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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verwendung im Antrieb eines Schaltgeräts zur Stromunterbrechung, umfassend mindestens einen Arbeitskörper, der unter Einwirkung eines magnetischen Felds und/ oder einer Temperaturänderung eine Dimensionsänderung in mindestens einer Arbeitsrichtung ausführt.
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Anordnungen dieser Art sind bereits aus der
DE 10 2004 056 280 A1 bekannt. Diese Anordnungen finden in Schaltgeräten Verwendung, die eine Auslösespule aufweisen, die im Fall eines Kurzschlusses ein magnetisches Feld erzeugt. Das magnetische Feld bewirkt, dass ein Auslöseanker verformt wird und eine Kontaktstelle mittels nachgeordneter Bauteile öffnet.
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In Haushalts- und Industrieanlagen wird eine Vielzahl von ohmschen oder induktiven Vorrichtungen elektrisch betrieben. Die Energiequellen liefern üblicherweise eine relativ stabile Spannung. Elektrische Schaltgeräte werden mit jedem Versorgungskreis in Reihe geschaltet, um einen Strompfad im Falle eines Überstroms zu unterbrechen. Der Überstrom kann mit einem Kurzschluss in einem Kurzschlusskreis einhergehen, was eine plötzliche Reduzierung der Impedanz des Kreises impliziert.
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Vor diesem Hintergrund sind bereits automatische Schaltgeräte zur Stromunterbrechung bekannt. Es sind bereits viele Varianten von Schaltgeräten zur Stromunterbrechung bekannt, wobei mehr als ein Auslöseverfahren zur Stromunterbrechung genutzt werden kann. Die Auslöseverfahren sind an verschiedene Typen von Überströmen angepasst.
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Für schnell ansteigende Überströme mit einer Vielzahl von Nennströmen ist aus dem Stand der Technik die Verwendung einer Zylinderspule bekannt. Die Zylinderspule nimmt den Überstrom auf und beschleunigt und bewegt ein ferromagnetisches Druckstück. Das Druckstück löst einen mechanischen Auslösemechanismus aus, wobei in einer weiteren Phase der Bewegung der Strompfad an einem vorgesehenen Kontaktpunkt geöffnet wird. Dies erfolgt, indem eines der Kontaktstücke entfernt und in einer Offenstellung gehalten wird, bis der mechanische Auslösemechanismus vollkommen freigegeben ist und diese Funktion übernimmt.
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Einmal geöffnet, fließt der Strom zwischen den Kontaktstücken über einen Luftplasmabogen, welcher durch Lorentzkräfte in eine Löschkammer geführt wird. Dort wird der Plasmabogen gelöscht. Nun ist der Stromfluss vollständig unterbrochen und die Schaltoperation beendet.
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Ein zweites Auslöseverfahren wird verwendet, wenn kleine Überströme auftreten und eine längere Schaltzeit akzeptabel ist. Dann wird gemäß Stand der Technik ein Verfahren eingesetzt, bei dem ein Bimetallstreifen verwendet wird. Der Bimetallstreifen kann von einer Heizspule umgeben oder beeinflusst sein, welche mit dem Überstrompfad in Reihe geschaltet ist. Zusätzlich oder alternativ kann der Bimetallstreifen selbst mit dem Überstrompfad in Reihe geschaltet werden. Abhängig von dem fließenden Strom wird der Bimetallstreifen in einer Weise gebogen, dass er das oben erwähnte Druckstück einer magnetischen Auslöseeinrichtung in seine Freistellungsposition bewegt.
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Gemäß einer weiteren Auslösemöglichkeit ist vorgesehen, ein bewegliches Kontaktstück manuell in seine Offenstellung zu bewegen, indem ein Hebelmechanismus verwendet wird.
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Vor diesem Hintergrund ist aus der
DE 10 2004 056 280 A1 ein Antrieb bekannt geworden, welcher ein magnetisch ausdehnbares MSMA-Material nutzt, um die oben erwähnten mechanischen Auslösemechanismen auszulösen.
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MSMA steht für „Magnetic Shape Memory Alloy“. Das Einwirken eines transversalen magnetischen Felds kann bei einem MSMA-Material eine Dimensions- oder Formänderung um mehrere Prozent bewirken. Die Größe der Dimensionsänderung hängt von den Eigenschaften des MSMA-Materials und dessen Form ab.
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Das MSMA-Material beginnt sich auszudehnen, sobald ein Strom einen bestimmten Schwellwert überschreitet. Nachdem ein weiterer Schwellwert des Stroms überschritten ist, hat das MSMA-Material seine maximale Formänderung erreicht. Die Formänderung als Funktion der magnetischen Flussdichte zeigt üblicherweise eine relativ große Hysterese, so dass kristalline Veränderungen des MSMA-Materials verbleiben, auch wenn das magnetische Feld bereits unterhalb eines Schwellwerts des Felds gefallen ist. Die Stärke des magnetischen Felds ist proportional zum Strom, der durch die Auslösespule fließt, welche das magnetische Feld erzeugt.
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Durch eine Feder ist eine Kraft auf das MSMA-Material ausübbar. Durch diese Kraft kann eine Reduktion der Ausdehnung des MSMA-Materials bereits bei höheren Werten des magnetischen Feldes beginnen. Genauso ist denkbar, eine Vergrößerung der Ausdehnung durch eine Kraft zu beeinflussen, insbesondere zu verzögern. Nachteilig ist jedoch, dass das Ausüben einer Kraft eine gewisse Reduzierung der maximalen Formänderung bewirkt. Häufig werden Kräfte durch linear wirkende oder nahezu linear wirkende Federn bewirkt. Ebenso können Kompressions- oder Ausdehnungsfedern verwendet werden.
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Bestimmte Schaltungsspezifikationen erfordern, dass ein schnelles Ansteigen eines Stroms ein Auslösen innerhalb eines bestimmten Stromintervalls bewirkt. Der Prozess des Auslösens ist eng mit dem magnetischen Feld einer Auslösespule korreliert, welches die Formänderung des MSMA-Materials bewirkt.
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Eine Feder, die eine Kraft ausübt, erlaubt es, das Stromintervall, innerhalb dessen ausgelöst wird, an bestimmte Forderungen anzupassen. Wenn die Kraft hoch ist, ist die maximale Formänderung geringer als sie bei einer kleineren Kraft sein würde.
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Vor diesem Hintergrund besteht das Problem, eine Feder aufzufinden, welche einen geeigneten Kraftverlauf bzw. eine geeignete Kraftcharakteristik aufweist.
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Konkret besteht ein Bedarf nach einer Feder, die bei einem ersten Stromanstieg eine hohe Kraft entfaltet. So kann der Schwellwert des Stroms, bei dem eine Expansion eines Arbeitskörpers beginnt, zu einem höheren Wert geschoben werden. In der Folge würde eine Expansion erst bei einem höheren Schwellwert des Stroms einsetzen als dies der Fall wäre, wenn keine solche Feder vorhanden wäre.
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Dies impliziert, dass ein höheres magnetisches Feld den Arbeitskörper durchsetzt und die Kraft der Feder am Ende der Expansion des Arbeitskörpers geringer werden muss. Dies kann ein Vorteil sein, weil andere Gegenkräfte, beispielsweise durch ein bewegliches Kontaktstück oder durch Reibung, kompensiert werden könnten.
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Wenn die Kraft der Feder bei maximaler Expansion kleiner als vor der Expansion ist, wird eine Reduktion der Expansion erst bei niedrigeren magnetischen Feldstärken beginnen, als dies der Fall bei einer höheren Kraft sein würde.
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Dies ist solange kein Problem, wie die Kraft nicht unter einen bestimmten Wert fällt, unterhalb dessen es nicht mehr möglich ist, zur ursprünglichen Länge des Arbeitskörpers zurückzukehren.
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Daher ist es sehr wichtig, die Kraft einer Feder zumindest an zwei Fälle anpassen zu können, nämlich an den anfänglichen, unausgelösten Zustand und an den Zustand maximaler Expansion des Arbeitskörpers.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung anzugeben, die einen Arbeitskörper aus MSMA-Material aufweist, wobei das Auslöse- und Hystereseverhalten des Arbeitskörpers möglichst gut an den jeweiligen Anwendungsfall anpassbar sind.
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Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Danach ist die eingangs genannte Anordnung dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einen Arbeitskörper eine Kraft ausübbar ist, um die Dimensionsänderung zu beeinflussen, wobei die Kraft durch eine bistabile Schnappfeder ausübbar ist.
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Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, dass eine bistabile Schnappfeder zwei stabile Endpositionen annehmen und zwischen diesen quasi hin- und herspringen kann. Darauf ist erkannt worden, dass nicht alle Kräfte genutzt werden müssen, welche die Schnappfeder beim Übergang von einer Endposition zur anderen prinzipiell ausüben könnte. Konkret ist erkannt worden, dass gezielt geeignete Kräfte genutzt werden können, die während wohl definierter Positionen ausübbar sind. Diese geeigneten Kräfte können einerseits eine Expansion eines Arbeitskörpers günstig hemmen und andererseits dessen Rückkehr in seine Ursprungsform unter Kompensierung von Hystereseeinflüssen begünstigen.
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Vorteilhaft ist die Schnappfeder in einen Federrahmen eingespannt, welcher starr mit einem Widerlager für den Arbeitskörper verbunden ist. Hierdurch kann der Arbeitskörper unter Spannung gesetzt und mit der Kraft der Feder, nämlich einer Gegenkraft, beaufschlagt werden.
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Weiter vorteilhaft liegt der Arbeitskörper mit einer Grundfläche am Widerlager und mit einer Frontseite an der Schnappfeder an, wobei mittels des Arbeitskörpers ein Gesamthub in der Arbeitsrichtung ausübbar ist. Durch den Gesamthub kann ein bewegliches Kontaktstück eines Schaltgeräts zur Stromunterbrechung in eine Trennstellung verbracht werden. Der Arbeitskörper kann mittelbar oder unmittelbar auf das bewegliche Kontaktstück einwirken.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist mittels des Arbeitskörpers ein Auslösestift in der Arbeitsrichtung bewegbar, welcher einen Hebel oder ein anderes nachgelagertes Schaltelement betätigt. Der Auslösestift kann beliebig lang ausgestaltet werden, um Schaltwege geeignet zu überbrücken.
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Vorteilhaft kann die Schnappfeder zwischen zwei stabilen Endpositionen hin- und herspringen. So ist die Schnappfeder in zwei Nutzfällen einsetzbar, nämlich einerseits ausgehend von der ersten stabilen Endposition und andererseits ausgehend von der zweiten stabilen Endposition.
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Besonders bevorzugt kann die Schnappfeder zwischen zwei stabilen Endpositionen hin- und herspringen und deren ausübbare Kraft nimmt den Wert Null an, wenn diese von einem ersten Spannungszustand in einen zweiten Spannungszustand umspringt. Hierdurch kann ein Arbeitskörper gezielt entlastet werden.
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Vor diesem Hintergrund weist die Schnappfeder bevorzugt vier Schenkel auf, die in einen Federrahmen eingespannt sind. Die vier Schenkel ragen radial von einer Basis ab, an der der Arbeitskörper mit seiner Frontseite geeignet anliegen und mit Kraft beaufschlagt werden kann.
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Weiter vorteilhaft weist mindestens ein Arbeitskörper ein MSMA-Material auf oder ist aus diesem gefertigt. Hierdurch kann ein Arbeitskörper Schaltfunktionen unterstützen oder ausführen. Bevorzugt ist ein Arbeitskörper als Kristall, nämlich als MSMA-Kristall ausgebildet. MSMA-Materialien sind beispielhaft in der
DE 10 2004 056 280 A1 hinsichtlich ihrer Zusammensetzung beschrieben.
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Ein MSMA-Material nimmt zwei Zustandsformen an. Eine erste Konfiguration seiner Kristallstruktur, nämlich die Ursprungszustandsform, tritt in der Ruheform des Arbeitskörpers auf. Eine zweite Konfiguration seiner Kristallstruktur tritt in einem Anregungszustand des Arbeitskörpers auf. Die Änderung der Kristallstruktur führt zu einer Formänderung des Arbeitskörpers und damit zu einer Dimensionsänderung in mindestens einer Arbeitsrichtung. Die Dimensionsänderung bewirkt bevorzugt eine Längenausdehnung, so dass der Arbeitskörper für Schaltfunktionen, insbesondere in einem Antrieb für ein Schaltgerät, genutzt werden kann.
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Bevorzugt umfasst daher ein Antrieb für ein Schaltgerät zur Stromunterbrechung eine Anordnung der hier beschriebenen Art.
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Weiter bevorzugt umfasst ein Schaltgerät zur Stromunterbrechung den zuvor genannten Antrieb. Das Schaltgerät umfasst weiter eine Kontaktstelle mit einem beweglichen Kontaktstück und einem feststehenden Kontaktstück und eine Auslösespule, mit welcher ein magnetisches Feld erzeugbar ist, welches auf die Anordnung einwirkt, wobei durch einen Arbeitskörper bei Einwirken des magnetischen Felds ein Gesamthub ausübbar ist und wobei der Arbeitskörper durch Ausüben des Gesamthubs die Kontaktstelle mittelbar oder unmittelbar öffnet. So kann die schnelle Reaktion eines MSMA-Materials auf magnetische Felder genutzt werden, wobei die magnetischen Felder durch Ströme, insbesondere Kurzschlussströme oder Überströme, erzeugt werden.
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Figurenliste
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- 1 in schematischer Darstellung eine Anordnung mit einem Arbeitskörper und einer bistabilen Schnappfeder, wobei mittels der Schnappfeder eine Kraft, nämlich eine Gegenkraft, auf den Arbeitskörper ausübbar ist und wobei ein Federrahmen für die Schnappfeder und ein Widerlager für den Arbeitskörper steif miteinander verbunden sind,
- 2 ein Diagramm, welches den Verlauf der von der bistabilen Schnappfeder gemäß 1 ausgeübten Kräfte darstellt,
- 3 das Diagramm gemäß 2 in detaillierter Darstellung, wobei ein erster Nutzfall den Federzustand beschreibt, in dem die Schnappfeder gemäß 4 nach oben, also konvex, gewölbt ist und wobei ein zweiter Nutzfall den Federzustand beschreibt, in dem die Schnappfeder nach unten, also konkav, gewölbt ist, und
- 4 eine bistabile Schnappfeder, die in einem Federrahmen mit ihren vier Schenkeln eingespannt ist, wobei die Schenkel von einer Basis abragen und wobei die Schnappfeder konvex gewölbt ist.
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1 zeigt eine Anordnung zur Verwendung im Antrieb eines Schaltgeräts zur Stromunterbrechung, umfassend mindestens einen Arbeitskörper 1, der unter Einwirkung eines magnetischen Felds eine Dimensionsänderung in mindestens einer Arbeitsrichtung ausführt. Der Anregungszustand des Arbeitskörpers 1 ist gestrichelt dargestellt. Konkret ist der Arbeitskörper 1 dann in Arbeitsrichtung ausgedehnt und expandiert, nämlich verlängert.
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Auf den Arbeitskörper 1 ist eine Kraft ausübbar, um die Dimensionsänderung zu beeinflussen, wobei die Kraft durch eine bistabile Schnappfeder 2 ausübbar ist. Die Schnappfeder 2 nimmt die gestrichelt dargestellte Form an, wenn der Arbeitskörper 1 sich in seinem expandierten Anregungszustand befindet.
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Die Schnappfeder 2 ist in einen Federrahmen 3 eingespannt, welcher starr mit einem Widerlager 4 für den Arbeitskörper 1 verbunden ist. Der Arbeitskörper 1 liegt mit einer Grundfläche 5 am Widerlager 4 und mit einer Frontseite 6 an der Schnappfeder 2 an, wobei mittels des Arbeitskörpers 1 ein Gesamthub in der Arbeitsrichtung ausübbar ist. Die Schnappfeder 2 ist konvex in Richtung der Frontseite 6 gewölbt.
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Mittels des Arbeitskörpers 1 ist ein Auslösestift 7 in der Arbeitsrichtung bewegbar, welcher einen Hebel 8 oder ein anderes nachgelagertes Schaltelement betätigt. Durch die Expansion des Arbeitskörpers 1 wird der Hebel 8 in die gestrichelt dargestellte Position verschwenkt. Der Auslösestift 7 führt hierbei eine translatorische Bewegung aus. Der Hebel 8 ist mit einem nicht näher dargestellten mechanischen Auslösemechanismus 9 wirkverbunden.
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Der Arbeitskörper 1 ist aus einem MSMA-Material gefertigt, nämlich als MSMA-Kristall ausgebildet.
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1 zeigt, dass der Federrahmen 3 der Schnappfeder 2 und das Widerlager 4 für die Grundfläche 5 steif verbunden oder an einem Gehäuse 10 eines nicht näher dargestellten Antriebs oder Schaltgeräts fixiert sind.
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Die Schnappfeder 2 kann zwischen zwei stabilen Endpositionen hin- und herspringen. Die von der Schnappfeder 2 ausübbare Kraft nimmt den Wert Null an, wenn diese von einem ersten Spannungszustand in einen zweiten Spannungszustand umspringt.
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2 zeigt eine Kurve, in welcher die von der Schnappfeder 2 ausübbaren Kräfte gegen Kompressionwege oder Hubstrecken des Arbeitskörpers 1 aufgetragen sind. Die Kurve zeigt einen Nulldurchgang.
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3 zeigt anhand der Kurve zwei Nutzfälle N1 und N2 der Schnappfeder 2, wobei die auf den Arbeitskörper 1 ausübbaren Kräfte des jeweiligen Nutzfalls entweder links oder rechts des Nulldurchgangs der Kurve liegen. Die Schnappfeder 2 zeigt im Verlauf vom Maximum der Kurve zu deren Minimum hin einen negativen Federkoeffizienten.
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Während der Arbeitskörper 1 oder das Material, aus dem er gefertigt ist oder das er aufweist, in der Ursprungszustandsform ist, wird auf die Frontfläche bzw. Frontseite 6 des Arbeitskörpers 1 eine erste Kraft, nämlich eine Gegenkraft, ausgeübt. Diese Kraft entspricht im Wesentlichen der maximalen Kraft, welche die gespannte oder vorgespannte Schnappfeder 2 ausüben kann. Die Ursprungszustandsform entspricht der Ruheform des Arbeitskörpers 1.
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Die Änderung der Kristallstruktur des MSMA-Materials des Arbeitskörpers 1 führt zu dessen Formänderung und damit zu einer Dimensionsänderung in mindestens einer Arbeitsrichtung. Die Dimensionsänderung bewirkt eine Expansion, nämlich eine Längenausdehnung, so dass der Arbeitskörper 1 gegen die Schnappfeder 2 drückt.
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Während der Expansion wird die Kraft der Schnappfeder 2 in einer ersten Phase im Wesentlichen dem Verlauf der flachen Spitze der Kurve folgen. Sobald sich aber die Expansion ihrem Maximalwert annähert, wird die Kraft der Schnappfeder 2 abfallen, bis sie einen wohl definierten Gegenkraftwert erreicht hat, welcher der Position der maximalen Expansion zugeordnet ist.
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In 3 ist mit E2 der Kompressionsweg dargestellt, der bis zur maximalen Expansion des Arbeitskörpers 1 zum Deformieren der Schnappfeder 2 durchlaufen wird. E1 bezeichnet den Kompressionsweg, der bereits beim Einsetzen der Expansion zum anfänglichen Deformieren der Schnappfeder 2 durchlaufen wurde. E1 repräsentiert quasi eine Vorspannung.
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Die maximale Expansion ist größer als sie bei einer größeren Kraft, nämlich einer größeren Gegenkraft, sein würde. Aber diese reduzierte Kraft ist groß genug, um zu bewirken, dass der Arbeitskörper 1 wieder zu schrumpfen beginnt, sobald das externe magnetische Feld einer Auslösespule verschwunden ist und/ oder unter einen bestimmten Wert fällt.
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4 zeigt, dass die Schnappfeder 2 vier Schenkel aufweist, die in einen Federrahmen 3 eingespannt sind. Solche Schnappfedern werden auf Basis der auszuübenden Kräfte ausgewählt, die während der Ursprungszustandsform und während der maximalen Expansion des Arbeitskörpers 1 wirken müssen. Die Schnappfedern finden in Antrieben für Schaltgeräte Verwendung.
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Der prinzipielle Aufbau eines Schaltgeräts ist beispielhaft der
DE 10 2004 056 280 A1 entnehmbar, ohne dass die hier beschriebene Lehre darauf beschränkt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Arbeitskörper
- 2
- Schnappfeder
- 3
- Federrahmen
- 4
- Widerlager
- 5
- Grundfläche
- 6
- Frontseite
- 7
- Auslösestift
- 8
- Hebel
- 9
- Auslösemechanismus
- 10
- Gehäuse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004056280 A1 [0002, 0009, 0031, 0050]
