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Die vorliegende Erfindung betrifft einen neuartigen Magnetauslöser sowie ein Schutzschaltgerät mit einem derartigen Magnetauslöser.
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In Schutzschaltgeräten, die zur strombezogenen Überwachung von Verbrauchern wie beispielsweise Motoren dienen, muss im Falle einer Überlastung der Stromkreis unterbrochen werden. Dies geschieht mittels einer durch ein Schaltschloss zu öffnenden Kontaktbrücke in der Strombahn. Die Auslösung bzw. Betätigung des Schaltschlosses kann dabei mittels eines Auslösers mit magnetischem Verriegelungsmechanismus erfolgen.
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Solche Magnetauslöser sind im Stand der Technik bereits bekannt. Beispielsweise offenbart die
EP 2 446 450 B1 einen Magnetauslöser mit topfförmigem Joch und einem linear beweglichen Anker. Aus der
DE 10 2018 215 765 A1 ist ein jochfreier Magnetauslöser mit linear beweglichem Anker bekannt. Die
DE 10 2018 215 764 A1 offenbart einen Magnetauslöser mit einem Anker, der im Auslösefall eine Rotationsbewegung ausführt. Aus der
DE 10 2018 216 292 A1 ist ein Magnetauslöser bekannt, bei dem sich der Anker parallel zur Ausrichtung der Spulenwindungen der Spule bewegt. In der
DE 10 2011 089 251 A1 wird vorgeschlagen, dass die Auslöseeinheit einen beweglich gelagerten Stößel, einen Kraftspeicher, ein Haltemittel und eine Leiterplattenspule umfasst, wobei die Auslöseeinheit einen ausgelösten Zustand und einen Normalzustand einnehmen kann. Im Normalzustand beaufschlagt der Kraftspeicher den Stößel Kraft in Richtung des ausgelösten Zustand und das Haltemittel hält den Stößel im Normalzustand. Durch ein Aktivieren der Leiterplattenspule ist eine Leiterplattenspulenkraft erzeugbar, welche bewirkt, dass der Stößel den ausgelösten Zustand einnimmt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Magnetauslöser anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Magnetauslöser für elektrische Schaltgeräte, der einen Spulenkörper mit zumindest einer Erregerspule sowie eine Halterung aufweist, in welcher ein Anker beweglich geführt ist, der bei unbestromter Erregerspule durch die Magnetkraft eines Permanentmagneten in einer ersten Stellung gehalten wird und sich ansprechend auf eine zumindest kurzzeitige Bestromung der Erregerspule in eine zweite Stellung bewegt. Dabei sind der Spulenkörper und die Halterung berührungsfrei angeordnet bzw. montiert.
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Anders ausgedrückt ist der Spulenkörper von der Halterung mechanisch entkoppelt, der Spulenkörper umgibt die Halterung sozusagen schwebend.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass mechanische Spannungen und die Übertragung der durch die Bewegung des Ankers verursachten Stöße und Schwingungen auf die Spule und deren elektrische Kontaktierungen wie z.B. Lötstellen vermieden werden, wodurch entsprechende unerwünschte Beanspruchungen der Kontaktierungen/Lötstellen verhindert werden und in der Folge deren Lebensdauer steigt und die Ausfallwahrscheinlichkeit des Magnetauslösers sinkt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Spulenkörper auf einer Leiterplatte montiert, die Leiterbahnen aufweist, über welche die Erregerspule bestrombar ist.
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Die Leiterplatte kann dabei ihrerseits auf der Halterung montiert, insbesondere aufgepresst sein. Anders ausgedrückt kann die Halterung des Magnetauslösers als das mechanisch stabilste der hier betrachteten Elemente die Leiterplatte tragen, die ihrerseits den Spulenkörper und somit die Erregerspule trägt und der Spulenkörper dabei von Halterung entkoppelt ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist der Spulenkörper flächig, insbesondere als Leiterplatte ausgebildet ist und trägt die Leiter der Erregerspule, insbesondere in Form von Leiterbahnen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Magnetauslöser ein Joch in offener Bauweise auf, welches zusammen mit dem Permanentmagneten und dem Anker einen Magnetkreis bildet. Die Kombination der berührungsfrei angeordneten Spule mit dem offenen Joch ist besonders vorteilhaft, da dies die Montage bzw. Fertigung des Magnetauslösers erleichtert, da die Toleranzen des Montagevorgangs der Spule einerseits und der restlichen Elemente des Magnetauslösers an der Halterung andererseits aufgrund der berührungsfreien Montagelage der Spule und der Halterung zueinander keine Rolle spielen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Schutzschaltgerät mit einem erfindungsgemäßen Magnetauslöser.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es sei darauf hingewiesen, dass sämtliche vorstehend und nachfolgend offenbarten Varianten, Ausgestaltungen und Ausführungsbeispiele uneingeschränkt miteinander kombinierbar sind.
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Es zeigen:
- 1 in schematischer Schnittdarstellung einen Magnetauslöser gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
- 2 in schematischer Darstellung eine perspektivische Darstellung eines Magnetauslösers mit einer flächigen Erregerspule gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt in schematischer Schnittdarstellung einen Magnetauslöser 100 eines elektrischen Schaltgeräts gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Der Magnetauslöser 100 weist eine Halterung 8 auf, in welcher ein beweglicher Anker 10 geführt wird. Die Bewegungsrichtung des Ankers ist dabei in seitlicher Richtung bezogen auf die in 1 gewählte Orientierung. Der Anker 10 steht in mechanischer Wirkverbindung mit einem Entklinkungshebel 13. Der Entklinkungshebel 13 steht seinerseits mit dem eingangs genannten Schaltschloss (nicht dargestellt) in Verbindung und weist eine Betätigungsfläche auf, über welche ein Bediener mittels des Hebels 13 den Anker 10 des Magnetauslösers 100 in die in 1 dargestellte erste Stellung bringen kann. Die erste Stellung sei dabei ohne Beschränkung der Allgemeinheit die Stellung, in welcher der vom Schaltschloss beeinflusste Stromkreis geschlossen ist, d.h. bezogen auf das Schaltgerät die „EIN“ Stellung.
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Der Anker 10 verharrt in dieser Stellung aufgrund der Magnetkraft eines Permanentmagneten 4 und ist dabei durch die Kraft einer Feder 9 vorgespannt, die vorzugsweise über Formschluss etwa in der Mitte des Ankers 10 auf diesen wirkt und bei Unterbrechung oder Abschwächung der Magnetkraftwirkung des Permanentmagneten 4 den Anker 10 zuverlässig in eine zweite Stellung bewegt. Bei dieser zweiten Stellung handelt es sich bezogen auf das Schaltgerät um die „AUS“ bzw. „AUSGELÖST“ Stellung, da durch die mechanische Wirkverbindung zwischen dem Anker 10 und dem Entklinkungshebel 13 mit dem Anker 10 auch der Entklinkungshebel 13 bewegt wird und seinerseits so in Wirkverbindung mit dem Schaltschloss steht, dass der vom Schaltgerät geschützte Stromkreis geöffnet wird.
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Der Anker 10 weist an seinem dem Entklinkungshebel 10 gegenüberliegenden Ende vorzugsweise einen größeren Querschnitt und im weiteren Verlauf einen geringeren Querschnitt auf, so dass nur der dem Entklinkungshebel abgewandte Endbereich des Ankers 10 formschlüssig in der Halterung 8 geführt wird, wodurch die Reibung zwischen Anker 10 und Halterung 8 vermindert wird. Am anderen, dem Entklinkungshebel 10 zugewandten Ende wird der Anker 10 durch einen Zentrierring 12 geführt. Der Zentrierring ist seinerseits zwischen der Halterung 8 und einem Hauptschlussblech bzw. Hauptjoch 2 mit geringem axialem und/oder radialem Spiel gelagert und gleitet dabei vorzugsweise auf einer Dichtung 11.
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Die Halterung 8 und der Zentrierring 12 bestimmen somit die Ausrichtung des Ankers 10 und erlauben eine geringfügige Abweichung der Ausrichtung des Ankers von dessen streng axialer Ausrichtung. Auf diese Weise wird die Leichtgängigkeit des Ankers gewährleistet. Zentrierring 12 und das Formschlussmittel des Ankers 10, an welchem die Feder 9 auf den Anker 10 wirkt, bilden eine definierte Begrenzung für die Bewegung des Ankers in Richtung des Entklinkungshebels 13.
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Das Hauptschlussblech bzw. Hauptjoch 2 weist eine Ankeröffnung auf, die so bemessen ist, dass der Anker 10 in keiner der durch die Halterung 8 und den Zentrierring 12 definierten Ausrichtungen des Ankers 10 in seiner Bewegung behindert wird.
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Das im dargestellten Ausführungsbeispiel in Form eines offenen U ausgebildete Hauptschlussblech bzw. Hauptjoch 2, vorzugsweise bestehend aus Stanz-Biegeteilen, umschließt den Anker 10 und den Permanentmagneten 4 sowie eine Zentrierhülse 7. Die Zentrierhülse 7 ist vorzugsweise starr in der Halterung 8 montiert, beispielsweise eingepresst, und weist eine plane Kontaktfläche auf, auf welcher der Anker 10 in der „EIN“ Stellung aufliegt. Die in Kontakt mit der Kontaktfläche der Zentrierhülse 7 stehende Fläche des Ankers 10 ist vorzugsweise leicht konvex, um trotz der von den Führungselementen des Ankers 10 (d.h. Halterung 8 und Zentrierring 12) ermöglichten Abweichungen gegenüber einer durch die Zentrierhülse 7 und den Anker 10 hindurch gedachten Längsachse stets eine definierte Kontaktfläche annähernd konstanter Größe zwischen Zentrierhülse 7 und Anker 10 zu bilden, so dass unabhängig von einem „Kippeln“ des Ankers stets annähernd die gleiche Kontaktfläche und damit Magnetkraftübertragung zwischen diesen beiden Elementen vorliegt und gleichzeitig eine mechanische Überbestimmung der Lage des Ankers im Magnetauslöser vermieden wird. Anders ausgedrückt wird ein annähernd gleichbleibender Arbeitsluftspalt ermöglicht, was zu einem geringeren Kräftetoleranzband und einer stabileren und zuverlässigeren Konstruktion führt.
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Das Hauptschlussblech bzw. Hauptjoch 2, der Permanentmagnet 4, die Zentrierhülse 7 und der Anker 10 bilden einen Magnetkreis, der durch ein Nebenschlussblech bzw. kleines Joch 5 mit definiertem Luftspalt präzise einstellbar ist. Eine optionale Montagehilfe 1 unterstützt dabei die Ausrichtung der genannten Elemente zueinander. Vorzugsweise erfolgt die Befestigung von Hauptschlussblech 2, Permanentmagnet 4 und Nebenschlussblech 5 an der in der Halterung 8 verpressten Zentrierhülse 7 mittels einer Schraube 3.
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Die Zentrierhülse 7 wird teilweise von einem Spulenkörper 6 umschlossen, welcher zumindest eine Kompensations- oder Erregerspule trägt. Dabei kann der Spulenkörper 6 und die Spule so gestaltet sein, dass lediglich die Zentrierhülse zumindest teilweise von der Spule umschlossen wird. Alternativ können Spulenkörper und Spule so gestaltet sein, dass auch der Anker 10 teilweise von der Spule umschlossen wird.
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Die Wicklung der Spule wird dabei so gewählt, dass ein Stromfluss durch die Spule ein Magnetfeld erzeugt, das dem Magnetfeld des Permanentmagneten 4 entgegengerichtet ist und so zu einer zumindest teilweisen Aufhebung der Magnetkraft im Hauptmagnetkreis und insbesondere zwischen Zentrierhülse 7 und Anker 10 führt, woraufhin die Kraft der Feder 9 den Anker 10 aus der „EIN“ Stellung in die „AUS“ bzw. „AUSGELÖST“ Stellung verbringt.
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Vorzugsweise ist die Zentrierhülse 8 entlang der Führungsrichtung des Ankers zentriert, und die Verschraubung des Hauptschlussbleches 2, des Nebenschlussbleches 5, des Permanentmagneten 4 und der Zentrierhülse 7 erfolgt koaxial mit minimalen (und soweit vorhanden, definierten) Luftspalten.
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Dazu ist in der Zentrierhülse 7 ein Gewinde zur Aufnahme der Schraube 3 ausgebildet.
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Im Nebenschlussblech 5 ist ein Nebenluftspalt zwischen Hauptschlussblech und Nebenschlussblech vorgesehen. Dieser dient zur Feinjustage des Energieverhältnisses zwischen der freigesetzten mechanischen Energie und der notwendigen elektrischen Auslöseenergie, so dass eine schnelle, energiearme Teilkommutierung vom Hauptmagnetkreis zum Nebenmagnetkreis erfolgen kann.
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Vorzugsweise sind die metallischen Teile 2, 3, 5, 7, 10 und der Permanentmagnet 4 ferromagnetisch beschichtet, so dass die Wirkung der unvermeidbaren parasitären Luftspalte minimiert wird und infolgedessen eine geringe Toleranzempfindlichkeit sowie eine geringe Streuung des magnetischen Flusses erreicht wird, wodurch eine geringere Auslöseenergie erforderlich ist.
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Die Halterung 8 trägt insbesondere die den Magnetkreis bildenden sowie die beweglichen Elemente des Magnetauslösers 100, also insbesondere den Entklinkungshebel 13, den Dichtungsring 11, den Zentrierring 12, das Hauptschlussblech 2, den Anker 10, und die Zentrierhülse 7 sowie vorzugsweise eine Leiterplatte 14 (siehe hierzu 2) oder eine andere übergeordnete Halterung. Der Spulenkörper 6 hingegen steht mechanisch nicht in Kontakt mit der Halterung 8, der Spulenkörper 6 und die Halterung 8 sind also montiert, ohne dass sie einander berühren (berührungsfrei). Anders ausgedrückt wird die Kompensationsspule und/oder der Spulenkörper nicht von der Halterung 8 getragen.
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Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Halterung 8 das zentrale und die Stabilität bestimmende mechanische Element des Magnetauslösers 100. Die Leiterplatte 14 ist an oder auf der Halterung 8 befestigt, beispielsweise aufgeschnappt oder aufgepresst. Die Leiterplatte trägt die Kompensationsspule und den Spulenkörper 6, z.B. ist die Spule auf der Leiterplatte verlötet.
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Die mechanische Entkopplung von Spulenkörper 6 und Halterung 8 vermeidet mechanischen Spannungen. Anders ausgedrückt schwebt der Spulenkörper 6 durch entsprechend gewählte unterschiedliche Abmessungen der Innenseite des Spulenkörpers und der Außenseite der Halterung in deren Überlappungsbereich frei um die Halterung 8. Beispielsweise ist also der Innendurchmesser des Spulenkörpers um so viel größer als der Außendurchmesser der Halterung 8 im Überlappungsbereich von Spulenkörper 6 und Halterung 8, dass eine Berührung sicher vermieden wird bzw. eine mechanische Entkopplung sicher gewährleistet ist.
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In 2 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Spulenkörpers und einer Spule gezeigt. Der Spulenkörper 6a ist im Wesentlichen flächig, beispielsweise eine Leiterplatte, mit einer im wesentlichen flächigen Spule 6b, beispielsweise in Form von Leiterbahnen auf der Leiterplatte 6a. Zur Erhöhung der Anzahl von Wicklungen kann dabei eine mehrschichtige Leiterplatte verwendet werden, bei der jede Schicht eine entsprechende Anzahl von spiralförmigen Leiterbahnen trägt. Die Leiterplatte 6a kann mittels eines flexiblen Leiters 6c mit der Hauptleiterplatte 14 des Magnetauslösers 100 elektrisch verbunden sein.
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In alternativen Ausgestaltungen (angedeutet in 1) kann ein räumlich ausgedehnter Spulenkörper mit einer herkömmlichen Drahtwicklung genutzt werden.
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Es sei ferner darauf hingewiesen, dass hier nur ausgewählte Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, die sich die vorliegende Erfindung zunutze machen. Insbesondere ist es beispielsweise möglich, beliebig geformte Hauptjoche zu verwenden, beispielsweise topfförmige oder anderweitig den Magnetkreis mehr als nur entlang einer Seite tragende Jochformen.
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Ferner sei darauf hingewiesen, dass die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auf eine „EIN“ Stellung Bezug nehmen, in welcher der Auslöser im gespannten, d.h. auslösebereiten Zustand ist, und eine „AUS“ bzw. „AUSGELÖST“ Stellung, in welcher der Auslöser im ausgelösten Zustand ist. Je nach Anwendung kann das übergeordnete Schaltelement, d.h. beispielsweise das Schaltschloss, auch umgekehrt verschaltet sein, d.h. der auslösebereite Zustand repräsentiert einen „AUS“ Zustand der des gesteuerten Stromkreises und der ausgelöste Zustand einen „EIN“ Zustand des gesteuerten Stromkreises.
