DE19942694A1 - Auslöser für elektrische Schutzschalter - Google Patents
Auslöser für elektrische SchutzschalterInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Auslöser für elektrische Schutzschalter, mit einem Stößel (19) zum Betätigen eines Schaltmechanismus, einer Spule (10) zur Erzeugung einer elektromagnetischen Auslösekraft, die den Stößel (19) aus einer ersten Stellung in eine Auslösestellung bewegt, und einem thermomechanischen Auslöseelement (28), das über eine Wärmeleithülse (11) mit der Spule (10) in Wärmekontakt ist und das den Stößel (19) aus seiner ersten Stellung in eine Auslösestellung bewegt, sobald es auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt ist. Um eine schnelle thermomechanische Auslösung sicherzustellen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Wärmeleithülse (11) außen auf der Spule (10) angeordnet ist und in ihrer Umfangswand zumindest einen sich über die Länge der Spule (10) erstreckenden Schlitz (14) aufweist.
Description
Die Erfindung betrifft einen Auslöser für elektrische Schutzschalter.
Ein aus der DE 36 37 275 C1 bekannter Überstromauslöser für elektrische
Schutzschaltgeräte weist einen Auslösestößel auf, der elektromagnetisch
oder thermomechanisch aus einer ersten Stellung in eine Auslösestellung
bewegbar ist. Zur Erzeugung der elektromagnetischen Auslösekraft ist ei
ne Magnetspule auf einer Traghülse gelagert, in der ein den Stößel koaxial
zur Magnetspule führender Kern feststehend und ein Anker beweglich an
geordnet ist. An dem vom Anker abgewandten Ende der Traghülse ist ein
radial nach außen gerichteter Flansch mit einer konkaven Wärmekontakt
fläche vorgesehen, an der eine Bimetall-Schnappscheibe mit ihrer konve
xen Fläche anliegt.
Übersteigt bei diesem bekannten Überstromauslöser der durch die
Magnetspule fließende Strom einen bestimmten Wert, so wird der Anker
gegen eine Federkraft zum Kern hin weiter in die Spule hineingezogen, wo
durch er den Stößel aus seiner ersten Stellung in die Auslösestellung be
wegt.
Steigt der durch die Spule fließende Strom auf einen Wert an, der größer ist
als der zulässige Strom, der jedoch noch nicht ausreicht, um den Anker ge
gen die Feder zum Kern hinzubewegen, so erwärmt sich die Spule und heizt
dabei über die als Wärmeleiter dienende Traghülse die an der Wärmekon
taktfläche anliegende Bimetall-Schnappscheibe auf. Sobald die Tempera
tur der Bimetall-Schnappscheibe einen bestimmten Wert erreicht,
schnappt die Bimetallscheibe um und nimmt dabei den Auslösestößel in
seine Auslösestellung mit.
Die bei dem bekannten Überstromauslöser vorgesehene thermoelektri
sche Auslösung liefert somit einen Schutz gegen unzulässig erhöhte Strö
me, die auf Dauer die zu schützende Schaltung beschädigen und/oder zer
stören könnten. Da die Spule die Bimetall-Schnappscheibe über die Trag
hülse relativ langsam aufheizt, fließt ein erhöhter Strom, der nicht zur
elektromagnetischen Auslösung ausreicht, relativ lange, bevor der zu
überwachende Strom thermoelektrisch unterbrochen wird. Da grundsätz
lich alle erhöhten Ströme die nachfolgende zu schützende Schaltung schä
digen oder zerstören können, ist auch für derartige nur relativ gering er
höhte Ströme eine schnelle Unterbrechung erforderlich. Auch die thermo
mechanische Auslösung muß somit schnell erfolgen.
Aus der DE 30 28 900 A1 ist ein Schutzschalter bekannt, bei dem ein Aus
lösestößel im Kern eines Elektromagneten geführt ist, dessen Spule von ei
nem zu überwachenden Strom durchflossen wird. Der Anker des Schutz
schalters wird magnetisch in seiner Ruhestellung gehalten. Um eine zwei
stufige elektromagnetische Auslösung zu erreichen, ist zwischen dem den
Anker in seiner Ruhestellung haltenden Magneten und dem Anker ein
thermomagnetisches Material vorgesehen, das über das die Spule umge
bende Magnetjoch erwärmt wird. Durch die Erwärmung des thermo
magnetischen Materials wird dieses zunehmend unmagnetisch, wodurch
die Permanentmagnetfesselung des Ankers nachläßt.
Bei einem langsam Anstieg des zu überwachenden Stroms über zulässige
Werte reduziert sich also die Haltekraft für den Anker so, daß dieser be
reits bei geringeren Überströmen zur Betätigung des Stößels in die
Magnetspule eintaucht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen weiteren Auslöser für
Schutzschalter bereitzustellen, der insbesondere auch bei kleineren
Überströmen eine schnelle Unterbrechung des zu überwachenden Stro
mes ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch den Schutzschalter nach Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in
den Unteransprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß wird also bei einem Auslöser für elektrische Schutz
schalter ein thermomechanisches Auslöseelement von einer Spule zur Er
zeugung einer elektromagnetischen Auslösekraft über eine Wärmeleithül
se erwärmt, die außen auf der Spule angeordnet ist und in ihrer Umfangs
wand zumindest einen sich über die Länge der Spule erstreckenden Schlitz
aufweist.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die Verwendung einer ge
schlitzten, auf der stromdurchflossenen Spule angeordneten Wärmeleit
hülse eine rasche Erwärmung des thermomechanischen Auslöseelements
ergibt, so daß es auch bei relativ geringem Überströmen schnell aufgeheizt
wird, um den Stößel aus seiner ersten Stellung in eine Auslösestellung zu
bewegen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Auslösers zeich
net sich dadurch aus, daß die Wärmeleithülse eine Vielzahl von sich über
die Länge der Spule erstreckenden Schlitzen aufweist, die in Umfangsrich
tung gleichmäßig voneinander beabstandet sind, wobei vier sich über die
Länge der Spule erstreckende Schlitze in der Wärmeleithülse vorgesehen
sind.
Bei Versuchen mit verschiedenen Wärmeleithülsen, die sich nur in der
Anzahl der vorgesehenen Schlitze unterschieden, hat sich gezeigt, daß die
Wärmeleitung von der Spule zum thermomechanischen Auslöseelement
am schlechtesten ist, wenn überhaupt kein Schlitz vorgesehen ist. Ein
deutlich besseres thermomechanisches Auslöseverhalten, also eine
schnellere thermomechanische Auslösung wird erzielt, wenn zwei Schlitze
in der Wärmeleithülse vorgesehen sind. Die beste, also die schnellste Aus
lösung wurde bei diesen Versuchen mit vier Schlitzen erreicht.
Um den Wärmeübergang zwischen der Spule und der darauf angeordneten
Wärmeleithülse zu verbessern, ist vorgesehen, daß zwischen den sich über
die Länge der Spule erstreckenden Schlitzen gebildete Hülsenabwandab
schnitte federelastisch an der Spule anliegen.
Obwohl grundsätzlich die Schlitze in der Wärmeleithülse mehr oder weni
ger schraubenlinienförmig sein können, solange sie zueinander parallel
sind, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß sich die über die Länge der
Spule erstreckenden Schlitze parallel zur Hülsenachse verlaufen.
Um einen schnellen Wärmetransport zum thermomechanischen Auslöse
element zu gewährleisten, ist zweckmäßigerweise vorgesehen, daß die
Breite (b) der Schlitze (14) etwa 1/10 bis 1/3 des Durchmesses der Wärme
leithülse (11) beträgt.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus;
daß die Wärmeleithülse einen sich radial nach innen erstreckenden
Flansch aufweist, der eine Zentrale Durchgangsöffnung umgibt, durch die
sich der Stößel hindurch erstreckt, und dessen freie Stirnfläche eine Wär
mekontaktfläche für das thermomechanische Auslöseelement bildet.
Hierdurch läßt sich eine große Wärmekontaktfläche bereitstellen, so daß
insbesondere am Anfang der Aufheizung des thermomechanischen Auslö
seelements der Wärmeübergang von der Wärmeleithülse zum thermome
chanischen Auslöseelement optimal ist.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
die Wärmekontaktfläche konvexist und daß das thermomechanische Aus
löseelement eine Bimetallscheibe mit einer Durchgangsöffnung für den
Stößel ist, die unterhalb einer bestimmten Temperatur zur Wärmeleithül
se hin eine konkave Wärmekontaktfläche aufweist, mit der sie auf der kon
vexen Wärmekontaktfläche der Wärmeleithülse aufliegt, und die bei Errei
chen der bestimmten Temperatur zur Betätigung des Stößels so um
schnappt, daß ihre Wärmekontaktfläche konvex ist und ihr peripherer
Rand mit Abstand zur Wärmekontaktfläche der Wärmeleithülse liegt.
Um den Wärmeübergang zwischen der Wärmeleithülse und dem thermo
mechanischen Auslöseelement, also vorzugsweise der Bimetallscheibe
weiter zu verbessern, zeichnet sich eine vorteilhafte Weiterbildung der Er
findung dadurch aus, daß der durch eine Federkraft in seine erste Stellung
gedrängte Stößel so mit dem thermomechanischen Auslöseelement 28 zu
sammenwirkt, daß das thermomechanische Auslöseelement 28 in Wärme
kontakt mit der Wärmeleithülse gehalten wird.
Um das Gewicht des Auslösers bei guter mechanischer Stabilität und
schneller thermomechanischer Auslösung möglichst gering zu halten, ist
erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Wärmeleithülse aus gut wärmelei
tenden Material, vorzugsweise aus Aluminium besteht.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung nä
her erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemä
ßen Auslösers,
Fig. 2 eine Seitenansicht des Auslösers nach Fig. 1,
Fig. 3 eine Draufsicht auf den Auslöser in Richtung der Pfeile III in Fig.
2,
Fig. 4 eine teilweise geschnittene Seitenansicht entsprechend Fig. 1
zur Veranschaulichung der thermomechanischen Auslösung, und
Fig. 5 eine teilweise geschnittene Seitenansicht entsprechend Fig. 1
zur Veranschaulichung der elektromagnetischen Auslösung.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende
Bauteile mit gleichem Bezugszeichen versehen.
Wie in den Fig. 1 bis 3 gezeigt, weist der erfindungsgemäße Auslöser
für elektrische Schutzschalter eine Spule 10 auf, durch die ein zu überwa
chender Strom I fließt. Auf der Spule 10 ist außen eine Wärmeleithülse 11
angeordnet, die einen sich radial nach innen erstreckenden Flansch 12
und sich axial erstreckende Hülsenwandabschnitte 13 aufweist. Zwischen
den Hülsenwandabschnitten, die als Federzungen 13 ausgebildet sind
und federelastisch an der Spule 10 anliegen, sind sich über die Länge der
Spule erstreckende Schlitze 14 gebildet, die vorzugsweise in Umfangsrich
tung gleichmäßig voneinander beabstandet sind. Solange die Schlitze 14
im wesentlichen parallel zueinander sind, können sie auch schraubenli
nien- oder wellenförmig sein. Bevorzugt ist es jedoch, daß sie parallel zur
Hülsenachse verlaufen. Dabei beträgt ihre Breite b etwa 1/10 bis 1/3 des
Durchmessers der Wärmeleithülse 11, um bei geringer Wärmekapazität
der Wärmeleithülse 11 eine möglich große Wärmeübergangsfläche zwi
schen Spule 10 und Wärmeleithülse 11 für eine schnell thermomechani
sche Auslösung bereitzustellen.
Der Flansch 12 umgibt eine zentrale Durchgangsöffnung 15 die eine Stufe
16 aufweist und die als Montageöffnung für einen Kern 17 dient. Der in der
Durchgangsöffnung 15 der Wärmeleithülse 11 gehaltene Kern 17 besitzt
eine Führungsbohrung 18 in der ein Stößel 19 zum Betätigen eines (nicht
gezeigten) Schaltmechanismus gleitend geführt ist.
Auf dem Kern 17 ist eine Führungshülse 20 angeordnet, in der ein Anker
21 gleitend geführt ist. Ein Magnetjoch 22, das zur Schließung des
Magnetfeldes im Außenraum der Spule 10 dient, weist eine erste Montage
öffnung 23, in der der Kern 17 gehalten ist, und eine zweite Montageöff
nung 24 auf, in der das vom Kern 17 abgewandte Ende der Hülse 20 ange
ordnet ist. Das Magnetjoch 22 bildet somit ein Montagegenäuse für die
Montage des Auslösers in einem Schutzschaltergehäuse.
Um den Stößel 19 in einer in Fig. 1 gezeigten ersten Stellung zu halten, ist
eine Feder 25 vorgesehen, die sich einerseits am Kern 17 und andererseits
an einem fest mit dem Stößel 19 verbundenen Federanschlag 26 abstützt.
Auf einer freien Stirnfläche des Flansches 12, die eine vorzugsweise kon
vex gewölbte Wärmekontaktfläche 27 bildet, ist eine Bimetallscheibe 28
und darauf eine Betätigungsscheibe 29 angeordnet. Die Bimetallscheibe
28 im kalten Zustand und die Betätigungsscheibe 29 weisen dabei eine der
konvexen Wärmekontaktfläche 27 entsprechende Form auf. Die Bimetall
scheibe 28 besitzt also eine konkave Wärmekontaktfläche, mit der sie voll
flächig auf der Wärmekontaktfläche 27 der Wärmeleithülse 11 aufliegt.
Um die Bimetallscheibe 28 in innigem Kontakt mit der Wärmekontaktflä
che 27 zu halten, so daß ein optimaler Wärmeübergang zumindest im kal
ten Zustand gewährleistet ist, weist der Stößel 19 eine Verdickung 30 auf,
so daß er, wenn er von der Feder 25 in Fig. 1 nach links in seine erste
Stellung gedrängt wird, die Betätigungsscheibe 29 gegen die Bimetall
scheibe 28 und damit die Bimetallscheibe 28 gegen die Wärmekontaktflä
che 27 drängt.
Die Verdickung 30 kann vorteilhafterweise eine Stauchung sein, die nach
dem Zusammenbau des Stößels 19 mit der Feder 25, dem Kern 17, der Bi
metallscheibe 18 und der Betätigungsscheibe 29 hergestellt wird. Es ist
aber auch denkbar, daß der Federanschlag 26 nach dem Zusammenbau
dieser Elemente auf den Stößel 19 aufgepreßt oder aufgeschraubt wird.
Die thermomechanische Auslösung wird nun anhand von Fig. 4 näher er
läutert.
Steigt der Strom I durch die Spule 10 über einen zulässigen Wert an, so
wird die durch die Verlustleistung der Spule erzeugte Wärme auf die Wär
meleithülse 11 übertragen, so daß sich diese erwärmt. Die Wärme wird al
so von der Außenoberfläche der Spule 10 mit Hilfe der Federzungen 13 zum
Flansch 12 der Wärmeleithülse 11 abgeführt. Über den Flansch 12 wird die
damit in innigem Kontakt stehende Bimetallscheibe 28 solange erwärmt,
bis sie ihre Schnapp- oder Sprungtemperatur erreicht, bei der sie aus der
nach links konkaven Stellung in eine nach links konvexe Stellung um
schnappt. Durch dieses Umschnappen der Bimetallscheibe 28 wird die ih
re Form nicht verändernde Betätigungsscheibe 29 in Fig. 4 nach rechts
gedrängt und nimmt dabei den mit der Verdickung 30 anliegenden Stößel
gegen die Federkraft der Feder 25 nach rechts mit, um einen nicht darge
stellten Schaltmechanismus in der Weise zu betätigen, daß der Strom
durch die Spule I, also der zu überwachende Strom unterbrochen wird.
Hierbei stellt die federelastisch an der Spule 10 anliegende Wärmeleithül
se 11 eine gute Wärmeaufnahme und Wärmeleitung zur Bimetallscheibe
28 sicher, so daß eine zuverlässige und schnelle Auslösung auch bei indi
rekt erwärmter Bimetallscheibe 28 sichergestellt ist.
Obwohl vier Federzungen bzw. Hülsenwandabschnitte 13 und damit vier
gleichmäßig über den Umfang verteilte Schlitze 14 das schnellste An
sprechverhalten des thermomechanischen Auslöseelements sicherstel
len, können auch zwei oder drei Schlitze 14 bzw. Hülsenwandabschnitte
13 vorgesehen sein um ein gegenüber dem Stand der Technik deutlich ver
bessertes Auslöseverhalten sicherzustellen.
An Stelle der konvexen Wärmekontaktfläche 27 ist auch eine konkave Wär
mekontaktfläche denkbar. In diesem Fall wäre es dann möglich, auf die
formhaltige Betätigungsscheibe 29 zu verzichten.
Da jeder Strom durch die Spule 10 ein Magnetfeld bewirkt, das den Anker
21 in Richtung des Kerns 17 zieht, kann der Anker 21 auch fest mit dem
Stößel 19 verbunden sein, ohne dadurch die Schaltbetätigung des Stößels
19 durch die Bimetallscheibe 28 zu behindern.
Steigt der zu überwachende Strom 1 plötzlich sehr stark an, so wird von der
Spule 10 ein so großes Magnetfeld erzeugt, daß die auf den Anker 21 wir
kende Kraft wesentlich größer als die Federkraft der Feder 25 wird. Somit
bewegt der Anker 21 den Stößel 19 in seine zweite Betätigungsstellung in
der er so auf den zugeordneten Schaltmechanismus einwirkt, daß auch ein
wesentlich erhöhter Strom sicher unterbrochen wird.
Claims (10)
1. Auslöser für elektrische Schutzschalter, mit
- - einem Stößel (19) zum Betätigen eines Schaltmechanismus,
- - einer Spule (10) zur Erzeugung einer elektromagnetischen Auslöse kraft, die den Stößel (19) aus einer ersten Stellung in eine Auslösestellung bewegt, und
- - einem thermomechanischen Auslöseelement 28, das über eine Wär meleithülse (11) mit der Spule (10) in Wärmekontakt ist und das den Stößel (19) aus seiner ersten Stellung in eine Auslösestellung bewegt, sobald es auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Wärmeleithülse (11) außen auf der Spule (10) angeordnet ist und in ihrer Umfangswand zumindest einen sich über die Länge der Spule (10) erstreckenden Schlitz (14) aufweist.
2. Auslöser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wär
meleithülse (11) eine Vielzahl von sich über die Länge der Spule (10) er
streckenden Schlitzen (14) aufweist, die in Umfangsrichtung gleichmäßig
voneinander beabstandet sind.
3. Auslöser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
vier sich über die Länge der Spule (10) erstreckende Schlitze (14) in der
Wärmeleithülse (11) vorgesehen sind.
4. Auslöser nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen den sich über die Länge der Spule (10) erstreckenden Schlitzen
(14) gebildete Hülsenabwandabschnitte (13) federelastisch an der Spule
(10) anliegen.
5. Auslöser nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß sich die über die Länge der Spule (10) erstreckenden Schlit
ze (14) parallel zur Hülsenachse verlaufen.
6. Auslöser nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Breite (b) der Schlitze (14) etwa 1/10 bis 1/3 des Durch
messes der Wärmeleithülse (11) beträgt.
7. Auslöser nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Wärmeleithülse (11) einen sich radial nach innen er
streckenden Flansch (12) aufweist, der eine zentrale Durchgangsöffnung
(23) umgibt, durch die sich der Stößel (19) hindurch erstreckt, und dessen
freie Stirnfläche eine Wärmekontaktfläche (27) für das thermomechani
sche Auslöseelement (28) bildet.
8. Auslöser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wär
mekontaktfläche (27) konvex ist und daß das thermomechanische Auslö
seelement eine Bimetallscheibe (28) mit einer Durchgangsöffnung für den
Stößel ist, die unterhalb einer bestimmten Temperatur zur Wärmeleithül
se (11) hin eine konkave Wärmekontaktfläche aufweist, mit der sie auf der
konvexen Wärmekontaktfläche (27) der Wärmeleithülse (11) aufliegt, und
die bei Erreichen der bestimmten Temperatur zur Betätigung des Stößels
(19) so umschnappt, daß ihre Wärmekontaktfläche konvex ist und ihr peri
pherer Rand mit Abstand zur Wärmekontaktfläche (27) der Wärmeleithül
se (11) liegt.
9. Auslöser nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß der durch eine Federkraft in seine erste Stellung gedrängte
Stößel (19) so mit dem thermomechanischen Auslöseelement (28) zusam
menwirkt, daß das thermomechanische Auslöseelement (28) in Wärme
kontakt mit der Wärmeleithülse (11) gehalten wird.
10. Auslöser nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Wärmeleithülse (11) aus gut wärmeleitenden Material,
vorzugsweise aus Aluminium besteht.
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