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Die
Erfindung betrifft eine magnetothermische Auslöseeinrichtung, insbesondere
für einen Leistungsschalter,
welche Einrichtung einen Magnetauslöser, der in der Lage ist, bei
einem sprunghaften Anstieg des Stroms als Folge eines Kurzschlusses eine
Auslösung
des Schaltmechanismus' des
Leistungsschalters zu bewirken, sowie einen thermischen Auslöser mit
Bimetall umfasst, der in der Lage ist, eine Auslösung des Schaltmechanismus' des Leistungsschalters
bei einer Überlast
und einem daraus folgenden langsamen Anstieg des Stroms zu bewirken.
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Eine
Einrichtung der beschriebenen Art ist aus der Druckschrift
DE 3 637 275 bekannt. In
dieser Druckschrift ist ein Auslöser
angegeben, der magnetische Auslösemittel
und thermische Auslösemittel vereinigt.
Die magnetischen Auslösemittel
umfassen eine Spule, die auf einem gut wärmeleitenden Tragkörper gelagert
ist, welcher an einem seiner Enden verschlossen ist und in dem einerseits
ein im Tragkörper
festgesetzter Kern und andererseits ein verschiebbar im Tragkörper gelagerter
Anker montiert sind, wobei zwischen Kern und Anker eine Feder eingesetzt
ist. Ein Stößel ist
verschiebbar im Kern gelagert und weist ein Ende, das sich am Anker
abstützt sowie
ein anderes Ende auf, das dazu dient, mit dem Auslösemechanismus
zusammenzuwirken. So hat bei einem sprunghaften Anstieg des Stroms
im Kurzschlussfall das von der Spule erzeugte Magnetfeld eine Verschiebung
des Ankers und somit des Stößels zur
Folge, der die Auslösung
des Mechanismus' bewirkt.
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Die
thermischen Auslösemittel
umfassen ein Bimetall, das zwischen einem aufgeweiteten Ende des
genannten Tragkörpers
und einem Deckel gelagert ist, welches Bimetall von dem genannten
Stößel durchdrungen
wird und mit einer Verdickung des Stößels zusammenwirkt, so dass
der genannte Stößel bei
Auftreten eines Überlaststroms
verschoben wird.
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Bei
dieser Lösung
erfolgt die Erwärmung
des als Schnappscheibe ausgebildeten Bimetalls über die Spule, die zunächst den
aus Aluminium bestehenden Tragkörper
sowie den aus Stahl bestehenden Kern erwärmen muss, die dann wiederum
ihre Wärme
auf die Bimetall-Schnappscheibe übertragen, so
dass sich eine lange Ansprechzeit des Bimetalls ergibt. Darüber hinaus
lassen sich bei dieser Ausführung
die elektromagnetische und die thermische Einrichtung aufgrund ihrer
wechselseitigen Abhängigkeit nur
schwer voneinander trennen.
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Des
Weiteren ist aus der Druckschrift EP-A-0 603 663 ein Leistungsschalter
der genannten Art mit einem Heizelement bekannt, das von dem zu überwachenden
Strom durchflossen wird und in der Lage ist, jede Temperaturerhöhung, die
einer Änderung des über das
Heizelement fließenden
Stroms entspricht, an das Bimetall zu übertragen.
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Die
vorliegende Erfindung löst
die beschriebenen Probleme und schlägt eine magnetothermische Auslöseeinrichtung
vor, die einen einfachen Aufbau und eine kurze Ansprechzeit aufweist
sowie eine einfache Anpassung des Ansprechwerts und eine Trennung
der beiden Einheiten erlaubt.
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Zu
diesem Zweck liegt der Erfindung eine Anordnung gemäß dem Patentanspruch
1 zugrunde.
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Nach
einem besonderen kennzeichnenden Merkmal ist die Form des Heizelements
an die Form des Bimetalls angepasst.
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Nach
einer besonderen Ausgestaltung ist bei Ausbildung des Bimetalls
als konkave Scheibe das genannte Heizelement ebenfalls als konkave
Scheibe ausgebildet.
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Nach
einem besonderen kennzeichnenden Merkmal besteht das genannte Heizelement
aus einem elektrisch leitenden Material mit einem hohen spezifischen
elektrischen Widerstand.
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Nach
einem weiteren kennzeichnenden Merkmal sind die Form und die Dicke
des Heizelements an den Nennstrom und/oder die Normwerte des Schaltgeräts angepasst.
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Nach
einem weiteren kennzeichnenden Merkmal ist im genannten Heizelement
ein Ausschnitt ausgebildet und die Form des Ausschnitts und/oder
die Dicke des genannten Heizelements sind so ausgelegt, dass sie
dem genannten Heizelement eine an die jeweiligen Nennstrom- oder
Normwerte des Schaltgeräts
angepasste Impedanz verleihen.
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Es
ist ersichtlich, dass dadurch das Material und die Form des Heizelements
so gewählt
werden können,
dass das Heizelement eine Impedanz erhält, die an die jeweiligen Nennströme und Normwerte
des Schaltgeräts
angepasst ist. Des Weiteren können aufgrund
der unabhängigen
Funktionsweise des Heizelements die beiden Auslöser, d.h. der magnetische Auslöser und
der thermische Auslöser
in einem großen
Relativabstand zueinander angeordnet werden.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Einrichtung anzugeben,
welche die genannten kennzeichnenden Merkmale einzeln oder in Kombination
aufweist.
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Zum
besseren Verständnis
ist die Erfindung in den beigefügten
Zeichnungen beispielhaft dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
unter Angabe weiterer Merkmale und Vorteile näher erläutert. Dabei zeigen
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1 und 2 axiale
Schnittansichten durch zwei senkrechte Ebenen des magnetothermischen
bzw. des thermischen Auslösers
in der Ruhestellung,
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3 eine
perspektivische explodierte Ansicht der genannten Einrichtung,
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4 und 5 zwei
zu 1 und 2 ähnliche Ansichten in der magnetischen
Auslösestellung
der Einrichtung,
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6 und 7 zwei
zu 1 und 2 ähnliche Ansichten in der thermischen
Auslösestellung
der Einrichtung,
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8, 9 und 10 perspektivische Ansichten
von drei verschiedenen Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen, so
genannten Bimetallheizelements.
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Die 1 bis 7 zeigen
einen magnetothermischen Auslöser
D, der dazu dient, in einem Niederspannung-Leistungsschalter (nicht
dargestellt) eingesetzt zu werden, um einen elektrischen Stromkreis
gegen Überlastströme und Kurzschlüsse zu schützen. Dieser
Leistungsschalter umfasst im Wesentlichen auf eine an sich bekannte
Art und Weise zwei, als feststehender und als beweglicher Kontakt
ausgebildete trennbare Kontakte, einen über einen Betätigungshebel
angetriebenen Schaltmechanismus zum Ausschalten und Einschalten
des Leistungsschalters, einen elektromagnetischen Auslöser E, der
dazu dient, bei Auftreten eines Kurzschlussstroms den Schaltmechanismus
des Leistungsschalters auszulösen
und so das Öffnen
der Kontakte zu bewirken, sowie einen thermischen Auslöser T, der dazu
dient, den Schaltmechanismus bei Auftreten eines Überlaststroms
auszulösen.
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Bei
der in den Figuren, insbesondere in 3 gezeigten
Ausgestaltung umfasst der elektromagnetische Auslöser E einen
Flansch 1, an dem ein feststehender Kern 2 befestigt
ist, einen mit Presssitz auf den feststehenden Kern 2 geschobenen
Kunststofftragkörper 3,
eine auf dem Tragkörper 3 gelagerte
Spule 4 mit einem an den Flansch 1 angeschweißten Ende 4a,
einen die Spule 4 umgreifenden U-förmigen Rahmen 5, in
dessen Boden eine Öffnung 6 ausgebildet
ist, um die Durchführung
und Verschiebung eines beweglichen Kerns 7 zu ermöglichen,
wobei der genannte Rahmen 5 darüber hinaus eine um die Öffnung 6 geführte, ringförmige Ausnehmung 8 aufweist,
die dazu dient, eines 3b der Enden des genannten Tragkörpers 3 aufzunehmen,
und
mit dem freien Ende 5a eines seiner Schenkel an
den Flansch 1 angeschweißt ist. Der genannte bewegliche
Kern 7 ist über
sein im Tragkörper 3 angeordnetes
Ende 7a mit einem der Enden 9a eines Schlagstifts 9 verbunden,
der im feststehenden Kern 2 gleitend gelagert ist und dessen
gegenüberliegendes Ende 9b dazu
dient, mit einem Schlaghebel 10 (siehe 1 und 2)
zusammenzuwirken, der in der Lage ist, den Schaltmechanismus auszulösen und eine
Schlagwirkung auf den beweglichen Kontakt auszuüben. Im feststehenden Kern 2 ist
eine Ausnehmung 13 ausgebildet (siehe 1),
die dazu dient, ein Ende 12b einer um den Schlagstift 9 geführten Feder 12 aufzunehmen,
deren anderes Ende 12a sich am beweglichen Kern 7 abstützt. Es
sei darauf hingewiesen, dass der genannte Schlagstift 9 zur Vermeidung
von unerwünschten
Spielen in eine Öffnung 7b des
beweglichen Kerns 7 fest eingesteckt ist. Die genannte
Feder 12 dient dazu, den bewegliche Kern 7 entsprechend
der Darstellung 1 und 2 in Richtung
der Ruhestellung zu beaufschlagen. Die aus dem Tragkörper 3,
der Spule 4 und den beiden Kernen 2 und 7 bestehende
Einheit ist in einem Rahmen 5 montiert, der an einem seiner
Enden eine Durchführungsöffnung 6 für den beweglichen Kern 7 aufweist
und an seinem gegenüberliegenden Ende
durch einen Flansch 1 verschlossen ist, welcher Flansch 1 einerseits
mit der Spule 4 und andererseits mit dem Heizelement 16 der
Spule elektrisch verbunden ist.
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Die
thermische Einheit T des magnetothermischen Auslösers umfasst eine so genannte
obere Kapsel 14 mit einer Ausnehmung 14a zur Aufnahme eines
so genannten Schnappbimetalls 15, das aus einer Scheibe
besteht, die in der Ruhestellung in Richtung der der Kapsel abgewandten
Seite gewölbt
ist, und ein so genanntes Heizelement 16 umfasst eine Scheibe,
deren eine Seite 16a (siehe 3) eine
an die gewölbte
Form des Bimetalls 15 angepasste gewölbte Form aufweist, welches
Heizelement 16 darüber
hinaus einen Radialspalt 17, dessen Funktion nachstehend
beschrieben wird, sowie zwei Fahnen 18, 19 aufweist,
die sich annähernd
senkrecht zur Ebene der genannten Scheibe, in zwei entgegengesetzte
Richtungen erstrecken. Der thermische Auslöser umfasst darüber hinaus
eine plattenförmige,
so genannte untere Kapsel 20, die dazu dient, mit einer ihrer
Seiten am Heizelement 16 befestigt zu werden, und eine
Mittelöffnung 20a aufweist,
in die der dem feststehenden Kern 2 zugeordnete Vorsprung 2a mit Presssitz
eingepasst ist, um die thermische Einheit auf der magnetischen Einheit
zu befestigen. Insbesondere aus der 1 und 2 ist
ersichtlich, dass sowohl das Bimetall als auch das Heizelement zwischen
der das Heizelement 16 tragenden unteren Kapsel 20 und
der die Ausnehmung 14a aufweisenden oberen Kapsel 14 eingeschlossen
ist, wobei die genannte Ausnehmung 14a einen umlaufenden Rand 14b aufweist
und das genannte Bimetall 15 zwischen diesem umlaufenden
Rand 14b und dem umlaufenden Rand 16b des Heizelements 16 gehalten
wird.
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Wie
inbesondere aus 2 hervorgeht, ist die zur Auflage
auf dem Bimetall 15 bestimmte Seite 16a des Heizelements 16 an
die zugeordnete Seite des Bimetalls 15 angepasst, so dass
in der Ruhestellung des Auslösers
das Bimetall mit seiner gesamten Fläche auf dem Heizelement aufliegt.
Auf an sich bekannte Art und Weise besteht die das Bimetall 15 bildende
Scheibe aus einem gut wärmeleitenden
Material, so dass sich die Form des Bimetalls bei Temperatureinwirkung
verändert.
Dadurch kehrt sich die Auswölbungsrichtung
der Scheibe bei Erreichen einer so genannten Auslösetemperatur
um.
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Es
ist ebenfalls erkennbar, dass im Heizelement 16, im Bimetall 15 und
in der oberen Kapsel 14 Öffnungen 17 bzw. 15a ausgebildet
sind, die dazu dienen, die Durchführung des Schlagstifts 9 sowie dessen
Verschiebung durch die genannten Teile hindurch zu ermöglichen.
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Wie
aus 8 bis 10 ersichtlich, kann im Heizelement 16 ein
Ausschnitt 17 (Öffnung)
ausgebildet sein, dessen Größe in Abhängigkeit
vom Nennstrom des Leistungsschalters bestimmt wird. Die Form des
Heizelements 16 sowie seine Abmessungen und das Material,
aus dem es besteht, können
nämlich
so gewählt
werden, dass das Element eine bestimmte Impedanz aufweist, die an
den verschiedenen Nennströme
und Normwerte der Schaltgeräte
angepasst ist. So weist das in 8 dargestellte
Heizelement 16 eine längliche Öffnung 17 auf, die
sich annähernd
vom Mittelpunkt bis zur äußeren Umfangslinie
der Scheibe erstreckt und deren Breite annähernd dem Abstand zwischen
den beiden Fahnen 18, 19 entspricht. Der Widerstand
des Heizelements 16 ist nämlich proportional zur Länge der Strombahn
zwischen den beiden Anschlüssen 18, 19 sowie
zum Widerstand des Materials, jedoch umgekehrt proportional zur
Breite I der Bahn. Die in 9 dargestellte
Scheibe weist eine Öffnung 17 auf,
die sich radial vom Außenrand
der Scheibe über
den halben Radius erstreckt, und deren Breite auf der Umfangslinie
der Scheibe annähernd
der halben Breite aus 8 entspricht. Die in 10 dargestellte Scheibe
weist lediglich eine Mittelöffnung
zur Durchführung
des Schlagstifts auf. So ergibt sich ein Widerstandswert des ersten
Heizelements gemäß 8, der
kleiner ist als der Widerstandswert des zweiten Heizelements gemäß 9,
welcher seinerseits kleiner ist als der Widerstandswert des Heizelements aus 10.
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Das
Bimetall 15 und der Schlagstift 9 wirken jeweils
mit einem von zwei senkrecht zueinander angeordneten Armen 10b, 110a eines
auf die Auslösewelle
des Leistungsschalters wirkenden Umlenkhebels 10 zusammen,
wobei der mit dem Bimetall 15 zusammenwirkende Arm 10b die
obere Kapsel 14 durchragt.
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Nachstehend
wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Auslöseeinrichtung mit Bezug auf
die Figuren beschrieben.
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In 1 und 2 befindet
sich die Auslöseeinrichtung
in der Ruhestellung entsprechend dem normalen Betriebszustand des
Schaltgeräts,
in dem der Strom (I in 3) über die Spule 4, den
Flansch 1, das Heizelement 16 und einen 18 seiner
Anschlüsse 18, 19 zum
anderen Anschluss 19 des Heizelements fließt, wobei
er den Ausschnitt 17 umfließt und anschließend in
den beweglichen Kontakt eintritt, der eine elektrische Kontaktverbindung
zum feststehenden Kontakt aufweist (nicht dargestellt).
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Zunächst soll
unter Bezugnahme auf 1, 2, 4 und 5 die
Funktionsweise der Einrichtung bei einer magnetischen Auslösung beschrieben
werden.
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Bei
einem sprunghaften Anstieg des Stroms als Folge eines Kurzschlusses
wird durch die Spule 4 ein Magnetfeld erzeugt. Überschreitet
der Strom einen bestimmten Schwellwert, wird ein magnetischer Ansprechwert
erreicht, was die Verschiebung des beweglichen Kerns 7 in
Richtung des feststehenden Kerns 2 entsprechend der Darstellung
in 4 und 5 bewirkt. Die aus Kern und
Schlagstift bestehende Anordnung beaufschlagt daraufhin den Umlenkhebel 10,
der nach einem bestimmten Hebelweg zunächst auf die Auslösewelle
wirkt, um die Auslösung
des Schaltmechanimsus' zu
steuern, und anschließend
nach einem zusätzlichen
Hebelweg den beweglichen Kontakt beaufschlagt, um die schlagartige Öffnung der
Kontakte herbeizuführen.
Auf diese Weise erfüllt
der Schlagstift erfindungsgemäß zwei Funktionen,
da er einerseits auf den Auslösemechanismus
wirkt und andererseits eine Schlagwirkung auf den beweglichen Kontakt
ausübt,
um diesem eine große
Kurzschluss-Ausschaltkraft zu verleihen.
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Nachstehend
wird die Funktionsweise der Einrichtung bei einer thermischen Auslösung beschrieben.
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Bei
einem langsamen Anstieg des Stroms in Folge einer Überlast
erwärmt
sich das von diesem Strom durchflossene so genannte Heizelement 16 und überträgt diesen
Temperaturanstieg auf das Schnapp-Bimetall 15, auf dem
es direkt aufliegt. Da der Strom unmittelbar auf das mit dem Bimetall
in Berührung
stehende Teil 16 übergeht,
verringert sich die Ansprechzeit dieses Bimetalls deutlich. Sobald
das Bimetall seine Umschnapptemperatur erreicht, schnappt es wie
aus 6 und 7 ersichtlich schlagartig um,
d.h. es geht von einer Stellung mit Auswölbung in Richtung der Spule 4 in
eine Stellung mit Auswölbung
in Richtung des Umlenkhebels 10 über.
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Bei
diesem Umschnappen schlägt
das Bimetall direkt gegen den Umlenkhebel 10, der die Auslösewelle
des Leistungsschalters beaufschlagt und die Auslösung des Schaltmechanismus
bewirkt.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass aufgrund der Anordnung des Bimetalls 15 und
des Heizelements 16 in einer Kapsel diese Baueinheit weniger abhängig von äußeren Wärmequellen
durch die Spule 4, den feststehenden Kontakt oder den beweglichen
Kontakt ist.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass das Heizelement 16 aus einer
elektrisch leitenden Speziallegierung mit hohem spezifischen Widerstand
wie z.B. Edelstahl besteht, während
die untere und die obere Kapsel vorteilhaft aus Kunststoff bestehen.
Der Isolierstoff-Tragkörper
kann aus Kunststoff bestehen.
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Es
sei ebenfalls darauf hingewiesen, dass das Heizelement nicht unbedingt
direkt mit dem Bimetall in Berührung
stehen muss, sondern dass sich zwischen Bimetall und Heizelement
eine Luftschicht befinden kann.