在一定位块(140)中的绝缘子(150)中且用非磁性螺钉(152)安装在第一导电汇流条(32)上，其中，使用磁销(124)将检测电流的霍尔效应传感器(130)精确地定位在电流检测区(116)和最大磁通通路内。
14.如权利要求1所述的固态电机起动器(10)，其特征在于：还包括一个与第一导电汇流条(32)热导通的热敏电阻(134)以监测汇流条的温度。
15.如权利要求1所述的固态电机起动器(10)，其特征在于：分立的电磁开关继电器(50)安装在第一导电汇流条(32)之后并倒置，使其内部触头与第二导电汇流条(42)成紧密关系，使内部磁铁与第二导电汇流条(42)相隔最远，并且还包括：
一个安装在第一导电汇流条(32)上与分立的电磁开关继电器(50)成间隔开来的关系的散热器(64)；
一个安装在散热器(64)和分立的电磁开关继电器(50)之间以便迫使空气流过散热器(64)的冷却风扇(66)；
一个罩组件(12)，其模制得配合在固态电机起动器(10)上并具有一个散热器隧道(156)以容纳冷却风扇(66)和散热器(64)；以及
一个安装在罩组件(12)中以便检测流过散热器(64)的气流(162)的温度的热敏电阻(166)。
16.一种具有两个不同电流通路且结构紧凑的固态电机起动器(10)，它包括：
一个第一电流通路结构，它是由一个可连接于一个第一导电汇流条(32)的电源输入(36)限定的，所述第一导电汇流条电连接于一对固态电力开关(46，48)电连接，其用于当所述固态电力开关(46，48)转换至接通状态以斜坡式增加对于一个在电机起动过程中可连接(44)于第二汇流条(42)的电机的供电，以及在电机关断过程中斜坡式减小对所述电机的供电时，完成与第二汇流条(42)的电连接；以及
一个第二电流通路结构，其可在电机运转方式中工作，当电磁继电器(50)处于电流导通方式，因而固态电机起动器(10)处于电机运转方式中时，由可通过第一汇流条(32)连接于一个倒置的电磁继电器(50)的输入(58)的电源输入(36)限定，所述倒置的电磁继电器(50)可在电流导通方式和电流不导通方式之间转换，第二电流通路还可以由电磁继电器(50)和可以连接于电机的第一汇流条(32)之间的电连接限定，其中，第二电流通路是一个基本是直线的电流通路，以便在电机运转方式中减少电耗及减小蓄积的热量。
17.如权利要求16所述的固态电机起动器(10)，其特征在于还包括：
一个散热器(64)，它借助补偿膨胀和收缩的贝氏垫圈(79)安装在第一汇流条(32)上；以及
一个位于散热器(64)和倒置的电磁继电器(50)之间的冷却风扇(66)。
18.如权利要求16所述的固态电机起动器(10)，其特征在于：还包括安装螺栓(62)，其穿过第一和第二汇流条(32和42)，将固态电力开关(46，48)夹紧在其间，并穿过分立的电磁继电器(50)的一个触头(58)，在安装螺栓(62)的至少一端具有贝氏垫圈(79)以容许膨胀和收缩，同时保持固态电力开关(46，48)的充分的夹紧。
19.如权利要求16所述的固态电机起动器(10)，其特征在于：还包括一对磁销(124)，其从第一导电汇流条(32)垂直延伸以便将磁通集中在第一导电汇流条(32)的电流检测区(116)中；以及一个安装在电路板(32)上、位于所述一对磁销(124)之间的检测电流的霍尔效应传感器(130)。
20.如权利要求19所述的固态电机起动器(10)，其特征在于：第一汇流条(32)切有具有一对槽(104，105)，每条槽(104，105)从一外侧缘(118，120)延伸至磁销(124)之一，以便将流过第一汇流条(32)的电流收敛在电流检测区(116)内；以及
所述一对槽(104，105)分别从电流检测区(116)向后倾斜至外侧缘(118，120)，使槽(104，105)在第一汇流条(32)上的安装孔(88，102)之间穿过，以便减小第一汇流条(32)的结构弱化。
21.如权利要求19所述的固态电机起动器(10)，其特征在于：磁销(124)是钢制的，从第一汇流条伸出一需要的高度，使检测电流的霍尔效应传感器(130)相交最大磁通通路；以及
电路板(132)设置在绝缘子(150)中及定位块(40)中，并用非磁性螺钉(152)安装在第一汇流条(32)上，并且使用磁销(124)将检测电流的霍尔效应传感器(130)精确地定位在电流检测区(116)和最大磁通通路中。
22.如权利要求21所述的固态电机起动器(10)，其特征在于：还包括一个与第一汇流条(32)热导通以监测汇流条温度的热敏电阻(134)。
23.如权利要求16所述的固态电机起动器(10)，其特征在于：分立的电磁继电器(50)安装在第一汇流条(32)之后，并倒置，使其内部触头与第二汇流条(42)成紧密关系，并使其内部磁铁与第二汇流条(42)相隔开最远，并且还包括：
一个与分立的电磁继电器(50)间隔开来地安装在第一汇流条(32)上的散热器(64)；
一个安装在散热器(64)和分立的电磁继电器(50)之间迫使空气流过散热器(64)的冷却风扇(66)；
一个罩组件(12)，其模制得装配在固态电机起动器(10)上，并具有一条容纳冷却风扇(66)和散热器(64)的散热器隧道(156)以及
一个安装在罩组件(12)中检测流过散热器(64)的气流(162)的温度的热敏电阻(166)。
24.在大表面导电汇流条(32)中的电流传感器组件，它包括：
一个汇流条(32)，其上具有由一对槽(104，105)形成的相对较窄的电流通路(116)，每条槽(104，105)从汇流条(32)的一外侧缘(118，120)向内延伸至所述相对较窄的电流通路(116)，所述一对槽(104，105)形成沿电流流动方向的相对较窄的电流通路(116)；
一对磁销(124)，其在相对较窄的电流通路(116)的外周穿过汇流条(32)，并间隔开来以便在这对磁销(124)之间形成磁通通路；以及
一个霍尔效应传感器(130)位于磁销(124)之间，在相对较窄的电流通路(116)上方，且在所述一对磁销(124)形成磁通通路内。
25.如权利要求24所述的电流传感器组件，其特征在于：所述一对磁销(124)从汇流条(32)的表面伸出一个高度，该高度选择得使霍尔效应传感器(130)接近汇流条(32)，从而使霍尔效应传感器(130)处于所述一对磁销(124)之间形成的磁通通路内的中央。
26.如权利要求24所述的电流传感器组件，其特征在于：霍尔效应传感器(130)安装在一电路板(132)上，并且还包括一个绝缘子(150)，其可设置在磁销(124)上，以便将电路板(132)接纳在其中，所述绝缘子(150)具有至少一个开口，使磁销(124)可以从中穿过。
27.如权利要求26所述的电流传感器组件，其特征在于：还包括一个定位块(140)，该定位块具有一对孔，孔的的尺寸可将磁销(124)牢固地容纳在孔中，该定位块的厚度可使电路板(132)与汇流条(32)隔开一定距离，使霍尔效应传感器(130)位于磁通通路(116)中。
28.如权利要求27所述的电流传感器组件，其特征在于：定位块(140)还包括一个霍尔效应传感器槽(146)，其位置使霍尔效应传感器(130)精确地定位在磁销(124)之间。
29.如权利要求27所述的电流传感器组件，其特征在于：还包括一个非磁性螺钉(152)和在其上面的绝缘子(154)，从而将电路板(132)固定在汇流条(32)上，使绝缘子(150)和定位块(140)位于它们之间。
30.如权利要求27所述的电流传感器组件，其特征在于：还包括一个安装在电路板(132)上的热敏电阻(134)，并且定位块(140)具有一个第二孔(146)以便在孔中接纳热敏电阻(134)，从而检测汇流条的温度。
31.如权利要求30所述的电流传感器组件，其特征在于：所述第二孔(146)是截锥形，设置得使其较大开口朝向汇流条(32)，在截锥形孔(146)中，在汇流条(32)和热敏电阻(134)之间具有导热材料(148)。
32.如权利要求24所述的电流传感器组件，其特征在于：汇流条(32)具有平行于电流流动的外缘(118，120)和垂直于电流流动的外缘，磁销(124)，因而相对较窄的电流通路(116)相对于所述的平行于电流流动的外缘(118，120)来说位于汇流条(32)的中央。
33.如权利要求32所述的电流传感器组件，其特征在于，热敏电阻(134)提供汇流条温度和霍尔效应传感器(130)的温度补偿读数。
34.在大型高功率汇流条中实现电流测量的方法，包括以下步骤：
使电流流过高功率汇流条(32)；
形成一条电流限制通路(116)以便将电流收敛在与高功率汇流条(32)的宽度相比较的相对较窄的电流检测区(116)中；
在窄的电流检测区(116)中形成一磁场；以及
在所述磁场中校准一个霍尔效应传感器(130)，以便产生一个与磁场的强弱成正比的输出信号。
35.如权利要求34所述的方法，其特征在于：所述产生磁场的步骤还进一步限定为将一对磁销(124)放入汇流条(32)中，使其与电流流动垂直，并围绕电流检测区(116)的外周，以便使大部分磁通穿过所述一对磁销(124)之间的磁通通路。
36.如权利要求35所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：使所述一对磁销(124)在汇流条(32)表面上方延伸，以及将霍尔效应传感器(130)对准在所述一对磁销(124)内，使霍尔效应传感器(130)相交横过磁场的最大磁通通路。
37.如权利要求34所述的方法，其特征在于：还包括选择电流检测区的宽度和形状的步骤，以便获得从霍尔效应传感器(130)的需要特性的输出。
38.如权利要求35所述的方法，其特征在于：还包括选择磁销(124)的材料类型和量的步骤，以便获得从霍尔效应传感器(130)的需要特性的输出。
39.如权利要求37所述的方法，其特征在于：还包括获取从霍尔效应传感器(130)的需要特性的输出的步骤，从而实现一个达到霍尔效应传感器额定值的大致120％-130％的基本呈线性的输出，其后是一个可以使用的非线性反应，直至霍尔效应传感器(130)输出触及一个水平，该水平等于霍尔效应传感器(130)的电源水平。
40.如权利要求34所述的方法，其特征在于：所述产生一个电流限制通路的步骤进一步限定为在汇流条(32)上形成槽(104，105)，所述槽与电流流动方向呈横向，以便将电流限制在一条窄的通路(116)内。
41.一种固态电机起动器(10)，其中具有一对夹紧在一对汇流条(32，42)之间的固态电力开关装置(46，48)，以及一个分立的电磁开关继电器(50)，其适于与固态电力开关装置(46，48)并联地电连接于汇流条(32)，其中，只是在一个固态电力开关装置(46，48)已在电源输入(36)和两个汇流条(32，42)之间完成电路后，在电机运转方式过程中分立的电磁开关继电器(50)通过一个汇流条(42)完成电源输入(36)和负载输出(44)之间的一条电流通路，所述电机起动器(10)也具有至少一个散热器(64)和一个使气流(162)流过散热器(64)的冷却风扇(66)，电机起动器(10)还具有一个用于包封电机起动器(10)的罩组件(12)，改进之处在于：
一个第一热敏电阻(166)安装在罩组件(12)中以监测散热器(64)上的温度；以及
一个第二热敏电阻(134)装在一个汇流条(32，42)上以监测在电机运转方式中汇流条(32，42)的温度。
42.如权利要求41所述的改进，其特征在于：还包括一个与第二热敏电阻(134)一起装在一电路板(132)上的电流传感器，以便检测通过汇流条(32，42)的电流。
43.如权利要求41所述的改进，其特征在于：所述电流传感器(130)是霍尔效应传感器，汇流条(32，42)经改进以提供足以安装霍尔效应传感器(130)以适当检测其中电流的区域(116)。
44.如权利要求42所述的改进，其特征在于：第二热敏电阻(134)提供一个信号，以便监测汇流条(32，42)的温度，并对电流传感器(130)进行温度补偿。
45.一种用于大面积导电汇流条(32，42)上的传感器装置(126)，它包括：
一个装在一电路板(132)上的热敏电阻(134)；
一个定位块(140)，它具有一个截锥形隧道(146)，以便在该截锥形通道的窄端装纳所述热敏电阻(134)；
分布在定位块(140)的截锥形隧道(146)中的导热材料(148)；以及
其中，截锥形隧道(146)的大端紧靠被监测的表面(32，42)。
46.如权利要求45所述的传感器装置(126)，其特征在于：还包括一个在被监测表面(32，42)和定位块(140)之间的绝缘子(150)。
47.如权利要求45所述的传感器装置(126)，其特征在于：还包括一个与热敏电阻(134)一起在电路板(132)上的电流传感器(130)，以便在温度检测的同一区域(116)中检测电流。
48.如权利要求47所述的传感器装置(126)，其特征在于：所述电流传感器(130)是霍尔效应传感器。
49.如权利要求48所述的传感器装置(126)，其特征在于：所述大面积导电汇流条(32，42)上具有电流引导槽(104，105)，以便使所有电流都通过可被霍尔效应传感器(130)监测的区域(116)。
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