ES2964014T3

ES2964014T3 - Diseño y fabricación de fusible impreso

Info

Publication number: ES2964014T3
Application number: ES20788710T
Authority: ES
Inventors: Robert S Douglass; John Trublowski; Rajen Modi; Nilay Mehta
Original assignee: Eaton Intelligent Power Ltd
Current assignee: Eaton Intelligent Power Ltd
Priority date: 2019-09-06
Filing date: 2020-10-01
Publication date: 2024-04-03
Anticipated expiration: 2040-10-01
Also published as: GB202206206D0; CN114586127B; CA3153345A1; CN114586127A; US11087943B2; KR102879277B1; KR20220071230A; US20210074501A1; MX2022004001A; GB2603729A; EP4038654B1; EP4038654A1; GB2603729B; WO2021063543A1

Abstract

Se proporciona un fusible de potencia para proteger una carga eléctrica sujeta a eventos cíclicos de corriente de carga transitoria en un sistema de energía eléctrica de corriente continua. El fusible de potencia incluye al menos un conjunto de elemento fusible que incluye un sustrato plano alargado, una pluralidad de puntos débiles fusibles y un conductor. Los puntos débiles se forman en el sustrato y están espaciados longitudinalmente entre sí en el sustrato. El conductor se suministra por separado del sustrato y de los puntos débiles. El conductor incluye una tira sólida alargada de metal que no tiene aberturas de puntos débiles estampadas en ella y, por lo tanto, evita la tensión por fatiga termomecánica en el conductor cuando se somete a eventos cíclicos de corriente de carga transitoria. La tira sólida alargada de metal incluye secciones de conector coplanares que están montadas en los respectivos puntos débiles y secciones que se extienden oblicuamente dobladas fuera del plano de las secciones de conector para extenderse por encima del sustrato. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Diseño y fabricación de fusible impreso

Referencia cruzada a solicitudes relacionadas

Esta solicitud se refiere al objeto y reivindica el beneficio de la Solicitud Provisional de Estados Unidos n.° de serie 62/897.024, presentada el 6 de septiembre de 2019, titulada “ Diseño y fabricación de fusible impreso” .

Antecedentes

El campo de la descripción se refiere generalmente a fusibles de protección de circuitos eléctricos, y más específicamente a la fabricación de fusibles de energía que incluyen conjuntos de elementos fusibles resistentes a la fatiga por deformación térmica-mecánica.

Los fusibles se usan ampliamente como dispositivos de protección de sobreintensidad con el fin evitar que los circuitos eléctricos sufran costosos daños. Los terminales de fusible forman de forma típica una conexión eléctrica entre una fuente de energía eléctrica o fuente de alimentación y un componente eléctrico, o una combinación de componentes dispuestos en un circuito eléctrico. Uno o más enlaces o elementos de fusible, o un conjunto de elementos de fusible, está conectado entre los terminales de fusible, de manera que cuando la corriente eléctrica que fluye a través del fusible rebasa un límite predeterminado, los elementos de fusible se funden y abren uno o más circuitos a través del fusible para evitar daños en los componentes eléctricos.

La publicación US 2010/164677 A1 describe un fusible de energía que comprende un sustrato plano alargado, una pluralidad de puntos débiles fusibles que están separados longitudinalmente entre sí en el sustrato plano y un conductor formado en el sustrato plano en donde el conductor comprende una tira alargada sólida de metal que no tiene aberturas de puntos débiles estampadas en la misma y en donde el conductor comprende además una primera y segunda pestañas terminales que se extienden coplanarias entre sí en un plano paralelo al sustrato.

Los fusibles de energía de intervalo completo funcionan en distribuciones de energía de alto voltaje para interrumpir de forma segura tanto corrientes de fallo relativamente altas como corrientes de fallo relativamente bajas con igual eficacia. En vista de las variaciones en constante expansión de sistemas de alimentación eléctrica, los fusibles conocidos de este tipo presentan desventajas en algunos aspectos. Se desean mejoras en fusibles de energía de intervalo completo para satisfacer las necesidades del mercado.

Según la invención, se proporcionan un fusible de energía como se establece en la reivindicación 1 y un método correspondiente de fabricación del fusible de energía como se establece en la reivindicación 11.

Breve descripción de los dibujos

Se describen realizaciones no limitativas y no exhaustivas con referencia a las siguientes figuras, en donde números de referencia similares se refieren a partes similares a lo largo de los diversos dibujos, salvo que se indique lo contrario. La Figura 1 ilustra un perfil de pulso de corriente transitoria de ejemplo generado en un sistema de energía eléctrica. La Figura 2A es una vista en perspectiva de un fusible de energía conocido.

La Figura 2B es una vista en perspectiva del conjunto del elemento fusible del fusible de energía mostrado en la Figura 2A.

La Figura 2C es un diagrama esquemático de un punto débil del conjunto del elemento fusible mostrado en la Figura 2B.

La Figura 2D es un diagrama esquemático que ilustra los puntos débiles del conjunto de elemento fusible mostrado en la Figura 2B bajo eventos de ciclado de corriente de carga.

La Figura 2E es un diagrama esquemático que ilustra los puntos débiles del conjunto del elemento fusible mostrado en la Figura 2E fallando después de los eventos de ciclado de corriente de carga.

La Figura 3 es una vista en perspectiva parcial de un fusible de energía ilustrativo.

La Figura 4 es una vista ampliada del conjunto de elemento fusible del fusible de energía mostrado en la Figura 3. La Figura 5 muestra el sustrato y los puntos débiles del conjunto de elemento fusible mostrado en la Figura 4.

La Figura 6 es una vista ampliada en sección transversal de una porción de un conjunto de elemento fusible ilustrativo.

La Figura 7 es un diagrama esquemático que ilustra el arco en el conjunto de elemento fusible mostrado en la Figura 4.

La Figura 8 es un diagrama esquemático de un método ilustrativo para fabricar el fusible de energía mostrado en las Figuras 3-7.

La Figura 9 es un diagrama de flujo que ilustra el método mostrado en la Figura 8.

Descripción detallada

Los avances recientes en las tecnologías de vehículos eléctricos presentan desafíos únicos para los fabricantes de fusibles. Los fabricantes de vehículos eléctricos buscan una protección de circuito de fusible para sistemas de distribución de energía eléctrica que funcionan a tensiones mucho más altas que los sistemas de distribución de energía eléctrica convencionales para vehículos, buscando al mismo tiempo fusibles más pequeños para satisfacer las especificaciones y demandas de los vehículos eléctricos.

Los sistemas de alimentación eléctrica para vehículos de motor de combustión interna convencionales funcionan a tensiones relativamente bajas, de forma típica a, o por debajo de, aproximadamente 48 VCC. Sin embargo, los sistemas de alimentación eléctrica para vehículos eléctricos, denominados en la presente memoria vehículos eléctricos (VE), funcionan a tensiones mucho más altas. Los sistemas de voltaje relativamente alto (por ejemplo, 200 VCC y mayor) de los VE generalmente permiten que las baterías almacenen más energía procedente de una fuente de alimentación y proporcionen más energía a un motor eléctrico del vehículo con pérdidas más bajas (por ejemplo, pérdida de calor) que las baterías convencionales que almacenan energía a 12 voltios (V) o 24 V utilizadas con motores de combustión interna, y sistemas de alimentación de 48 V más recientes.

Los original equipment manufacturers (fabricantes de equipos originales - OEM) de VE emplean fusibles de protección de circuitos para proteger las cargas eléctricas en battery electric vehicles (vehículos eléctricos de batería - BEV), hybrid electric vehicles (vehículos eléctricos híbridos - VEH) y plug-in hybrid electric vehicles (vehículos eléctricos híbridos enchufables - VEHE). En cada tipo de VE, los fabricantes de VE buscan maximizar el intervalo de kilometraje del VE por carga de batería al tiempo que se reduce el coste de propiedad. La consecución de estos objetivos se traduce en el almacenamiento de energía y el suministro de energía del sistema de VE, así como en el tamaño, volumen y masa de los componentes del vehículo transportados por el sistema de energía. Los vehículos más pequeños y/o más ligeros cumplirán más eficazmente estas demandas que los vehículos más grandes y más pesados. Como tal, todos los componentes de VE ahora se están analizando para obtener un ahorro de tamaño, peso y costes potenciales.

En general, los componentes de mayor tamaño suelen tener mayores costes de material asociados, tienden a aumentar el tamaño total del VE o a ocupar una cantidad excesiva de espacio en un volumen de vehículo cada vez menor, y tienden a introducir una mayor masa que reduce directamente el kilometraje del vehículo por cada carga de batería. Sin embargo, los fusibles de protección de circuito de alto voltaje conocidos son componentes relativamente grandes y relativamente pesados. Históricamente, y por una buena razón, los fusibles de protección de circuitos han tendido a aumentar de tamaño para satisfacer las demandas de los sistemas de energía de alto voltaje en contraposición a los sistemas de bajo voltaje. Como tales, los fusibles existentes necesarios para proteger los sistemas de potencia de VE de alto voltaje son mucho más grandes que los fusibles existentes necesarios para proteger los sistemas de alimentación de voltaje más bajo de vehículos convencionales accionados por un motor de combustión interna. Se desean fusibles de energía de alto voltaje más pequeños y más ligeros para satisfacer las necesidades de los fabricantes de VE, sin sacrificar el rendimiento de protección del circuito.

Los sistemas de alimentación eléctrica para los VE del estado de la técnica pueden funcionar a tensiones tan altas como de 450 VCC o incluso mayores. De forma deseable, el aumento del voltaje del sistema de energía suministra más energía al VE por carga de batería. Sin embargo, las condiciones operativas de los fusibles eléctricos en tales sistemas de alto voltaje son mucho más severas que en los sistemas de voltaje más bajo. Específicamente, las especificaciones relacionadas con las condiciones de arco eléctrico cuando se abre el fusible pueden ser especialmente difíciles de satisfacer para sistemas de voltaje más alto sobre todo cuando vienen acompañadas de la preferencia de la industria por la reducción de tamaño de los fusibles eléctricos. Las cargas cíclicas de corriente impuestas a los fusibles de energía por los VE del estado de la técnica también tienden a imponer un esfuerzo mecánico y un desgaste que pueden llevar a un fallo prematuro de un elemento fusible convencional. Aunque los fusibles están disponibles actualmente para su uso por los OEM de VE en circuitos de alto voltaje de aplicaciones de VE del estado de la técnica, el tamaño y el peso, por no mencionar el coste, de los fusibles de energía convencionales capaces de satisfacer los requisitos de sistemas de alimentación de alto voltaje para VE son excesivamente elevados para su aplicación a nuevos VE.

Proporcionar fusibles de energía relativamente pequeños que puedan manejar alta corriente y altos voltajes de batería de sistemas eléctricos de VE del estado de la técnica, y que al mismo tiempo ofrezcan un rendimiento de interrupción aceptable, cuando el elemento fusible funcione a altos voltajes es, cuando menos, complicado. Se necesitan mejoras para las necesidades de larga duración y no satisfechas en la técnica.

Aunque se describe en el contexto de aplicaciones de VE y un tipo particular y calificaciones de fusible, los beneficios de la descripción no se limitan necesariamente a aplicaciones de VE o al tipo particular o clasificaciones descritas. Más bien, se cree que los beneficios de la descripción se acumulan más ampliamente a muchas aplicaciones diferentes del sistema de alimentación y también se pueden practicar en parte o en su totalidad para construir diferentes tipos de fusibles que tienen calificaciones similares o diferentes a las descritas en el presente documento.

La Figura 1 ilustra un perfil 100 ilustrativo de conducción de corriente en una aplicación de sistema de alimentación de VE que puede hacer que un fusible, y específicamente el elemento o elementos fusibles del mismo, sea susceptible a fatiga por ciclos de corriente de carga. La corriente se muestra a lo largo de un eje vertical en la Figura 1 con el tiempo mostrado a lo largo del eje horizontal. En aplicaciones típicas de sistemas de alimentación de VE, los fusibles de energía se utilizan como dispositivos de protección de circuitos para evitar daños a cargas eléctricas procedentes de condiciones de fallo eléctrico. El sistema de alimentación puede funcionar a tensiones superiores a 500 V y/o a corrientes superiores a 150 amperios (A). Teniendo en cuenta el ejemplo de la Figura 1, los sistemas de potencia de VE experimentan una gran varianza aparentemente aleatoria en las cargas de corriente durante períodos de tiempo relativamente cortos, por ejemplo, entre -250 A y 150 A. La varianza aparentemente aleatoria en la corriente produce pulsos de corriente de varias magnitudes en secuencias causadas por hábitos de accionamiento aparentemente aleatorios en base a las acciones del conductor del vehículo de VE, condiciones de tráfico y/o condiciones de carretera. Esto crea una variedad prácticamente infinita de ciclos de carga de corriente en el motor del VE, en la batería propulsora principal y en cualquier fusible de energía de protección incluido en el sistema.

Dichas condiciones de carga de corriente aleatoria, ejemplificadas en el perfil de pulso de corriente de la Figura 1, son de naturaleza cíclica tanto para la aceleración del VE (que corresponde al drenaje de la batería) como a la desaceleración del VE (que corresponde a la carga de batería regenerativa). Esta carga cíclica de corriente impone una tensión de ciclo térmico en el elemento fusible, y más específicamente en los puntos débiles del conjunto de elemento fusible en el fusible de energía, por medio de un proceso de calentamiento de efecto Joule. Esta carga cíclica térmica del elemento fusible impone ciclos mecánicos de expansión y contracción en los puntos débiles del elemento fusible en particular. Esta carga cíclica mecánica repetida de los puntos débiles del elemento fusible impone un esfuerzo acumulado que daña los puntos débiles hasta el punto de rotura con el tiempo. Para los fines de la presente descripción, este proceso termomecánico y sus fenómenos se denominan en la presente memoria “ fatiga de fusible” . Como se explica adicionalmente a continuación, la fatiga de fusible puede atribuirse principalmente al esfuerzo de fluencia a medida que el fusible se introduce en el perfil de accionamiento. El calor generado en los puntos débiles del elemento fusible es el mecanismo principal que lleva al inicio de la fatiga del fusible.

La Figura 2A muestra un fusible 200 de energía de alta tensión conocido que está diseñado para su uso con un sistema de alimentación de VE. El fusible 200 de energía incluye una carcasa 202, palas terminales 204, 206 configuradas para conectarse a circuitos laterales de línea y de carga y un conjunto 208 de elemento fusible que completa una conexión eléctrica entre las palas terminales 204, 206 a través de bloques 222, 224 de contacto terminales proporcionados en las placas 226, 228 de extremo. Cuando se somete a condiciones de corriente predeterminadas, al menos una parte del conjunto 208 de elemento fusible se funde, se desintegra, o falla estructuralmente de otro modo y abre el recorrido del circuito entre las palas terminales 204, 206. Por lo tanto, los circuitos del lado de carga quedan aislados eléctricamente de los circuitos del lado de línea para proteger los componentes del circuito del lado de carga de daños cuando se produzcan condiciones de fallo eléctrico.

La Figura 4 ilustra el conjunto 208 de elemento fusible con más detalle. El conjunto 218 de elemento fusible se forma generalmente a partir de una tira de material eléctricamente conductor en una serie de secciones coplanares 240 conectadas por secciones oblicuas 242, 244. Las secciones oblicuas 242, 244 están formadas o dobladas fuera del plano de las secciones planas 240.

En el ejemplo mostrado, las secciones planas 240 definen una pluralidad de secciones de área 241 de sección transversal reducida, denominadas en la técnica puntos débiles. Los puntos débiles 241 están definidos por aberturas en las secciones planas 240. Los puntos débiles 241 corresponden a la parte más estrecha de la sección 240 entre aberturas adyacentes. Las áreas de sección transversal reducidas en los puntos débiles 241 experimentarán una mayor concentración de calor que el resto del conjunto 218 de elemento fusible a medida que la corriente fluye a través del conjunto 218 de elemento fusible.

Se ha descubierto que los puntos débiles 241 del conjunto 218 de elemento fusible fabricados mediante estampado o punzonado de metal son desventajosos para aplicaciones de VE que tienen el tipo de cargas de corriente cíclica descritas anteriormente. Dichos diseños de elementos fusibles estampados introducen de forma deseable tensiones y tensiones mecánicas en los puntos 241 débiles del elemento fusible, de manera que tiende a producirse una vida útil más corta. Esta vida útil de fusión corta se manifiesta en forma de funcionamiento de fusible molesto, resultante de la fatiga mecánica del elemento fusible en los puntos débiles 241.

La Figura 2C muestra la vista en sección transversal de una placa metálica 250 después de perforar una abertura 252 a través de la placa metálica 250. Después de un proceso de punzonado o estampado, se producen microroturas 254 a lo largo del borde 256 de la abertura 252.

Como se muestra en las Figuras 2D y 2E, los puntos débiles 241 del conjunto 218 de elemento fusible experimentan pulsos de corriente altos repetidos y eventos de corriente cíclica (Figura 2D), que conducen a fatiga metálica de las interrupciones del límite de grano seguido de propagación de grietas y falla en el conjunto 218 del elemento fusible en los puntos débiles 241 (Figura 2E). Las limitaciones mecánicas del conjunto 218 de elemento fusible son inherentes al diseño y a la fabricación del elemento fusible estampado, que desafortunadamente se ha visto que favorecen la deformación en plano de los puntos débiles 241 durante el ciclo de corriente de carga repetida. Esta deformación en plano es el resultado de daños a los límites de grano metálico donde se produce una separación o deslizamiento entre granos metálicos adyacentes. Tal deformación de los puntos débiles 241 se produce con el tiempo y se acelera y es más pronunciada con pulsos de corriente transitoria más altos. Cuanto mayor sea la delta de calentamientoenfriamiento en los pulsos de corriente transitoria, mayor será la influencia mecánica y, por lo tanto, mayor será la deformación por combado en plano de los puntos débiles 241.

Las manipulaciones mecánicas físicas repetidas de metal, causadas por los efectos de calentamiento de los pulsos de corriente transitoria, provocan a su vez cambios en la estructura granular del elemento fusible metálico. Estas manipulaciones mecánicas a veces se denominan trabajo del metal. El trabajo de metales provocará un fortalecimiento de los límites de grano donde los granos adyacentes estén estrechamente constreñidos por los granos vecinos. El trabajo excesivo de un metal, dará lugar a interrupciones en el límite de grano donde los granos se deslizan más allá del otro y provocan lo que se denomina una banda o un plano de deslizamiento. Este deslizamiento y separación entre granos da lugar a un aumento localizado de la resistencia eléctrica que acelera el proceso de fatiga, aumentando el efecto de calentamiento de los pulsos de corriente. La formación de bandas de deslizamiento es donde primero se inician grietas por fatiga.

Los inventores han descubierto que un método de fabricación de estampado o punzonado de metal para formar el conjunto 218 de elemento fusible provoca bandas de deslizamiento localizadas en todos los bordes estampados de los puntos 241 débiles del elemento fusible porque los procesos de estampado para formar los puntos débiles 241 son procesos mecánicos de cizalladura y desgarro. Este proceso de desgarro pretensa los puntos débiles 241 con muchas regiones de banda de deslizamiento. Las bandas de deslizamiento y las grietas por fatiga, combinadas con la deformación descrita debido a los efectos térmicos, dan lugar eventualmente a un fallo estructural prematuro de los puntos débiles 241 que no están relacionados con las condiciones de fallo eléctrico. Tal modo de fallo prematuro que no se refiere a una condición eléctrica problemática en el sistema eléctrico se denomina a veces funcionamiento molesto del fusible. Dado que una vez que los elementos fusibles fallan, el circuito conectado al fusible no es nuevamente operativo hasta que se sustituya el fusible, evitar este funcionamiento molesto es muy deseable en un sistema de energía de VE desde la perspectiva tanto de fabricantes como de consumidores de VE. De hecho, dado un mayor interés en los vehículos VE y en sus sistemas de potencia, se considera que los efectos de fatiga del fusible son un atributo negativo crítico para la calidad (CTQ) en el diseño del vehículo.

Por consiguiente, son altamente deseables elementos fusibles y métodos mejorados para fabricar elementos fusibles que incluyen puntos débiles que son resistentes a la fatiga.

Las realizaciones ilustrativas de elementos fusibles y el método de fabricación de dichos elementos fusibles se describen a continuación que evitan de forma ventajosa los daños por deformación en puntos débiles del proceso de fabricación del estampado o punzonado, al tiempo que proporcionan un mecanismo de extinción de arco eficaz. Los puntos débiles en las realizaciones ilustrativas se forman directamente sobre un sustrato plano, evitando microroturas de los procesos de punzonado o estampado. Los puntos débiles están conectados por un conductor fabricado por separado que tiene secciones de conector coplanares y secciones de conector oblicuas utilizadas para una extinción de arco eficaz.

Aunque se describe a continuación en referencia a realizaciones particulares, dicha descripción se pretende en aras de la ilustración en lugar de limitación. El beneficio significativo de los conceptos inventivos se explicará ahora en referencia a las realizaciones ilustrativas ilustradas en las figuras. En la descripción a continuación serán en parte evidentes y en parte explícitos los aspectos del método.

Con referencia ahora a las Figuras 3-7, se ilustra un fusible 300 de energía. El fusible 300 de energía incluye al menos un conjunto 302 de elemento fusible (Figura 3). El fusible 300 de energía puede incluir una carcasa 308. El fusible 300 de energía incluye además palas terminales 304, 306 configuradas para conectar el fusible 300 de energía a los circuitos del lado de la línea y de la carga. La conexión eléctrica del conjunto 302 elemento fusible se completa a través de bloques 322, 324 de contacto terminales proporcionados en las placas 332, 334 de extremo y las palas terminales 304, 306. Cuando se somete a condiciones de corriente predeterminadas, al menos una parte del conjunto 302 de elemento fusible se funde, se desintegra, o falla estructuralmente de otro modo y abre el recorrido del circuito entre las palas terminales 304, 306. Por lo tanto, los circuitos del lado de carga quedan aislados eléctricamente de los circuitos del lado de línea para proteger los componentes del circuito del lado de carga de daños cuando se produzcan condiciones de fallo eléctrico.

La Figura 4 muestra el conjunto 302 de elemento fusible con más detalle. El conjunto 302 de elemento fusible incluye un sustrato 310, una pluralidad de puntos débiles 312 y un conductor 314.

El sustrato 310 es un sustrato plano (Figura 5). El sustrato 310 es alargado. En la realización ilustrativa, la superficie superior del sustrato 310 es rectangular. En algunas realizaciones, el sustrato 310 es cerámico. En un ejemplo, el sustrato es cerámica de alúmina. Un sustrato de alúmina tiene una conductividad térmica relativamente alta (por ejemplo, aproximadamente 30 Wm-1K-1), lo que ayuda a disipar el calor de los puntos débiles 312.

Los puntos débiles 312 están formados en el sustrato 310. El número de puntos débiles 312 puede ser tres u otros números, tales como uno, dos o cuatro que permiten que el conjunto 302 de elemento fusible funcione como se describe en la presente memoria. Los puntos débiles 312 están separados entre sí. Los puntos débiles 312 están dispuestos separados entre sí a lo largo de la dirección longitudinal del sustrato 310. Los puntos débiles 312 están hechos de material conductor tal como cobre. Los puntos débiles 312 pueden imprimirse en el sustrato 310 usando técnicas conocidas. En algunas realizaciones, sin embargo, los puntos débiles 312 pueden formarse sobre el sustrato 310 usando técnicas distintas de la impresión. Múltiples capas de los puntos débiles 312 pueden formarse entre sí para cambiar el espesor total de los puntos débiles 312. La resistencia eléctrica y el rendimiento de los puntos débiles 312 son, por lo tanto, relativamente más controlables que los puntos débiles formados por el estampado o punzonado de metal. Debido a que los puntos débiles 312 se forman sin microroturas mecánicas de los procesos de fabricación mecánica como estampado o punzonado de metal, los puntos débiles 312 no sufren fatiga del ciclado de corriente de carga como los puntos débiles 241 del fusible conocido 200, especialmente cuando están bajo la corriente cíclica grande, aparentemente aleatoria cambia en un sistema de alimentación de corriente continua de un VE.

En algunas realizaciones, el conjunto 302 de elemento fusible incluye además una capa dieléctrica 316 dispuesta entre el sustrato 310 y los puntos débiles 312 (Figura 6). En una realización ilustrativa, la capa dieléctrica 316 puede ser vidrio u otro material dieléctrico adecuado conocido en la técnica. Cuando se forman puntos débiles 312 solo con materiales eléctricamente conductores, los materiales eléctricamente conductores se separan cuando los materiales se funden en una condición de fusión, pero pueden volver a conectarse, permitiendo así que el circuito se vuelva a conectar. Para minimizar esta reconexión de puntos débiles 312 para permitir que el fusible 300 de energía funcione en condiciones de corriente predeterminadas, una capa 316 dieléctrica basada en vidrio, se deposita bajo el punto débil 312. El material para la capa dieléctrica 316 se selecciona de manera que se funda a una temperatura más alta que los puntos débiles 312, pero a una temperatura suficientemente baja que permita la difusión. La temperatura de fusión de la capa dieléctrica 316 es aproximadamente 25 °C-50 °C por encima de la temperatura máxima de fusión de los puntos débiles 312. Este intervalo de temperatura permite que la capa dieléctrica 316 sea mecánicamente estable durante el proceso de fusión para soportar los puntos débiles 312 mientras permite que el material dieléctrico se difunda en los puntos débiles 312. La temperatura de fusión de la capa dieléctrica 316 puede variar dependiendo de los materiales. La difusión se desea por dos motivos. En primer lugar, proporciona un medio para ajustar la resistencia a la mancha débil, donde más fusión da como resultado más difusión y mayor resistividad. En segundo lugar, la capa 316 dieléctrica difusa cambia las características de humectación del conductor y no permite que los puntos 312 débiles fundidos se reconecten.

Con referencia de nuevo a la Figura 4, los puntos débiles 312 del conjunto del elemento fusible están conectados a través del conductor 314. En las realizaciones ilustrativas, el conductor 314 está hecho de un metal de tira alargada sólido. El conductor 314 puede fabricarse mediante punzonado o estampado de un metal de tira alargada sólido. El espesor del conductor 314 es mayor que los puntos débiles 312. Como resultado, los puntos débiles 312 experimentan más calor que el conductor 314 y se abren antes que el conductor 314 en condiciones de corriente predeterminadas. Por lo tanto, el conductor 314 no tiene aberturas de puntos débiles estampadas y evita la deformación por fatiga térmica-mecánica cuando se somete a eventos de ciclado de corriente de carga transitoria.

El conductor 314 incluye secciones 318 de conector coplanares y secciones 320 que se extienden oblicuamente. Las secciones 320 que se extienden oblicuamente se doblan fuera del plano de las secciones 318 de conector. El conductor 314 incluye una primera y segunda pestañas terminales que se extienden desde las secciones 320 que se extienden oblicuamente. El conductor 314 se acopla a bloques 322, 324 de contacto terminales a través de las pestañas terminales 326, 328.

Las secciones 318 de conector coplanares están montadas en los puntos débiles 312 respectivos. Alternativamente, las secciones 318 de conector coplanares están montadas en el sustrato 310 y están conectadas con puntos débiles 312. Como resultado, las secciones 320 que se extienden oblicuamente se extienden por encima del sustrato 310 entre los puntos débiles 312, y la primera y segunda pestañas 326, 328 terminales se extienden coplanares entre sí en un plano separado de las secciones 318 de conector y el sustrato 310. El plano de la primera y segunda pestañas terminales 326, 328 se extienden paralelos a las secciones 318 de conector y al sustrato 310.

En la realización ilustrativa, el fusible 300 de energía incluye tres conjuntos 302 de elementos fusibles(Figura 3). En otras realizaciones, el fusible 300 de energía puede incluir otros números de conjuntos 302 de elementos fusibles, tales como uno y dos, que permiten que el fusible 300 de energía funcione como se describe en la presente memoria. La pluralidad de conjuntos 302 de elementos fusibles se conectan en paralelo entre sí para aumentar las clasificaciones del fusible 300 de energía sin aumentar el tamaño físico del fusible 300 de energía. Los conjuntos 302 de elementos fusibles pueden disponerse de manera que dos conjuntos de elementos fusibles vecinos sean imágenes especulares entre sí. Los conjuntos 302 de elementos fusibles pueden apilarse junto con el sustrato de un conjunto del elemento fusible orientado hacia el conductor de otro conjunto del elemento fusible.

Puede realizarse un fusible de intervalo completo utilizando al menos un conjunto 302 de elemento fusible que responde a una operación de corriente relativamente baja (o fallos de sobrecarga) y al menos un conjunto 302 de elemento fusible que responde a una operación de corriente relativamente alta (o fallos de cortocircuito). Los conjuntos 302 de elementos fusibles también pueden utilizarse en un fusible que no esté limitado.

En la realización ilustrativa, el fusible 300 de energía puede incluir además un relleno 330 de extinción de arco (Figura 7). El relleno 330 de extinción de arco rodea al menos parte del conjunto 302 de elemento fusible. El relleno 330 de extinción de arco puede disponerse debajo de las secciones 320 que se extienden oblicuamente. El relleno 330 de extinción de arco también puede disponerse encima de las secciones 320 que se extienden oblicuamente, las secciones 318 de conector coplanares y los puntos débiles 312. El relleno 330 de extinción de arco puede introducirse en la carcasa 308 mediante una o más aberturas de llenado en una de las placas 332, 334 de extremo que están selladas con tapones (no mostrados). Los tapones pueden fabricarse de acero, plástico u otros materiales en diversas realizaciones. En otras realizaciones, puede proporcionarse un orificio de llenado u orificios de llenado en otros lugares, incluyendo, aunque no de forma limitativa, a la carcasa 308 para facilitar la introducción del relleno 330 de extinción de arco.

En una realización contemplada, el relleno 330 de extinción de arco está compuesto por arena de sílice de cuarzo y un aglutinante de silicato de sodio. La arena de cuarzo tiene una capacidad de conducción y absorción de calor relativamente alta en su estado compactado suelto, pero puede añadirse silicato para proporcionar un rendimiento mejorado. Por ejemplo, una solución líquida de silicato de sodio se añade a la arena y luego el agua libre se seca. También se pueden proporcionar materiales de barrera de arco por separado (no mostrados) para evitar que el arco alcance los extremos de las pestañas terminales 326, 328.

En la realización ilustrativa, el conjunto 302 de elemento fusible proporciona acceso del arco al medio de enfriamiento por arco, tal como arena en el relleno 330 de extinción de arco. Cuando se funden puntos débiles 312 en condiciones de corriente predeterminadas, el arco comienza en puntos débiles 312. A medida que el arco crece de longitud, migra desde los puntos débiles 312 y el sustrato 310 y sigue las secciones 320 que se extienden oblicuamente en el relleno 330 de extinción de arco circundante para un enfriamiento eficiente y una extinción más rápida.

Las Figuras 8 y 9 muestran un método ilustrativo 900 de fabricación de un fusible de energía para proteger una carga eléctrica sujeta a eventos de ciclado de corriente de carga transitoria en un sistema de alimentación eléctrica de corriente continua. La Figura 8 muestra un diagrama esquemático del método 900, mientras que la Figura 9 muestra un diagrama de flujo del método 900. El método 900 incluye formar 902 una pluralidad de puntos débiles fusibles sobre un sustrato plano de manera que la pluralidad de puntos débiles fusibles se separan longitudinalmente entre sí sobre el sustrato plano. El método 900 incluye además proporcionar 904 un conductor por separado del sustrato plano y la pluralidad de puntos débiles. El número de secciones de conector coplanares del conductor puede ser el mismo que el número de puntos débiles formados en el sustrato plano. El método 900 también incluye 906 montar las secciones de conector coplanares del conductor a los respectivos de la pluralidad de puntos débiles. Como resultado, las secciones que se extienden oblicuamente del conductor se extienden por encima del sustrato plano alargado entre la pluralidad de puntos débiles fusibles, y la primera y segunda pestañas terminales del conductor se extienden coplanares entre sí en un plano paralelo, pero separado de las secciones de conector coplanares y del sustrato. En un ejemplo, las secciones de conexión coplanares del conductor están soldadas a los puntos débiles. En algunas realizaciones, el conductor está formado en una sola pieza. El conductor 800 puede incluir puentes 802 de soporte que conectan las secciones 318 de conector coplanares (Figura 8). El método 900 puede incluir además retirar los puentes de soporte después de que las secciones de conector coplanares del conductor se hayan montado en los respectivos de la pluralidad de puntos débiles.

Se cree que los beneficios y ventajas de la presente descripción ya se han ilustrado ampliamente en relación con las realizaciones ilustrativas descritas.

En la presente memoria se describen varias realizaciones de fusibles de energía y conjuntos de elementos fusibles y sus métodos de fabricación, que incluyen una pluralidad de puntos débiles formados sobre un sustrato sin aberturas de puntos débiles estampadas, evitando así la deformación por fatiga mecánica térmica en el conjunto del elemento fusible cuando se someten a eventos de ciclado de corriente de carga transitoria. Además, el conjunto de fusible incluye un conductor que tiene secciones de conector coplanares montadas en los puntos débiles y secciones que se extienden oblicuamente que se extienden por encima del sustrato de manera que se puede disponer un relleno de extinción de arco para rodear al menos parte del conjunto de elemento fusible, de este modo se extingue eficazmente arco generado después de que el conjunto de elemento fusible se abra en condiciones de corriente predeterminadas.

Si bien se describen realizaciones ilustrativas de componentes, conjuntos y sistemas, son posibles variaciones de los componentes, conjuntos y sistemas para lograr ventajas y efectos similares. Específicamente, la forma y la geometría de los componentes y conjuntos, y las ubicaciones relativas de los componentes del conjunto, pueden variar de los descritos y representados sin apartarse de los conceptos inventivos descritos. Además, en ciertas realizaciones, ciertos componentes de los conjuntos descritos pueden omitirse para acomodar tipos particulares de fusibles o las necesidades de instalaciones particulares, al tiempo que se proporciona el rendimiento y funcionalidad necesarios de los fusibles.

Se ha descrito una realización de un fusible de energía para proteger una carga eléctrica sujeta a eventos de ciclado de corriente de carga transitoria en un sistema de alimentación eléctrica de corriente continua. El fusible de energía incluye al menos un conjunto de elemento fusible que incluye un sustrato plano alargado, una pluralidad de puntos débiles fusibles y un conductor. La pluralidad de puntos débiles fusibles se forma en el sustrato plano y se separan longitudinalmente entre sí sobre el sustrato plano. El conductor se proporciona por separado desde el sustrato plano y la pluralidad de puntos débiles. El conductor incluye una tira alargada sólida de metal que no tiene aberturas de puntos débiles estampadas en la misma y, por lo tanto, evita la deformación por fatiga térmica-mecánica en el conductor cuando se somete a los eventos de ciclado de corriente de carga transitoria. La tira alargada sólida de metal incluye secciones de conector coplanares que están montadas en las respectivas de la pluralidad de puntos débiles en el sustrato plano y las secciones que se extienden oblicuamente dobladas fuera del plano de las secciones de conector para extenderse por encima del sustrato plano alargado entre la pluralidad de puntos débiles fusibles. El conductor incluye además una primera y segunda pestañas terminales que se extienden coplanares entre sí en un plano paralelo, pero separadas de las secciones de conector y del sustrato.

Opcionalmente, el fusible de energía incluye además un medio de enfriamiento de arco que rodea al menos parte del al menos un conjunto de elemento fusible. El al menos un conjunto de elemento fusible incluye además una capa dieléctrica formada sobre el sustrato y encajada entre el sustrato y la pluralidad de puntos débiles. El conductor está formado en una sola pieza. El sustrato es cerámica de alúmina. El fusible de energía incluye además una carcasa que encierra el al menos un conjunto de elemento fusible. La pluralidad de puntos débiles fusibles se imprime en el sustrato plano. El fusible de energía tiene una tensión nominal de al menos 500 V. El fusible de energía tiene una clasificación de corriente de al menos 150 A. El al menos un conjunto de elemento fusible incluye un primer y segundo conjuntos de elementos fusibles conectados eléctricamente en paralelo entre sí.

Se ha descrito un método de fabricación de un fusible de energía para proteger una carga eléctrica sujeta a eventos de ciclado de corriente de carga transitoria en un sistema de alimentación eléctrica de corriente continua. El método incluye formar una pluralidad de puntos débiles fusibles en un sustrato plano alargado de manera que la pluralidad de puntos débiles fusibles se separan longitudinalmente entre sí sobre el sustrato plano. El método incluye además proporcionar un conductor por separado del sustrato plano y la pluralidad de puntos débiles. El conductor incluye una tira alargada sólida de metal que no tiene aberturas de puntos débiles estampadas en la misma y, por lo tanto, evita la deformación por fatiga térmica-mecánica en el conductor cuando se somete a los eventos de ciclado de corriente de carga transitoria. La tira alargada sólida de metal incluye secciones de conector coplanares y secciones que se extienden oblicuamente dobladas fuera del plano de las secciones de conector. El conductor incluye además una primera y segunda pestañas terminales que se extienden coplanares entre sí. El método también incluye montar las secciones de conector coplanares del conductor a los respectivos de la pluralidad de puntos débiles en el sustrato plano de manera que las secciones que se extienden oblicuamente del conductor se extienden por encima del sustrato plano alargado entre la pluralidad de puntos débiles fusibles y las pestañas terminales primera y segunda se extienden coplanares entre sí en un plano paralelo a, pero separado de las secciones de conector y el sustrato, completando así un primer conjunto de elemento fusible.

Opcionalmente, el método incluye además rodear al menos parte del primer conjunto de elementos fusibles con un medio de enfriamiento por arco. Formar una pluralidad de puntos débiles incluye imprimir la pluralidad de puntos débiles en el sustrato plano alargado. Formar una pluralidad de puntos débiles incluye además proporcionar una capa dieléctrica sobre el sustrato y formar la pluralidad de puntos débiles sobre la capa dieléctrica para cubrir la capa dieléctrica y encajar la capa dieléctrica entre el sustrato y la pluralidad de puntos débiles. Formar una capa dieléctrica incluye imprimir la capa dieléctrica sobre el sustrato, y formar la pluralidad de puntos débiles incluye imprimir la pluralidad de puntos débiles sobre la capa dieléctrica para cubrir la capa dieléctrica y encajar la capa dieléctrica entre el sustrato y la pluralidad de puntos débiles. Proporcionar un conductor incluye además formar el conductor en una pieza. El conductor está formado con puentes de soporte que conectan las secciones de conector coplanares, y el montaje de las secciones de conector coplanares incluye además retirar los puentes de soporte después de que las secciones de conector coplanares del conductor se hayan montado en los respectivos de la pluralidad de puntos débiles. El sustrato incluye cerámica de alúmina. El método incluye además formar un segundo conjunto de elementos fusibles y conectar eléctricamente los conjuntos de elementos fusibles primero y segundo en paralelo entre sí. El método incluye además conectar eléctricamente las pestañas terminales primera y segunda del conductor con los terminales conductores primero y segundo, y encerrar el primer conjunto de elemento fusible con una carcasa, dejando al menos parte del primer y segundo terminales conductores expuestos.

Esta descripción escrita utiliza ejemplos para describir la invención, incluyendo el mejor modo, y también para permitir que cualquier experto en la técnica ponga en práctica la invención, incluyendo la fabricación y uso de cualquier dispositivo o sistema y la ejecución de los métodos incorporados. El ámbito patentable de la invención está definido por las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

i.Un fusible (300) de energía para proteger una carga eléctrica sujeta a eventos de ciclado de corriente de carga transitoria en un sistema de alimentación eléctrica de corriente continua, comprendiendo el fusible de energía:

al menos un conjunto (302) de elemento fusible que comprende:

un sustrato (310) plano alargado;

una pluralidad de puntos (312) débiles fusibles formados en el sustrato plano y que están separados longitudinalmente entre sí sobre el sustrato plano; y un conductor (314) proporcionado por separado desde el sustrato plano y la pluralidad de puntos débiles;

en donde el conductor comprende una tira alargada sólida de metal que no tiene aberturas de puntos débiles estampadas en la misma y, por lo tanto, evita la deformación por fatiga térmica-mecánica en el conductor cuando se somete a los eventos de ciclado de corriente de carga transitoria;

en donde la tira alargada sólida de metal incluye secciones (318) de conector coplanares que se montan en los respectivos de la pluralidad de puntos débiles en el sustrato plano y las secciones (320) que se extienden oblicuamente dobladas fuera del plano de las secciones de conector para extenderse por encima del sustrato plano alargado entre la pluralidad de puntos débiles fusibles; en donde el conductor comprende además una primera y segunda pestañas terminales (326, 328) que se extienden coplanares entre sí en un plano paralelo a, pero separado de, las secciones de conector y el sustrato.
2. El fusible de energía de la reivindicación 1, que comprende además un medio de enfriamiento de arco que rodea al menos parte del al menos un conjunto de elemento fusible.
3. El fusible de energía de la reivindicación 1, en donde el al menos un conjunto de elemento fusible además comprende una capa dieléctrica (316) formada sobre el sustrato y anidada entre el sustrato y la pluralidad de puntos débiles.
4. El fusible de energía de la reivindicación 1, en donde el conductor está formado en una pieza.
5. El fusible de energía de la reivindicación 1, en donde el sustrato es cerámica de alúmina.
6. El fusible de energía de la reivindicación 1, que comprende además una carcasa (308) que encierra el al menos un conjunto de elemento fusible.
7. El fusible de energía de la reivindicación 1, en donde la pluralidad de puntos débiles fusibles están imprisos en el sustrato plano.
8. El fusible de energía de la reivindicación 1, en donde el fusible de energía tiene una tensión nominal de al menos 500 V.
9. El fusible de energía de la reivindicación 1, en donde el fusible de energía tiene una clasificación de corriente de al menos 150 A.
10. El fusible de energía de la reivindicación 1, en donde el al menos un conjunto de elemento fusible comprende un primer y segundo conjuntos de elementos fusibles conectados eléctricamente en paralelo entre sí.
11. Un método de fabricación de un fusible de energía para proteger una carga eléctrica sujeta a eventos de ciclado de corriente de carga transitoria en un sistema de alimentación eléctrica de corriente continua, comprendiendo el método:

formar una pluralidad de puntos (312) débiles fusibles en un sustrato plano alargado de manera que la pluralidad de puntos débiles fusibles se separan longitudinalmente entre sí sobre el sustrato plano; proporcionar un conductor (314) por separado del sustrato plano y de la pluralidad de puntos débiles,

en donde el conductor comprende una tira alargada sólida de metal que no tiene aberturas de puntos débiles estampadas en la misma y, por lo tanto, evita la deformación por fatiga térmica-mecánica en el conductor cuando se somete a los eventos de ciclado de corriente de carga transitoria;

en donde la tira alargada sólida de metal incluye secciones (318) de conector coplanares y secciones (320) que se extienden oblicuamente dobladas fuera del plano de las secciones de conector; y

en donde el conductor comprende además una primera y segunda pestañas terminales (326, 328) que se extienden coplanares entre sí; y

montar las secciones de conector coplanares del conductor a los respectivos de la pluralidad de puntos débiles en el sustrato plano de manera que las secciones que se extienden oblicuamente del conductor se extienden por encima del sustrato plano alargado entre la pluralidad de puntos débiles fusibles y las pestañas terminales primera y segunda se extienden coplanares entre sí en un plano paralelo a, pero separado de las secciones de conector coplanares y el sustrato, completando así un primer conjunto de elemento fusible.

El método de la reivindicación 11,

en donde el método comprende además rodear al menos parte del primer conjunto de elemento fusible con un medio de enfriamiento por arco; y/o

en donde formar una pluralidad de puntos débiles comprende imprimir la pluralidad de puntos débiles en el sustrato plano alargado; o

en donde formar una pluralidad de puntos débiles comprende además:

proporcionar una capa dieléctrica (316) sobre el sustrato; y

formar la pluralidad de puntos débiles sobre la capa dieléctrica para cubrir la capa dieléctrica y para encajar la capa dieléctrica entre el sustrato y la pluralidad de puntos débiles; y/o

en donde proporcionar un conductor comprende además formar el conductor en una pieza; y/o en donde el método comprende, además:

formar un segundo conjunto de elemento fusible; y

conectar eléctricamente el primer y segundo conjuntos de elementos fusibles en paralelo entre sí; y/o

en donde el método comprende, además:

conectar eléctricamente la primera y segunda pestañas terminales del conductor con el primer y segundo terminales conductores; y

encerrar el primer conjunto de elementos fusibles con una carcasa (308), dejando al menos parte del primer y segundo terminales conductores expuestos.

El método de la reivindicación 12, en donde formar una capa dieléctrica comprende imprimir la capa dieléctrica sobre el sustrato, y formar la pluralidad de puntos débiles comprende imprimir la pluralidad de puntos débiles sobre la capa dieléctrica para cubrir la capa dieléctrica y encajar la capa dieléctrica entre el sustrato y la pluralidad de puntos débiles.

El método de la reivindicación 12, en donde el conductor está formado con puentes de soporte que conectan las secciones de conector coplanares, y el montaje de las secciones de conector coplanares comprende además retirar los puentes de soporte después de que las secciones de conector coplanares del conductor se hayan montado en los respectivos de la pluralidad de puntos débiles.

El método de una cualquiera de las reivindicaciones 11-14, en donde el sustrato comprende cerámica de alúmina.