熔斷器產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

胡相勇

摘 要：隨著集成電路、電子設(shè)備的保護(hù)要求不斷提高，用戶對(duì)于電子設(shè)備的功能也在不斷的提升，這給熔斷器的性能提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因此有必要對(duì)熔斷器產(chǎn)品的性能進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，只有不斷的對(duì)熔斷器的設(shè)計(jì)和研發(fā)，才能提高電子設(shè)備、電路的整體性能，為集成電路提供更為安全的保障。

關(guān)鍵詞：電子設(shè)備；熔斷器；設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)；安全保障

0引言

在汽車(chē)電器設(shè)計(jì)或其它電器設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員對(duì)熔斷器的選用設(shè)計(jì)非常重視[1-3]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在熔斷器選用方面，由于設(shè)計(jì)人員缺乏專業(yè)知識(shí)，再加上對(duì)熔斷器的使用掌握不夠，選則的熔斷器沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的保護(hù)效果，導(dǎo)致設(shè)計(jì)出來(lái)的熔斷器無(wú)法滿足用戶的使用要求，造成嚴(yán)重的電器火災(zāi)和安全事故。例如：全世界每年有80%汽車(chē)火災(zāi)的發(fā)生都與熔斷器的設(shè)計(jì)有關(guān)，其經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到數(shù)億美元[4-5]。因此，熔斷器設(shè)計(jì)與研發(fā)是整個(gè)電路安全、電氣設(shè)備安全運(yùn)行的首要條件。

1.熔斷器的工作原理與設(shè)計(jì)要求

熔斷器又稱“保險(xiǎn)”，主要是利用金屬導(dǎo)體作為熔體串聯(lián)于電路中，當(dāng)過(guò)載或短路電流通過(guò)熔體時(shí)，因其自身發(fā)熱而熔斷，從而斷開(kāi)電路的一種電器[6-8]。熔斷器產(chǎn)品作為短路和過(guò)電流的保護(hù)器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，廣泛應(yīng)用于高低壓配電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)以及用電設(shè)備中，是應(yīng)用最普遍的保護(hù)器件之一[9]。

物理學(xué)中我們知道，當(dāng)電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部存在一定的電阻，根據(jù)焦耳定律：

式中：參數(shù)Q表示為導(dǎo)體的發(fā)熱量；參數(shù)I表示為流過(guò)該導(dǎo)體的電流；參數(shù)R表示為導(dǎo)體的電阻；參數(shù)T表示為電流流過(guò)導(dǎo)體的持續(xù)時(shí)間?？芍獙?dǎo)體會(huì)發(fā)熱，發(fā)熱量Q正比于I2和時(shí)間T。

2.熔斷器的設(shè)計(jì)要求

熔斷器作為保護(hù)型的電源開(kāi)關(guān)，它融合了多種的檢測(cè)和保護(hù)功能，在有效提高性能的基礎(chǔ)上減少了使用元器件的個(gè)數(shù)，更加便于集成化小型化的發(fā)展[10]。正確理解熔斷器類保護(hù)型電源開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)者能夠設(shè)計(jì)出更低成本，高可靠性的產(chǎn)品，改善用戶對(duì)產(chǎn)品的體驗(yàn)和感受。

該熔斷器的設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循電源管理規(guī)范，需要具備電流限流和電源切換的功能。熔斷器可被用做防浪涌電流的限流器件，它滿足導(dǎo)通電阻小，限流響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。一旦出現(xiàn)過(guò)流的情況，熔斷器會(huì)因電流過(guò)大而出現(xiàn)斷開(kāi)的現(xiàn)象，熔斷器應(yīng)用中的重要參數(shù)包括：開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻、導(dǎo)通壓降、限流設(shè)定點(diǎn)、過(guò)壓保護(hù)閾值門(mén)限、軟啟動(dòng)時(shí)間等[11-12]。對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹如下：

（1）開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻：

熔斷器的導(dǎo)通電阻會(huì)影響輸入和輸出之間的壓降，最終會(huì)影響用戶的應(yīng)用范圍[13]。導(dǎo)通阻抗高就會(huì)導(dǎo)致在熔斷器上產(chǎn)生較大壓降，將影響后續(xù)連接設(shè)備的供電電壓，會(huì)使設(shè)計(jì)不滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。熔斷器采用管做開(kāi)關(guān)，其導(dǎo)通電阻是電壓的函數(shù)，設(shè)計(jì)應(yīng)滿足總線電壓較低時(shí)其導(dǎo)通壓降也能滿足應(yīng)用要求。

（2）導(dǎo)通壓降：

導(dǎo)通壓降是指熔斷器在所連接設(shè)備正常工作狀態(tài)下輸入與輸出之間的電壓差[14-15]。壓降小熔斷器內(nèi)部的功率損耗就會(huì)小，可以提高工作效率和使用壽命。

（3）限流設(shè)定點(diǎn)：

限流設(shè)定點(diǎn)是指所連接設(shè)備的負(fù)載電流超過(guò)正常工作的極限水平時(shí)的電流值，這個(gè)值的設(shè)置需要考慮故障條件的嚴(yán)重程度。

（4）過(guò)壓保護(hù)閾值門(mén)限：

當(dāng)上行端口的供電電壓過(guò)高時(shí)，如果不能及時(shí)斷開(kāi)輸入和輸出很有可能對(duì)所連接設(shè)備造成不可恢復(fù)的損壞，因此當(dāng)輸入電壓超過(guò)閾值門(mén)限時(shí)熔斷器會(huì)斷開(kāi)連接設(shè)備的供電對(duì)其實(shí)施保護(hù)。

（5）軟啟動(dòng)時(shí)間

軟啟動(dòng)時(shí)間是指當(dāng)芯片設(shè)備剛連入端口或者故障解除后需要重新啟動(dòng)所設(shè)置的可以正常工作時(shí)間[16-17]。由于熔斷器需要實(shí)現(xiàn)熱插拔的功能，而熔斷器熱插拔功能的實(shí)現(xiàn)靠?jī)?nèi)部的軟啟動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)合理控制輸出電壓的啟動(dòng)時(shí)間對(duì)設(shè)備連入瞬間的浪涌電流進(jìn)行控制，以保護(hù)上行端口鄰近設(shè)備的供電不受其他設(shè)備突然插入或拔出的影響?；诖吮救酥攸c(diǎn)根據(jù)熔斷器的需要分析，設(shè)計(jì)了相關(guān)熔斷器的產(chǎn)品，并申請(qǐng)了專利，產(chǎn)品如下：一種鱷魚(yú)嘴式熔斷器的設(shè)計(jì)、一種自鎖式熔斷器的設(shè)計(jì)和一種帶有拉拔旋轉(zhuǎn)式手柄的熔斷器的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)對(duì)其進(jìn)行介紹如下：

2.1一種鱷魚(yú)嘴式熔斷器的設(shè)計(jì)

目前，現(xiàn)有市場(chǎng)上面的熔斷器底座連接電源線方式比較單一，只能上下一字型連接電源線，不可多極排線，同時(shí)安裝接線牢固度不高，接線安裝十分不方便，，電源線易發(fā)生松動(dòng)，導(dǎo)致導(dǎo)電不良和電弧現(xiàn)象的發(fā)生，有一定的安全隱患。基于此，設(shè)計(jì)一種新型的鱷魚(yú)嘴式熔斷器。

鱷魚(yú)嘴式熔斷器由本體、夾鉗、夾鉗螺釘、熔斷管、夾鉗卡夾、上蓋、手柄、底座、終端螺釘、接線座、終端卡夾等構(gòu)成，本體的上部安裝有手柄、上蓋，、內(nèi)部安裝有熔斷管，本體的一端通過(guò)夾鉗卡夾固定有夾鉗，夾鉗上設(shè)置有防止電源線后退的鉤齒，本體另一端的底座上通過(guò)終端卡夾固定有接線座，夾鉗上安裝有夾鉗螺釘，夾鉗螺釘上連接有壓片，接線座上安裝有終端螺釘，終端螺釘上連接有壓線片，本體底部安裝有止動(dòng)件。鱷魚(yú)嘴式熔斷器如圖1所示。

該裝置安裝方便，使用靈活，可多極排線同時(shí)接線，接線牢固度，電源線不易發(fā)生松動(dòng)，杜絕導(dǎo)電不良和電弧現(xiàn)象的發(fā)生，大大提高安全性。

每個(gè)熔斷器上均設(shè)置有一個(gè)U型夾鉗，U型夾鉗可以上下活動(dòng)，當(dāng)夾鉗內(nèi)放入電源線排線，夾鉗螺釘順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，夾鉗上升，夾緊電源線排線，同時(shí)夾鉗上的鉤齒能防止電源線松動(dòng)后退，把電源連接到熔斷器底座內(nèi)再通過(guò)電源出線輸出到使用電源的設(shè)備上；夾鉗螺釘逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，夾鉗下降松電源線排線，斷開(kāi)電源。

該熔斷器的應(yīng)用場(chǎng)合可以分為單極使用和多極排線同時(shí)接線。當(dāng)產(chǎn)品單極使用時(shí)，即本體設(shè)置有一個(gè)，作為單極熔斷器結(jié)構(gòu)，可以使用側(cè)蓋扣接在夾鉗的左側(cè)，從右側(cè)進(jìn)電源線排線，夾鉗鎖緊后接通電源。熔斷器底座多極同時(shí)使用時(shí)，用進(jìn)排線同時(shí)鏈接多個(gè)熔斷器，由多個(gè)本體并排設(shè)置組成多極排線接線結(jié)構(gòu)，由夾鉗接入電源線排線，各極接線座接出電源出線；

該熔斷器可以排線進(jìn)線，可以實(shí)現(xiàn)上端口單一排線、多幾極同時(shí)接線，無(wú)需分段單個(gè)進(jìn)電源線功能，采用夾鉗鎖緊牢固，電源連接線不會(huì)后退松動(dòng)，杜絕導(dǎo)電不良和電弧發(fā)生，具有方便安裝，安裝后牢固度可靠安全，同時(shí)進(jìn)電排線可以左右兩側(cè)進(jìn)線，便于在空間比較小配電柜中使用，靈活實(shí)用，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

2.2一種自鎖式熔斷器的設(shè)計(jì)

熔斷器是指當(dāng)電流超過(guò)規(guī)定值時(shí)，以本身產(chǎn)生的熱量使熔體熔斷，斷開(kāi)電路的一種電器。其原理主要是根據(jù)電流超過(guò)規(guī)定值一段時(shí)間后，以其自身產(chǎn)生的熱量使熔體熔化，從而使電路斷開(kāi)；運(yùn)用這種原理制成的一種電流保護(hù)器。熔斷器廣泛應(yīng)用于高低壓配電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)以及用電設(shè)備中，作為短路和過(guò)電流的保護(hù)器，是應(yīng)用最普遍的保護(hù)器件之一。

自鎖式熔斷器主要包括殼體、熔管以及接線端子，熔管設(shè)置在殼體內(nèi)，接線端子分別設(shè)置在熔管的兩端，人們通過(guò)在接線端子的兩端連接導(dǎo)線來(lái)將熔斷器接入到電路中。人們?yōu)榱朔奖憧焖俨鹧b更換熔管，設(shè)置一空心手柄，將熔管裝在手柄中，然后在手柄設(shè)置導(dǎo)電件，當(dāng)手柄裝載著熔管插入到殼體內(nèi)后，導(dǎo)電件與殼體內(nèi)的接線端子導(dǎo)電，從而讓熔斷器能夠快速方便的在電路中工作。這種方式在很大程度上方便了工作人員的拆裝工作，但是手柄裝在殼體中的牢固度難以保證，若是在使用過(guò)程中手柄脫落出殼體，非常容易造成難以挽回的安全事故，因而存在很大的安全隱患。

基于上述的缺陷和問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種自鎖式熔斷器，手柄聯(lián)動(dòng)連接有自鎖機(jī)構(gòu)，自鎖機(jī)構(gòu)包括可轉(zhuǎn)動(dòng)的推動(dòng)聯(lián)動(dòng)凸耳位移的轉(zhuǎn)動(dòng)卡盤(pán)、可擺動(dòng)的推動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)卡盤(pán)旋轉(zhuǎn)的撥動(dòng)旋鈕以及用于定位住撥動(dòng)旋鈕的彈性回復(fù)組件，轉(zhuǎn)動(dòng)卡盤(pán)通過(guò)扭簧轉(zhuǎn)動(dòng)與殼體轉(zhuǎn)動(dòng)連接，彈性回復(fù)組件包括滑移條、回復(fù)壓簧以及擺動(dòng)連桿，滑移條在手柄的出入方向與殼體的側(cè)壁滑移連接，撥動(dòng)旋鈕在手柄拔出方向上與殼體轉(zhuǎn)動(dòng)連接，擺動(dòng)連桿一端與回復(fù)壓簧一端鉸接，另一端與滑移條鉸接，回復(fù)壓簧一端與殼體固定連接，另一端與滑移條相對(duì)擺動(dòng)連桿的另一端鉸接，撥動(dòng)旋鈕具有一延伸至殼體外的撥動(dòng)部。其手柄內(nèi)的熔管也不容易脫落造成不必要的事故，熔斷器的使用更加安全可靠。一種自鎖式熔斷器如圖2所示。

其具體的保護(hù)過(guò)程如下：轉(zhuǎn)動(dòng)卡盤(pán)的設(shè)置能夠通過(guò)與聯(lián)動(dòng)凸耳聯(lián)合推動(dòng)作用來(lái)推動(dòng)手柄，讓手柄在殼體內(nèi)具有位移，撥動(dòng)旋鈕聯(lián)動(dòng)連接著彈性回復(fù)組件與撥動(dòng)旋鈕，也就使得人們可以通過(guò)撥動(dòng)旋鈕來(lái)操控手柄的位移，滑移條的滑移方向是沿著手柄的出入方向，也就使得人們操控?fù)軇?dòng)旋鈕的后，轉(zhuǎn)動(dòng)卡盤(pán)的提升方向，也是沿著手柄的出入方向的，從而使得人們可以通過(guò)撥動(dòng)旋鈕來(lái)操控手柄沿著其出入方向上位移，也就使得手柄的拔出或者放入能夠人為的控制，則在不需要拔出手柄過(guò)程中就可以轉(zhuǎn)動(dòng)撥動(dòng)旋鈕來(lái)讓轉(zhuǎn)動(dòng)卡盤(pán)卡住聯(lián)動(dòng)凸耳，從而將手柄鎖在殼體內(nèi)，這樣在手柄內(nèi)的熔管也不容易脫落造成不必要的事故通常為了滿足長(zhǎng)久的使用和一定的彈性需要。

2.3一種帶有拉拔旋轉(zhuǎn)式手柄的熔斷器的設(shè)計(jì)

熔斷器是指當(dāng)電流超過(guò)規(guī)定值時(shí)，以本身產(chǎn)生的熱量使熔管熔斷，斷開(kāi)電路的一種電器。熔斷器包括殼體和殼體內(nèi)的熔斷器組件，熔斷器組件包括熔管和其他的電元件，熔管與其他的電元件電連接，來(lái)實(shí)現(xiàn)熔斷器正常的工作狀態(tài)。熔斷器在長(zhǎng)期工作的情況下，熔管容易損壞，熔管損壞后需要更換。市場(chǎng)上常見(jiàn)的熔斷器，通常將熔管固定于殼體內(nèi)后，再將殼體用螺絲進(jìn)行固定，這樣結(jié)構(gòu)設(shè)置的熔斷器，在拆卸熔管的過(guò)程非常不便，需要尋找工具將螺絲擰出后，再取出殼體內(nèi)損壞的熔管，致使工作效率低下，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

基于上述的缺陷和存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種帶有拉拔旋轉(zhuǎn)式手柄的熔斷器，該熔斷器的手柄部與殼體可拆卸固定連接，在殼體上設(shè)置供手柄部嵌設(shè)的凹槽，手柄部的兩側(cè)設(shè)有滑塊，凹槽的內(nèi)壁上設(shè)有供滑塊來(lái)回滑移的滑槽，滑槽的兩端設(shè)有用于防止滑塊滑移的限位部，限位部包括設(shè)于滑槽兩側(cè)的限位塊，限位塊上設(shè)有用于導(dǎo)向滑塊滑移至限位部?jī)?nèi)的第一楔形面，第一楔形面上的斜面由凹槽的開(kāi)口端朝向凹槽的底部向下傾斜設(shè)置，和導(dǎo)向滑塊滑移出限位部的第二楔形面，第二楔形面上的斜面由凹槽的底部朝向凹槽的開(kāi)口端向上傾斜設(shè)置。

該設(shè)計(jì)的熔斷器由殼體、凹槽、滑槽、限位部；限位塊；第一楔形面；第二楔形面；限位槽；手柄部；滑塊；容置腔；第一固定端；第二固定端；固定槽；卡件；拉手；熔管等部分構(gòu)成。殼體內(nèi)設(shè)有用于放置熔管的手柄部，手柄部的兩端分別與殼體內(nèi)的電元件電連接，手柄部與殼體可拆卸固定連接，殼體上設(shè)有供手柄部嵌設(shè)的凹槽，手柄部的兩側(cè)設(shè)有滑塊，凹槽的內(nèi)壁上設(shè)有供滑塊來(lái)回滑移的滑槽，滑槽的兩端設(shè)有用于防止滑塊滑移的限位部，限位部包括設(shè)于滑槽兩側(cè)的限位塊，限位塊上設(shè)有用于導(dǎo)向滑塊滑移至限位部?jī)?nèi)的第一楔形面，第一楔形面上的斜面由凹槽的開(kāi)口端朝向凹槽的底部向下傾斜設(shè)置，和導(dǎo)向滑塊滑移出限位部的第二楔形面，第二楔形面上的斜面由凹槽的底部朝向凹槽的開(kāi)口端向上傾斜設(shè)置。

當(dāng)熔管損壞時(shí)，將嵌設(shè)于凹槽內(nèi)的手柄部朝向凹槽開(kāi)口處移動(dòng)，滑塊沿著限位上的第二楔形面上的斜面，滑移出限位部，滑塊進(jìn)入到滑槽內(nèi)且沿著滑槽朝向凹槽的開(kāi)口方向滑移，直至手柄部滑移出殼體，滑塊嵌設(shè)于凹槽開(kāi)口處的限位部?jī)?nèi)，滑塊沿著限位塊上的第一楔形面滑移到限位部?jī)?nèi)，保證手柄部不易回到殼體內(nèi)，手柄部滑移出凹槽后，將安裝于手柄部?jī)?nèi)的熔管取出更換，更換完成后，將手柄部沿著滑槽滑移到殼體內(nèi)，將滑塊嵌設(shè)于凹槽底部的限位部?jī)?nèi)，防止手柄部滑移出殼體，起到固定手柄部的作用，該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使得熔管的拆卸方便，提高工作效率，省時(shí)省力。

3.總結(jié)

隨著我國(guó)高新技術(shù)的不斷更新，對(duì)于熔斷器的設(shè)計(jì)必定呈現(xiàn)出百花齊放的局面，進(jìn)一步促進(jìn)熔斷器的性能，滿足更多的使用場(chǎng)合，尤其是特殊場(chǎng)合的電氣、電路保護(hù)裝置，因?yàn)橛辛颂厥獾娜蹟嗥鞯谋Ｗo(hù)，為設(shè)備的正常運(yùn)行提供保障，與此同時(shí)，為人們的衣食住行提供安全、穩(wěn)定的生活條件。

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