DE102011122439A1

DE102011122439A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Schalten elektrischer Lastkreise

Info

Publication number: DE102011122439A1
Application number: DE102011122439A
Authority: DE
Inventors: Sascha Schulte
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-12-24
Filing date: 2011-12-24
Publication date: 2013-06-27
Also published as: CN104040670A; JP2015506532A; EP2795652A1; WO2013091746A1; US9111705B2; US20140347150A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schalten elektrischer Lastkreise (2), umfassend einen elektromagnetischen Schütz (1) mit einem Magnetantrieb, der aus einem Magnetjoch (1.1) mit einer Magnetspule (1.2) und einem Magnetanker (1.3) gebildet ist, an dem eine Kontaktbrücke (1.4) als beweglicher Schützkontakt über eine Kontakthalterung (1.5) angekoppelt ist, wobei der Schütz (1) im eingeschalteten Zustand eine magnetische Haltekraft (FH) zum Kontaktieren der Kontaktbrücke (1.4) mit Festkontakten (A, B) erzeugt, wobei die Haltekraft (FH) aus einem von der Magnetspule (1.2) erzeugten Magnetfeld resultiert und die Haltekraft (FH) größer ist als eine Ankeröffnungskraft (FR). Erfindungsgemäß ist in einem Erregerstromkreis (5) der Magnetspule (1.2) ein Überlastkontakt (M) derart integriert, dass bei geschlossenem Erregerstromkreis (5) und einer Bewegung der Kontaktbrücke (1.4) entgegen der magnetischen Haltekraft (FH) die Magnetspule (1.2) durch Schließen des Überlastkontaktes (M) kurzschließbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schalten elektrischer Lastkreise, umfassend einen elektromagnetischen Schütz mit einem Magnetantrieb, der aus einem Magnetjoch mit einer Magnetspule und einem Magnetanker gebildet ist, an dem eine Kontaktbrücke als beweglicher Schützkontakt über eine Kontakthalterung angekoppelt ist, wobei der Schütz im eingeschalteten Zustand eine magnetische Haltekraft zum Kontaktieren der Kontaktbrücke mit Festkontakten erzeugt, wobei die Haltekraft aus einem von der Magnetspule erzeugten Magnetfeld resultiert und die Haltekraft größer ist als eine Ankeröffnungskraft.
Aus der DE 199 47 105 C2 ist ein Verfahren und zugehörige Anordnungen zum Schalten elektrischer Lastkreise bekannt, wobei der jeweilige Lastkreis ein Schütz mit einem Magnetantrieb enthält. Der Magnetantrieb weist ein Magnetjoch mit einer Magnetspule und einem Magnetanker auf, an dem Brückenkontakte als bewegliche Schütz-Kontakte über eine Kontakthalterung angekoppelt sind, und der im Einschaltzustand eine magnetische Haltekraft zwischen Magnetjoch und Magnetanker erzeugt, die größer ist als eine Ankeröffnungskraft. Das Verfahren sieht vor, dass zum Verschweißschutz der Brückenkontakte beim Schütz-Magnetantrieb eine Schnellausschaltung erfolgt, durch die der Wert der magnetischen Haltekraft in einer Zeit, die kurz gegenüber der typischen Ausschaltzenit von Schützen ist, unterhalb des Wertes der Ankeröffnungszeit gesenkt wird, wozu durch ein Sperrmagnetfeld eine Erhöhung des magnetischen Widerstandes im Eisenkreis des Magnetantriebes und eine daraus resultierende Absenkung des Spulenmagnetfeldes herbeigeführt wird, wodurch die Kontaktbrücke als Schützhauptkontakte bleibend geöffnet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Schalten elektrischer Lastkreise anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich der Vorrichtung durch die in Anspruch 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die in Anspruch 8 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Vorrichtung zum Schalten elektrischer Lastkreise umfasst einen elektromagnetischen Schütz mit einem Magnetantrieb, der aus einem Magnetjoch mit einer Magnetspule und einem Magnetanker gebildet ist, an dem eine Kontaktbrücke als beweglicher Schützkontakt über eine Kontakthalterung angekoppelt ist, wobei der Schütz im eingeschalteten Zustand eine magnetische Haltekraft zum Kontaktieren der Kontaktbrücke mit Festkontakten erzeugt, wobei die Haltekraft aus einem von der Magnetspule erzeugten Magnetfeld resultiert und die Haltekraft größer ist als eine Ankeröffnungskraft. Erfindungsgemäß ist in einem Erregerstromkreis der Magnetspule ein Überlastkontakt derart integriert, dass bei geschlossenem Erregerstromkreis und einer Bewegung der Kontaktbrücke entgegen der magnetischen Haltekraft die Magnetspule durch Schließen des Überlastkontaktes kurzschließbar ist.
Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in vorteilhafter Weise ein Risiko einer Überlastung des Schützes bei einem Fehlerfall im Lastkreis, beispielsweise eine Belastung des Schützes mit einem Kurzschlussstrom, der ein Vielfaches eines Nennstromes des Schützes beträgt, zumindest verringert. Der Überlastkontakt, mittels welchem die Magnetspule kurzschließbar ist, vermeidet, dass bei in der Literatur als elektromagnetische Repulsion, Levitation oder Flattern bezeichnetes wiederholtes Öffnen und Schließen der Kontaktierung zwischen der Kontaktbrücke und den Festkontakten auftritt, wodurch die Kontaktbrücke durch Lichtbogenbildung zwischen demselben und den Festkontakten mit den Festkontakten verschweißt. Dadurch bleibt der Schütz selbst nach Abschalten einer Erregerspannung dauerhaft geschlossen, wodurch eine abzuschaltende Vorrichtung ungewollt weiterhin mit einer Versorgungsspannung belastet wird.
Dadurch, dass mittels der Vorrichtung ein Verschweißen der Kontaktbrücke mit den Festkontakten weitestgehend ausgeschlossen werden kann, ist eine Zerstörung des Schützes vermeidbar und es kann eine weitere Verwendung des Schützes erfolgen.
Der Erregerstromkreis ist bei einer ersten ungewollten magnetischen Abhebung der Kontaktbrücke von den Festkontakten deaktivierbar, so dass eine nochmalige Kontaktierung der Kontaktbrücke mit den Festkontakten vermieden wird.
Bevorzugt ist der Überlastkontakt durch die Kontakthalterung und ein Kontaktelement gebildet, wobei die Kontakthalterung an einer von der Kontaktbrücke abgewandten Seite eine erste Kontaktstelle aufweist und das Kontaktelement eine zweite Kontaktstelle aufweist, wobei das Kontaktelement sowohl bei mit den Festkontakten kontaktierter Kontaktbrücke als auch im ausgeschalteten Zustand des Erregerstromkreises von der Kontakthalterung beabstandet ist, Dadurch, dass der Überlastkontakt derart ausgebildet ist, ist ein separater Stromkreis innerhalb des Erregerstromkreises gebildet. Der Effekt der elektromagnetischen Repulsion ist immer mit einer mechanischen Bewegung der Kontakthalterung mit der Kontaktbrücke und dem Magnetanker verbunden, wobei diese Bewegung in besonders vorteilhafter Weise zur Anordnung der Kontaktstellen genutzt wird. Somit ist bei einem Fehlerfall im Lastkreis eine Ansteuerung der Magnetspule unterbrechbar, wodurch der Schutz vor einem Verschweißen der Kontaktbrücke mit den Festkontakten weitestgehend geschützt ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Kontaktelement als Bestandteil des Überlastkontaktes mittels des von der Magnetspule erzeugten Magnetfeldes bewegbar, so dass vorteilhaft kein weiteres Element zur Erzeugung der Bewegung des Kontaktelementes zum Kurzschließen der Magnetspule erforderlich ist.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist zwischen dem Überlastkontakt und der Magnetspule eine Schalteinheit angeordnet, mittels welcher ein Schließen des Überlastkontaktes nach dem Schließen des Erregerstromkreises und vor einem Kontaktieren der Kontaktbrücke mit den Festkontakten vermeidbar ist. Mittels der Schalteinheit, welche beispielsweise zumindest mittels eines Thyristors gebildet ist, kann vermieden werden, dass die Magnetspule trotz eines geschlossenen Überlastkontaktes nicht kurzschließbar ist. Mittels der Schalteinheit wird also zunächst ein Stromfluss zum Kurzschließen der Magnetspule verhindert.
Vorzugsweise ist im Erregerstromkreis eine Sicherung oder ein Halbleiterschaltelement angeordnet, welche bzw. welches eine Erregerspannungsquelle von der Magnetspule nach Aktivieren des Überlastkontaktes trennt. Mittels der Sicherung oder des Halbleiterschaltelementes ist in besonders vorteilhafter Weise im Wesentlichen vermieden, dass nach einer vollständigen Abschaltung des Schützes bei nach wie vor anliegender Erregerspannung der Schütz erneut aktivierbar ist, sobald der Effekt der elektromagnetischen Repulsion erneut auftritt. Die Sicherung oder das Halbleitschaltelement werden ausgelöst, wodurch der Erregerstromkreis gewollt unterbrochen wird.
In einer möglichen Ausführungsform ist die Ankeröffnungskraft mittels zumindest eines Federelementes erzeugbar, wobei das Federelement bei bestromter Magnetspule vorspannbar ist, so dass die Kontaktierung zwischen der Kontaktbrücke und der Festkontakte erfolgt, wobei die mittels des Magnetfeldes erzeugt Haltekraft, wie oben beschrieben, größer ist als die aus der Vorspannung des Federelementes resultierende Ankeröffnungskraft.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Schalten elektrischer Lastkreise, welcher einen elektromagnetischen Schütz mit einem Magnetantrieb umfasst, der aus einem Magnetjoch mit einer Magnetspule und einem Magnetanker gebildet ist, an dem eine Kontaktbrücke als beweglicher Schützkontakt über eine Kontakthalterung angekoppelt ist, wobei mittels des Schützes im eingeschalteten Zustand eine magnetische Haltekraft zum Kontaktieren der Kontaktbrücke mit Festkontakten erzeugt wird, wobei die Haltekraft aus einem von der Magnetspule erzeugten Magnetfeld resultiert und die Haltekraft größer ist als eine Ankeröffnungskraft. Erfindungsgemäß ist in einem Erregerstromkreis der Magnetspule ein Überlastkontakt derart integriert, dass bei geschlossenem Erregerstromkreis und einer Bewegung der Kontaktbrücke entgegen der magnetischen Haltekraft die Magnetspule durch Schließen des Überlastkontaktes kurzgeschlossen wird.
Besonders bevorzugt wird ein Kontaktelement zur Bildung des Überlastkontaktes mittels des von der Magnetspule erzeugten Magnetfeldes bewegt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine Schnittdarstellung eines Schützes im ausgeschalteten Zustand nach dem Stand der Technik,
2 schematisch ein Ersatzschaltbild des Schützes im ausgeschalteten Zustand gemäß 1,
3 schematisch den Schütz gemäß dem Stand der Technik im eingeschalteten Zustand,
4 schematisch ein Ersatzschaltbild des Schützes im eingeschalteten Zustand,
5 schematisch eine Schnittdarstellung eines Schützes im ausgeschalteten Zustand und einem erfindungsgemäßen Überlastkontakt,
6 schematisch ein Ersatzschaltbild des Schützes gemäß 5 mit einem geschlossenen Schutzkreis,
7 schematisch eine Schnittdarstellung des Schützes im eingeschalteten Zustand und dem Überlastkontakt,
8 schematisch ein Ersatzschaltbild des Schützes gemäß 7 und geschlossenem Schutzkreis,
9 schematisch eine Schnittdarstellung des Schützes im eingeschalteten Zustand mit dem Überlastkontakt und geöffnetem Schutzkreis,
10 schematisch einen vergrößerten Ausschnitt des Schützes mit einem zu einem Magnetanker beabstandeten Kontaktelement gemäß 9,
11 schematisch ein Ersatzschaltbild des Schützes gemäß 9 mit geöffnetem Schutzkreis,
12 schematisch eine Schnittdarstellung des Schütz mit einer sich entgegen einer Haltekraft bewegenden Kontaktbrücke,
13 schematisch einen ersten vergrößerten Ausschnitt gemäß 12,
14 schematisch einen zweiten vergrößerten Ausschnitt gemäß 12,
15 schematisch ein Ersatzschaltbild des Schützes gemäß 14 und geöffnetem Schutzkreis und
16 schematisch ein Ersatzschaltbild einer möglichen Ausführungsform des Schutzkreises.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In den 1 und 3 ist eine Schnittdarstellung eines elektromagnetischen Schützes 1 und in den 2 und 4 ist jeweils ein Ersatzschaltbild des Schützes 1 in einem Zustand gemäß den 1 und 3 gezeigt.
Der Schütz 1 kann in einem Lastkreis 2 zur Schaltung einer Last, beispielsweise eines elektrischen Verbrauchers, angeordnet sein. insbesondere ist ein derartiger Schütz 1 in einem Lastkreis 2 eines Fahrzeuges mit sehr niederohmigen Energiequellen, beispielsweise mit einer Lithium-Ionen-Batterie als sogenannte Hochvolt-Batterie, und elektrischen Verbrauchern angeordnet. Dabei ist der Schütz 1 in 1 im ausgeschalteten und in 3 im eingeschalteten Zustand dargestellt.
2 zeigt ein Ersatzschaltbild des in einem Lastkreis 2, also in einem Hauptstromkreis mit einer Glühlampe 3 als elektrischen Verbraucher, angeordneten Schützes 1 im ausgeschalteter Zustand gemäß 1. Zudem weist der Lastkreis 2, in welchem der Schütz 1 angeordnet ist, eine Spannungsquelle 4 zur Versorgung des elektrischen Verbrauchers in Form der Glühlampe 3 mit elektrischer Energie auf.
4 zeigt ein Ersatzschaltbild des Lastkreises 2 mit dem Schütz 1 im eingeschalteten Zustand gemäß 3.
Der Schütz 1 weist einen Magnetantrieb mit einem Magnetjoch 1.1, einer Magnetspule 1.2 und einem Magnetanker 1.3 auf, an dem eine Kontaktbrücke 1.4 als beweglicher Schützkontakt über eine Kontakthalterung 1.5 angeordnet ist. Zudem weist der Schütz 1 zwei Festkontakte A, B auf, welche im eingeschalteten Zustand des Schützes 1 mittels der Kontaktbrücke 1.4 kontaktiert werden, wie in der 3 näher dargestellt ist. Eine Haltekraft F_H resultiert aus einem von der Magnetspule 1.2 erzeugten Magnetfeld, wobei die Magnetspule 1.2 zur Erzeugung des Magnetfeldes mit einer Erregerspannung U_A beaufschlagt wird.
Wird die Magnetspule 1.2 nicht mehr mit der Erregerspannung U_A beaufschlagt, der Schütz 1 ist also ausgeschaltet, wird der Magnetanker 1.3 mit der Kontakthalterung 1.5 und der an dieser angeordneten Kontaktbrücke 1.4 mittels eines ersten Federelementes 1.6 in Form einer Schraubenfeder in eine geöffnete Position positioniert. In der geöffneten Position ist der Schütz 1 nicht eingeschaltet, so dass die Kontaktbrücke 1.4 und die Festkontakte A, B durch eine Rückstellkraft FR des ersten Federelementes 1.6 zueinander beabstandet sind, wie in der 1 gezeigt ist. Dabei wird die Rückstellkraft FR als Ankeröffnungskraft bezeichnet.
Im eingeschalteten Zustand des Schützes, wie 3 zeigt, ist die Kontaktbrücke 1.4 an den Festkontakten A, B des Schützes 1 angeordnet, wobei das erste Federelement 1.6 bei Bewegung des Magnetankers 1.3 mit der Kontakthalterung 1.5 und der Kontaktbrücke 1.4 in Richtung der Festkontakte A, B vorgespannt wird. Im eingeschalteten Zustand des Schützes 1 wird die Magnetspule 1.2 über ihre beiden nicht näher dargestellten elektrischen Anschlüsse mit der Erregerspannung U_A beaufschlagt, wodurch das elektrische Magnetfeld erzeugt wird.
Ein solcher Schütz 1 kann in einem Fehlerfall im Lastkreis 2 mit einem Kurzschlussstrom, also einer Überlast, belastet werden, welches ein Vielfaches seines Nennstroms beträgt. Derartige Ströme können dazu führen, dass die Kontakte A, B, 1.4 im Inneren des Schützes 1 durch elektromagnetische Kräfte geöffnet werden. D. h. die Kontaktbrücke 1.4 wird durch die entgegen der Haltekraft F wirkende Rückstellkraft FR des ersten Federelementes 1.6, also der Ankeröffnungskraft, von den Festkontakten A, B abgehoben, wodurch die Festkontakte A, B und die Kontaktbrücke 1.4 voneinander getrennt werden.
Durch das Öffnen der Kontakte A, B, 1.4 kann es zu einer schädlichen Lichtbogenbildung kommen. Dieser Lichtbogen kann die Kontakte A, B, 1.4 bis zu einer kritischen Schmelztemperatur erwärmen. Gleichzeitig sorgt eine durch den Lichtbogen verursachte Stromabsenkung für ein Nachlassen der elektromagnetischen Kräfte, ein Nachlassen der Haltekraft F_H und somit für ein erneutes Öffnen der Kontakte A, B, 1.4. Anschließend erfolgt ein erneutes Aufsetzen der Kontaktbrücke 1.4 auf die Festkontakte A, B, wodurch die Kontaktierung erneut stattfindet, so dass die Festkontakte A, B mit der Kontaktbrücke 1.4 elektrisch leitend verbunden sind. Im ungünstigsten Fall wiederholt sich dieses ungewollte Öffnen und Schließen mehrfach in schnellem Wechsel. Dieser Effekt wird in der Literatur als elektromagnetische Repulsion, Levitation oder als Flattern bezeichnet.
Das erneute Verpressen der angeschmolzenen Kontakte A, B, 1.4 durch das Aufpressen der Kontaktbrücke 1.4 durch die Haltekraft F_H auf die Festkontakte A, B lässt diese miteinander verschweißen, so dass der Schütz 1 auch nach Abschalten der Erregerspannung U_A dauerhaft geschlossen bleibt, der abzuschaltende Lastkreis 2 also weiterhin mit einer vollen Versorgungsspannung belastet wird.
Um das Risiko eines Verschmelzens der Kontaktbrücke 1.4 mit den Festkontakten A, B aufgrund der elektromagnetischen Repulsion bei einem Fehlerfall in dem Lastkreis 2 weitestgehend ausschließen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, in einen Erregerstromkreis 5 der Magnetspule 1.2 einen Überlastkontakt M zu integrieren, wie in 5 näher dargestellt ist. Mittels des Überlastkontaktes M ist die Magnetspule 1.2 des Schützes 1 bei auftretender elektromagnetischer Repulsion kurzschließbar.
Der Überlastkontakt M ist bei mit der Erregerspannung U_A beaufschlagter Magnetspule 1.2 mittels zwei Kontaktstellen K1, K2 gebildet, die über einen Draht D der Magnetspule 1.2 mit derselben verbunden sind, wodurch ein separater Stromkreis im Erregerstromkreis 5 der Magnetspule 1.2 gebildet ist.
Eine erste Kontaktstelle K1 des Überlastkontaktes M ist mittels der Kontakthalterung 1.5 und eine zweite Kontaktstelle K2 ist mittels eines Kontaktelementes 1.7 gebildet, wobei die erste Kontaktstelle K1 an einer von der Kontaktbrücke 1.4 abgewandten Seite an der Kontakthalterung 1.5 angeordnet ist.
Die zweite Kontaktstelle K2 bildet das Kontaktelement 1.7, das scheibenförmig ausgebildet sein kann und parallel zu der Kontaktbrücke 1.4 unterhalb des Magnetjochs 1.1 und unterhalb des Magnetankers 1.3 angeordnet ist.
Ist der Schütz 1 nicht eingeschaltet, d. h. die Kontaktbrücke 1.4 ist zu den Festkontakten A, B des Schützes 1 beabstandet, befindet sich das Kontaktelement 1.7 und der Magnetanker 1.3 in einer Ruhestellung, also in einer passiven Stellung.
6 zeigt ein Ersatzschaltbild des Erregerstromkreises 5 der Magnetspule 1.2 des Schützes 1 mit Überlastkontakt M und den Lastkreis 2, in dem der Schütz 1 angeordnet ist. In dem Erregerstromkreis 5 befinden sich weiterhin eine Sicherung S sowie eine zwischen der Magnetspule 1.2 und dem Überlastkontakt M angeordnete Schalteinheit SE, welche in einer möglichen Ausführungsform in 16 dargestellt ist.
Die Sicherung S dient dazu, den Erregerstromkreis 5 der Magnetspule 1.2 nach dem Kurzschließen derselben mittels des Überlastkontaktes M zu unterbrechen. Dazu ist die Sicherung S zwischen der Schalteinheit SE und einem ersten elektrischen Anschluss der Magnetspule 1.2 angeordnet, wobei die Schalteinheit SE zwischen der Sicherung S und dem Überlastkontakt M angeordnet ist.
Alternativ zur Verwendung der Sicherung S kann auch ein Halbleiterschaltelement zur Unterbrechung des Erregerstromkreises 5 in demselben angeordnet sein.
Wird die Magnetspule 1.2 mit der Erregerspannung U_A beaufschlagt, stellt sich ein Stromfluss ein, wodurch mittels der Magnetspule 1.2 ein Magnetfeld erzeugt wird. Dieses zieht den Magnetanker 1.3 mit der Kontakthalterung 1.5 und der Kontaktbrücke 1.4 in Richtung der Festkontakte A, B, wie in 7 dargestellt ist. Dadurch, dass der Überlastkontakt M durch Beaufschlagung der Magnetspule 1.2 mit der Erregerspannung U_A geschlossen wird, ist das Kontaktelement 1.7 ebenfalls magnetisch aktiviert, wodurch es sich in Richtung des Magnetankers 1.3 bewegt. Unterhalb des Kontaktelementes 1.7 ist ein zweites Federelement 1.8 angeordnet, welches sich bei Bewegung des Kontaktelementes 1.7 in Richtung des Magnetankers 1.3 vorspannt.
Je nach Ausführung der Kontaktbrücke 1.4 und des Kontaktelementes 1.7 kann sich dasselbe aufgrund seines im Vergleich zur Kontaktbrücke 1.4 geringeren Gewichtes schneller in Richtung des Magnetankers 1.3 bewegen, als sich die Kontaktbrücke 1.4 in Richtung der Festkontakte A, B bewegt. Dadurch kann der Überlastkontakt M schon während einer Einschaltphase der Magnetspule 1.2, also des Schützes 1, an den Magnetanker 1.3 gepresst werden, wie in 7 gezeigt ist. Der Zustand des geschlossenen Überlastkontaktes M in einem Ersatzschaltbild wird in 8 im geschlossenen Zustand gezeigt.
Um zu vermeiden, dass in dieser Phase ein durch die Magnetspule 1.2 fließender Spulenstrom durch den geschlossenen Überlastkontakt M kurzgeschlossen wird, ist die Schalteinheit SE in dem Erregerstromkreis 5 angeordnet, welche einen geöffneten Schaltzustand aufweist. Dadurch, dass die Schalteinheit SE geöffnet ist, wird ein kurzschließender Stromfluss durch die Magnetspule 1.2 verhindert.
9 zeigt den Schütz 1 im eingeschalteten Zustand, so dass die Kontaktbrücke 1.4 an den Festkontakten A, B angeordnet ist und der Lastkreis 2 geschlossen ist.
Eine Bewegung des Kontaktelementes 1.7 in Richtung des Magnetankers 1.3 ist mittels des Magnetjochs 1.1, welches einen Eisenkern der Magnetspule 1.2 bildet, begrenzt, da das Magnetjoch 1.1 derart ausgebildet ist, dass dieses einen Anschlag in Form einer mechanischen Sperre für das Kontaktelement 1.7 bildet.
Das Kontaktelement 1.7 befindet sich an dem durch das Magnetjoch 1.1 gebildeten Anschlag, so dass das Kontaktelement 1.7 einen vorgebbaren Abstand zu dem Magnetanker 1.3 aufweist, wie in 10 in einem vergrößerten Ausschnitt im Detail gezeigt wird. Durch die Vorgabe des Abstandes zwischen dem Magnetanker 1.3, wenn die Kontaktbrücke 1.4 an den Festkontakten A, B angeordnet ist, und dem Kontaktelement 1.7, welches an dem Magnetjoch 1.1 anliegt, kann eine Empfindlichkeit des Überlastkontaktes M als Schutzmechanismus sowohl für den Schutz 1 als auch für den Lastkreis 2, in dem der Schütz 1 angeordnet ist, eingestellt werden.
Dadurch, dass das Kontaktelement 1.7 nicht mit dem Magnetanker 1.3 kontaktiert, ist der Überlastkontakt M nicht geschlossen, die Magnetspule 1.2 wird also nicht kurzgeschlossen.
11 zeigt ein Ersatzschaltbild des Erregerstromkreises 5 der Magnetspule 1.2, wobei der Lastkreis 2, also der Hauptstromkreis, geschlossen ist, der Überlastkontakt M ist, wie oben beschrieben, nicht geschlossen. In diesem Zustand wird die Schalteinheit SE aktiviert, welche dadurch einen geschlossenen Zustand einnimmt. Dadurch, dass der Überlastkontakt M nicht geschlossen ist, hat die Aktivierung der Schalteinheit SE zunächst keine Folgen.
Tritt im Betrieb des Schützes 1 die elektromagnetische Repulsion auf, wie in 12 und 13 dargestellt ist, kommt es zu einem ungewollten Abheben der Kontaktbrücke 1.4 von den Festkontakten A, B. Die Kontaktbrücke 1.4 bewegt sich also in Richtung der Magnetspule 1.2 und wird soweit ausgelenkt, dass sich der Magnetanker 1.3 in Richtung des an dem Magnetjoch 1.1 anliegenden Kontaktelementes 1.7 bewegt bis der Magnetanker 1.3 mit dem Kontaktelement 1.7 kontaktiert. Dadurch wird der Überlastkontakt M geschlossen, wie in dem Ersatzschaltbild gemäß 15 gezeigt wird.
Die 13 und 14 zeigen jeweils einen vergrößerten Ausschnitt, wobei in 13 das magnetische Abheben der Kontaktbrücke 1.4 von den Festkontakten A, B und in 14 ein Schließen des Überlastkontaktes M durch Kontaktierung des Kontaktelementes 1.7 mit dem Magnetanker 1.3 dargestellt wird.
Da die Schalteinheit SE aktiviert ist, wird die Magnetspule 1.2 bei Schließen des Überlastkontaktes M kurzgeschlossen. Die Magnetspule 1.2 wird nicht mehr bestromt, so dass kein Magnetfeld erzeugt wird und die Kontaktbrücke 1.4 mittels der Kontakthalterung 1.5 und dem Magnetanker 1.3 durch die Vorspannung des ersten Federelementes 1.6 in die geöffnete Position bewegt wird. In dieser Position ist die Kontaktbrücke 1.4 von den Festkontakten A, B beabstandet, wie im ausgeschalteten Zustand des Schützes 1.
Dadurch, dass der Überlastkontakt M beim Auftreten elektromagnetischer Repulsion geschlossen wird, und somit die Magnetspule 1.2 kurzschließbar ist, werden ein Aufschmelzen an der Kontaktbrücke 1.4 und den Festkontakten A, B sowie ein Verschweißen der Kontaktbrücke 1.4 mit den Festkontakten A, B durch Lichtbogenbildung vermieden.
Der Erregerstromkreis 5 der Magnetspule 1.2 des Schützes 1 wird bei einem ersten Vorgang des magnetischen Abhebens der Kontaktbrücke 1.4 von den Festkontakten A, B deaktiviert, so dass kein Magnetfeld erzeugt wird und dadurch die Kontaktbrücke 1.4 nicht an die Festkontakte A, B gepresst werden kann.
In Abhängigkeit der Ausführung des Erregerstromkreises 5 der Magnetspule 1.2 kann ein Kurzschlusspfad über den Überlastkontakt M und die Schalteinheit SE auch die Erregerspannung U_A kurzschließen, wodurch aber ungewollte Effekte in dem Lastkreis 2, also einer externen Beschaltung, auftreten können. Zur Vermeidung der ungewollten Effekte ist die Sicherung S oder das Halbleiterschaltelement in dem Erregerstromkreis 5 angeordnet.
Sowohl bei Kurzschließen der Magnetspule 1.2 als auch bei Kurzschließen der Erregerspannung U_A wird vermieden, dass nach vollständiger Abschaltung des Schützes 1 und weiterhin anliegender Erregerspannung U_A der Schütz 1 erneut aktiviert wird, sobald der Schutz 1 seine Ausgangssituation gemäß 5 aufweist.
In 16 ist eine mögliche Ausführungsform der Schalteinheit SE zur Sperrung des Stromflusses im Erregerstromkreis 5 der Magnetspule 1.2 dargestellt.
Die Schalteinheit SE in Form einer Schutzkreis-Steuerschaltung unterdrückt eine frühzeitige Aktivierung des Überlastkontaktes M als Schutzkreis durch eine elektronische Maßnahme.
Grundsätzlich eignet sich als Schalteinheit SE jede Standardschaltung für elektronische Halteschaltkreise sowohl in analoger als auch in digitaler Form.
16 zeigt im Detail den Erregerstromkreis 5 der Magnetspule 1.2 und den aktivierten, d. h. den geschlossenen Überlastkontakt M. Zudem sind ein Thyristor T und ein hochohmiger Lastwiderstand R in dem Erregerstromkreis 5 angeordnet.
Der Thyristor T als leistungselektronisches Standardbauteil ist in einem neutralen Zustand den Stromfluss in eine Richtung sperrend ausgeführt, so dass die frühzeitige Aktivierung des Überlastkontaktes M vermeidbar ist. Mittels eines Signalimpulses in Form eines Spannungssignals U_Sig wird der Thyristor T aktiviert, wodurch derselbe in einen leitenden Zustand versetzt wird und der Thyristor den Stromfluss nicht mehr sperrt. Dieser leitende Zustand wird solange selbsttätig aufrechterhalten, wie ein vorgegebener minimaler Strom durch den Thyristor T fließt.
Dieser Strom wird bei nicht geschlossenem Überlastkontakt M über den hochohmigen Lastwiderstand R geführt, wobei zu beachten ist, dass der Strom so klein ist, dass der Erregerstromkreis 5, d. h. die Induktivität der Magnetspule 1.2, nicht beeinträchtigt wird.
Mittels des Überlastkontaktes M als Schutzkreis innerhalb des Lastkreises 2 und der Schalteinheit SE wird ermöglicht, dass der Schütz 1 selbsttätig und ohne Verzögerung auf eine durch die elektromagnetische Repulsion bedingte mechanische Bewegung des Magnetankers 1.3 als Schaltvorgang reagiert, wodurch die Magnetspule 1.2 des Schützes 1 abgeschaltet wird. Dadurch wird im Wesentlichen vermieden, dass die Kontaktbrücke 1.4 mit den Festkontakten A, B durch Lichtbogenbildung verschweißt, so dass der Erregerstromkreis 5 dauerhaft geschlossen bleibt und der abzuschaltende Lastkreis 2 weiterhin mit seiner Versorgungsspannung belastet wird.
Bezugszeichenliste

1: Schütz
1.1: Magnetjoch
1.2: Magnetspule
1.3: Magnetanker
1.4: Kontaktbrücke
1.5: Kontakthalterung
1.6: erstes Federelement
1.7: Kontaktelement
1.8: zweites Federelement
2: Lastkreis
3: Glühlampe
4: Spannungsquelle
5: Erregerstromkreis
A: Festkontakt
B: Festkontakt
D: Draht
M: Überlastkontakt
R: Lastwiderstand
S: Sicherung
SE: Schalteinheit
K1: erste Kontaktstelle
K2: zweite Kontaktstelle
F_H: Haltekraft
F_R: Rückstellkraft, Ankeröffnungskraft
U_A: Erregerspannung
U_Sig: Spannungssignal
T: Thyristor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19947105 C2 [0002]

Claims

Vorrichtung zum Schalten elektrischer Lastkreise (2), umfassend einen elektromagnetischen Schütz (1) mit einem Magnetantrieb, der aus einem Magnetjoch (1.1) mit einer Magnetspule (1.2) und einem Magnetanker (1.3) gebildet ist, an dem eine Kontaktbrücke (1.4) als beweglicher Schützkontakt über eine Kontakthalterung (1.5) angekoppelt ist, wobei der Schütz (1) im eingeschalteten Zustand eine magnetische Haltekraft (F_H) zum Kontaktieren der Kontaktbrücke (1.4) mit Festkontakten (A, B) erzeugt, wobei die Haltekraft (F_H) aus einem von der Magnetspule (1.2) erzeugten Magnetfeld resultiert und die Haltekraft (F_H) größer ist als eine Ankeröffnungskraft (F_R), dadurch gekennzeichnet, dass in einem Erregerstromkreis (5) der Magnetspule (1.2) ein Überlastkontakt (M) derart integriert ist, dass bei geschlossenem Erregerstromkreis (5) und einer Bewegung der Kontaktbrücke (1.4) entgegen der magnetischen Haltekraft (F_H) die Magnetspule (1.2) durch Schließen des Überlastkontaktes (M) kurzschließbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlastkontakt (M) durch die Kontakthalterung (1.5) und ein Kontaktelement (1.7) gebildet ist, wobei die Kontakthalterung (1.5) an einer von der Kontaktbrücke (1.4) abgewandten Seite eine erste Kontaktstelle (K1) aufweist und das Kontaktelement (1.7) sowohl bei mit den Festkontakten (A, B) kontaktierter Kontaktbrücke (1.4) als auch im ausgeschalteten Zustand des Erregerstromkreises (5) von der Kontakthalterung (1.5) beabstandet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei mit den Festkontakten (A, B) kontaktierter Kontaktbrücke (1.4) das Kontaktelement (1.7) am Magnetjoch (1.1) anliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (1.7) mittels des von der Magnetspule (1.2) erzeugten Magnetfeldes bewegbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Überlastkontakt (M) und der Magnetspule (1.2) eine Schalteinheit (SE) angeordnet ist, mittels welcher ein Schließen des Überlastkontaktes (M) nach dem Schließen des Erregerstromkreises (5) und vor einem Kontaktieren der Kontaktbrücke (1.4) mit den Festkontakten (A, B) vermeidbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (SE) zumindest aus einem Thyristor (T) gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Erregerstromkreis (5) eine Sicherung (S) oder ein Halbleiterschaltelement angeordnet ist, welche bzw. welches eine Erregerspannungsquelle von der Magnetspule (1.2) nach Aktivieren des Überlastkontaktes (M) trennt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankeröffnungskraft (F_R) mittels zumindest eines Federelementes (1.6) erzeugbar ist.
Verfahren zum Schalten elektrischer Lastkreise (2), umfassend einen elektromagnetischen Schütz (1) mit einem Magnetantrieb, der aus einem Magnetjoch (1.1) mit einer Magnetspule (1.2) und einem Magnetanker (1.3) gebildet ist, an dem eine Kontaktbrücke (1.4) als beweglicher Schützkontakt über eine Kontakthalterung (1.5) angekoppelt ist, wobei mittels des Schützes (1) im eingeschalteten Zustand eine magnetische Haltekraft (F_H) zum Kontaktieren der Kontaktbrücke (1.4) mit Festkontakten (A, B) erzeugt wird, wobei die Haltekraft (F_H) aus einem von der Magnetspule (1.2) erzeugten Magnetfeld resultiert und die Haltekraft (F_H) größer ist als eine Ankeröffnungskraft (F_R), dadurch gekennzeichnet, dass in einem Erregerstromkreis (5) der Magnetspule (1.2) ein Überlastkontakt (M) derart integriert ist, dass bei geschlossenem Erregerstromkreis (5) und einer Bewegung der Kontaktbrücke (1.4) entgegen der magnetischen Haltekraft (F_H) die Magnetspule (1.2) durch Schließen des Überlastkontaktes (M) kurzgeschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontaktelement (1.7) zur Bildung des Überlastkontaktes (M) mittels des von der Magnetspule (1.2) erzeugten Magnetfeldes bewegt wird.