DE102015203778A1

DE102015203778A1 - Elektromechanisches Schutzschaltgerät und Anordnung

Info

Publication number: DE102015203778A1
Application number: DE102015203778.9A
Authority: DE
Inventors: Vinod Gideon Dhanraj; Florian Festl; Sebastian Schaich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-03-03
Filing date: 2015-03-03
Publication date: 2016-09-08
Anticipated expiration: 2035-03-04
Also published as: DE102015203778B4

Abstract

Das erfindungsgemäße elektromechanische Schutzschaltgerät (1), welches insbesondere als Fehlerstrom- oder Störlichtbogen-Schutzschaltgerät ausgebildet ist, weist eine Koppeleinrichtung (10) zur mechanischen Übertragung einer Drehbewegung an ein mit dem Schutzschaltgerät (1) koppelbares weiteres Schutzschaltgerät (100) auf. Dabei weist die Koppeleinrichtung (10) ihrerseits einen Elektromagneten (12) zur Erzeugung eines Magnetfeldes (15) sowie ein drehbar gelagertes Koppelelement (11), welches mit dem Magnetfeld (15) in Wirkverbindung steht, auf. Aus dem Magnetfeld (15) resultiert dabei ein derart auf das Koppelelement (11) wirkendes Drehmoment, dass das Koppelelement (11) bei unbestromtem Elektromagneten (12) eine statische erste Drehwinkellage einnimmt, und bei bestromtem Elektromagneten (12) eine statische zweite Drehwinkellage einnimmt. Das von dem Elektromagneten (12) erzeugte Magnetfeld wirkt dabei direkt und unmittelbar – d. h. ohne die sonst üblichen zusätzlichen, mechanischen Übertragungskomponenten, wie beispielsweise eines in Längsrichtung der Magnetspule linear verschiebbaren Stößels – auf das Koppelelement (11). Auf diese Weise kann einerseits die Teileanzahl – und damit die Komplexität – der Koppeleinrichtung (11) – und damit des Schutzschaltgerätes (1) – reduziert werden. Andererseits entfällt hierdurch der für diese Bauteile benötigte Platzbedarf im Inneren des Gehäuses (2) des Schutzschaltgerätes (1), so dass der für die Koppeleinrichtung (10) benötigte Platzbedarf vergleichsweise gering gehalten werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Schutzschaltgerät, insbesondere ein Fehlerstrom- oder Störlichtbogen-Schutzschaltgerät, welches eine Koppeleinrichtung zur mechanischen Übertragung einer Drehbewegung an ein mit dem Schutzschaltgerät koppelbares weiteres Schutzschaltgerät aufweist. Die Koppeleinrichtung weist ihrerseits einen Elektromagneten zur Erzeugung eines Magnetfeldes sowie ein drehbar gelagertes Koppelelement, welches mit dem Magnetfeld in Wirkverbindung steht, auf. Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung, aufweisend ein erstes Schutzschaltgerät, insbesondere ein Fehlerstrom- oder Störlichtbogen-Schutzschaltgerät, sowie ein mit dem ersten Schutzschaltgerät mechanisch gekoppeltes weiteres Schutzschaltgerät, insbesondere ein Leitungsschutzschalter.
Schutzschaltgeräte – beispielsweise Leistungsschalter, Leitungsschutzschalter, Fehlerstromschutzschalter oder Lichtbogen- bzw. Brandschutzschalter – werden insbesondere als Schalt- und Sicherheitselemente in elektrischen Energieversorgungsnetzen eingesetzt. Leistungsschalter sind speziell für hohe Ströme ausgelegt. Ein Leitungsschutzschalter, welcher auch als „Miniature Circuit Breaker” (MCB) bezeichnet wird, ist eine Überstromschutzeinrichtung in der Elektroinstallation und wird insbesondere im Bereich der Niederspannungsnetze eingesetzt. Leistungsschalter und Leitungsschutzschalter garantieren ein sicheres Abschalten bei Kurzschluss und schützen Verbraucher und Anlagen vor Überlast. Sie schützen beispielsweise Leitungen vor Beschädigung durch zu starke Erwärmung in Folge eines zu hohen elektrischen Stromes.
Ein Fehlerstromschutzschalter ist eine Schutzeinrichtung zur Gewährleistung eines Schutzes gegen einen gefährlichen Fehlerstrom in einer elektrischen Anlage. Ein derartiger Fehlerstrom, welcher auch als Differenzstrom bezeichnet wird, tritt auf, wenn ein spannungsführendes Leitungsteil einen elektrischen Kontakt gegen Erde aufweist. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn eine Person ein spannungsführendes Teil einer elektrischen Anlage berührt: in diesem Fall fließt der Strom als Fehlerstrom durch den Körper der betreffenden Person gegen die Erdung ab. Zum Schutz gegen derartige Körperströme muss der Fehlerstromschutzschalter bei Auftreten eines derartigen Fehlerstroms die elektrische Anlage schnell und sicher allpolig vom Leitungsnetz trennen. Im Allgemeinen Sprachgebrauch werden anstelle des Begriffs „Fehlerstromschutzschalter” auch die Begriffe FI-Schutzschalter (kurz: FI-Schalter), Differenzstromschutzschalter (kurz: DI-Schalter) oder RCD (für „Residual Current Protective Device”) gleichwertig verwendet.
Unter dem Begriff „Brandschutzschalter” wird in der Elektroinstallationstechnik eine Schutzeinrichtung zum Schutz vor einem durch einen Störlichtbögen hervorgerufenen Fehlerstrom verstanden. Derartige Störlichtbogen-Schutzeinrichtungen werden in Niederspannungsnetzen eingesetzt, um die elektrische Installationstechnik vor Beschädigung durch einen Fehlerstrom aufgrund eines Störlichtbogens sowie vor dessen thermischen Folgen – beispielsweise Kabelbränden – zu schützen. Ein Störlichtbogen kann beispielsweise an einer defekten Stelle einer elektrischen Leitung, z. B. einer lockeren Kabelklemme, oder aufgrund eines Kabelbruchs auftreten. Tritt der Störlichtbogen elektrisch in Reihe zu einem elektrischen Verbraucher auf, so wird der normale Betriebsstrom im Regelfall nicht überschritten, da er durch den Verbraucher begrenzt wird. Aus diesem Grund wird der Störlichtbogen von einer herkömmlichen Überstromschutzeinrichtung, beispielsweise einer Schmelzsicherung oder eines Leitungsschutzschalters, nicht erfasst. Dies ist insbesondere bei hohen Betriebsströmen sowie bei über längere Zeit bestehenden Störlichtbögen problematisch, da in diesen Fällen aufgrund der mit dem Lichtbogen einhergehenden hohen Temperaturen die Gefahr eines Brandes besteht.
Zur Ermittlung, ob ein Störlichtbogen vorliegt, werden durch den Brandschutzschalter der Spannungsverlauf sowie der Stromverlauf über die Zeit gemessen und mittels digitaler Signalverarbeitung ausgewertet. Insbesondere der Stromverlauf weist bei einem Störlichtbogen charakteristische, hochfrequente Anteile auf. Bei der Auswertung ist jedoch zu beachten, dass reguläre Schwankungen im Stromverlauf sowie im normalen Betrieb auftretende Oberschwingungen oder transiente Stromverläufe, wie sie bei einem Einschaltvorgang eines Verbrauchers auftreten, nicht zu einer fehlerhaften Auslösung des Brandschutzschalters führen. Aus diesem Grund weisen Brandschutzschalter relativ komplexe Algorithmen zur Überwachung der Elektroinstallation sowie zum Detektieren möglicher Störlichtbögen auf.
In der (englischsprachigen) Fachliteratur werden derartige Einrichtungen zur Erfassung von Störlichtbögen als „Arc Fault Detection Device” (abgekürzt AFDD) bezeichnet. Im nordamerikanischen Raum, wo der sogenannte UL-Standard (Underwriters laboratories, Norm mit 110 V Netzspannung) vorherrscht, ist die Bezeichnung „Arc Fault Circuit Interrupter” (abgekürzt AFCI) geläufig. In den Vereinigten Staaten sind Lichtbogenschutzschalter sogar zwingend vorgeschrieben, um anhand vorbestimmter Kriterien zu erfassen, ob möglicherweise ein Lichtbogen in einem Stromkreis vorliegt. Die dort verwendeten Lichtbogenschutzschalter weisen hierzu einen eigenen Trennkontakt auf, der im Falle des Vorliegens eines Lichtbogens geöffnet wird. Die in diesen Lichtbogenschutzschaltern verwendeten Prinzipien sind beispielsweise in den US-Patentschriften US 5,729,145 sowie US 6,031,699 beschrieben.
In den meisten europäischen Ländern, welche den IEC-Standard (International Electrotechnical Commission, Norm mit einer Netzspannung von 230 V) verbindlich vorschreiben, sind Lichtbogenschutzschalter nicht zwingend erforderlich. Stromkreise in IEC-Technik werden bis dato zumeist mit Hilfe von Fehlerschutzstromschaltern sowie Leitungsschutzschaltern abgesichert. Ein Schutz vor Störlichtbögen ist mit den genannten Schutzschaltgeräten jedoch nicht realisierbar.
Um dennoch einen wirksamen Schutz vor Störlichtbögen zu realisieren, werden auch hierzulande vermehrt Schutzschalter gegen Störlichtbögen, sog. Brandschutzschalter, eingesetzt. Im Gegensatz zu den auf dem US-Markt erhältlichen Modellen verfügen diese Brandschutzschalter jedoch in der Regel über keine eigenen Trennkontakte, sondern werden zumeist als eigenständige Baugruppe, dem sogenannten AFD-Block, mit einer weiteren Schutzeinrichtung, beispielsweise einem Leitungsschutzschalter (sog. LS-Schalter) oder einem kombinierten Leitungsschutz-/Fehlerstromschutzschalter (sog. FI/LS-Schalter), kombiniert. Diese Kombination der beiden Geräte bildet dann das Schutzschaltgerät AFDD. In der Niederspannungs-Elektroinstallationstechnik werden derartige Schutzschaltgeräte – d. h. Leitungsschutzschalter, Fehlerstromschutzschalter oder Kombigeräte wie FI/LS oder AFDD – auch als „Reiheneinbaugeräte” bezeichnet. Dieser Begriff rührt daher, dass in einem Elektroinstallationsverteiler oftmals eine Vielzahl derartiger Reiheneinbaugeräte nebeneinander „in einer Reihe” angeordnet ist.
Bei der Kombination eines ersten Schutzschaltgerätes, beispielsweise eines Fehlerstromschutzschalters oder eines Brandschutzschalters, mit einem weiteren Schutzschaltgerät, beispielsweise einem Leitungsschutzschalter oder einem kombinierten Leitungsschutz-/Fehlerstromschutzschalter, ist zum einen eine elektrische Verbindung der beiden Schutzschaltgeräte erforderlich, um eine gemeinsame Einspeisung zu realisieren. Hierzu weist das erste Schutzschaltgerät in der Regel bereits elektrische Verbindungsmittel auf, welche aus dem Gehäuse des ersten Schutzschaltgerätes herausgeführt sind, um mit den Anschlussklemmen des weiteren Schutzschaltgerätes elektrisch leitend verbunden zu werden.
Zum Anderen weist das erste Schutzschaltgerät auch eine mechanische Kopplung mit dem weiteren Schutzschaltgerät auf, um ein auf Basis eines detektierten Fehlerstroms generiertes Auslösesignal von dem ersten Schutzschaltgerät mechanisch an das weitere Schutzschaltgerät zu übertragen, so dass beim Auslösen des ersten Schutzschaltgerätes durch Öffnen der Trennkontakte des weiteren Schutzschaltgerätes eine Unterbrechung des zu überwachenden Stromkreises bewirkt wird. Hierzu weist das erste Schutzschaltgerät ein mechanisches Koppelelement auf, über das eine Dreh- oder Linearbewegung auf ein mechanisches Element des weiteren Schutzschaltgerätes übertragen wird. Aufgrund der Betätigung des mechanischen Elements wird die Auslösung einer Schaltmechanik des weiteren Schutzschaltgerätes initiiert, wodurch dann die die Trennkontakte des weiteren Schutzschaltgerätes geöffnet werden, um die zu überwachende elektrische Leitung zu unterbrechen.
Hierbei ist jedoch zu beachten, dass für eine sichere Auslösung des weiteren Schutzschaltgerätes zum Einen ein vordefinierter Mindestwert für die Dreh- oder Linearbewegung der Koppeleinrichtung gefordert ist, um ein Auslösen der Schaltmechanik des weiteren Schutzschaltgerätes sicher zu gewährleisten. Zum Anderen darf ein vordefinierter Maximalwert dieser Dreh- oder Linearbewegung nicht überschritten werden, um eine Beschädigung der Koppeleinrichtung oder der Schaltmechanik des weiteren Schutzschaltgerätes zu vermeiden. Weiterhin ist zu beachten, dass die Platzverhältnisse im Inneren des Gehäuses eines derartigen Schutzschaltgerätes stark begrenzt sind, weswegen entsprechend wenig Platz für die einzelnen Komponenten des Schutzschaltgerätes zur Verfügung steht. Dennoch muss die Koppeleinrichtung ein vordefiniertes Mindest-Drehmoment bereitstellen, um ein sicheres Auslösen des weiteren Schutzschaltgerätes zu gewährleisten.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Schutzschaltgerät sowie eine Anordnung mit einem derartigen Schutzschaltgerät bereitzustellen, welches die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise überwindet und ein sicheres Auslösen des mit dem ersten Schutzschaltgerät gekoppelten weiteren Schutzschaltgerätes zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird durch das elektromechanische Schutzschaltgerät sowie durch die Anordnung – bestehend aus einem ersten Schutzschaltgerät sowie einen mit diesem gekoppelten weiteren Schutzschaltgerät – gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße elektromechanische Schutzschaltgerät, welches insbesondere als Fehlerstrom- oder Störlichtbogen-Schutzschaltgerät ausgebildet ist, weist eine Koppeleinrichtung zur mechanischen Übertragung einer Drehbewegung an ein mit dem Schutzschaltgerät koppelbares weiteres Schutzschaltgerät auf. Dabei weist die Koppeleinrichtung ihrerseits einen Elektromagneten zur Erzeugung eines Magnetfeldes sowie ein drehbar gelagertes Koppelelement, welches mit dem Magnetfeld in Wirkverbindung steht, auf. Aus dem Magnetfeld resultiert dabei ein derart auf das Koppelelement wirkendes Drehmoment, dass das Koppelelement bei unbestromtem Elektromagneten eine statische erste Drehwinkellage einnimmt, und bei bestromtem Elektromagneten eine statische zweite Drehwinkellage einnimmt.
Das Koppelelement wird aufgrund des von dem Elektromagneten erzeugten Magnetfeldes mit einem Drehmoment beaufschlagt, welches das Koppelelement von seiner ersten Drehwinkellage in seine zweite Drehwinkellage drängt. Die statische erste Drehwinkellage entspricht dabei einer Ruheposition, welche das Koppelelement in einem auslösebereiten Zustand des Schutzschaltgerätes einnimmt, während die, von der ersten Drehwinkellage verschiedene, statische zweite Drehwinkellage einer Position entspricht, welche das Koppelelement in einem ausgelösten Zustand des Schutzschaltgerätes, in dem der Elektromagnet bestromt ist, einnimmt. Dabei wird das von dem Elektromagneten erzeugte Magnetfeld direkt und unmittelbar – d. h. ohne die sonst üblichen zusätzlichen, mechanischen Übertragungskomponenten, wie beispielsweise eines in Längsrichtung der Magnetspule linear verschiebbaren Stößels – auf das Koppelelement. Auf diese Weise kann zum einen die Teileanzahl – und damit die Komplexität – der Koppeleinrichtung reduziert werden. Weiterhin entfällt hiermit der für diese Bauteile benötigte Platzbedarf im Inneren des Gehäuses des Schutzschaltgerätes, so dass der für die Koppeleinrichtung benötigte Platzbedarf vergleichsweise gering gehalten werden kann.
Die Begriffe „statische erste Drehwinkellage” und statische zweite Drehwinkellage” bezeichnen ruhende Endpositionen des Koppelelements, zwischen denen das Koppelelement durch abwechselndes Bestromen oder stromfrei-Schalten des Elektromagneten bewegen werden kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Schutzschaltgerätes weist der Elektromagnet eine Magnetspule sowie einem Magnetkern auf, welcher derart geformt ist, dass das von der bestromten Magnetspule erzeugte Magnetfeld in Richtung des Koppelelementes geführt ist.
Magnetspule und Magnetkern binden einen sogenannten magnetischen Kreis, welcher derart geformt ist, dass das das Koppelelement darin drehbar angeordnet ist. Vorteilhafter Weise sind der Magnetkern sowie das Koppelelement aus einem Material gebildet, welches eine hohe magnetische Permeabilität aufweist. Durch diese Anordnung wird die magnetische Flussdichte erhöht und das Magnetfeld auf den räumlichen Bereich des Koppelements konzentriert, wodurch das aus dem Magnetfeld resultierende und auf das Koppelelement wirkende Drehmoment verstärkt wird. Damit kann die Koppeleinrichtung – bei gleichem Drehmoment – kompakter gestaltet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Schutzschaltgerätes ist der Magnetkern im Wesentlichen u-förmig gestaltet und weist einen ersten Schenkel, einen zweiten Schenkel sowie einen die beiden Schenkel verbindenden Verbindungsbereich, an dem die Magnetspule aufgenommen und gehaltert ist, auf. Die Aufnahme und Halterung der Magnetspule im Bereich des die beiden Schenkel verbindenden Verbindungsbereichs stellt eine äußerst platzsparende Anordnung des Elektromagneten, und damit der Koppeleinrichtung, dar.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Schutzschaltgerätes ist der Magnetkern einstückig ausgebildet. Durch die einstückige Ausbildung des Magnetkerns kann die Teileanzahl der Koppeleinrichtung gering gehalten werden, was sich vorteilhaft auf die Logistikkosten – und damit die Herstellkosten – der Koppeleinrichtung (und damit des Schutzschaltgerätes) auswirkt.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Schutzschaltgerätes sind durch ein erstes distales Ende des ersten Schenkels und ein zweites distales Ende des zweiten Schenkels zwei Pole des Elektromagneten gebildet, wobei das Koppelelement dabei zwischen dem ersten distalen Ende und dem zweiten distalen Ende angeordnet ist.
Mit Hilfe der beiden Schenkel des u-förmigen Magnetkerns wird das Magnetfeld gebündelt und von dem Verbindungsbereich, an dem die Magnetspule aufgenommen und gehaltert ist, zu dem Koppelelement, welches zwischen dem ersten distalen Ende des ersten Schenkels und dem zweiten distalen Ende des zweiten Schenkels angeordnet ist, geführt. Auf diese Weise wird die magnetische Flussdichte gebündelt und auf den räumlichen Bereich des Koppelements konzentriert, wodurch das aus dem Magnetfeld resultierende Drehmoment verstärkt wird. Damit kann die Koppeleinrichtung – bei gleichem Drehmoment – kompakter gestaltet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Schutzschaltgerätes sind das erste distale Ende und das zweite distale Ende zum Koppelelement hin abgewinkelt ausgebildet. Durch das Abwinkeln des ersten und des zweiten distalen Endes zum Koppelelement hin kann die Anordnung vergleichsweise kompakt gehalten werden, ohne dass dabei die die magnetische Flussdichte, und damit das hieraus auf das Koppelement wirkenden Drehmoment reduziert wird.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Schutzschaltgerätes weist die erste Drehwinkellage des Koppelelements einen Winkel von 30° bis 80° zu einer Hauptrichtung des magnetischen Flusses des Magnetfeldes auf, und die zweite Drehwinkellage des Koppelelements weist einen Winkel von 0° zur Hauptrichtung des magnetischen Flusses auf.
In seiner Ruheposition, welche das Koppelelement in einem auslösebereiten Zustand des Schutzschaltgerätes einnimmt, nimmt das Koppelelement die statische erste Drehwinkellage ein, bei der eine Orientierungsrichtung des Koppelelements einen Winkel von 30° bis 80° zur Hauptrichtung des magnetischen Flusses des Magnetfeldes im Bereich des Koppelelements aufweist, während es bei bestromtem Elektromagneten, d. h. ein einem ausgelösten Zustand des Schutzschaltgerätes, eine statische zweite Drehwinkellage einnimmt, bei der die Orientierungsrichtung des Koppelelements einen Winkel von 0° zur Hauptrichtung des magnetischen Flusses im Bereich des Koppelelements aufweist. Auf diese Weise kann im Auslösefall des Schutzschaltgerätes ein mechanisches Auslösesignal durch eine Drehung des Koppelelements mit einem Drehwinkel von 30° bis 80° an ein mit dem Schutzschaltgerät gekoppeltes weiteres Schutzschaltgerät übertragen werden. Unter dem Begriff „Hauptrichtung des magnetischen Flusses” ist dabei die Richtung des magnetischen Flusses im bestromten Zustand, d. h. bei bestromtem Elektromagneten, gemeint.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Schutzschaltgerätes weist die erste Drehwinkellage des Koppelelements einen Winkel von vorzugsweise 40° bis 60° zur Hauptrichtung des magnetischen Flusses auf. Ein Drehwinkel von 40° bis 60° hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, um das Auslösesignal von dem Schutzschaltgerät an das mit dem Schutzschaltgerät gekoppelte weitere Schutzschaltgerät sicher und zuverlässig zu übertragen.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist das Schutzschaltgerät ein Gehäuse auf, mit einer Frontseite, einer der Frontseite gegenüberliegenden Befestigungsseite, sowie die Front- und die Befestigungsseite verbindende Verbindungsseiten, wobei das Koppelelement in einer der Verbindungsseiten drehbar gelagert angeordnet ist. Die Lagerung des Koppelelements in einer der seitlichen Verbindungsseiten des Gehäuses stellt eine konstruktiv einfach zu realisierende Möglichkeit zur Übertragung des Auslösesignals an das weitere Schutzschaltgerät dar.
Die erfindungsgemäße Anordnung weist ein erstes Schutzschaltgerät der vorstehend beschriebenen Art, insbesondere ein Fehlerstrom- oder Störlichtbogen-Schutzschaltgerät, sowie ein weiteres Schutzschaltgerät, insbesondere ein Leitungsschutzschalter, welches mit dem ersten Schutzschaltgerät mechanisch gekoppelt ist, auf. Die Kopplung des ersten Schutzschaltgerätes mit dem weiteren Schutzschaltgerät ist dabei durch ein formschlüssiges Eingreifen des Koppelelement des ersten Schutzschaltgerät in ein drehbar gelagertes Aufnahmeelement des weiteren Schutzschaltgerätes realisiert, so dass bei einem Auslösen des ersten Schutzschaltgerätes durch Betätigen des Aufnahmeelements eine mit dem Aufnahmeelement gekoppelte Schaltmechanik des weiteren Schutzschaltgerätes betätigt wird.
Durch die Betätigung der Schaltmechanik des weiteren Schutzschaltgerätes werden die Trennkontakte des weiteren Schutzschaltgerätes geöffnet, wodurch die zu überwachende elektrische Leitung unterbrochen wird. Aufgrund der Kopplung des ersten Schutzschaltgerätes mit dem weiteren Schutzschaltgerät kann beim ersten Schutzschaltgerät daher auf eigene Trennkontakte verzichtet werden. Hierdurch ist eine kompakte Bauweise des ersten Schutzschaltgerätes sowie der Anordnung realisierbar. Hinsichtlich der weiteren Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung wird auf die vorstehend genannten Vorteile, das erfindungsgemäße Schutzschaltgerät betreffend, verwiesen.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des Schutzschaltgerätes sowie der Anordnung unter Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren sind:
1A und 1B schematische Darstellungen einer Anordnung aus erstem Schutzschaltgerät und weiterem Schutzschaltgerät in verschiedenen Montagezuständen;
2 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht des geöffneten ersten Schutzschaltgerätes mit darin angeordneter Koppeleinrichtung;
3A und 3B schematische Schnittdarstellungen der Koppeleinrichtung in unterschiedlichen Betriebszuständen.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche Teile stets mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Die Beschreibung gilt für alle Zeichnungsfiguren, in denen das entsprechende Teil ebenfalls zu erkennen ist.
In den 1A und 1B ist die Anordnung, bestehend aus einem ersten Schutzschaltgerät 1 und einem weiterem Schutzschaltgerät 100, in verschiedenen Montagezuständen schematisch dargestellt. 1A zeigt hierbei die vollständig montierte Anordnung, bei dem das erste Schutzschaltgerät 1, beispielsweise ein Fehlerstromschutzschalter oder ein Brand schutzschalter, an das weitere Schutzschaltgerät 100, welches beispielsweise als Leitungsschutzschalter oder als kombinierter Leitungsschutz-Fehlerstromschutzschalter ausgebildet sein kann, gekoppelt ist.
1B zeigt hierzu schematisch die beiden Schutzschaltgeräte 1 und 100 in perspektivischer Darstellung vor der abschließenden Montage bzw. Kopplung. Das erste Schutzschaltgerät 1 weist dabei ein Gehäuse 2 auf, welches seinerseits eine Frontseite 3, ein der Frontseite 3 gegenüberliegend Befestigungsseite 4, sowie die Front- und die Befestigungsseite 3 und 4 verbindende Verbindungsseiten 5 aufweist. Das weitere Schutzschaltgerät 100 weist ebenfalls ein Gehäuse 102 auf, welches seinerseits eine Frontseite 103, ein der Frontseite 103 gegenüberliegend Befestigungsseite 104, sowie die Front- und die Befestigungsseite 103 und 104 verbindende Verbindungsseiten 105 aufweist. Zur manuellen Betätigung weist das weitere Schutzschaltgerät 100 ein Betätigungselement 106 auf, welches an der Frontseite 103 des Gehäuses 102 des weiteren Schutzschaltgerätes 100 angeordnet ist.
Das erste Schutzschaltgerät 1 weist ferner ein Koppelelement 11 auf, welches Bestandteil einer Koppeleinrichtung 10 (siehe 2) ist. Das Koppelelement 11 ist in der dem weiteren Schutzschaltgerät 100 zugewandten Verbindungsseite 5 des ersten Schutzschaltgerätes 1 drehbar gelagert. Das Koppelelement 11 korrespondiert dabei hinsichtlich seiner Lage mit einem Aufnahmeelement 107, welches in der dem ersten Schutzschaltgerät 1 zugewandten Verbindungsseite 105 des weiteren Schutzschaltgerätes 100 ebenfalls drehbar gelagert ist. In dem in 1A dargestellten gekoppelten Zustand der beiden Geräte greift das Koppelelement 11 des ersten Schutzschaltgerätes 1 formschlüssig in das Aufnahmeelement 107 des weiteren Schutzschaltgerätes 100 ein, um bei einer Auslösung des ersten Schutzschaltgerätes 1 mittels einer Drehbewegung ein mechanisches Auslösesignal an eine Schaltmechanik des weiteren Schutzschaltgerätes 100 zu übertragen.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Seitenansicht des ersten Schutzschaltgerätes 1 bei geöffnetem Gehäuse 2, bei der die Anordnung der Koppeleinrichtung 10 im Inneren des Gehäuses 2 gut zu erkennen ist. Die Koppeleinrichtung 10, welche das drehbar gelagerte Koppelelement 11 sowie einen Elektromagneten 12 aufweist, ist in der Nähe der Frontseite 3 des Gehäuses 2 in diesem aufgenommen und gehaltert. Das Koppelelement 11 ist dabei in der Verbindungsseite 5 des ersten Schutzschaltgerätes 1 drehbar gelagert sowie durch diese Verbindungsseite 5 nach außen geführt, so dass es über eine äußere Begrenzungsfläche der Verbindungsseite 5 hinaussteht (siehe 1B). Auf diese Weise wird die Kopplung zu dem weiteren Schutzschaltgerät 100 ermöglicht.
Die Koppeleinrichtung 10 dient der mechanischen Übertragung einer Drehbewegung an das mit dem ersten Schutzschaltgerät 1 koppelbare, weitere Schutzschaltgerät 100. Ist der Elektromagneten 12 unbestromt, dann nimmt das Koppelelement 11 seine – in 2 dargestellte – Ruheposition ein, welche der ersten Drehwinkellage des Koppelelements 11 entspricht. Durch Bestromen des Elektromagneten 12 wird ein Magnetfeld 15 erzeugt. Da sich das Koppelelement 11 im Wirkbereich dieses Magnetfeldes 15 befindet, wirkt das Magnetfeld 15 derart auf das Koppelelement 11, dass hieraus ein auf das Koppelelement 11 wirkendes Drehmoment resultiert. Infolgedessen nimmt das Koppelelement 11 für den Zeitraum, in dem der Elektromagnet 12 bestromt ist, eine statische zweite Position ein, welche der zweiten Drehwinkellage (siehe 3B) des Koppelelements 11 entspricht. Vorteilhafter Weise ist das Koppelelement dabei aus einem Material gebildet, welches eine hohe magnetische Permeabilität aufweist. Hierfür kommen insbesondere weichmagnetische Werkstoffe, beispielsweise Eisen und Ferrite, Nickel oder Cobalt in Betracht.
In den 3A und 3B ist die Koppeleinrichtung 10 in zwei unterschiedlichen Betriebszuständen schematisch dargestellt.
Die Koppeleinrichtung 10 besteht wiederum aus dem drehbar gelagerten Koppelelement 11 sowie dem Elektromagneten 12. Der Elektromagnet 12 weist eine Magnetspule 13 sowie einen Magnetkern 20 auf, welcher im Wesentlichen u-förmig gestaltet ist und seinerseits einen ersten Schenkel 21, einen zweiten Schenkel 22 sowie einen die beiden Schenkel 21 und 22 verbindenden Verbindungsbereich 23 aufweist. Durch ein erstes distales Ende 24 des ersten Schenkels 21 sowie ein zweites distales Ende 25 des zweiten Schenkels 22 sind die beiden Pole des Elektromagneten 12 gebildet. An dem Verbindungsbereich 23 des Magnetkerns 20 ist ein Spulenträger 14 angeordnet, an dem die Magnetspule 13 aufgenommen und gehaltert ist. Das Magnetfeld 13 ist in den 3A und 3B mittels einer Vielzahl von Magnetfeldlinien schematisch dargestellt.
3A zeigt die Koppeleinrichtung 10 zum Zeitpunkt der ersten Erregung des Elektromagneten 12, d. h. beim Übergang vom unbestromten Zustand in den bestromten Zustand des Elektromagneten 12. Das Koppelelement 11 befindet sich noch in seiner statischen ersten Drehwinkellage, welche auch seiner Ruheposition in einem auslösebereiten Zustand des ersten Schutzschaltgerätes 1 entspricht. Die erste Drehwinkellage weist dabei einen Winkel von 40° bis 60° zur Hauptrichtung des magnetischen Flusses bei bestromtem Elektromagneten 12 (siehe 3B) auf.
3B zeigt die Koppeleinrichtung 10 zu einem späteren Zeitpunkt, in dem das Koppelelement 11 bereits seine statische zweite Drehwinkellage, welche einem ausgelösten Zustand des ersten Schutzschaltgerätes 1 entspricht, eingenommen hat. Das drehbar gelagerte Koppelelement 11 nimmt nun aufgrund des Magnetfeldes eine energetisch günstigere Position ein, indem es sich gleich einer Kompassnadel entlang der Magnetfeldlinien 15 des ungestörten Magnetfeldes ausrichtet. Das Koppelelement weist daher einen Winkel von 0° zu den der Magnetfeldlinien 15 des ungestörten Magnetfeldes, d. h. zu der (in 3B gezeigten) Hauptrichtung des magnetischen Flusses im bestromten Zustand des Elektromagneten 12 auf.
Durch die Formgebung des Magnetkerns 20 wir das von der bestromten Magnetspule 13 erzeugte Magnetfeld 15 in Richtung des drehbar gelagerten Koppelelementes 11 geführt. Die beiden distalen Enden 24 und 25 sind dabei zu dem drehbar gelagerten Koppelelement 11 hin abgewinkelt. Dies hat zum einen den Vorteil, dass die Koppeleinrichtung 10 – insbesondere im Bereich des Koppelelements 11 – platzsparender gestaltet werden kann. Zum anderen wird dadurch der Luftspalt zwischen dem Koppelelement 11 und dem ersten bzw. zweiten distalen Ende 24 bzw. 25 verkleinert, so dass die Feldlinien an dieser Stelle stärker gebündelt sind.
Durch Bestromen der Magnetspule 13 wird das Koppelelement 11 von der in 3A dargestellten statischen ersten Drehwinkellage in die in 3B dargestellte statische zweite Drehwinkellage verbracht, wobei das Koppelelement 11 aufgrund der magnetischen Kräfte eine Drehung von 40° bis 60° ausführt. Das dabei erreichbare Drehmoment ist ausreichend, um ein sicheres Auslösen des mit dem ersten Schutzschaltgerät 1 gekoppelten weiteren Schutzschaltgerätes 100 zu gewährleisten, selbst wenn es sich bei dem weiteren Schutzschaltgerät um ein mehrpoliges Schutzschaltgerät handeln sollte, welches ein entsprechend höheres Drehmoment zur Auslösung benötigt. Durch Ausnutzen dieses direkten magnetischen Wirkprinzips kann die konstruktive Gestaltung der Koppeleinrichtung 10 äußerst kompakt gehalten werden. Damit ist zum einen bei gleich bleibendem Platzbedarf ein deutlich höheres Drehmoment realisierbar. Zum anderen kann damit – bei gleich bleibendem Drehmoment – dem Erfordernis einer immer weiter gehenden Miniaturisierung elektromechanischer Schutzschaltgeräte sowie deren Komponenten Rechnung getragen werden.
Bezugszeichenliste

1: Schutzschaltgerät
2: Gehäuse
3: Frontseite
4: Befestigungsseite
5: Verbindungsseite
10: Koppeleinrichtung
11: Koppelelement
12: Elektromagnet
13: Magnetspule
14: Spulenträger
15: Magnetfeld
20: Magnetkern
21: erster Schenkel
22: zweiter Schenkel
23: Verbindungsbereich
24: erstes distales Ende
25: zweites distales Ende
100: weiteres Schutzschaltgerät
102: Gehäuse
103: Frontseite
104: Befestigungsseite
105: Verbindungsseite
106: Betätigungselement
107: Aufnahmeelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5729145 [0006]
US 6031699 [0006]

Claims

Elektromechanisches Schutzschaltgerät (1), insbesondere Fehlerstrom- oder Störlichtbogen-Schutzschaltgerät, – mit einer Koppeleinrichtung (10) zur mechanischen Übertragung einer Drehbewegung an ein mit dem Schutzschaltgerät (1) koppelbares weiteres Schutzschaltgerät (100), – wobei die Koppeleinrichtung (10) – einen Elektromagneten (12) zur Erzeugung eines Magnetfeldes (15) sowie – ein drehbar gelagertes Koppelelement (11) aufweist, welches mit dem Magnetfeld (15) in Wirkverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Magnetfeld (15) ein auf das Koppelelement (11) wirkendes Drehmoment resultiert, derart, dass das Koppelelement (11) – bei unbestromtem Elektromagneten eine statische erste Drehwinkellage einnimmt, und – bei bestromtem Elektromagneten eine statische zweite Drehwinkellage einnimmt.
Schutzschaltgerät (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet (12) eine Magnetspule (13) sowie einem Magnetkern (20) aufweist, welcher derart geformt ist, dass das von der bestromten Magnetspule (13) erzeugte Magnetfeld (15) in Richtung des Koppelelementes (11) geführt ist.
Schutzschaltgerät (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern (20) im Wesentlichen u-förmig gestaltet ist und einen ersten Schenkel (21), einen zweiten Schenkel (22) sowie einen die beiden Schenkel verbindenden Verbindungsbereich (23) aufweist, an dem die Magnetspule (13) aufgenommen und gehaltert ist.
Schutzschaltgerät (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern (20) einstückig ausgebildet ist.
Schutzschaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, – dass durch ein erstes distales Ende (24) des ersten Schenkels (21) und ein zweites distales Ende (25) des zweiten Schenkels (22) zwei Pole des Elektromagneten (12) gebildet sind, und – dass das Koppelelement (11) zwischen dem ersten distalen Ende (24) und dem zweiten distalen Ende (25) angeordnet ist.
Schutzschaltgerät (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste distale Ende (24) und das zweite distale Ende (25) zum Koppelelement (11) hin abgewinkelt ausgebildet sind.
Schutzschaltgerät (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass die erste Drehwinkellage des Koppelelements (11) einen Winkel von 30° bis 80° zu einer Hauptrichtung des magnetischen Flusses des Magnetfeldes (15) aufweist, und – dass die zweite Drehwinkellage des Koppelelements (11) einen Winkel von 0° zur Hauptrichtung des magnetischen Flusses aufweist.
Schutzschaltgerät (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Drehwinkellage des Koppelelements (11) einen Winkel von vorzugsweise 40° bis 60° zur Hauptrichtung des magnetischen Flusses aufweist.
Schutzschaltgerät (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass das Schutzschaltgerät (1) ein Gehäuse (2) mit einer Frontseite (3), einer der Frontseite (3) gegenüberliegenden Befestigungsseite (4), sowie die Front- und die Befestigungsseite (3, 4) verbindende Verbindungsseiten (5) aufweist, – dass das Koppelelement (11) in einer der Verbindungsseiten (5) drehbar gelagert angeordnet ist.
Anordnung, aufweisend: – ein erstes Schutzschaltgerät (1), insbesondere ein Fehlerstrom- oder Störlichtbogen-Schutzschaltgerät, welches nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist, – ein weiteres Schutzschaltgerät (100), insbesondere ein Leitungsschutzschalter, welches mit dem ersten Schutzschaltgerät (1) mechanisch gekoppelt ist, – wobei die Kopplung des ersten Schutzschaltgerätes (1) mit dem weiteren Schutzschaltgerät (100) durch ein formschlüssiges Eingreifen des Koppelelements (11) des ersten Schutzschaltgerät (1) in ein drehbar gelagertes Aufnahmeelement (107) des weiteren Schutzschaltgerätes (100) realisiert ist, – so dass bei einem Auslösen des ersten Schutzschaltgerätes (1) durch Betätigen des Aufnahmeelements (107) eine mit dem Aufnahmeelement (107) gekoppelte Schaltmechanik des weiteren Schutzschaltgerätes (100) betätigt wird.