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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaltschütz nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
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Das gattungsgemäße Schaltschütz weist einen elektromagnetischen Antrieb auf, wobei der Antrieb einen Anker aufweist, der bei Betätigung des Antriebs von einer Ausgangsstellung in eine angezogene Stellung bewegbar ist. Das gattungsgemäße Schaltschütz weist ferner einen mit dem Anker gekoppelten Kontaktträger auf, wobei durch Bewegung des Ankers, von der Ausgangsstellung in die angezogene Stellung, der Kontaktträger durch den Anker getrieben von einer geöffneten Stellung in eine geschlossene Stellung überführbar ist, der Kontaktträger lösbar mit dem Anker gekoppelt ist, wobei das Schaltschütz eine Entriegelungsvorrichtung aufweist, mittels der die Kopplung zwischen Anker und Kontaktträger bei angezogenem Anker gelöst werden kann, so dass der Kontaktträger unabhängig vom Anker von der geschlossenen Stellung in die geöffnete Stellung überführbar ist, und die Entriegelungsvorrichtung eine schnell arbeitende Betätigungseinrichtung und ein Verriegelungselement, welches durch die schnell arbeitende Betätigungseinrichtung von einer verriegelnden Stellung, in der das Verriegelungselement Anker und Kontaktträger miteinander koppelt, in eine entriegelnde Stellung überführbar ist. Der Kontaktträger ist mit einem oder mehreren Kontakten bestückt, die mit entsprechenden Festkontakten zusammenwirken. In der geöffneten Stellung des Kontaktträgers sind die Kontakte geöffnet, so dass der Hauptstromkreis des Schaltschützes geöffnet ist. In der geschlossenen Stellung des Kontaktträgers hingegen sind die Kontakte geschlossen, der Hauptstromkreis des Schaltschützes ist daher ebenfalls geschlossen. Im einfachsten Fall ist der Kontaktträger als einfache Kontaktbrücke ausgebildet.
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Bei dem aus der
DE 41 04 533 A1 bekannten elektrischen Schalter wird ein Kontaktelement im Falle eines Kurzschlusses von einer elektromagnetische Antriebsvorrichtung in eine geöffnete Stellung überführt.
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Aus der
DE 298 24 020 U1 ist ein Mittelspannungsschalter bekannt, dessen Kontaktträger mit einem Wirbelstromauslöser verbunden ist, der den Kontaktträger im Falle eines Kurzschlusses in eine geöffnete Stellung überführt.
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Gattungsgemäße Schaltschützte sind weit verbreitet und werden in den unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt, um kleine sowie große Lasten zu schalten. Auch das Schalten ohne Last wird oft mittels gattungsgemäßer Schaltschütze bewerkstelligt. Ein weiteres Schaltschütz ist beispielsweise aus
DE 10 2010 031 907 B9 bekannt.
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Ein Nachteil vieler gattungsgemäßer Schaltschütze ist die Trägheit Ihres elektromagnetischen Antriebs. Um das Schaltschütz abzuschalten, muss die Antriebsspule des Antriebs entregt werden. Das Abschalten des Stroms bewirkt jedoch, dass in der Spule Ströme induziert werden, was dazu führt, dass das magnetische Feld noch eine Zeitlang aufrechterhalten bleibt. Zwischen dem Abschalten des Antriebs und dem Öffnen der Kontakte besteht daher ein nicht zu vernachlässigender Zeitversatz. Die Öffnungszeit gattungsgemäßer Schütze beträgt nicht selten mehr als 100 Millisekunden. Bei den am Markt verfügbaren Schaltschützen der gattungsgemäßen Art sind Öffnungszeiten zwischen 10 Millisekunden und 150 Millisekunden zu beobachten.
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Gattungsgemäße Schaltschütze sind daher nicht als Schnellschalter geeignet. Schnellschalter werden beispielsweise benötigt, um den Laststromkreis beim Auftreten eines Kurzschlusses möglichst schnell zu öffnen, um zu verhindern, dass durch den Kurzschluss Beschädigungen hervorgerufen werden. Üblicherweise wird der Laststromkreis dazu von einer geeigneten Steuerelektronik überwacht, so dass ein ungewöhnlicher Anstieg der Stromstärke über einen vorbestimmten Stromstärkenschwellwert detektiert wird. Es ist jedoch auch möglich, die Erkennung eines Kurzschlusses an anderen Kriterien festzumachen, beispielsweise an der Geschwindigkeit des Stromanstiegs. Im Falle eines Kurzschlusses steigt die Stromstärke im Laststromkreis extrem schnell an. Um größeren Schaden zu verhindern, ist es daher unabdingbar, dass der Stromkreis nach Erreichen der vorbestimmten Schwellstromstärke oder aufgrund eines anderen Auslösekriteriums möglichst schnell geöffnet wird. Die Öffnungszeiten bekannter Schaltschütze der gattungsgemäßen Art sind zu diesem Zweck unzureichend. In vielen Fällen ist es daher notwendig, zusätzlich zum Schaltschütz einen geeigneten Schnellschalter zum Öffnen des Stromkreises vorzusehen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das Schaltschütz der gattungsgemäßen Art so weiterzubilden, dass das Schaltschütz Schnellschalteigenschaften aufweist, um den Hauptstromkreis bei Bedarf möglichst schnell öffnen zu können.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1. Demnach liegt bei einem Schaltschütz der gattungsgemäßen Art dann eine erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe vor, wenn der Kontaktträger über eine Schaltstange des Schaltschützes mit dem Anker koppelbar ist, wobei das Verriegelungselement in einer Richtung senkrecht zur Schaltstange beweglich am Anker gelagert ist, und wobei ein unteres Ende der Schaltstange auf dem Verriegelungselement aufsitzt, wenn das Verriegelungselement in der verriegelnden Stellung ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, dass die Trägheit des elektromagnetischen Antriebs des Schaltschützes beim Öffnen der Kontakte ohne Bedeutung ist, da der Kontaktträger unabhängig vom Anker in die geöffnete Stellung gebracht werden kann. Zu diesem Zweck kann eine entsprechende Rückstellvorrichtung vorgesehen sein. Im einfachsten Fall ist der Kontaktträger so ausgerichtet, dass er nach Entkoppelung vom Anker rein aufgrund der Schwerkraft automatisch in die geöffnete Stellung zurückfällt. Die Bewegung des Kontaktträgers von der geschlossenen Stellung in die geöffnete Stellung kann jedoch auch anderweitig unterstützt werden. Die erfindungsgemäße Lösung gewährleistet dabei eine konstruktiv besonders einfache und kostengünstige Ausführung des erfindungsgemäßen Schaltschützes. Ebenfalls stellt die erfindungsgemäße Lösung eine konstruktiv besonders einfache Ausführung der Entriegelungsvorrichtung dar. Durch die schnell arbeitende Betätigungseinrichtung wird gewährleistet, dass sowohl die Entkoppelung des Kontaktträgers vom Anker als auch der Öffnungsvorgang durch die Bewegung des Kontaktträgers von der geschlossenen Stellung in die geöffnete Stellung besonders rasch stattfinden.
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Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Entriegelungsvorrichtung so eingerichtet, dass die Kopplung zwischen Anker und Kontaktträger bei Erreichen einer bestimmten Schwellstromstärke im Hauptstromkreis des Schaltschützes automatisch gelöst wird. Dadurch werden Schäden, die im Hauptstromkreis aufgrund eines eventuell auftretenden Kurzschlusses entstehen könnten, wirksam verhindert. Es ist jedoch auch möglich, die Betätigung der Entriegelungsvorrichtung an einem anderen Auslösekriterium wie zum Beispiel der Geschwindigkeit des Stromanstiegs festzumachen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Kontaktträger durch eine erste Feder in Richtung der geöffneten Stellung vorgespannt. Diese Ausführungsform stellt eine besonders einfache Maßnahme dar, um den Kontaktträger nach der Entkopplung vom Anker möglichst schnell von der geschlossenen Stellung in die geöffnete Stellung zu bewegen. Dadurch wird die aufgrund der Schwerkraft resultierende Beschleunigung des Kontaktträgers unterstützt. Diese Ausführungsform ermöglicht jedoch auch, dass das Schaltschütz in jeder denkbaren Position bzw. Ausrichtung verbaut werden kann. Die Federkraft bewirkt, falls eine entsprechend starke Feder eingesetzt wird, eine Rückstellung des Kontaktträgers in die geöffnete Stellung, und zwar unabhängig davon, ob der Kontaktträger so ausgerichtet ist, dass die Schwerkraft bereits eine Bewegung des Kontaktträgers von der geschlossenen Stellung in die geöffnete Stellung bewirken würde.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Verriegelungselement dabei vorzugsweise durch eine zweite Feder in Richtung der verriegelnden Stellung vorgespannt. Dadurch wird erreicht, dass Kontaktträger und Anker automatisch wieder miteinander gekoppelt werden, wenn auch der Anker von der angezogenen Stellung in die Ausgangsstellung zurückgekehrt ist. Das Verriegelungselement wird nach Rückstellung des Ankers automatisch wieder in die verriegelnde Stellung gebracht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung basiert die schnell arbeitende Betätigungseinrichtung auf dem Prinzip der Wirbelstrominduktion, und weist hierzu eine Betätigungsspule sowie eine als Betätigungsanker dienende Aluminiumscheibe auf, in der bei Aktivierung der Betätigungsspule Wirbelströme erzeugt werden. Bei dieser Ausführungsform lassen sich besonders kurze Aktivierungszeiten für die Entriegelung erzielen. Dadurch findet auch die Entkoppelung des Kontaktträgers vom Anker besonders schnell statt. Um dabei eine besonders schnelle Beschleunigung der Betätigungseinrichtung zu erreichen, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Betätigungseinrichtung eine Kondensatorbank aufweist, von der die Betätigungsspule gespeist wird. Durch die Kondensatorbank kann kurzfristig ausreichend elektrische Energie zur Beschleunigung der Aluminiumscheibe bereitgestellt werden. Alternativ ist es auch möglich, den Kurzschlussstrom zur Bestromung der Betätigungsspule bzw. zur Aktivierung einer anderen geeigneten Betätigungseinrichtung zu nutzen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Verriegelungselement als Verriegelungszylinder ausgebildet. Dadurch ist eine einfache und kostengünstige Fertigung des Verriegelungselements möglich.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann dabei vorgesehen sein, dass das Verriegelungselement eine Bohrung aufweist, durch die das untere Ende der Schaltstange hindurch fällt, wenn das Verriegelungselement in die entriegelnde Stellung gebracht wird. Auch hierdurch wird eine konstruktiv besonders einfache und vor allen Dingen zuverlässige Entriegelung erreicht.
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Besonders bevorzugt kann dabei vorgesehen sein, dass in der Bohrung ein Absatz ausgebildet ist, auf dem das untere Ende der Schaltstange ruht, wenn sich das Verriegelungselement in der verriegelnden Stellung befindet. Dadurch wird zum einen eine besonders kompakte Bauweise möglich, zum anderen wird dadurch gewährleistet, dass die Schaltstange nach der Rückstellung des Ankers von der angezogenen Stellung in die Ausgangsstellung wieder zuverlässig mit dem Anker gekoppelt wird.
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Eine kompakte Bauweise und ein zuverlässiges Schaltverhalten wird ferner dadurch begünstigt, dass die Schaltstange koaxial zum Anker in dem Anker aufgenommen ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Schaltstange am unteren Ende verjüngt, so dass dort ein geringerer Außendurchmesser besteht als im darüber liegenden Bereich. Dadurch kann auch die Bohrung im Verriegelungselement kleiner ausgeführt werden, wodurch auch das Verriegelungselement insgesamt kompakter wird und weniger Bauraum beansprucht. Auch wird dadurch erreicht, dass das Verriegelungselement eine möglichst geringe Masse hat, wodurch insgesamt relativ wenig Energie aufgewendet werden muss, um das Verriegelungselement zur Entkopplung des Kontaktträgers vom Anker zu beschleunigen. Die Entriegelungsvorrichtung kann dadurch besonders schnell betätigt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Anker durch eine dritte Feder in Richtung der Ausgangsstellung vorgespannt. Dadurch kann der Anker nach Entregung der Antriebsspule auf besonders einfache und zuverlässige Weise von der angezogenen Stellung in die Ausgangsstellung rückgeführt werden. Eine vorteilhafte Bauweise ergibt sich dabei, wenn die Feder vorzugsweise zwischen einem oberen, dem Kontaktträger zugewandten Ende des Ankers und einem feststehenden Teil des Schaltschützes angeordnet ist, wobei die dritte Feder die Schaltstange umschließt. Eine sichere Anlage der Feder am Anker und eine kompakte Bauweise werden dabei gewährleistet, wenn die dritte Feder in einer Ringnut des Ankers aufgenommen ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Schaltschütz eine Steuerelektronik zur Erfassung des Stromverlaufs im Hauptstromkreis des Schaltschützes und zur Auslösung der Entriegelungsvorrichtung bei Erreichen einer gewissen Schwellstromstärke. Bei dieser Ausführungsform sind sämtliche Systeme zur sicheren Erkennung eines Kurzschlusses und zur Abschaltung des Hauptstromkreises in dem erfindungsgemäßen Schaltschütz integriert. Die Entriegelung kann alternativ auch direkt durch den Kurzschlussstrom ausgelöst und/oder betätigt werden, so dass die Elektronik entfallen kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Schaltschütz eine Lichtbogenlöscheinrichtung auf. Dadurch können mit dem erfindungsgemäßen Schaltschütz hohe Lasten geschaltet werden. Die erfindungsgemäß vorgesehene Schnellschaltfunktion des Schaltschützes sorgt dabei dafür, dass der beim Abschaltvorgang entstehende Schaltlichtbogen auch beim Auftreten eines Kurzschlusses zuverlässig gelöscht werden kann.
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Weiter vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Schaltschütz als Gleichspannungsschütz ausgeführt.
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Mit dem erfindungsgemäßen Schaltschütz lassen sich Öffnungszeiten von ca. 3 Millisekunden realisieren.
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Schaltschützes in einer Ausgangsstellung,
- 2: das erfindungsgemäße Schaltschütz aus 1 im geschlossenen Zustand mit dem Anker des elektromagnetischen Antriebs in einer angezogenen Stellung und dem Kontaktträger in einer geschlossenen Stellung,
- 3: das erfindungsgemäße Schaltschütz aus den 1 und 2 im geschlossenen Zustand kurz nach Betätigung der Entriegelungsvorrichtung, und
- 4: das erfindungsgemäße Schaltschütz aus den 1 - 3 im bereits geöffneten Zustand mit dem Anker in der angezogenen Stellung und dem Kontaktträger in der geöffneten Stellung.
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Für die folgenden Ausführungen gilt, dass gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sind. Sofern in einer Zeichnung Bezugszeichen enthalten sind, auf die im zugehörigen Beschreibungstext nicht näher eingegangen wird, so wird auf vorangehende oder nachfolgende Figurenbeschreibungen Bezug genommen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schaltschützes in einer Schnittansicht. Das erfindungsgemäße Schaltschütz 1 ist mit einem magnetischen Antrieb ausgerüstet, dessen Anker 2 von einer den Anker koaxial umschließenden Antriebsspule 3 angetrieben wird. Der Anker 2 ist über eine Schaltstange 11 mit einem beweglichen Kontaktträger 4 verbunden, an dem ein beweglicher Kontakt 18 des Schaltschützes gelagert ist. Zwischen dem beweglichen Kontakt 18 und dem Kontaktträger 4 sind Kontraktdruckfedern 20 vorgesehen, die bei geschlossenem Schaltschütz dafür sorgen, dass der bewegliche Kontakt 18 gleichmäßig an den beiden in der Darstellung lediglich schematisch angedeuteten Festkontakten 19 anliegt. Die beiden Festkontakte 19 sind elektrisch voneinander isoliert und werden bei geschlossenem Schaltschütz durch den beweglichen Kontakt 18 elektrisch miteinander verbunden.
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Die Schaltstange 11 ist nicht fest mit dem Anker 2 verbunden sondern lösbar mit diesem gekoppelt. Sie ist koaxial zum Anker 2 in einer Längsbohrung des Ankers aufgenommen, wobei das untere Ende 12 der Schaltstange auf einem Absatz 14 eines durch den Anker gehaltenen Verriegelungszylinders 7 aufsitzt. Der Verriegelungszylinder 7 ist in einer quer zur Längsbohrung des Ankers 2 verlaufenden zweiten Bohrung aufgenommen und in dieser axial beweglich gelagert.
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Solange der Verriegelungszylinder 7 in der in 1 gezeigten Stellung verbleibt, ist die Schaltstange 11 mit dem Anker 2 gekoppelt und bewegt sich daher mit diesem mit. Die beiden Federn 5, die zwischen zwei seitlich auskragenden Anschlägen 21 des Kontaktträgers 4 und der oberen Gehäusewand des erfindungsgemäßen Schaltschützes angeordnet sind, sorgen dafür, dass die Schaltstange mit dem unteren Ende 12 nicht abheben kann, sondern gegen den Absatz 14 des Verriegelungszylinders 7 gedrückt wird.
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Wird nun die Antriebsspule 3 des elektromagnetischen Antriebs bestromt, und der Antrieb dadurch betätigt, so bewegt sich der Anker zusammen mit der Schaltstange 11 und dem Kontaktträger 4 nach oben, bis der bewegliche Kontakt 18 mit den Festkontakten 19 in Kontakt kommt, und die Kontaktdruckfedern 20 entsprechend komprimiert werden. Der Anker 2 bewegt sich dabei von der in 1 gezeigten Ausgangsstellung in die in 2 gezeigte angezogene Stellung, in der er an dem Joch 17 des elektromagnetischen Antriebs anliegt. Gleichermaßen wird der Kontaktträger 4 von der in 1 gezeigten geöffneten Stellung in die in 2 gezeigte geschlossene Stellung überführt.
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Das Öffnen der Kontakte kann auf zweierlei Art und Weise erfolgen. Entweder wird die Antriebsspule des elektromagnetischen Antriebs einfach abgeschaltet. In diesem Fall dauert es allerdings eine Weile, bis das elektromagnetische Feld soweit abgebaut ist, dass der Anker 2 dadurch von der angezogenen Stellung in die Ausgangsstellung zurückfällt. Seine Bewegung wird dabei unterstützt durch die zwischen Joch 17 und Anker 2 angeordnete Spiralfeder 15, von der die Schaltstange 11 umschlossen ist. Die Spiralfeder 15 dient sozusagen als Rückstellfeder. Sie ist in entsprechenden Nuten 16 und 22 des Ankers bzw. des Jochs aufgenommen.
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Eine zweite Möglichkeit, die Kontakte zu öffnen, besteht bei dem erfindungsgemäßen Schaltschütz darin, Anker 2 und Schaltstange 11 voneinander zu entkoppeln. Hierzu wird der Verriegelungszylinder 7 einfach nach rechts verschoben, bis das untere Ende 12 der Schaltstange 11 nicht mehr auf dem Absatz 14 des Verriegelungszylinders aufliegt, sondern durch die im Verriegelungszylinder 7 ausgebildete Querbohrung 13 hindurchtreten kann. Der Verriegelungszylinder 7 wird hierzu von einer schnell arbeitenden Betätigungseinrichtung 6 angetrieben. Die Betätigungseinrichtung 6 basiert auf dem Prinzip der Wirbelstrominduktion und weist eine Betätigungsspule 9 sowie eine als Betätigungsanker dienende Aluminiumscheibe 10 auf, in der bei Aktivierung der Betätigungsspule Wirbelströme erzeugt werden, die zu einer elektromagnetischen Abstoßung führen, so dass die Scheibe 10 nach rechts bewegt wird. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Aluminiumscheibe 10 gegenüber der Betätigungsspule in horizontaler Richtung axial beweglich gelagert und nicht mit dem Verriegelungszylinder 7 gekoppelt. Zwischen Aluminiumscheibe und Verriegelungszylinder ist daher eine Relativbewegung in vertikaler Richtung möglich. Alternativ kann die Aluminiumscheibe auch fest mit dem Verriegelungszylinder verbunden sein. In diesem Fall ist die Aluminiumscheibe vorzugsweise oben abgeflacht, um eine Kollision mit dem Schaltergehäuse zu verhindern. Die Betätigungsspule 9 wird von einer nicht dargestellten Kondensatorbank gespeist, von der die erforderliche Antriebsenergie zur Verfügung gestellt wird.
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Der entriegelte Zustand ist in 3 dargestellt. Das untere Ende 12 der Schaltstange sitzt nun nicht mehr auf dem Absatz 14 auf, welcher in der Querbohrung 13 des Verriegelungszylinders 7 ausgebildet ist, sondern kann durch die Querbohrung 13 hindurchtreten. Kontaktträger 4 und Schaltstange 11 werden zusammen durch die beiden Federn 5 nach unten gedrückt, bis das verjüngte untere Ende 12 der Schaltstange vollständig in die Querbohrung 13 eingetaucht ist. Auf diese Weise können die Kontakte besonders schnell geöffnet werden. Realisierbar sind Öffnungszeiten von etwa 3 Millisekunden.
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Es kann sein, dass sich der Anker 2 nach dem Öffnungsvorgang selbst bei abgeschaltetem Antrieb immer noch in der angezogenen Stellung befindet, so wie es in 4 gezeigt ist. Der Kontaktträger 4 ist hingegen bereits in der geöffneten Stellung. Sobald das durch die Antriebsspule des elektromagnetischen Antriebs erzeugte magnetische Feld soweit abgebaut ist, dass die durch das magnetische Feld erzeugte Kraft nicht mehr ausreicht, um den Anker 2 in der angezogenen Stellung zu halten, kehrt auch der Anker 2 wieder in die in 1 gezeigte Ausgangsstellung zurück. Die Rückstellfeder 8 des Verriegelungszylinders 7 sorgt dabei dafür, dass sich der Verriegelungszylinder 7 nach links zurück in die verriegelnde Stellung bewegt, sobald das untere Ende 12 der Schaltstange den Absatz 14 erreicht hat. Kontaktträger 4 und Anker 2 werden dadurch automatisch wieder miteinander gekoppelt. Um das erfindungsgemäße Schaltschütz wieder einsatzbereit zu machen, muss zunächst die nicht dargestellte Kondensatorbank wieder aufgeladen werden, damit auch die schnell arbeitende Betätigungseinrichtung 6 wieder einsatzbereit ist.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die Darstellungen lediglich schematischer Natur sind. Einige Teile des erfindungsgemäßen Schaltschützes sind nicht dargestellt. Zudem wird darauf hingewiesen, dass lediglich ein Festkontaktpaar sowie ein zugehöriger beweglicher Kontakt dargestellt sind. Das erfindungsgemäße Schaltschütz kann jedoch auch mehrpolig ausgeführt sein. Auch die Lichtbogenlöscheinrichtung, die bei dem erfindungsgemäßen Schaltschütz üblicherweise vorgesehen ist, ist der Anschaulichkeit halber nicht dargestellt.
