过电流保护装置和集成有该过电流保护装置的防爆电磁阀的制作方法

1.本公开涉及电子电路的技术领域，更具体地，涉及用于电磁致动设备的过电流保护装置和集成有该过电流保护装置的防爆电磁阀。


背景技术：

2.基于电磁力控制致动器动作的诸如电磁阀的电磁致动设备已被广泛应用于各个工业领域中。特别是在使用危险的气体、液体或粉末物质的化工行业中，广泛地使用经防爆认证的防爆电磁阀作为致动器。具体地，防爆电磁阀将可能点燃可燃性物质的全部部件封闭在一个壳体内，该壳体具有隔爆功能，即能够承受通过壳体的任何接合面或结构间隙渗透到壳体内部的可燃性物质在内部爆炸而不损坏，并且不会引起壳体外部的可燃性环境中的爆炸。因此，防爆电磁阀将可能产生火花、电弧和危险温度的部件均放置在隔爆壳体内，使得隔爆壳体内部的空间与外部的环境隔开。
3.诸如电磁阀的电磁致动设备通常使用电流进行控制。然而，诸如雷击或电源故障引起的过电流可能导致电磁致动设备异常动作，从而引发故障或造成事故。因此，有必要为防爆电磁阀配备专用的过电流保护装置。


技术实现要素：

4.在下文中给出了关于本公开的简要概述，以便提供关于本公开的某些方面的基本理解。但是，应当理解，这个概述并不是关于本公开的穷举性概述。它并不是意图用来确定本公开的关键性部分或重要部分，也不是意图用来限定本公开的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出关于本公开的某些概念，以此作为稍后给出的更详细描述的前序。
5.本公开的目的在于提供用于电磁致动设备的过电流保护装置和集成有该过电流保护装置的防爆电磁阀。
6.根据本公开的一个方面，提供了一种用于电磁致动设备的过电流保护装置，其包括：至少一个放电电路级，被配置成并联连接在电磁致动设备的电流输入端口和电流输出端口之间，用于释放过电流；至少一个限位电路级，被配置成并联连接在电流输入端口和电流输出端口之间，用于对电流输入端口和电流输出端口之间的电压进行限位并且释放过电流；以及至少一个衰减电路级，被配置成串联连接在电磁致动设备的电流输入端口和电流输出端口之间的电流路径中，用于衰减电流路径中的过电流，其中限位电路级较之衰减电路级和放电电路级更靠近电磁致动设备。
7.根据本公开的另一方面，提供了一种防爆电磁阀装置，其包括：电磁阀；根据本公开的上述方面的过电流保护装置，被配置成耦接至电磁阀并且防止过电流对电磁阀造成损害；以及防爆壳体，被配置成容纳电磁阀和电流保护装置。
8.根据本公开的又一方面，提供了一种防爆电磁阀装置，其包括：下壳体；电磁阀，容纳在下壳体中；印刷电路板，设置在电磁阀上；以及上壳体，被配置成与下壳体配合以形成容纳电磁阀和印刷电路板的防爆空腔，其中印刷电路板上设置有根据本公开的上述方面的
过电流保护装置，其被配置成耦接至电磁阀并且防止过电流对电磁阀造成损害。
9.根据本公开的过电流保护装置，通过在电源和电磁致动设备之间设置放电电路级、限位电路级和衰减电路级为电磁致动设备提供了多层过电流保护，从而增强了对过电流的耐受能力并且延长了使用寿命。
10.根据本公开的过电流保护装置，通过将用于释放过电流的放电电路级和限位电路级与电磁致动设备并联连接，即使在过电流保护装置出现故障时仍不影响电磁致动设备的正常工作，从而提高了可靠性。
11.根据本公开的防爆电磁阀，通过将过电流保护装置集成在防爆电磁阀中，可以作为整体进行防爆认证，有利于彼此兼容，能够极大地简化安装过程。
12.根据本公开的防爆电磁阀，将过电流保护装置设置在印刷电路板上并且内置集成在防爆电磁阀中，并且使过电流保护装置的电子元件与电磁阀的电磁线圈物理隔离，从而在保证自身的温度性能的同时避免对电磁线圈的性能造成不利影响。
13.在下面的说明书部分中给出本公开实施方式的其他方面，其中，详细说明用于充分地公开本公开实施方式的优选实施方式，而不对其施加限定。
附图说明
14.参照下面结合附图对本公开实施方式的说明，会更加容易地理解本公开的以上和其它目的、特点和优点，在附图中：
15.图1示出了根据现有技术的过电流保护装置的现场安装透视图；
16.图2示出了根据现有技术的过电流保护装置的等效电路图；
17.图3示出了根据本公开的实施方式的过电流保护装置的框图；
18.图4a示出了根据本公开的实施方式的过电流保护装置的等效电路图；
19.图4b示出了根据本公开的替选实施方式的过电流保护装置的等效电路图；
20.图5示出了根据本公开的实施方式的防爆电磁阀的透视图；
21.图6示出了根据本公开的实施方式的防爆电磁阀的分解透视图；以及
22.图7示出了根据本公开的实施方式的防爆电磁阀的截面视图。
具体实施方式
23.现将在下文中参照附图更全面地描述本公开，在附图中示出了各实施方式。然而，本公开可以以许多不同的方式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，这些实施方式被提供使得本公开将是详尽的和完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本公开的范围。
24.本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少之一”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个部件”的含义与“至少一个部件”相同。“至少之一”不应被解释为限制于数量“一”。“或”意指“和/或”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和全部组合。
25.本文中使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，而非旨在限制本公开。如本文所使用的，除非上下文另外指出，否则单数形式旨在也包括复数形式。还将理解的是，说
明书中使用的术语“包括”、“包含”和“具有”旨在具体说明所陈述的特征、实体、操作和/或部件的存在，但是并不排除一个或更多个其他的特征、实体、操作和/或部件的存在或添加。
26.除非另有定义，否则本文中使用的包括技术术语和科学术语的所有术语具有与本技术所属领域的技术人员通常理解的含义相同的含义。将进一步理解的是，诸如在常用词典中定义的那些术语应该被解释为具有与其在相关领域的上下文中的含义一致的含义，除非在此明确定义否则不应以理想化或过于正式的意义来解释。
27.在下面的描述中，阐述了许多具体细节以提供对本公开的全面理解。本公开可以在没有这些具体细节中的一些或所有具体细节的情况下实施。在其他实例中，为了避免因不必要的细节而模糊了本公开，在附图中仅仅示出了与根据本公开的方案密切相关的部件，而省略了与本公开关系不大的其他细节。
28.图1是根据现有技术的过电流保护装置的现场安装透视图。
29.如图1所示，用于电磁致动设备例如防爆电磁阀(未示出)的现有技术的过电流保护装置例如防雷装置通常具有外部安装的管式配置。防爆电磁阀通常是电流控制设备，因此如图1所示，防雷装置包括金属外壳和防雷电路。外部接入的电流输入线、电流输出线和保护地线连接到设置在金属外壳中的防雷电路，其中保护地线连接到金属外壳。随后，从防雷电路引出用于控制防爆电磁阀的电磁线圈的信号线，包括电流输入线、电流输出线和系统地线。
30.图2是根据现有技术的过电流保护装置的等效电路图。
31.如图2所示，用于电磁致动设备例如防爆电磁阀的现有技术的过电流保护装置例如防雷装置是电涌保护器(surge protective device)，用于防止诸如雷击或电源故障引起的过电流对电磁致动设备造成损害。电涌保护器与电磁致动设备的电磁线圈并联连接。如图2所示，防雷装置包括两个气体放电管和一个瞬态抑制二极管，其中两个气体放电管分别连接在电流输入端口和电流输出端口与瞬态抑制二极管的一端之间，并且瞬态抑制二极管的另一端接地，使得在电流输入端口和电流输出端口之间的电流路径中出现诸如雷击或电源故障引起的过电流时，将过电流释放到地。
32.然而，图1和图2所示的这种外部安装的管式防雷装置的浪涌耐受能力差，容易损坏。此外，这种管式防雷装置体积较大并且在安装过程中存在安全隐患，在防爆现场的应用便利度和可靠性较差。此外，这种管式防雷装置需要有资质的专业人员进行安装接线，因此无法针对防爆电磁阀的产品进行定制。而且，这种管式防雷装置与防爆电磁阀的防爆性能彼此独立，需要按照整体系统进行单独认证和维护，造成安装和维护成本较高。
33.针对现有技术中存在的以上缺陷，本公开提出了一种改进的用于电磁致动设备的过电流保护装置。
34.图3示出了根据本公开的实施方式的过电流保护装置300的框图。
35.如图3所示，根据本公开的实施方式，用于电磁致动设备100的过电流保护装置300包括至少一个放电电路级310、至少一个限位电路级320和至少一个衰减电路级330。
36.如图3所示，根据本公开的实施方式，放电电路级310并联连接在电磁致动设备100的电流输入端口in和电流输出端口out之间，用于释放过电流。
37.如图3所示，根据本公开的实施方式，限位电路级320并联连接在电流输入端口in和电流输出端口out之间，用于对电流输入端口in和电流输出端口out之间的电压进行限位
并且释放过电流。
38.如图3所示，根据本公开的实施方式，衰减电路级330串联连接在电磁致动设备100的电流输入端口in和电流输出端口out之间的电流路径中，用于衰减电流路径中的过电流。
39.如图3所示，根据本公开的实施方式，限位电路级320较之衰减电路级330和放电电路级310更靠近电磁致动设备100。
40.图4a示出了根据本公开的实施方式的过电流保护装置300的等效电路图。
41.如图4a所示，根据本公开的实施方式，放电电路级310包括第一放电电路级3101和第二放电电路级3102。
42.如图4a所示，根据本公开的实施方式，第一放电电路级3101并联连接在电磁致动设备100的电流输入端口in和电流输出端口out之间并且包括气体放电管g1和g2。如图4a所示，根据本公开的实施方式，气体放电管g1连接在电流输入端口in和第一节点n1之间，而气体放电管g2连接在电流输出端口out和第一节点n1之间，用于在电流输入端口in和电流输出端口out之间的电流路径中出现诸如雷击或电源故障引起的过电流时，将过电流释放到地gnd。
43.气体放电管(gas discharge tube)是一种间歇型的保护器件，其极间绝缘电阻很大，寄生电容很小。当在气体放电管两极之间施加一定电压时，在极间产生不均匀电场。在此电场作用下，气体放电管内的气体(通常为空气或惰性气体)开始游离。当外加电压增大到使极间场强超过气体的绝缘强度时，两极之间的间隙将被放电击穿，由原来的绝缘状态转化为导电状态。在导通之后，气体放电管两极之间的电压维持在放电弧道所决定的残压水平，该残压通常很低，使得与气体放电管并联的电磁致动设备免受各种浪涌脉冲的损坏。鉴于气体放电管是本领域技术人员熟知的器件，因此为简洁起见，这里不对气体放电管的细节进行更详细的描述。
44.如图4a所示，根据本公开的实施方式，第二放电电路级3102并联连接在电磁致动设备100的电流输入端口in和电流输出端口out之间并且包括压敏电阻器rv1和rv2。如图4a所示，根据本公开的实施方式，压敏电阻器rv1连接在电流输入端口in和第一节点n1之间，而压敏电阻器rv2连接在电流输出端口out和第一节点n1之间，用于在电流输入端口in和电流输出端口out之间的电流路径中出现诸如雷击或电源故障引起的过电流时，将过电流释放到地gnd。
45.压敏电阻器是一种非线性电阻元件。压敏电阻器的阻值与两端施加的电压大小有关。当施加到压敏电阻器上的电压在其标称值以内时，电阻器的阻值呈现无穷大状态，几乎无电流通过。当压敏电阻器两端的电压略大于标称电压时，压敏电阻迅速击穿导通，其阻值很快下降，使电阻器处于导通状态，因此可以有效地保护电磁致动设备免受各种浪涌脉冲的损坏。鉴于压敏电阻器是本领域技术人员熟知的器件，因此为简洁起见，这里不对压敏电阻器的细节进行更详细的描述。
46.如图4a所示，根据本公开的实施方式，第一放电电路级3101和第二放电电路级3102经由共同的放电元件接地。如图4a所示，第一放电电路级3101和第二放电电路级3102均连接到第一节点n1。如图4a所示，例如，气体放电管g3可以作为放电元件连接在第一节点n1和地gnd之间。
47.根据本公开的替选实施方式，第一放电电路级3101和第二放电电路级3102也可以
经由各自的放电元件接地。图4b示出了根据本公开的替选实施方式的过电流保护装置400的等效电路图。图4b中的与图4a中的部件相同的部件由相同的附图标记表示，并且本文将省略重复性的描述。
48.如图4b所示，根据本公开的替选实施方式，第一放电电路级3101经由作为第一放电电路级3101的放电元件的气体放电管g3接地，而第二放电电路级3102经由作为第二放电电路级3102的放电元件的压敏电阻器rv3接地。具体地，如图4b所示，气体放电管g3可以作为第一放电电路级3101的放电元件连接在第一节点n1和地gnd之间，而压敏电阻器rv3可以作为第二放电电路级3102的放电元件连接在第二节点n2和地gnd之间。
49.如图4a和图4b所示，根据本公开的实施方式，限位电路级320并联连接在电流输入端口in和电流输出端口out之间，并且包括第一瞬态抑制二极管t1和第二瞬态抑制二极管t2。如图4a和图4b所示，根据本公开的实施方式，第一瞬态抑制二极管t1和第二瞬态抑制二极管t2可以并联连接在电流输入端口in和电流输出端口out之间。
50.瞬态抑制二极管(transient voltage suppressor)是一种二极管形式的高效能保护器件。当瞬态抑制二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，能够在极短的时间内将其两极间的高阻抗变为低阻抗并且吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，以有效地保护电磁致动设备免受各种浪涌脉冲的损坏。鉴于瞬态抑制二极管是本领域技术人员熟知的器件，因此为简洁起见，这里不对瞬态抑制二极管的细节进行更详细的描述。
51.本领域技术人员应认识到，尽管本文以两个串联连接的瞬态抑制二极管作为优选实施方式描述了限位电路级320，但是本公开不限于此。限位电路级320可以仅包括一个瞬态抑制二极管。然而，使用两个或更多个串联连接的瞬态抑制二极管可以实现冗余设计。也就是说，如果两个瞬态抑制二极管中的一个被击穿短路，另一个仍可以保证正常工作，从而保证电磁致动设备被正常供电以维持正常动作。
52.通常，由气体放电管g1和g2构成的第一放电电路级3101释放过电流的能力强于由压敏电阻器rv1和rv2构成的第二放电电路级3102释放过电流的能力，而由压敏电阻器rv1和rv2构成的第二放电电路级3102释放过电流的能力强于由第一瞬态抑制二极管t1和第二瞬态抑制二极管t2构成的限位电路级320释放过电流的能力。因此，根据本公开的实施方式，将放电电路级310设置在限位电路级320的前端。此外，根据本公开的实施方式，将由气体放电管g1和g2构成的第一放电电路级3101设置在由压敏电阻器rv1和rv2构成的第二放电电路级3102的前端。换言之，根据本公开的实施方式，电路级释放过电流能力越强，其设置的位置越远离电磁致动设备，以便于有效地防止由于诸如雷击或电源故障引起的过电流对电磁致动设备造成损害。
53.在图4a和图4b所示的过电流保护装置300和400中，第一放电电路级3101的气体放电管g1和g2释放绝大部分过电流，第二放电电路级3102的压敏电阻器rv1和rv2释放剩余的过电流中的大部分，使得仅有少部分过电流进入限位电路级320的第一瞬态抑制二极管t1和第二瞬态抑制二极管t2，由第一瞬态抑制二极管t1和第二瞬态抑制二极管t2释放并且进行钳位。
54.如图4a和图4b所示，根据本公开的实施方式，衰减电路级330串联连接在电流输入端口in和电流输出端口out之间的电流路径中，并且包括第一衰减电路级3301和第二衰减
电路级3302。
55.如图4a和图4b所示，根据本公开的实施方式，第一衰减电路级3301设置在第一放电电路级3101和第二放电电路级3102之间，并且包括与电流输入端口in串联连接的第一电阻器r1和与电流输出端口out串联连接的第二电阻器r2。
56.如图4a和图4b所示，根据本公开的实施方式，第二衰减电路级3302设置在第二放电电路级3102和限位电路级320之间，并且包括与第一电阻器r1串联连接的第三电阻器r3和与第二电阻器r2串联连接的第四电阻器r4。
57.根据本公开的实施方式，构成衰减电路级330的第一至第四电阻器r1、r2、r3和r4可以是解耦电阻器，例如低阻值的绕线电阻器，使得在分级衰减过电流的同时不影响正常操作时提供给电磁致动设备100的控制电流。此外，第一至第四电阻器r1、r2、r3和r4采用低阻值的绕线电阻器可以提高电流输入端口in和电流输出端口out之间的电流路径中的浪涌电流通过能力，进而保证电路级之间的电阻器的使用寿命。
58.本领域技术人员应认识到，图4a和图4b中示出的过电流保护装置300和400的电路拓扑仅是本公开的实施方式的一个具体示例，但是本公开不限于此。本领域技术人员根据本公开的教导，在不偏离本公开的精神和范围的情况下可以进行各种修改和变型。例如，过电流保护装置300和400中包括的放电电路级310、限位电路级320和衰减电路级330的数量可以根据设计需要被任意设定。此外，构成放电电路级310、限位电路级320和衰减电路级330的电子元件的数量可以根据设计需要被任意设定。此外，构成放电电路级310、限位电路级320和衰减电路级330的电子元件可以使用除上文描述的气体放电管、压敏电阻器和瞬态抑制二极管之外的能够实现相似功能的保护器件。此外，放电电路级310、限位电路级320和衰减电路级330之间的相对位置关系可以任意调整，只要限位电路级320作为最后端的电路级直接与电磁致动设备100并联连接即可。
59.返回参照图2，在图2所示的根据现有技术的过电流保护装置中，当出现过电流时，流过过电流保护装置的过电流i1和流过电磁致动设备的过电流i2几乎相同，因此电磁致动设备可能不能得到充分的保护而被损坏。
60.作为对比，图4a和图4b所示的根据本公开的实施方式的过电流保护装置300和400具有用于释放过电流的三个电路级，即第一放电电路级3101、第二放电电路级3102和限位电路级320。因此，当出现过电流时，可以逐级抑制降低过电流，使得到达电磁致动设备的过电流极小，从而有效地保障电磁致动设备的使用寿命。如图4a和图4b所示，如上文所述，流过第一放电电路级3101的过电流i1远大于流过第二放电电路级3102的过电流i2，过电流i2远大于流过限位电路级320的过电流i3，而过电流i3远大于流过电磁致动设备的过电流i4。
61.此外，在图2所示的根据现有技术的过电流保护装置中，瞬态抑制二极管设置在最前端的电路级中，其过电流水平较高，易造成损坏从而短路。作为对比，在图4a和图4b所示的根据本公开的实施方式的过电流保护装置300和400中，瞬态抑制二极管设置在最后端的电路级中，过电流经过前端的两个电路级的释放已经降至较低的水平，因此瞬态抑制二极管完全能够执行较低过电流的释放和拑压。也就是说，较之根据现有技术的过电流保护装置，根据本公开的实施方式的过电流保护装置在标称放电电流范围内避免了出现诸如信号短路的故障现象。
62.此外，在图2所示的根据现有技术的过电流保护装置中，串接在电流路径中的元件
例如导线或电阻器可能因过电流烧毁，从而导致电流路径断开。作为对比，在图4a和图4b所示的根据本公开的实施方式的过电流保护装置300和400中，由于使用三个电路级的保护结构，极大地降低了电路级之间的过电流水平，从而提高了电流路径的耐受能力，降低了导线或电阻器烧毁的几率。也就是说，较之根据现有技术的过电流保护装置，根据本公开的实施方式的过电流保护装置在标称放电电流范围内避免了出现诸如信号断路的故障现象。
63.根据本公开的实施方式，过电流保护装置可以与电磁致动设备例如防爆电磁阀集成。根据本公开的实施方式，过电流保护装置可以设置在印刷电路板上，以内部安装的方式集成到防爆电磁阀中，用于防止诸如雷击或电源故障引起的过电流对电磁致动设备造成损害。
64.图5示出了根据本公开的实施方式的防爆电磁阀500的透视图。图6示出了根据本公开的实施方式的防爆电磁阀500的分解透视图。图7示出了根据本公开的实施方式的防爆电磁阀500的截面视图。
65.如图5至图7所示，根据本公开的实施方式，防爆电磁阀装置500可以包括下壳体501、电磁阀502、印刷电路板503和上壳体504。
66.如图5至图7所示，电磁阀502可以包括阀体5021、电磁线圈5022、动铁芯5023和底座5024。鉴于电磁阀是本领域技术人员熟知的电磁致动设备，因此为简洁起见，这里不对电磁阀的细节进行更详细的描述。
67.如图5至图7所示，根据本公开的实施方式，电磁阀502可以容纳在下壳体501中。根据本公开的实施方式，印刷电路板503设置在电磁阀502上，并且设置有如上文结合图4a和图4b描述的根据本公开的实施方式的过电流保护装置。根据本公开的实施方式，设置有过电流保护装置的印刷电路板503耦接至电磁阀502并且防止诸如雷击或电源故障引起的过电流对电磁阀502造成损害。
68.根据本公开的实施方式，如上文结合图4a和图4b描述的根据本公开的实施方式的过电流保护装置可以被配置成通过印刷电路板的形式实现。
69.根据本公开的实施方式，印刷电路板503可以具有至少两层布线，用于保证其高度和宽度可控，结构紧凑。此外，根据本公开的实施方式，印刷电路板503可以设置有用于保护过电流保护装置的保护罩。根据本公开的实施方式，该保护罩可以由环氧树脂制成。通过在印刷电路板503上使用环氧树脂密封过电流保护装置，可以使过电流保护装置的电子元件与电磁阀502的电磁线圈5202等部件完全物理隔离，在保证自身温度性能的同时不会对电磁线圈502的性能造成不利影响。
70.如图5至图7所示，根据本公开的实施方式，上壳体504与下壳体501配合以形成容纳电磁阀502和印刷电路板503的防爆空腔。如图5至图7所示，根据本公开的实施方式，上壳体504与下壳体501之间的配合可以通过螺钉505实现。
71.根据本公开的过电流保护装置，通过在电源和电磁致动设备之间设置放电电路级、限位电路级和衰减电路级为电磁致动设备提供了多层过电流保护，从而增强了对过电流的耐受能力并且延长了使用寿命。
72.根据本公开的过电流保护装置，通过将用于释放过电流的放电电路级和限位电路级与电磁致动设备并联连接，即使在过电流保护装置出现故障时仍不影响电磁致动设备的正常工作，从而提高了可靠性。
73.根据本公开的防爆电磁阀，通过将过电流保护装置集成在防爆电磁阀中，可以作为整体进行防爆认证，有利于彼此兼容，能够极大地简化安装过程。
74.根据本公开的防爆电磁阀，将过电流保护装置设置在印刷电路板上并且内置集成在防爆电磁阀中，并且使过电流保护装置的电子元件与电磁阀的电磁线圈物理隔离，从而在保证自身的温度性能的同时避免对电磁线圈的性能造成不利影响。
75.尽管上面已经通过对本公开的具体实施方式的描述对本公开进行了披露，但是，应该理解，本领域的技术人员可在所附权利要求的精神和范围内设计对本公开的各种修改、改进或者等同物。这些修改、改进或者等同物也应当被认为包括在本公开的保护范围内。