DE19942694A1 - Auslöser für elektrische Schutzschalter - Google Patents

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.