DE102010032456A1

DE102010032456A1 - Elektrisches Schaltschütz

Info

Publication number: DE102010032456A1
Application number: DE102010032456A
Authority: DE
Inventors: Andreas Bauer; Rainer Junck; Markus Stoffels
Original assignee: Schaltbau GmbH
Current assignee: Schaltbau GmbH
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2012-02-02
Anticipated expiration: 2030-07-29
Also published as: US20130181793A1; CN103038850A; EP2599099A1; WO2012013252A1; DE102010032456B4

Abstract

Bei einem elektrischen Schaltschütz mit Haupt- sowie Nebenkontakten, einen zur Betätigung der Hauptkontaktbrücken und Nebenkontaktbrücken vorgesehenen Anker und mit Mitteln zur Rückstellung des Ankers von einer Zwischenstellung bzw. Endstellung in eine Ausgangslage ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass für den elektromagnetischen Antrieb des Ankers eine Vorladespule sowie eine zusätzlich oder unabhängig von der Vorladespule bestrombare Anzugsspule vorgesehen sind, wobei ein Spulenjoch derart angeordnet ist, dass die durch das von der Vorladespule erzeugte Magnetfeld auf den Anker wirkende Magnetkraft bei gleicher Bestromung der Vorladespule in der Endstellung des Ankers größer ist als in der Zwischenstellung, wobei diese Magnetkraft in der Zwischenstellung des Ankers der Rückstellkraft der Mittel zur Rückstellung des Ankers an die Ausgangslage entspricht und in der Endstellung des Ankers größer ist als die Rückstellkraft, und wobei die Vorladespule vorgesehen ist, um den Anker von der Ausgangslage in die Zwischenstellung zu bewegen sowie in der Endstellung zu halten, und ferner Anzugsspule vorgesehen ist, um den Anker von der Zwischenstellung in die Endstellung zu bewegen.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Schaltschütz nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1. Ein derartiges Schaltschütz umfasst ein Gehäuse, zumindest zwei feste Hauptkontakte und eine Hauptkontaktbrücke, zumindest zwei feste Nebenkontakte und eine Nebenkontaktbrücke, wobei sowohl die Hauptkontakte, die Nebenkontakte wie auch die Kontaktbrücken im Gehäuse angeordnet sind. Ferner umfasst ein derartiges elektrisches Schaltschütz einen zur Betätigung der Hauptkontaktbrücken und Nebenkontaktbrücken vorgesehenen Anker. In einer ersten Schaltstellung sind sowohl die Hauptkontakte als auch die Nebenkontakte geöffnet, wobei sich der Anker in einer Ausgangslage befindet. In einer zweiten Schaltstellung sind die Nebenkontakte geschlossen und die Hauptkontakte geöffnet. Der Anker befindet sich dabei in einer Zwischenstellung. In einer dritten Schaltstellung sind sowohl die Nebenkontakte als auch die Hauptkontakte geschlossen, wobei sich der Anker in einer Endstellung befindet. Das Schaltschütz umfasst ferner zumindest eine elektrisch bestrombare Spule für einen elektromagnetischen Antrieb des Ankers, wobei eine durch das von der Spule erzeugte Magnetfeld auf den Anker wirkende Magnetkraft den Antrieb des Ankers bewirkt. Ferner ist ein Spulenjoch vorgesehen, welches einen magnetischen Rückschluss bildet. Schließlich umfasst ein derartiges Schaltschütz zudem Mittel zur Rückstellung des Ankers in die Ausgangslage. Eine durch die Mittel auf den Anker wirkende Rückstellkraft ist der Magnetkraft, die durch das Magnetfeld erzeugt wird, entgegengerichtet und außerdem in der Endstellung des Ankers größer als in der Zwischenstellung.
Derartige Schaltschütze werden üblicherweise verwendet, um über die Nebenkontakte, beispielsweise einen Kondensator, vorzuladen, bevor die Hauptkontakte geschlossen werden. Dies ist beispielsweise erforderlich, wenn über ein Schaltschütz eine Gleichspannung auf einen Umrichter oder einen Wechselrichter geschaltet wird. Am Eingang eines solchen Umrichters bzw. Wechselrichters befindet sich in der Regel ein großer Kondensator. Schaltet man die Gleichspannung über die Hauptkontakte direkt auf den Kondensator, fließt für eine gewisse Zeit praktisch ein Kurzschlussstrom, nämlich so lange, bis durch die Ladung des Kondensators ein Widerstand erzeugt wird. Die Zeitspanne, in welcher dieser hohe Kurzschlussstrom fließt, hängt von der Kapazität des Kondensators und dem Innenwiderstand der Quelle sowie dem Widerstand der Zuleitungen ab. Der hohe Strom ist schädlich für die Hauptkontakte und kann zum Verschweißen der Hauptkontakte führen. In jedem Fall wird die Lebensdauer herabgesetzt. Es ist Stand der Technik, den Kondensator über Nebenkontakte sowie über einen Widerstand vorzuladen, und erst danach die Hauptkontakte zu schließen.
Ein Schaltschütz der eingangsgenannten Art ist aus DE 31 05 117 A1 bekannt. Bei diesem Schaltschütz sind die Nebenkontakte als voreilende Kontakte ausgeführt. Dies bedeutet, dass beim Einschaltvorgang durch die Bewegung des Ankers von der Ausgangslage zur Endstellung zunächst die Nebenkontakte geschlossen werden, so dass beispielsweise ein Kondensator kurzzeitig über die Nebenkontakte sowie über einen mit den Nebenkontakten verbundenen Widerstand aufgeladen werden kann. Der Anker wird jedoch von der ihn antreibenden Spule sofort weiter bewegt in die Endstellung, so dass kurze Zeit nach Schließung der Nebenkontakte auch die Hauptkontakte geschlossen werden. Ein ähnliches Schaltschütz ist zudem aus DE 103 15 243 B3 bekannt. Im Gegensatz zu dem aus DE 31 05 117 A1 bekannten Schaltschütz werden hier jedoch beim Ausschaltvorgang zunächst die Nebenkontakte und dann erst die Hauptkontakte geöffnet.
Dem aus dem Stand der Technik bekannten Schaltschützen ist gemein, dass die Zeitdauer, in welcher die Nebenkontakte bereits geschlossen sind, bevor die Hauptkontakte geschlossen werden, nicht variiert werden kann. Der Anker, der auf seinem Weg von einer Ausgangslage zur Endstellung zunächst die Nebenkontakte und dann die Hauptkontakte schließt, schaltet sozusagen von der Ausgangslage zur Endstellung durch. Eine Zwischenstellung des Ankers, in der lediglich die Nebenkontakte geschlossen sind, kann nicht kontrolliert über einen längeren Zeitraum aufrecht erhalten werden. Dies hat den Nachteil, dass die Schließung der Hauptkontakte nicht davon abhängig gemacht werden kann, welche Stromstärke sich beispielsweise nach Schließung der Nebenkontakte einstellt. Ein weiterer Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Schaltschütze der eingangsgenannten Art ist, dass die elektromagnetische Spule zum Antrieb des Ankers relativ groß dimensioniert werden muss, um den Anker von der Ausgangslage in die Endstellung zu bewegen. D. h. die Leistungsaufnahme der elektromagnetischen Spule zum Antrieb des Ankers ist relativ groß, so dass die aus dem Stand der Technik bekannten Schaltschütze eine große Verlustleistung aufweisen selbst wenn die Spule den Anker lediglich in der Endstellung hält.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, für ein Schaltschütz der eingangsgenannten Art eine Möglichkeit anzugeben, den Anker kontrolliert in der Zwischenstellung zu halten, in welcher lediglich die Nebenkontakte geschlossen sind. Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schaltschütz der eingangsgenannten Art mit deutlich reduzierter Verlustleistung anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Demnach liegt dann eine erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe vor, wenn für den elektromagnetischen Antrieb des Ankers eine Vorladespule sowie eine zusätzlich oder unabhängig von der Vorladespule bestrombare Anzugsspule vorgesehen sind, wobei das Spulenjoch derart angeordnet ist, dass die durch das von der Vorladespule erzeugte Magnetfeld auf den Anker wirkende Magnetkraft bei gleicher Bestromung der Vorladespule in der Endstellung des Ankers größer ist als in der Zwischenstellung, wobei diese Magnetkraft in der Zwischenstellung des Ankers der Rückstellkraft entspricht und in der Endstellung des Ankers größer ist als die Rückstellkraft, und wobei die Vorladespule vorgesehen ist, um den Anker von der Ausgangslage in die Zwischenstellung zu bewegen sowie in der Endstellung zu halten, und ferner die Anzugsspule vorgesehen ist, um den Anker von der Zwischenstellung in die Endstellung zu bewegen.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass der Anker kontrolliert in der Zwischenstellung gehalten werden kann, in welcher lediglich die Nebenkontakte nicht aber die Hauptkontakte geschlossen sind. Somit ist es möglich, über eine geeignete Messelektronik beispielsweise festzustellen, ob in dem durch die Nebenkontakte geschlossenen Stromkreis ein Kurzschluss vorliegt. Im Falle des Vorliegens eines Kurzschlusses kann der weitere Einschaltvorgang unterbrochen werden. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass der Anker in der Endstellung, bei welcher sowohl die Nebenkontakte als auch die Hauptkontakte geschlossen sind, von der leistungsschwachen Vorladespule gehalten werden kann, so dass die Verlustleistung des Schaltschützes relativ gering ist. Beim Einschaltvorgang muss die Anzugsspule lediglich für kurze Zeit zugeschaltet werden. Die Anzugsspule ist in der Regel leistungsstärker ausgelegt, wird aber nur für kurze Zeit betrieben.
Weitere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
So ist in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Anzugsspule der Vorladespule für den Antrieb des Ankers von der Zwischenstellung in die Endstellung zugeschaltet. Rein theoretisch wäre es auch möglich, die Vorladespule für den Antrieb des Ankers von der Zwischenstellung in die Endstellung auszuschalten und lediglich die Anzugsspule anzuschalten. In diesem Fall müsste die Anzugsspule jedoch leistungsstärker ausgelegt sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind Vorladespule und Anzugsspule konzentrisch zueinander angeordnet. Dadurch kann das von der Vorladespule erzeugte magnetische Feld von der Anzugsspule auf optimale Art und Weise verstärkt werden. Vorzugsweise umschließen Vorladespule und Anzugsspule zumindest einen Teil des Ankers. So kann eine sehr große magnetische Kraft auf dem Anker ausgeübt werden. Zudem erlaubt diese Anordnung eine platzsparende Bauweise.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind Vorladespule und Anzugsspule übereinander gewickelt, wobei die Anzugsspule die äußere Wicklung darstellt. Somit wird eine äußerst kostengünstige und einfache Herstellung des Schaltschützes ermöglicht.
Wenn in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der ohmsche Widerstand der Anzugsspule kleiner ist als der ohmsche Widerstand der Vorladespule, so ist die Leistung der Anzugsspule und damit die von der Anzugsspule erzeugte magnetische Kraft auf den Anker so groß, dass ein schneller und sicherer Einschaltvorgang gewährleistet werden kann. Vorzugsweise ist die Anzugsspule dazu aus einem dickeren Draht gewickelt als die Vorladespule.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen die Mittel zur Rückstellung des Ankers in die Ausgangslage eine erste Feder, die zwischen einem ersten Federanschlag des Ankers und einem mit dem Gehäuse verbundenen zweiten Federanschlag angeordnet ist und in jeder Position des Ankers zwischen der Ausgangslage und der Endstellung eine Rückstellkraft auf den Anker ausübt. Die erste Feder gewährleistet, dass das Schaltschütz ausgeschaltet wird, sobald die Stromzufuhr der Spulen unterbrochen ist. Vorzugsweise umfassen die Mittel zur Rückstellung des Ankers in die Ausgangslage ferner eine zweite Feder, die kürzer ist als die erste Feder und ebenfalls zwischen dem ersten Federanschlag und dem zweiten Federanschlag angeordnet ist. Die zweite Feder übt dabei keine Rückstellkraft auf den Anker aus, wenn sich der Anker zwischen der Ausgangslage und einer Position nahe der Zwischenstellung befindet. Wenn sich der Anker zwischen dieser Position nahe der Zwischenstellung und der Endstellung befindet, wird von der zweiten Feder eine Rückstellkraft auf den Anker ausgeübt. Somit ist es auf einfache Art und Weise möglich, die Rückstellkraft auf den Anker nahe der Zwischenstellung stufenförmig zu erhöhen, so dass die Vorladespule nicht ausreicht, um den Anker von der Zwischenstellung weiter in die Endstellung zu bewegen. Vorzugsweise ist dabei die zweite Feder zudem härter als die erste Feder.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind erste Feder und zweite Feder als Spiralfedern ausgeführt und konzentrisch zueinander angeordnet. Dies erlaubt einen einfachen Aufbau des erfindungsgemäßen Schaltschützes. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind ferner elektrische Widerstände mit Anschlüssen der Nebenkontakte verbunden, um die Stromstärke in einem über die Nebenkontakte geschlossenen Stromkreis zu begrenzen. Die Widerstände können dabei in das Gehäuse des Schaltschützes integriert sein. Auch ist es möglich, die Widerstände zusammen mit dem Schaltschütz in einem Stromkreis zu verschalten. Das Vorsehen der Widerstände erlaubt beispielsweise die Vorladung eines mit dem Schaltschütz verbundenen Kondensators.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Elektronik zum Einschalten und Ausschalten von Vorladespule und Anzugsspule sowie zur Messung und Überwachung einer durch die Nebenkontakte fließenden Stromstärke vorgesehen. Vorzugsweise ist die Elektronik derart beschaffen, dass die Anzugsspule, wenn die beim Einschaltvorgang in der zweiten Schaltstellung von der Elektronik gemessene Stromstärke einen ersten Schwellwert unterschreitet, von der Elektronik für eine gewisse Zeitdauer der Vorladespule zugeschaltet wird, so dass der Anker von der Zwischenstellung in die Endstellung bewegt wird, wobei die Vorladespule, wenn die von der Elektronik gemessene Stromstärke in der zweiten Schaltstellung einen zweiten Schwellwert für eine gewisse Zeitdauer überschreitet, von der Elektronik abgeschaltet wird, so dass der Anker durch die Rückstellkraft in die Ausgangslage bewegt wird. Die Elektronik erlaubt somit die Erkennung eines Kurzschlusses, in dem vom Schaltschütz geschalteten Stromkreis und verhindert, dass die Hauptkontakte bei Vorliegen eines Kurzschlusses geschlossen werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind Hauptkontakte und Nebenkontakte im Wesentlichen nebeneinander in einer Ebene angeordnet, so dass sie senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ankers ausgerichtet ist. Dies erlaubt eine äußerst kompakte Bauweise des Schaltschützes.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Schaltschütz ferner einen Kontaktbrückenträger, auf dem die Hauptkontaktbrücken und Nebenkontaktbrücken angeordnet sind, wobei der Kontaktbrückenträger mit dem Anker verbunden ist. Vorzugsweise sind die Hauptkontaktbrücken und die Nebenkontaktbrücken dabei mittels Kontaktdruckfedern federnd auf dem Kontaktbrückenträger gelagert. Durch die Kontaktdruckfedern werden die Hauptkontaktbrücken in der Endstellung des Ankers gegen die festen Hauptkontakte, sowie die Nebenkontaktbrücken in der Zwischenstellung sowie Endstellung des Ankers gegen die festen Nebenkontakte gedrückt. Die entsprechenden Kontakte sind in der jeweiligen Stellung des Ankers dadurch fest und sicher geschlossen, so dass eine Öffnung der Kontakte durch externe mechanische Lasten wie beispielsweise beim Betrieb eines Fahrzeugs auftretende Vibrationen verhindert wird. Vorzugsweise sind die Kontaktdruckfedern der Nebenkontaktbrücken länger als die Kontaktdruckfedern der Hauptkontaktbrücken, wobei der Abstand zwischen Nebenkontakten und Nebenkontaktbrücken in der ersten Schaltstellung größer ist als der Abstand zwischen Hauptkontakten und Hauptkontaktbrücken. Somit kann auf einfache Art und Weise erreicht werden, dass die Nebenkontakte in der Zwischenstelle des Ankers geschlossen sind, ohne dass dabei die Hauptkontakte ebenfalls geschlossen werden.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Hauptkontakte und die Nebenkontakte im Bereich einer gemeinsamen Lichtbogenlöscheinrichtung angeordnet. Lichtbogen treten insbesondere beim Ausschalten, also beim öffnen der Kontakte, auf und können zum Verschweißen der Kontakte führen. Durch eine Lichtbogenlöscheinrichtung kann dieser Effekt vermieden werden, so dass die Lebensdauer des Schaltschützes heraufgesetzt wird. Durch eine gemeinsame Lichtbogenlöscheinrichtung für Hauptkontakte und Nebenkontakte wird dabei eine kompakte Bauweise erreicht. Die Lichtbogenlöscheinrichtung umfasst vorzugsweise einen Löschraum mit mehreren lamellenartig angeordneten Löschblechen. Dabei kann die Wirkung der Lichtbogenlöscheinrichtung verbessert werden, wenn der Löschraum mit einem Schutzgas gefüllt ist.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ist das Schaltschütz zweipolig ausgeführt und umfasst vier Hauptkontakte sowie vier Nebenkontakte. Jeweils zwei dieser Kontakte werden dabei durch eine Kontaktbrücke geschlossen.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Schaltschützes in einer ersten Schaltstellung,
2 das erfindungsgemäße Schaltschütz aus 1 in einer zweiten Schaltstellung,
3 das erfindungsgemäße Schaltschütz gemäß den 1 und 2 in einer dritten Schaltstellung,
4 eine Draufsicht der Anordnung der Kontakte des erfindungsgemäßen Schaltschützes aus den 1 bis 3,
5 das Schaltschema eines Umrichter-Schaltkreises mit einem erfindungsgemäßen Schaltschütz gemäß den 1 bis 4, und
6 ein Schema des seitlichen Verlaufs der Spulenspannung von Vorlade- und Anzugsspule sowie der Stellung der Haupt- und Nebenkontakte während des Ein- und Ausschaltvorgangs.
Für die folgenden Ausführungen gilt, dass durch gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnet werden.
Die 1 zeigt den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Schaltschützes in einer Vorderansicht. Das Schaltschütz 1 umfasst ein nicht dargestelltes Gehäuse, in welchem alle dargestellten Bauteile untergebracht sind. Das dargestellte Schaltschütz ist zweipolig ausgeführt und umfasst pro Pol jeweils zwei fest mit dem Gehäuse verbundene Hauptkontakte 3 sowie zwei ebenfalls fest mit dem Gehäuse verbundene Nebenkontakte 5. Dabei sind jeweils zwei Hauptkontakte 3 bzw. jeweils zwei Nebenkontakte 5 in der Darstellung der 1 hintereinander angeordnet, wie in der schematischen Draufsicht auf die Anordnung der Kontakte in 4 zu erkennen ist. Einem in 1 hintereinander angeordneten Paar vom Hauptkontakten 3 ist jeweils eine Hauptkontaktbrücke 4 zugeordnet, mithilfe derer das jeweilige Paar von Hauptkontakten 3 geschlossen werden kann. Entsprechend ist einem Paar von Nebenkontakten 5 jeweils eine Nebenkontaktbrücke 6 zugeordnet. Wie aus der Draufsicht in 4 zu erkennen ist, verfügt der jeweils hintere Hauptkontakt 3 eines Hauptkontaktpaares über einen eigenen Anschluss 15. Ebenso verfügt der jeweils hintere Nebenkontakt 5 ebenfalls über einen eigenen Anschluss 16. Jedem der jeweils durch eine Hauptkontaktbrücke schließbaren Paar von Hauptkontakten 3 ist ein Paar von Nebenkontakten 5 zugeordnet, wobei für die vorderen Haupt- und Nebenkontakte jeweils ein gemeinsamer Anschluss 15/16 vorgesehen ist. Die Hauptkontaktbrücken 4 sowie die Nebenkontaktbrücken 6 sind mittels Kontaktdruckfedern 18 federnd auf einem Kontaktbrückenträger 17 gelagert, der mit einem Anker 7 fest verbunden ist. Der Anker 7 dient zur Betätigung der Haupt- und Nebenkontaktbrücken 4 und 6 und wird durch eine Vorladespule 9 und eine Anzugsspule 10 angetrieben. Ein Spulenjoch 8 dient als magnetischer Rückschluss der Vorladespule 9 sowie der Anzugsspule 10. Vorladespule 9 und Anzugsspule 10 sind konzentrisch zueinander angeordnet und umschließen den Anker 7. Zwischen einem stufenförmig ausgebildeten Anschlag 13 des Ankers 7 und dem Spulenjoch 8 sind zwei ebenfalls konzentrisch zueinander angeordnete Spiralfedern 11 und 12 angeordnet, die zur Rückstellung des Ankers 7 in die in 1 dargestellte Ausgangslage des Ankers dienen. Dabei ist der Anker in der Ausgangslage lediglich durch die erste Feder 11 in Richtung der Ausgangslage vorgespannt.
Wenn an die Vorladespule 9 eine Spannung angelegt wird, so wird von der Vorladespule 9 ein magnetisches Feld erzeugt, welches eine magnetische Kraft auf den Anker 7 bewirkt, so dass der Anker 7 mitsamt Kontaktbrückenträger 17 nach oben in eine Zwischenstellung, dargestellt in 2, angehoben wird. Diese in 2 dargestellte Zwischenstellung des Ankers 7 entspricht einer zweiten Schaltstellung des Schaltschützes 1, in welcher die Nebenkontakte 5 jeweils durch eine Nebenkontaktbrücke 6 geschlossen sind. In dieser zweiten Schaltstellung werden die Nebenkontaktbrücken 6 durch deren Kontaktdruckfedern, die etwas länger sind als die Kontaktdruckfedern der Hauptkontaktbrücken 4, gegen die Nebenkontakte 5 gedrückt. Die Hauptkontaktbrücken 4 sind in der zweiten Schaltstellung jedoch von den Hauptkontakten 3 beabstandet, so dass die Hauptkontakte 3 noch nicht geschlossen sind. In der zweiten Schaltstellung ist die erste Spiralfeder 11 bereits etwas zusammengedrückt, wodurch eine erhöhte Rückstellfederkraft auf den Anker 7 in Richtung der in 1 dargestellten Ausgangslage des Ankers ausgeübt wird. Zudem ist die zweite Spiralfeder 12 in der in 2 dargestellten zweiten Schaltstellung durch den verkürzten Abstand zwischen Spulenjoch 8 und Federanschlag 13 nun ebenfalls in Eingriff und bewirkt ebenfalls eine Rückstellkraft auf den Anker 7. In der in 2 dargestellten zweiten Schaltstellung des erfindungsgemäßen Schaltschützes 1, die der Zwischenstellung des Ankers 7 entspricht, ist die von der Vorladespule 9 auf den Anker 7 wirkende magnetische Kraft im Gleichgewicht mit der entgegengesetzt gerichteten Rückstellkraft, die durch die Federn 11 und 12 sowie durch die bereits in Eingriff befindlichen Kontaktdruckfedern 18 der Nebenkontaktbrücken 6 auf den Anker 7 ausgeübt werden. Die in 2 dargestellte zweite Schaltstellung des Schaltschützes 1 ist damit eine stabile Schaltstellung, solange eine konstante Spannung an die Vorladespule 9 angelegt ist.
Wird nun der Vorladespule 9 die Anzugsspule 10 zugeschaltet, so wird der Anker 7 von der in 2 dargestellten Zwischenstellung in die in 3 dargestellte Endstellung angehoben. In dieser Endstellung des Ankers 7 befindet sich das erfindungsgemäße Schaltschütz 1 in der dritten Schaltstellung, in welcher sowohl die Nebenkontakte 5 als auch die Hauptkontakte 3 geschlossen sind. In dieser dritten Schaltstellung kommt der Anker 7 dem Spulenjoch 8 sehr nahe. Dadurch wird auf den Anker 7 eine sehr große magnetische Kraft ausgeübt, sobald die dritte Schaltstellung erreicht ist, kann daher die Anzugsspule 10 wieder abgeschaltet werden, da das von der Vorladespule 9 erzeugte magnetische Feld ausreicht, um den Anker 7 in seiner Endstellung zu halten.
5 zeigt das Schaltschema eines Umrichter-Schaltkreises mit einem erfindungsgemäßen Schaltschütz nach den 1 bis 4. Die beiden Pole einer Gleichspannungsstromquelle 19 sind mit den gemeinsamen Anschlüssen 15/16 eines Paares zugeordneter Haupt- und Nebenkontakte verbunden. Sobald die Nebenkontakte 5 in der zweiten Schaltstellung des erfindungsgemäßen Schaltschützes geschlossen sind, fließt über die Widerstände 14 in dem äußeren Stromkreis ein Strom, wodurch der Kondensator 20, der dem Wechselrichter 21 vorgeschaltet ist, aufgeladen wird. Mithilfe einer geeigneten Elektronik kann die dabei auftretende Stromstärke gemessen bzw. überwacht werden. Sobald die Stromstärke einen gewissen Schwellwert unterschreitet, der Kondensator also hinreichend aufgeladen ist, kann das Schaltschütz 1 in die dritte Schaltstellung durchgeschaltet werden, in der die Hauptkontakte 3 ebenfalls geschlossen sind. Dadurch werden die Widerstände 14 überbrückt und es fließt nahezu kein Strom mehr über die Nebenkontakte 5. In 5 ist das Gehäuse des erfindungsgemäßen Schaltschützes 1 mit dem Bezugszeichen 2 angedeutet.
6 schließlich zeigt den seitlichen Verlauf der an die Vorladespule 9 angelegten Spannung U_SV, der an die Anzugsspule angelegten Spannung USA, sowie des Schaltzustands der Nebenkontakte 5 und der Hauptkontakte 3. Zum Zeitpunkt T₀ beginnt der Einschaltvorgang, es wird eine Spannung an die Vorladespule 9 angelegt. Mit einem gewissen zeitlichen Versatz, bedingt durch die Bewegung des Ankers, werden die Nebenkontakte 5 zum Zeitpunkt T₁ geschlossen. Zum Zeitpunkt T₂ wird die Anzugsspule der Vorladespule für eine kurze Zeitdauer zugeschaltet. Aufgrund der kurzzeitig bis zum Zeitpunkt T₄ zugeschalteten Anzugsspule wird der Anker in die Endstellung angehoben, so dass zum Zeitpunkt T₃ die Hauptkontakte 3 ebenfalls geschlossen sind. Nach dem Schließen der Hauptkontakte kann die Anzugsspule wieder abgeschaltet werden, weshalb die an die Anzugsspule angelegte Spannung USA wieder auf 0 abfällt. Zum Zeitpunkt T₅ wird der Befehl zum Abschalten abgegeben, die an die Vorladespule 9 angelegte Spannung U_SV sinkt demnach auch auf 0 ab. Durch die Rückstellfedern wird der Anker 7 wieder in seine Ausgangsstellung gebracht. Dabei werden zuerst die Hauptkontakte 3 und sodann die Nebenkontakte 5 geöffnet.
Es sei angemerkt, dass das erfindungsgemäße Schaltschütz auch bei Wechselspannungsapplikationen zum Einsatz kommen kann, beispielsweise wenn dort eine Vorladung vorgesehen ist. Das in den 1 bis 4 schematisch dargestellte Schaltschütz verfügt zudem über eine nicht dargestellte Lichtbogenlöscheinrichtung zur Löschung eines beim Ausschalten bzw. Öffnen der Hauptkontakte und Nebenkontakte entstehenden Lichtbogens.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3105117 A1 [0003, 0003]
DE 10315243 B3 [0003]

Claims

Elektrisches Schaltschütz, umfassend: ein Gehäuse; zumindest zwei feste Hauptkontakte und eine Hauptkontaktbrücke; zumindest zwei feste Nebenkontakte und eine Nebenkontaktbrücke, wobei sowohl die Hauptkontakte, die Nebenkontakte wie auch die Kontaktbrücken im Gehäuse angeordnet sind; einen zur Betätigung der Hauptkontaktbrücken und Nebenkontaktbrücken vorgesehenen Anker, wobei in einer ersten Schaltstellung sowohl die Hauptkontakte als auch die Nebenkontakte geöffnet sind und sich der Anker in einer Ausgangslage befindet, in einer zweiten Schaltstellung die Nebenkontakte geschlossen und die Hauptkontakte geöffnet sind und sich der Anker in einer Zwischenstellung befindet, und in einer dritten Schaltstellung sowohl die Nebenkontakte als auch die Hauptkontakte geschlossen sind und sich der Anker in einer Endstellung befindet; zumindest eine elektrisch bestrombare Spule für einen elektromagnetischen Antrieb des Ankers, wobei eine durch das von der Spule erzeugte Magnetfeld auf den Anker wirkende Magnetkraft den Antrieb des Ankers bewirkt; ein Spulenjoch, das einen magnetischen Rückschluss bildet; und Mittel zur Rückstellung des Ankers in die Ausgangslage, wobei eine durch die Mittel auf den Anker wirkende Rückstellkraft der durch das Magnetfeld erzeugten Magnetkraft entgegengerichtet ist und in der Endstellung größer ist als in der Zwischenstellung; dadurch gekennzeichnet, dass für den elektromagnetischen Antrieb des Ankers eine Vorladespule sowie eine zusätzlich oder unabhängig von der Vorladespule bestrombare Anzugsspule vorgesehen sind, wobei das Spulenjoch derart angeordnet ist, dass die durch das von der Vorladespule erzeugte Magnetfeld auf den Anker wirkende Magnetkraft bei gleicher Bestromung der Vorladespule in der Endstellung des Ankers größer ist als in der Zwischenstellung, wobei diese Magnetkraft in der Zwischenstellung des Ankers der Rückstellkraft entspricht und in der Endstellung des Ankers größer ist als die Rückstellkraft, und wobei die Vorladespule vorgesehen ist, um den Anker von der Ausgangslage in die Zwischenstellung zu bewegen sowie in der Endstellung zu halten, und ferner die Anzugsspule vorgesehen ist, um den Anker von der Zwischenstellung in die Endstellung zu bewegen.
Schaltschütz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzugsspule der Vorladespule für den Antrieb des Ankers von der Zwischenstellung in die Endstellung zugeschaltet ist.
Schaltschütz nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Vorladespule und Anzugsspule konzentrisch zueinander angeordnet sind und zumindest einen Teil des Ankers umschließen.
Schaltschütz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Vorladespule und Anzugsspule übereinander gewickelt sind, wobei die Anzugsspule die äußere Wicklung darstellt.
Schaltschütz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der ohmsche Widerstand der Anzugsspule kleiner ist als der ohmsche Widerstand der Vorladespule.
Schaltschütz nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzugsspule aus einem dickeren Draht gewickelt ist als die Vorladespule.
Schaltschütz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Rückstellung des Ankers in die Ausgangslage eine erste Feder umfassen, die zwischen einem ersten Federanschlag des Ankers und einem mit dem Gehäuse verbundenen zweiten Federanschlag angeordnet ist und in jeder Position des Ankers zwischen der Ausgangslage und der Endstellung eine Rückstellkraft auf den Anker ausübt.
Schaltschütz nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel ferner eine zweite Feder umfassen, die kürzer ist als die erste Feder und ebenfalls zwischen dem ersten Federanschlag und dem zweiten Federanschlag angeordnet ist, wobei die zweite Feder keine Rückstellkraft auf den Anker ausübt, wenn sich der Anker zwischen der Ausgangslage und einer Position nahe der Zwischenstellung befindet, und wobei die zweite Feder eine Rückstellkraft auf den Anker ausübt, wenn sich der Anker zwischen einer Position nahe der Zwischenstellung und der Endstellung befindet.
Schaltschütz nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Feder härter ist als die erste Feder.
Schaltschütz nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass erste Feder und zweite Feder als Spiralfedern ausgeführt und konzentrisch zueinander angeordnet sind.
Schaltschütz nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ferner elektrische Widerstände mit Anschlüssen der Nebenkontakte verbunden sind, um die Stromstärke in einem über die Nebenkontakte geschlossenen Stromkreis zu begrenzen.
Schaltschütz nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine Elektronik zum Einschalten und Ausschalten von Vorladespule und Anzugsspule sowie zur Messung und Überwachung einer durch die Nebenkontakte fließenden Stromstärke vorgesehen ist.
Schaltschütz nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzugsspule, wenn die beim Einschaltvorgang in der zweiten Schaltstellung von der Elektronik gemessene Stromstärke einen ersten Schwellwert unterschreitet, von der Elektronik für eine gewisse Zeitdauer der Vorladespule zugeschaltet wird, so dass der Anker von der Zwischenstellung in die Endstellung bewegt wird, wobei die Vorladespule, wenn die von der Elektronik gemessene Stromstärke in der zweiten Schaltstellung einen zweiten Schwellwert für eine gewisse Zeitdauer überschreitet, von der Elektronik abgeschaltet wird, so dass der Anker durch die Rückstellkraft in die Ausgangslage bewegt wird.
Schaltschütz nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Hauptkontakte und Nebenkontakte im Wesentlichen nebeneinander in einer Ebene angeordnet sind, die senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ankers ausgerichtet ist.
Schaltschütz nach einem der Ansprüche 1 bis 14, ferner umfassend einen Kontaktbrückenträger, auf dem die Hauptkontaktbrücken und Nebenkontaktbrücken angeordnet sind, wobei der Kontaktbrückenträger mit dem Anker verbunden ist.
Schaltschütz nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptkontaktbrücken und Nebenkontaktbrücken mittels Kontaktdruckfedern federnd auf dem Kontaktbrückenträger gelagert sind.
Schaltschütz nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktdruckfedern der Nebenkontaktbrücken länger sind als die Kontaktdruckfedern der Hauptkontaktbrücken, wobei der Abstand zwischen Nebenkontakten und Nebenkontaktbrücken in der ersten Schaltstellung größer ist als der Abstand zwischen Hauptkontakten und Hauptkontaktbrücken.
Schaltschütz nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass Hauptkontakte und Nebenkontakte im Bereich einer gemeinsamen Lichtbogenlöscheinrichtung angeordnet sind.
Schaltschütz nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtbogenlöscheinrichtung einen Löschraum mit mehreren lamellenartig angeordneten Löschblechen umfasst.
Schaltschütz nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Löschraum mit einem Schutzgas gefüllt ist.
Schaltschütz nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltschütz zweipolig ausgeführt ist und vier Hauptkontakte sowie vier Nebenkontakte umfasst.