EP0917173A2 - Überstromauslöser für Schutzschalter - Google Patents

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EP0917173A2
EP0917173A2 EP98121257A EP98121257A EP0917173A2 EP 0917173 A2 EP0917173 A2 EP 0917173A2 EP 98121257 A EP98121257 A EP 98121257A EP 98121257 A EP98121257 A EP 98121257A EP 0917173 A2 EP0917173 A2 EP 0917173A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
overcurrent release
release according
bimetallic snap
plunger
base body
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP98121257A
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English (en)
French (fr)
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EP0917173A3 (de
Inventor
Hans Arnhold
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Individual
Original Assignee
Individual
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Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=7848977&utm_source=***_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP0917173(A2) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP0917173A2 publication Critical patent/EP0917173A2/de
Publication of EP0917173A3 publication Critical patent/EP0917173A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/10—Operating or release mechanisms
    • H01H71/12—Automatic release mechanisms with or without manual release
    • H01H71/40—Combined electrothermal and electromagnetic mechanisms
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/10—Operating or release mechanisms
    • H01H71/12—Automatic release mechanisms with or without manual release
    • H01H71/40—Combined electrothermal and electromagnetic mechanisms
    • H01H2071/407—Combined electrothermal and electromagnetic mechanisms the thermal element being heated by the coil of the electromagnetic mechanism

Definitions

  • Line and motor protection switches are devices which have the purpose of the power supply lines or the Motor against excessive current consumption and thus thermal Protect overload.
  • the one operating case is the low impedance short circuit in which extremely high currents arise instantly. This extreme high currents have to be switched off very quickly, what electromagnetic drives are used for.
  • the current from the power supply line or to the protected Motor flows through the magnet winding of an electromagnet, that when a critical is exceeded Current limit an armature can move through the switch contacts are opened.
  • the other operating case which also leads to a shutdown is one compared to that Short circuit, slight exceeding of the nominal current value starting at around 20%.
  • the speed at which such an excess current can be switched off must depend on the severity of the exceedance.
  • the trigger time varies between minutes and milliseconds.
  • Bimetallic devices used with the help of the circuit breaker or the motor protection switch flowing electricity are heated. These bimetallic devices have an integrating characteristic, as it were, by grasping how long a corresponding strong overcurrent flows. It must be ensured that if the nominal current is greatly exceeded, which, however, is clearly below the short circuit case is a relatively quick shutdown via the bimetallic element is achieved.
  • DE 36 37 275 C1 is an overcurrent release known for protective switching devices, which is a comparatively short response time when the Has nominal current.
  • the arrangement consists of a U-shaped curved iron yoke, the two legs together aligned holes included. In these holes sticks an aluminum tube that serves as a support for a applied magnetic winding is used between the legs of the Eisenjoch.
  • an iron core with a through hole in which a plunger is longitudinally displaceable is led.
  • the plunger lies against one end an anchor also located in the tube, the using a helical compression spring at a distance from the adjacent end face of the iron core is held.
  • This known arrangement is suitable for both to monitor the short circuit case as well as the overcurrent case.
  • the consumer current flows through the winding and in the event of a short circuit there will be a magnetic field generates the anchor against the action of the spring the fixed iron core moves, causing the plunger pushed forward and the latch of the release mechanism the switch is unlocked.
  • the winding on the aluminum tube serves as heating coil for the bimetallic disc.
  • the winding heats up the entire magnetic yoke until the crack temperature the bimetallic snap disc is reached.
  • the Snap disc suddenly jumps to the opposite Direction and also pushes the plunger in Direction to the trigger mechanism, with the help a ring shoulder attached to the ram.
  • From CH 319 008 is a bimetallic snap switch known who works with a curved bimetallic disc.
  • the housing of the bimetal switch detects one inside convex protruding floor on which with the concave side the bimetallic disc rests. Through the A fastening rivet runs in the middle of the bimetallic disc, the the bimetallic disc on the convex case bottom holds on.
  • the purpose of this construction is in the rest position corresponding to the cold state good thermal contact between the bimetal disc and manufacture the housing.
  • the disc lies both cold and warm with your middle area on the complementary curved base body on. In this area, she is using a Holding member held in the system so that constantly in this Good thermal contact is guaranteed.
  • the warming area in the middle area won't either Significantly worsened when the disc is heated slowly into a lower state Radius of curvature creeps. Since the design change by Jumping into the other state is only minor only an extremely small one in the middle of the pane Shape change that does not result in thermal contact noticeably influenced. This leaves a good one Heat coupling exist, which has a fast response time of the system guaranteed.
  • the trigger member is cup-shaped and has a collar molded onto a base that interacts with the edge of the bimetallic snap disc. There is an actuation extension on the release link intended.
  • the is easy to integrate in an overcurrent switch is preferably a guide device with the base body connected for the trigger link.
  • the base body is ferromagnetic short-circuit current monitoring to get integrated.
  • a winding that at one end over the Base body protrudes and a cup-like cavity creates.
  • an anchor Moved in this cup-like cavity an anchor that is spaced with the help of a compression spring is held to the base body.
  • the anchor is a plunger connected by a central bore of the Basic body passes through and the holding member at the same time forms for the snap disc. In this way can with the help of the plunger, which in the base body heat absorbs, additional heat is introduced into the snap disk become.
  • the magnetic winding is advantageously designed that no additional magnetic yoke is required which is the thermal inertia of the system in the sense an increase in response time would worsen.
  • a further improvement in the response time can be achieved be made self-supporting by the magnetic winding Winding that does not need a carrier on the it is wound up.
  • the overcurrent release 1 essentially include a ferromagnetic core 5 as the base body, one opposite the core movable armature 6, a magnet or Heating winding 7 and a bimetallic snap disk 8.
  • the ferromagnetic core 5 has seen in cross section a T-shaped shape and consists of one cylindrical portion 9 with an end face 11, the into an umbrella-like head that merges with the other End face 12 forms.
  • the cylindrical portion 9 is from a cylindrical outer peripheral surface 13 and one end bounded by the flat end face 11.
  • the umbrella-like head forms an edge 14 that is radial protrudes beyond the cylindrical portion 9 and is located at the end opposite the end face 11.
  • the edge 14 is flat on its underside 15, while the end face 12 is convex throughout is.
  • a cylindrical leads coaxially through the core 5 Bore 16 through.
  • the bimetallic snap disk 8 is on the end face 12 arranged. It is known to be one of two thin metal sheets composed circular Disc made of two parallel flat sides 17 and 18 and an edge 19 is limited. she has the Shape of a spherical cap.
  • the bimetallic snap disk 8 is able to Warming is suddenly changing its spatial shape.
  • the in cold state concave flat side 17 curves in the warm Condition convex through, causing the opposite Flat side 18 becomes concave. The process is reversible.
  • a cylindrical plunger leads through the bore 16 21, in the area of its front section with a Ring shoulder 22 is provided.
  • the plunger 21 also leads through a central bore 23 in the bimetallic snap disk 8th.
  • the plunger 21 protrudes beyond the shoulder 22 and has a front free actuating end 24 which is set up to engage with the lever 2 come.
  • the rear end of the plunger 21 leads through a Bore 25 in the cylindrical armature 6.
  • the plunger 21 With an open closing head 26 with the armature 6 riveted.
  • the bore 25 in the armature 6 goes to the core 5 facing end in an expanded section 27 over, which is limited by a shoulder 28.
  • the shoulder 28 forms a contact surface for a helical compression spring 29, the other end of which is located on the end face 11 of the core 9 supports.
  • Helical compression spring 29 on the annular shoulder 22 in contact the bimetallic snap disk 8 held, which in turn is thereby pressed against the end face 12.
  • the outer diameter of the armature 6 is smaller than the diameter of the cylindrical portion 9.
  • the cylindrical outer surface 13 of the core 9 serves as a seat for the magnetic or heating winding 7, the from an appropriately dimensioned hard copper wire 31 consists of several turns into one cylindrical coil is wound.
  • the length of this coil 7 is dimensioned so that it is about twice as long as the distance of the end face 11 of the core 5 from the Bottom 15 of the edge 14. This leaves a sufficient cylindrical, cup-shaped interior, the from the inside of the coil 7 and the end face 11 is limited to accommodate the anchor 6, which is in the Idle state with its end face 32 at a distance from the End face 11 is located.
  • a cup-shaped guide member 33 In front of the end face 12 is a cup-shaped guide member 33 with a cylindrical tubular collar 34 and a bottom 35 arranged.
  • an annular Recess 36 In the free end of the tubular collar 34 is an annular Recess 36 with which the tubular collar 34 engages around the disk-shaped edge 14 of the core 5 on the outside and on this by means of a flare that is not recognizable is, is held.
  • stepped bore 38 From the bottom 35 a neck part 37 starts, one Contains stepped bore 38.
  • the stepped bore 38 has a larger diameter section 39 and one cylindrical portion 41 with a smaller diameter on one another at a rounded shoulder 42 pass over.
  • the bore 38 is to the tubular collar 34 coaxial and thus aligned with the axis of the bore 16 in the ferromagnetic core 5.
  • the guide part 38 serves as a guide for one cup-shaped or bell-shaped second plunger of a trigger member 43, the outer diameter of the outer diameter corresponds to the bimetallic snap disk 8 and that with its bell-shaped collar 44 on the edge 19 of the Bimetallic snap disk 8 rests. Radially further inside the bell-shaped collar 44 goes into a tubular one Actuating extension 45 over, which is cylindrical and the outside diameter of the clear width of the section 41 corresponds to the bore 38. Through the tubular The actuation extension 45 guides the plunger 21 through, the length of the plunger 21 and the tubular actuation extension 45 is sized so that both of them end approximately flush.
  • the copper wire 31 flowing current has two effects. The one effect is that it is proportional to the current the ferromagnetic Kern heats and also in the air gap between the ferromagnetic core 5 and the ferromagnetic Armature 6 generates a magnetic field. Both that The magnetic field and the heating effect are proportional to the current.
  • the coil 7, now predominantly working as a heating coil a temperature that is above the temperature at which the bimetallic snap disc 8 from the shape shown in Fig. 1 in the shape shown in Fig. 2, i.e. the flat side 18 transformed from the convex to the concave shape.
  • the temperature generated by the winding 7 spreads gradually towards the bimetallic snap disc 8, the speed of propagation is relatively fast because of the heat capacity of the ferromagnetic core 5 due to its small Volume is low.
  • the bimetallic snap disc has 8 in its middle area itself Creeping movements make very good thermal contact with that ferromagnetic core 5. Because of the lack of an external Yokes or a separate bobbin with large The entire arrangement has a total heat capacity has very low heat capacity. With that one can very fast thermal response of the overcurrent switch 1, in those current ranges, which are below the current at which the armature 6 due to magnetic forces, but on the other hand are significantly above the nominal current.
  • the good heat transfer to the bimetallic snap disc 8 is additionally improved by the plunger 21, that from inside the core 5 over the ring shoulder 22 heat to the opposite flat side the bimetallic snap disk 8 creates.
  • An overcurrent release for circuit breakers or motor protection switch has a very low Response time to.
  • the short response time is reached by placing a bimetallic snap disc with the heater is connected that their middle area is independent of creeping movements always in contact with the Heating device stands.
  • This heater is from a ferromagnetic core is formed on which without a another yoke placed directly on the magnetic winding which also serves as a heating winding.
  • the Bimetallic snap disc is on this heater held with the help of the electromagnetically operated plunger, while another, the electromagnetically operated Tappet coaxial surrounding tappet from the Bimetallic snap disc is moved.

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Abstract

Ein Überstromauslöser (1) für Leitungsschutzschalter oder Motorschutzschalter weist eine sehr geringe Ansprechzeit auf. Die kurze Ansprechzeit wird erreicht, indem eine Bimetall-Schnappscheibe (8) so mit der Heizeinrichtung (7) verbunden ist, dass ihr mittlerer Bereich unabhängig von Kriechbewegungen immer in Berührung mit der Heizeinrichtung (7) steht. Diese Heizeinrichtung (7) wird von einem ferromagnetischen Kern (5) gebildet, auf dem ohne ein weiteres Joch unmittelbar die Magnetwicklung (12) aufgesetzt ist, die gleichzeitig als Heizwicklung dient. Die Bimetall-Schnappscheibe (8) wird an dieser Heizeinrichtung (7) mit Hilfe des elektromagnetisch betätigten Stößels (21) gehalten, während ein weiterer, den elektromagnetisch betätigten Stößel koaxial umgebender Stößel (43) von der Bimetall-Schnappscheibe (8) bewegt wird. <IMAGE>

Description

Leitungs- und Motorschutzschalter sind Einrichtungen, die den Zweck haben, die Stromzuleitungen bzw. den Motor gegen übermäßige Stromaufnahme und damit thermische Überlastung zu schützen.
Bei derartigen Schutzeinrichtungen werden zwei Betriebsfälle voneinander unterschieden. Der eine Betriebsfall ist der niederohmige Kurzschluss, bei dem augenblicklich extrem hohe Ströme entstehen. Diese extrem hohen Ströme müssen sehr schnell abgeschaltet werden, wozu elektromagnetische Antriebe verwendet werden. Der Strom aus der Stromzufuhrleitung bzw. zum zu schützenden Motor fließt durch die Magnetwicklung eines Elektromagneten, der beim Überschreiten eines kritischen Stromgrenzwertes einen Anker sich bewegen lässt, durch den die Schalterkontakte geöffnet werden.
Der andere Betriebsfall, der ebenfalls zu einer Abschaltung führen soll, ist eine, verglichen mit dem Kurzschluss, geringe Überschreitung des Stromnennwertes beginnend etwa bei ca. 20%. Die Geschwindigkeit, mit der eine solche Stromüberschreitung abgeschaltet werden muss, richtet sich nach der Stärke der Überschreitung. Die Auslösezeit schwankt zwischen Minuten und Millisekunden.
Kurzfristige geringe Stromüberschreitungen treten häufig auf, insbesondere beispielsweise beim Einschalten von Motoren u.dgl. und es ist nicht wünschenswert, dass hierbei umgehend die Sicherungseinrichtung auslöst. Hingegen soll eine langfristige Stromüberschreitung des Nennwertes unterbunden werden.
Um sowohl die zeitliche Verzögerung als auch das Erfassen einer wenigstens um ca. 20% über dem Nennwert liegenden Strombelastung zu erreichen, werden in den Motorschutzschaltern und in den Leitungsschutzschaltern Bimetalleinrichtungen verwendet, die mit Hilfe des durch den Leitungsschutzschalter bzw. den Motorschutzschalter fließenden Stroms geheizt werden. Diese Bimetalleinrichtungen haben gleichsam eine integrierende Charakteristik, indem sie erfassen, wie lange ein entsprechend starker Überstrom fließt. Dabei muss sichergestellt werden, dass bei einer starken Überschreitung des Nennstroms, die jedoch deutlich unter dem Kurzschlussfall liegt, eine relativ schnelle Abschaltung über das Bimetallelement erreicht wird.
Mit Hilfe des Bimetallelementes muss ein Strombereich überdeckt werden, der bei etwa 20% über dem Stromnennwert beginnt und bis zu jenem Strom heranreicht, an dem frühestens die Magnetantriebseinrichtung wirksam werden kann. Dabei sollte bei hohen Strömen eine sehr kurze Ansprechzeit des Bimetallelementes erreicht werden.
Aus der DE 36 37 275 C1 ist ein Überstromauslöser für Schutzschaltgeräte bekannt, der eine vergleichsweise kurze Reaktionszeit bei starken Überschreitungen des Nennstroms aufweist. Die Anordnung besteht aus einem U-förmig gebogenen Eisenjoch, dessen beide Schenkel miteinander fluchtende Bohrungen enthalten. In diesen Bohrungen steckt ein Aluminiumrohr, das als Träger für eine darauf aufgebrachte Magnetwicklung dient, die sich zwischen den Schenkeln des Eisenjochs befindet. Im Inneren des Rohres sitzt unbeweglich ein Eisenkern mit einer durchgehenden Bohrung, in der ein Stößel längsverschieblich geführt ist. Der Stößel liegt mit einem Ende an einem ebenfalls in dem Rohr befindlichen Anker an, der mit Hilfe einer Schraubendruckfeder im Abstand zu der benachbarten Stirnseite des Eisenkerns gehalten wird.
Auf einer Seite geht das Rohr in einen becherartigen Ansatz über, der mit einem konkaven Boden versehen ist. Dieser konkave Boden setzt sich in der außenliegenden Stirnseite des Eisenkerns fort.
In dem becherförmigen Fortsatz liegt eine kreisrunde Bimetall-Schnappscheibe, die randseitig mit Hilfe eines Deckels, der in den Becher eingesetzt ist, gegen den Boden angedrückt wird. Um einen möglichst guten Wärmeübergang zu schaffen, stimmt der Krümmungsradius der kalten Bimetall-Schnappscheibe mit dem Krümmungsradius des Bodens des Bechers überein.
Diese bekannte Anordnung ist dazu geeignet, sowohl den Kurzschlussfall als auch den Überstromfall zu überwachen. Der Verbraucherstrom fließt über die Wicklung und im Falle eines Kurzschlusses wird ein Magnetfeld erzeugt, das den Anker gegen die Wirkung der Feder zu dem feststehenden Eisenkern bewegt, wodurch der Stößel nach vorne geschoben und die Verklinkung der Auslösemechanik des Schalters entriegelt wird.
Gleichzeitig dient die Wicklung auf dem Aluminiumrohr als Heizwicklung für die Bimetallscheibe. Im Falle eines Überstroms, der über dem Nennwert, jedoch unterhalb des Kurzschluss-Stroms liegt, heizt die Wicklung das gesamte Magnetjoch auf, solange bis die Sprungtemperatur der Bimetall-Schnappscheibe erreicht wird. Die Schnappscheibe springt schlagartig zur entgegengesetzten Richtung durch und schiebt dabei ebenfalls den Stößel in Richtung auf die Auslösemechanik, und zwar mit Hilfe einer an dem Stößel angebrachten Ringschulter.
Diese an sich für niedrige Nennströme recht gut bewährte Lösung zeigt Probleme bei großen Nennströmen, weil die Ansprechzeit in der thermischen Auslösung zu lang ist. Das Wärmeaufnahmevermögen des Eisenjochs, des Aluminiumrohrs und des Bechers ist so groß, dass die Ansprechzeit stark verzögert wird, wenn große Überströme auftreten. Außerdem ist der Wärmeübergang zu der Schnappscheibe schlecht. Bereits bei kleinen Übertemperaturen beginnt die Scheibe zu kriechen und sich in ihrem Mittenbereich von dem Boden des Bechers zu heben, womit zwischen der Scheibe und dem Boden ein Luftspalt entsteht, der den Wärmeübergang verschlechtert. Der Wärmeeintrag geschieht ausschließlich vom Rand der Scheibe her, wodurch im Zusammenwirken mit der thermischen Trägheit der Magneteinrichtung ein zeitlich ungünstiges Ansprechverhalten entsteht.
Aus der CH 319 008 ist ein Bimetallschnappschalter bekannt, der mit einer gewölbten Bimetallscheibe arbeitet. Das Gehäuse des Bimetallschalters weist einen nach innen konvex vorstehenden Boden auf, auf dem mit der konkaven Seite die Bimetallscheibe aufliegt. Durch die Mitte der Bimetallscheibe führt ein Befestigungsniet, der die Bimetallscheibe auf dem konvexen Gehäuseboden festhält. Der Zweck dieser Konstruktion besteht darin, in der dem kalten Zustand entsprechenden Ruhestellung einen guten Wärmekontakt zwischen der Bimetallscheibe und dem Gehäuse herzustellen.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, einen Überstromauslöser zu schaffen, der ein verbessertes Ansprechverhalten zeigt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem Überstromauslöser mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Aufgrund der neuen Gestaltung liegt die Scheibe sowohl im kalten als auch im warmen Zustand mit ihrem mittleren Bereich auf dem komplementär gekrümmten Grundkörper auf. In diesem Bereich wird sie mit Hilfe eines Haltegliedes in Anlage gehalten, so dass ständig in diesem Bereich ein guter Wärmekontakt gewährleistet ist. Der Wärmebereich im mittleren Bereich wird auch nicht nennenswert verschlechtert, wenn die Scheibe beim Erwärmen langsam in einen Zustand mit geringerem Krümmungsradius kriecht. Da die Gestaltsänderung bis zum Umspringen in den anderen Zustand nur gering ist, kommt im mittleren Bereich der Scheibe nur eine extrem geringe Gestaltsänderung zustande, die den Wärmekontakt nicht nennenswert beeinflusst. Dadurch bleibt eine gute Wärmekopplung bestehen, die eine schnelle Reaktionszeit des Systems gewährleistet.
Bei der neuen Lösung ist das Auslöseglied becherförmig und weist einen an einen Boden angeformten Kragen auf, der mit dem Rand der Bimetall-Schnappscheibe zusammenwirkt. An dem Auslöseglied ist ein Betätigungsfortsatz vorgesehen.
Die konstruktiven Verhältnisse werden besonders einfach, wenn das Auslöseglied rotationssymmetrisch ist.
Um eine selbsttragende Einheit zu erhalten, die leicht in einem Überstromschalter zu integrieren ist, ist vorzugsweise mit dem Grundkörper eine Führungseinrichtung für das Auslöseglied verbunden.
Wenn der Grundkörper ferromagnetisch ausgebildet ist, kann gleichzeitig auch die Kurzschluss-Stromüberwachung integriert werden. Zu diesem Zweck sitzt auf dem Grundkörper eine Wicklung, die an einem Ende über den Grundkörper übersteht und einen becherartigen Hohlraum entstehen lässt. In diesem becherartigen Hohlraum bewegt sich ein Anker, der mit Hilfe einer Druckfeder im Abstand zu dem Grundkörper gehalten ist. Mit dem Anker ist ein Stößel verbunden, der durch eine mittige Bohrung des Grundkörpers hindurchführt und der gleichzeitig das Halteglied für die Schnappscheibe bildet. Auf diese Weise kann mit Hilfe des Stößels, der in dem Grundkörper Wärme aufnimmt, zusätzlich Wärme in die Schnappscheibe eingeleitet werden.
Die Magnetwicklung ist vorteilhafterweise so gestaltet, dass kein zusätzliches Magnetjoch benötigt wird, das die thermische Trägheit des Systems im Sinne einer Verlängerung der Ansprechzeit verschlechtern würde. Eine weitere Verbesserung der Ansprechzeit kann erreicht werden, indem die Magnetwicklung eine selbsttragende Wicklung ist, die keinen Träger benötigt, auf den sie aufgewickelt ist.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
  • Fig. 1 den erfindungsgemäßen Überstromauslöser, in einem Längsschnitt, geschnitten parallel zu der Achse des Stößels, im Ruhezustand und
  • Fig. 2 den Überstromauslöser nach Fig. 1, im Zustand nach der thermischen Auslösung.
    • Die Fig. 1 und 2 zeigen jeweils in einem Längsschnitt einen Überstromauslöser 1 in unterschiedlichen Betriebsstellungen. Er dient dazu, bei einem nicht weiter gezeigten Leitungsschutzschalter bzw. Motorschutzschalter die Verklinkung einer Hebelmechanik zu entriegeln, die im Normalzustand nicht weiter gezeigte Schalterkontakte geschlossen hält. Von der Hebelmechanik ist lediglich ein zweiarmiger Hebel 2 beispielhaft gezeigt, der auf einer Achse 3 schwenkbar gelagert ist. Er weist einen die Verklinkung aufrechterhaltenden Haken 4 auf.
    Zu dem Überstromauslöser 1 gehören im Wesentlichen ein ferromagnetischer Kern 5 als Grundkörper, ein gegenüber dem Kern beweglicher Anker 6, eine Magnet- oder Heizwicklung 7 sowie eine Bimetall-Schnappscheibe 8.
    Der ferromagnetische Kern 5 hat im Querschnitt gesehen eine T-förmige Gestalt und besteht aus einem zylindrischen Abschnitt 9 mit einer Stirnfläche 11, der in einen schirmartigen Kopf übergeht, der die andere Stirnfläche 12 bildet. Der zylindrische Abschnitt 9 ist von einer zylindrischen Außenumfangsfläche 13 und an einem Ende von der planen Stirnfläche 11 begrenzt.
    Den schirmartigen Kopf bildet ein Rand 14, der radial über den zylindrischen Abschnitt 9 übersteht und sich am der Stirnfläche 11 gegenüberliegenden Ende befindet. Der Rand 14 ist an seiner Unterseite 15 plan, während die Stirnfläche 12 durchgehend konvex gewölbt ist.
    Durch den Kern 5 führt koaxial eine zylindrische Bohrung 16 hindurch.
    Die Bimetall-Schnappscheibe 8 ist auf der Stirnfläche 12 angeordnet. Sie ist in bekannter Weise eine aus zwei dünnen Metallblechen zusammengesetzte kreisförmige Scheibe, die von zwei zueinander parallelen Flachseiten 17 und 18 sowie einem Rand 19 begrenzt ist. Sie hat die Gestalt einer Kugelkalotte.
    Die Bimetall-Schnappscheibe 8 ist in der Lage, bei Erwärmung sprunghaft ihre Raumform zu ändern. Die im kalten Zustand konkave Flachseite 17 krümmt sich im warmen Zustand konvex durch, wodurch die gegenüberliegende Flachseite 18 konkav wird. Der Vorgang ist reversibel.
    Um einen guten Wärmekontakt zwischen der Bimetall-Schnappscheibe 8 und der Stirnfläche 12 zu schaffen, stimmt der Krümmungsradius der Stirnfläche 12 mit dem Krümmungsradius der Flachseite 17 überein, wenn die Bimetall-Schnappscheibe 8 Raumtemperatur aufweist, also kalt ist.
    Durch die Bohrung 16 führt ein zylindrischer Stößel 21, der im Bereich seines vorderen Abschnittes mit einer Ringschulter 22 versehen ist. Der Stößel 21 führt außerdem durch eine mittige Bohrung 23 in der Bimetall-Schnappscheibe 8.
    Der Stößel 21 ragt über die Schulter 22 hinaus und weist ein vorderes freies Betätigungsende 24 auf, das dazu eingerichtet ist, mit dem Hebel 2 in Eingriff zu kommen.
    Das hintere Ende des Stößels 21 führt durch eine Bohrung 25 in dem zylindrischen Anker 6. Um den Anker 6 fest mit dem Stößel 21 zu verbinden, ist der Stößel 21 mit einem aufgetriebenen Schließkopf 26 mit dem Anker 6 vernietet.
    Die Bohrung 25 in dem Anker 6 geht an dem dem Kern 5 zugekehrten Ende in einen erweiterten Abschnitt 27 über, der von einer Schulter 28 begrenzt ist. Die Schulter 28 bildet eine Anlagefläche für eine Schraubendruckfeder 29, deren anderes Ende sich an der Stirnfläche 11 des Kerns 9 abstützt. Auf diese Weise wird mit Hilfe der Schraubendruckfeder 29 die Ringschulter 22 in Anlage an der Bimetall-Schnappscheibe 8 gehalten, die wiederum hierdurch gegen die Stirnfläche 12 gepresst wird. Außerdem wird durch die Feder 29 der Anker 6 im Abstand zu dem Kern 5 gehalten, wodurch zwischen beiden ein axialer Luftspalt entsteht, dessen Länge dem Betätigungsweg entspricht.
    Der Außendurchmesser des Ankers 6 ist kleiner als der Durchmesser des zylindrischen Abschnitts 9.
    Die zylindrische Außenfläche 13 des Kerns 9 dient als Sitzfläche für die Magnet- oder Heizwicklung 7, die aus einem entsprechend dimensionierten harten Kupferdraht 31 besteht, der in mehreren Windungen zu einer zylindrischen Spule gewickelt ist. Die Länge dieser Spule 7 ist so bemessen, dass sie etwa doppelt so lang ist wie der Abstand der Stirnfläche 11 des Kerns 5 von der Unterseite 15 des Randes 14. Hierdurch bleibt ein ausreichender zylindrischer, becherförmige Innenraum, der von der Innenseite der Spule 7 und der Stirnfläche 11 begrenzt ist, um den Anker 6 aufzunehmen, der sich im Ruhezustand mit seiner Stirnseite 32 im Abstand zu der Stirnseite 11 befindet.
    Vor der Stirnseite 12 ist ein becherförmiges Führungsglied 33 mit einem zylindrischen rohrförmigen Kragen 34 und einem Boden 35 angeordnet. In dem freien Ende des rohrförmigen Kragens 34 befindet sich eine ringförmige Ausnehmung 36, mit der der rohrförmige Kragen 34 den scheibenförmigen Rand 14 des Kerns 5 außen umgreift und auf diesem mittels einer Ümbördelung, die nicht erkennbar ist, festgehalten ist.
    Von dem Boden 35 geht ein Halsteil 37 aus, das eine Stufenbohrung 38 enthält. Die Stufenbohrung 38 weist einen Abschnitt 39 mit größerem Durchmesser und einen zylindrischen Abschnitt 41 mit kleinerem Durchmesser auf, die an einer ausgerundeten Schulter 42 ineinander übergehen. Die Bohrung 38 ist zu dem rohrförmigen Kragen 34 koaxial und fluchtet somit mit der Achse der Bohrung 16 in dem ferromagnetischen Kern 5.
    Das Führungsteil 38 dient als Führung für einen becher- oder glockenförmigen zweiten Stößel eines Auslöseglieds 43, dessen Außendurchmesser dem Außendurchmesser der Bimetall-Schnappscheibe 8 entspricht und das mit seinem glockenförmigen Kragen 44 auf dem Rand 19 der Bimetall-Schnappscheibe 8 aufliegt. Radial weiter innen geht der glockenförmige Kragen 44 in einen rohrförmigen Betätigungsfortsatz 45 über, der zylindrisch ist und dessen Außendurchmesser der lichten Weite des Abschnittes 41 der Bohrung 38 entspricht. Durch den rohrförmigen Betätigungsfortsatz 45 führt der Stößel 21 hindurch, wobei die Länge des Stößels 21 und des rohrförmigen Betätigungsfortsatzes 45 so bemessen ist, dass sie beide etwa bündig enden.
    Die Arbeits- und Funktionsweise des gezeigten Überstromauslösers 1 ist wie folgt:
    Im Ruhezustand drückt die Feder 29 den Anker 6 von dem Eisenkern 5 weg. Diese weggerichtete Bewegung wird begrenzt durch die Anlage der Ringschulter 22 an der Bimetall-Schnappscheibe 8, die hierdurch zufolge der Federkraft gegen die Stirnfläche 12 gedrückt wird. Der zweite Stößel 43 ist frei beweglich und hat ein geringes Gewicht, so dass er die Verklinkung des Schutzschalters im eingeschalteten Zustand nicht auszulösen vermag.
    Der Strom zwischen der Stromquelle und dem Verbraucher fließt durch den Kupferdraht 31 und somit durch die von ihm gebildete Spule 7. Der durch den Kupferdraht 31 fließende Strom hat zwei Wirkungen. Die eine Wirkung besteht darin, dass er proportional zum Strom den ferromagnetischen Kern heizt und außerdem in dem Luftspalt zwischen dem ferromagnetischen Kern 5 und dem ferromagnetischen Anker 6 ein Magnetfeld erzeugt. Sowohl das Magnetfeld als auch die Heizwirkung sind dem Strom proportional.
    Solange der Strom durch die Spule 7 unterhalb des Nennwertes bleibt, für den der Überstromauslöser 1 dimensioniert ist, treten keine Temperaturen auf, die ausreichen, damit die Schnappscheibe 8 umspringt. Das Magnetfeld reicht auch nicht aus, um den Anker 6 anzuziehen. Sobald jedoch im Stromkreis, der durch den Schutzschalter mit dem gezeigten Überstromauslöser 1 überwacht wird, ein Kurzschluss auftritt, steigt der Strom auf das über Hundertfache des Nennstromes oder höher an. Dadurch entsteht in dem Axialluftspalt zwischen dem ferromagnetischen Kern 5 und dem Anker 6 ein Magnetfeld mit einer solchen Stärke, dass die Kraft der Feder 29 überwunden wird und der Anker 6 gegen den ferromagnetischen Kern 5 angezogen wird. Die Bewegung des Ankers 6, bezogen auf Fig. 1 nach rechts, schiebt den damit fest verbundenen Stößel 21 ebenfalls nach rechts gegen den Hebel 2, der dadurch, ähnlich wie in Fig. 2 gezeigt, verschwenkt wird und die Verklinkung freigibt, wodurch entsprechende Federantriebe die nicht gezeigten Schalterkontakte des Stromkreises öffnen.
    Nach dem Verschwinden des Kurzschluss-Stroms kehrt der Anker 6 in die gezeigte Ruhestellung zurück und der Schutzschalter muss von Hand zurückgesetzt werden.
    Sollte der Strom lediglich 20% über dem Nennwert liegen, bleibt der Anker im Ruhezustand, wie er in Fig. 1 gezeigt ist. Dagegen erzeugt die Spule 7, jetzt überwiegend als Heizwicklung arbeitend, eine Temperatur, die über derjenigen Temperatur liegt, bei der die Bimetall-Schnappscheibe 8 von der in Fig. 1 gezeigten Form in die in Fig. 2 gezeigte Form umspringt, d.h. sich die Flachseite 18 aus der konvexen in die konkave Gestalt umformt. Die von der Wicklung 7 erzeugte Temperatur breitet sich allmählich in Richtung auf die Bimetall-Schnappscheibe 8 aus, wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit verhältnismäßig schnell ist, weil die Wärmekapazität des ferromagnetischen Kerns 5 zufolge seines geringen Volumens gering ist. Dieser hat ein vergleichsweise kleines Volumen und lässt sich deswegen entsprechend schnell aufheizen. Er gibt seine Wärme großflächig über die Stirnfläche 12 an die der Stirnfläche 12 satt anliegende Bimetall-Schnappscheibe 8 ab. Wegen der Federwirkung wird sie elastisch gegen die Stirnfläche 12 gepresst.
    Bimetall-Schnappscheiben 8 der gezeigten Art haben die Eigenschaft zu kriechen, d.h. noch bevor sie in die andere Gestalt umspringen, ändert sich geringfügig der Krümmungsradius der konkaven Seite. Mit zunehmender Erwärmung wird sich also die Bimetall-Schnappscheibe 8 mit ihrem Rand 19 geringfügig von der Stirnfläche 12 abheben. Da jedoch die Bimetall-Schnappscheibe 8 mit ihrem mittleren Bereich in der Umgebung der Bohrung 23 fest an der Stirnfläche anliegend gehalten wird, ergibt sich nach wie vor ein recht guter Wärmekontakt, insbesondere im für die Schnappscheibe 8 kritischen mittleren Bereich, was für ein schnelles Reagieren der Bimetall-Schnappscheibe wichtig ist.
    Sobald die Sprungtemperatur überschritten ist, springt die Bimetall-Schnappscheibe 8 schlagartig aus der in Fig. 1 gezeigten Stellung in die in Fig. 2 gezeigte Stellung um, in der sich ihr Rand 19 ein beträchtliches Stück von der Stirnfläche 12 entfernt. Hierdurch wird nun das Auslöseglied 43, das mit seinem glockenförmigen Kragen 44 an dem Rand 19 der Bimetall-Schnappscheibe 8 anliegt, in Richtung von dem Kern 5 weg vorgeschoben, d.h. in Richtung auf den Hebel 2, der verschwenkt wird und die Verklinkung in dem Schalter auflöst. Da nun der Stromkreis unterbrochen ist, fällt die Heizwirkung weg, die Bimetall-Schnappscheibe 8 kühlt ab und kehrt in die Stellung nach Fig. 1 zurück. Ein Rücksetzen des Schalters ist von da an möglich.
    Bei der gezeigten neuen Lösung hat die Bimetall-Schnappscheibe 8 in ihrem mittleren Bereich selbst bei Kriechbewegungen einen sehr guten Wärmekontakt zu dem ferromagnetischen Kern 5. Wegen des Fehlens eines äußeren Joches oder eines separaten Spulenträgers mit großer Wärmekapazität hat die gesamte Anordnung insgesamt eine sehr geringe Wärmekapazität hat. Damit lässt sich ein sehr schnelles thermisches Ansprechen des Überstromschalters 1 erreichen, und zwar in jenen Strombereichen, die unterhalb des Stromes liegen, bei dem der Anker 6 zufolge von Magnetkräften verschoben wird, die aber andererseits erheblich über dem Nennstrom liegen.
    Der gute Wärmeübergang zu der Bimetall-Schnappscheibe 8 wird auch zusätzlich durch den Stößel 21 verbessert, der aus dem Inneren des Kerns 5 über die Ringschulter 22 Wärme zu der gegenüberliegenden Flachseite der Bimetall-Schnappscheibe 8 schafft.
    Ein Überstromauslöser für Leitungsschutzschalter oder Motorschutzschalter weist eine sehr geringe Ansprechzeit auf. Die kurze Ansprechzeit wird erreicht, indem eine Bimetall-Schnappscheibe so mit der Heizeinrichtung verbunden ist, dass ihr mittlerer Bereich unabhängig von Kriechbewegungen immer in Berührung mit der Heizeinrichtung steht. Diese Heizeinrichtung wird von einem ferromagnetischen Kern gebildet, auf dem ohne ein weiteres Joch unmittelbar die Magnetwicklung aufgesetzt ist, die gleichzeitig als Heizwicklung dient. Die Bimetall-Schnappscheibe wird an dieser Heizeinrichtung mit Hilfe des elektromagnetisch betätigten Stößels gehalten, während ein weiterer, den elektromagnetisch betätigten Stößel koaxial umgebender Stößel von der Bimetall-Schnappscheibe bewegt wird.

    Claims (17)

    1. Überstromauslöser (1) für elektrische Schutzschaltgeräte, insbesondere Leitungsschutzschalter oder Motorschutzschalter,
      mit einem Grundkörper (5), der eine konvex gekrümmte Stirnfläche (12) aufweist,
      mit einer auf dem Grundkörper (5) befindlichen elektrischen Heizwicklung (7), die dazu eingerichtet ist, von dem zu überwachenden Strom durchflossen zu werden,
      mit einer einen Rand (19) aufweisenden Bimetall-Schnappscheibe (8), die zwei von der Temperatur abhängige Krümmungszustände aufweist, derart, dass sie im kalten Zustand nach einer Flachseite (17) hin konkav und im heißen Zustand zu dieser Flachseite (17) hin konvex gekrümmt ist, und die mit ihrem mittleren Bereich an der Stirnfläche (12) des Grundkörpers (5) anliegend gehalten ist, derart, dass sie mit ihrer im kalten Zustand konkaven Flachseite (17) der Stirnseite (12) des Grundkörpers (5) zugekehrt ist, während der Rand (19) der Bimetall-Schnappscheibe (8) frei beweglich ist,
      mit einem Halteglied (21), mittels dem die Bimetall-Schnappscheibe (8) an dem Grundkörper (5) anliegend gehalten ist und
      mit einem Auslöseglied (43), das dazu eingerichtet ist, mit dem Randbereich (19) der Bimetall-Schnappscheibe (8) zusammenzuwirken.
    2. Überstromauslöser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bimetall-Schnappscheibe (8) kreisförmig ist.
    3. Überstromauslöser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslöseglied (43) becherförmig ist und einen Kragen (44) sowie einen Boden aufweist, wobei es mit seinem Kragen (44) an dem Randbereich (19) der Bimetall-Schnappscheibe (8) anliegt.
    4. Überstromauslöser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslöseglied (43) einen Betätigungsfortsatz (45) trägt.
    5. Überstromauslöser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungsfortsatz (45) an dem Boden des Auslöseglieds (43) angeordnet ist und zur dem Kragen (44) entgegengesetzten Seite zeigt.
    6. Überstromauslöser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslöseglied (43) rotationssymmetrisch ist.
    7. Überstromauslöser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungsfortsatz (45) rohrförmig ist.
    8. Überstromauslöser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Grundkörper (5) eine Führungseinrichtung (33) für das Auslöseglied (43) verbunden ist.
    9. Überstromauslöser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (5) ferromagnetisch ist.
    10. Überstromauslöser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizwicklung (7) eine Magnetwicklung bildet.
    11. Überstromauslöser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (5) eine Bohrung (16) enthält, in der ein Stößel (21) längsverschieblich geführt ist.
    12. Überstromauslöser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (21) durch die Bimetall-Schnappscheibe (8) hindurchführt.
    13. Überstromauslöser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (21) das Halteglied bildet.
    14. Überstromauslöser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (21) eine Schulter (22) aufweist.
    15. Überstromauslöser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (21) mit einem ferromagnetischen Anker (6) verbunden ist.
    16. Überstromauslöser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (21) in Richtung auf die Anlage gegen die Bimetall-Schnappscheibe (8) vorgespannt ist.
    17. Überstromauslöser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslöseglied (43) lose beweglich ist.
    EP98121257A 1997-11-18 1998-11-07 Überstromauslöser für Schutzschalter Withdrawn EP0917173A3 (de)

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