EP1345246A2 - Auslöseeinrichtung für einen Fehlerstromschutzschalter und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Publication number
EP1345246A2
EP1345246A2 EP03003802A EP03003802A EP1345246A2 EP 1345246 A2 EP1345246 A2 EP 1345246A2 EP 03003802 A EP03003802 A EP 03003802A EP 03003802 A EP03003802 A EP 03003802A EP 1345246 A2 EP1345246 A2 EP 1345246A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
passivation layer
circuit breaker
residual current
current circuit
trigger
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03003802A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1345246A3 (de
Inventor
Patrick Claeys
Rolf Dr. Disselnkötter
Andreas Dr. Kahnert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Patent GmbH
Original Assignee
ABB Patent GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Patent GmbH filed Critical ABB Patent GmbH
Publication of EP1345246A2 publication Critical patent/EP1345246A2/de
Publication of EP1345246A3 publication Critical patent/EP1345246A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • H01H71/24—Electromagnetic mechanisms
    • H01H71/32—Electromagnetic mechanisms having permanently magnetised part
    • H01H71/327—Manufacturing or calibrating methods, e.g. air gap treatments

Definitions

  • the invention relates to a tripping device for a residual current circuit breaker, and a method for their production, according to the preamble of claims 1, 14 and 15.
  • an actuator or trigger a magnetic circuit-based trigger with permanent magnets to use.
  • the first rest position generated by a permanent magnet, a magnetic flux and the resultant holding force on a movably mounted component, such as. a movably mounted plunger or anchor, which thereby against the force of a spring in a first switching position against a stationary one Component is held.
  • a Coil generates a magnetic flux that corresponds to the magnetic flux of the permanent magnet counteracts, which reduces the magnetic holding force and the movable plunger or anchor by the force of the spring from the fixed one
  • the component is detached and moved into a second release position in which the plunger or anchor then unlocks a key switch.
  • Embodiments that are used very frequently have an open magnetic circuit a movable element in the form of a hinged anchor.
  • You have a magnetic one Yoke, mostly U-shaped, with a coil around one leg is wound, and on which there is a permanent magnet.
  • the two ends of the Yokes are covered by an anchor which is rotatably mounted about an axis.
  • EP 1 063 666 Another possible embodiment for a magnetic release is known from EP 1 063 666 known.
  • the yoke is in the form of a pot, in which the permanent magnet system and - concentrically on the inner wall of the Fitting the pot - the coil is in place.
  • the permanent magnet system is with the Connected to the bottom of the pot and contains pole shoes that comprise a plunger that opposes it the force of a spring from the permanent magnet against the bottom of the pot is pulled.
  • the fault current in the coil turns a magnetic one Generates flux that counteracts the permanent magnetic flux and this compensated so far that the plunger is pulled off the bottom of the pot by the force of the spring and is moved into the release position, in which then by the plunger Key switch is unlocked.
  • Grasp the pole shoes and the lid of the pot the plunger in the manner of a plain bearing, whereby the plunger in its direction of movement to be led.
  • the movable components are hinged anchors or plungers the contact points with the fixed components U-shaped yoke or cup-shaped Glue the yoke together, which means that the force of the spring is not in the event of a fault current is sufficient to move the movable component from the rest position into the release position move, the residual current circuit breaker fails and the protective function does not is guaranteed.
  • Possible causes for the contact points sticking are Formation of adhesive layers between the contact surfaces on the fixed and movable component due to corrosion at the metallic contact points due to the deposition of water or due to the accumulation of dirt particles, such as. Dust or metallic abrasion, or due to the accumulation of an oil, Fat or lubricant layer, especially silicone layer, or due to the accumulation a layer of liquid and thus increasing the surface tension in the Contact gap.
  • Air gap over which the magnetic flux of the permanent magnet is guided and its Extension for the safe functioning of the trigger a critical size is. It results from the surface roughness of the fixed and movable components at the contact surface and is on the order of a few ⁇ m, typically it is 2 -3 ⁇ m. In order not to reduce the magnetic adhesive force too much, The expansion of the air gap may take additional constructive measures only by at most a fraction of their original extent, i.e. typically less than 1 ⁇ m.
  • the contact points are used today fixed and movable components with corrosion protection layers made of metal or precious metal.
  • Preferred materials for this are according to the prior art Technique nickel, gold or silver.
  • nickel, gold or silver since these layers are non-magnetic and thus the same effect for the magnetic circuit as increasing the expansion of the Air gap, they may be applied in a thickness of 1 - 2 ⁇ m become.
  • nickel, gold or silver layers there are no dense layers, so that the protection against corrosion is only incomplete given is.
  • the residual current circuit breakers with magnetic triggers according to the prior art The contact points of the residual current release are liable to stick, which increases the reliability of the tripping is reduced in the event of a fault current.
  • the invention is therefore based on the object of a magnetic release device to further develop and manufacture for a residual current circuit breaker, that the contact points are significantly less prone to sticking and thus the tripping reliability of the residual current circuit breaker is significantly increased.
  • the essence of the invention is that to increase the triggering reliability Butt or sliding contact points on the fixed or on the movable component with a dense passivation layer resistant to water, oils, greases and silicones, are coated, the thickness of which is a fraction of the extent of the working air gap and is typically on the order of 10 to 500 nm.
  • the passivation layer is present made of hydrophobic material.
  • Hydrophobic material is water-repellent. The advantage when using hydrophobic material is that water drops cannot get stuck on the surface or in the air gap and therefore also there is no adhesive force caused by increased surface tension can. Because water due to the hydrophobic surface properties of the passivation layer cannot adhere to the surface but runs off immediately also removes dirt particles adhering to the surface.
  • the passivation layer consists of corrosion-resistant Material.
  • the passivation layer consists of reduced adhesive material, so that when detaching the movable from the fixed Component no high adhesive force has to be overcome.
  • the passivation layer consists of oil and dirt repellent material.
  • the surface of the Passivation layer nanostructured and designed like a lotus leaf surface. It is known from the lotus leaf surface that microstructures in the micrometer and nanometer range almost completely eliminates the adhesiveness on the surfaces. That means even pasty, otherwise strongly adhering substances such as oils, fats and silicones, cannot adhere permanently to this surface.
  • the passivation layer consists of a nanocomposite material.
  • nanocomposites are composite materials by a chemical or physical bond of at least consist of two different materials, at least one of the materials in the form of particles that are no larger than a few nanometers.
  • Nanocomposites can either be purely inorganic materials, e.g. on Composite of silicon carbide nanoparticles in a matrix of silicon nitride, or a Composite of inorganic nanoparticles in a matrix of polymer materials, such as. Silicate nanoparticles in a polyamide matrix. In the latter case speaks one also of nanomers. Due to the special type of composition and the Material properties are achieved using nanometer-sized particles, which are far superior to conventional and pure materials, especially what the tightness, corrosion resistance, strength and other chemical and physical resistance.
  • the passivation layer is made of Teflon.
  • the passivation layer consists of metal-ceramic material.
  • a material example from this class are the so-called 123 ceramics, such as Ti 3 SiC 2 , which is characterized by excellent temperature stability, low adhesiveness and high chemical resistance.
  • the passivation layer can also be made of metal nitride or Metal carbide exist.
  • the passivation layer consists of silicon nitride.
  • the passivation layer consists of amorphous carbon or diamond-like carbon.
  • the passivation layer is defect-free, in particular pinhole-free is trained.
  • the essence of the invention is that to increase the reliability of tripping the butt or sliding contact points on the fixed or to the movable component with a tight, against water, oils, Grease and silicone resistant passivation layer, the thickness of which is a fraction the expansion of the working air gap by separation after a sol-gel Process.
  • Very thin, dense can be particularly advantageously used with the sol-gel technique Create layers from nanomers.
  • Material examples for the inorganic nanoparticles are silicates or titanates, from which initially an emulsion with the polymer Matrix material is formed. Applying the emulsion to the desired one Partial surface of the component can be immersed, spin-coated or Spraying happen, taking those parts of the component that are not coated should be masked beforehand so that no material is deposited there. As a result, the use of the nanomeric layer material is restricted to functionally important points of the component, which is a very economical handling allowed with the possibly very expensive special materials. After applying the Emulsion, the coating is polymerized, which is either UV-induced, thermally or plasma-assisted. When polymerizing forms the special, lotus leaf-like, nanostructured surface structure also emerges.
  • the essence of the invention lies in the alternative production method according to claim 15 in that to increase the tripping reliability the shock or Sliding contact points on the fixed or on the movable component a dense passivation layer resistant to water, oils, greases and silicones, the thickness of which is a fraction of the extent of the working air gap, be provided by separation from the gas phase.
  • the passivation layer consists of amorphous or diamond-like carbon by making the carbon plasma-assisted from the Gas phase is deposited.
  • the passivation layer consists of a metal-ceramic material, in that the metal-ceramic is sputtered or vapor-deposited entirely or at least in a chemical component.
  • a metal-ceramic material in that the metal-ceramic is sputtered or vapor-deposited entirely or at least in a chemical component.
  • 123 ceramics such as Ti 3 SiC 2 , which is characterized by excellent temperature stability, low adhesiveness and high chemical resistance.
  • the passivation layer consists of a metal nitride or Metal carbide consists of the metal nitride or the metal carbide entirely or at least sputtered or evaporated in a chemical component.
  • the passivation layer consists of Teflon by Teflon plasma-assisted polymerizes from the gas phase is deposited.
  • FIG. 1 shows a magnetic residual current release with a hinged armature, whose contact points are coated.
  • Figure 1 shows a magnetic residual current release 1 with a yoke 20, which in U-shape is formed.
  • a yoke 20 Around one leg 22 of the yoke 20 is a coil 50 wrapped.
  • the two end pieces 23 of the yoke 20 are covered by an anchor 40, the end piece of the leg, which carries the coil 50, only in part is covered.
  • the Working air gaps 22, the expansion of which is due to the surface roughness of the anchor and yoke is given at the contact points and on the order of some ⁇ m, is typically 2-3 ⁇ m.
  • the anchor 40 In the area of contact points between anchors 40 and yoke 20 is the anchor 40 with a dense, against water, oils, greases and Silicon resistant passivation layer 70 coated, which is so thin that it does not significantly increase the working air gap, i.e. it only extends a fraction of the air gap expansion and is significantly smaller than 1 ⁇ m.
  • the coating 70 is not exclusively a planar layer is applied, but the end piece of the anchor 40 in its three-dimensional Form densely covered, that is, also around the edge, around a corrosive To prevent attack on the contact point from the front of the anchor, this, however, only in the area of the contact point between anchor 40 and yoke 20.
  • anchor 40 is layer-free, which means the required amount of coating material is reduced to the bare minimum and a very economical one Use of the possibly very expensive material is guaranteed.
  • the anchor 40 is rotatably or hinged about an axis 41.
  • On the other leg 24 of the yoke 20 is a permanent magnet system 30 consisting of the Permanent magnet 31 and a pole piece 32.
  • the one pole of the permanent magnet 31 is connected to the free leg 24 of the yoke 20, the other pole with the pole piece 32.
  • the pole piece 32 is also with the free leg 24 of the yoke 20 connected so that the magnetic flux of the permanent magnet 31 to is largely short-circuited via the pole shoe 32 and only a small part over the armature 40, the yoke 20 and over the air gaps 22. So that is magnetic attraction with which the armature 40 is pulled against the yoke 20 will not be very large.
  • a spring 60 engages the second end firmly connected to the pole shoe 32 of the permanent magnet system Yoke 20 is connected. At rest, the magnetic attraction of the Permanent magnet system 30 on the armature 40 just large enough that the armature against the restoring force of the spring 60 is attracted to the free ends of the yoke 20 remains.
  • the fault current in the coil 50 becomes a magnetic one Flux generated
  • the magnetic flux in the yoke 20 and armature 40 formed Counteracts magnetic circuit and compensates it so far that the magnetic Holding force of the yoke 20 on the hinged anchor 40 is reduced so far that the Folding anchor 40 is pulled off the ends 23 of the yoke 20 by the force of the spring 60 becomes. It is moved into a release position - not shown here - in which then through the hinged anchor 40 a - also not shown here - key switch is unlocked.
  • the advantage of the dense against water Oils, greases and silicones are resistant passivation layers 70.

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Abstract

Es wird eine magnetische Auslöseeinrichtung für einen Fehlerstromschutzschalter beschrieben, bei der im Fehlerstromfall in einer Spule durch den Fehlerstrom ein magnetischer Fluß erzeugt wird, der dem magnetischen Fluß eines Permanentmagnetsystems entgegenwirkt, so daß die magnetische Haltekraft des Permanentmagnetsystems auf ein bewegliches Bauelement, wie beispielsweise einen Klappanker, so weit herabgesetzt wird, daß das bewegliche Bauelement durch die Kraft einer Feder in eine Auslöseposition hin bewegt wird, in der dann ein Schaltschloss betätigt wird, und bei der zur Erhöhung der Auslösezuverlässigkeit die Stoß- und/oder Gleitkontaktstellen an dem festen und/oder beweglichen Bauelement mit einer dichten, gegen Wasser, Öle, Fette und Silikone beständigen Passivierungsschicht beschichtet sind, deren Dicke einen Bruchteil der Ausdehnung des Arbeitsluftspaltes des Permanentmagnetsystems, typischerweise 10 - 500nm, beträgt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Auslösevorrichtung für einen Fehlerstromschutzschalter, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung, gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 14 und 15.
Insbesondere für netzspannungsunabhängige Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen ist es bekannt, als Aktor oder Auslöser einen magnetkreisbasierten Auslöser mit Permanentmagneten zu verwenden. In den meist bistabilen Aktoren wird dabei in der ersten Ruhestellung durch einen Permanentmagneten ein magnetischer Fluß erzeugt und daraus resultierend eine Haltekraft auf ein beweglich gelagertes Bauelement, wie z.B. einen beweglich gelagerten Stößel oder Anker, ausgeübt, der dadurch entgegen der Kraft einer Feder in einer ersten Schaltposition gegen ein feststehendes Bauelement festgehalten wird. Bei Auftreten eines Fehlerstromes wird durch eine Spule ein magnetischer Fluß erzeugt, der dem magnetischen Fluß des Permanentmagneten entgegenwirkt, wodurch die magnetische Haltekraft sich verringert und der bewegliche Stößel oder Anker durch die Kraft der Feder von dem feststehenden Bauelement abgelöst und in eine zweite Auslösestellung bewegt wird, in der der Stößel oder Anker dann ein Schaltschloss entriegelt.
Sehr häufig eingesetzte Ausführungsformen weisen einen offenen Magnetkreis mit einem beweglichen Element in Form eines Klappankers auf. Sie besitzen ein magnetisches Joch, meistens in U-Form, um dessen einen Schenkel herum eine Spule gewickelt ist, und an dem sich ein Permanentmagnet befindet. Die beiden Enden des Joches sind überdeckt von einem Anker, der um eine Achse drehbar gelagert ist. Im Ruhezustand wird der Anker entgegen der Kraft einer Feder gegen die freien Enden des Joches angezogen; im Fehlerstromfall wird durch den Fehlerstrom in der Spule ein magnetischer Fluß erzeugt, der dem magnetischen Fluß im Permanentmagneten entgegengerichtet ist und diesen so weit kompensiert, daß die magnetische Haltekraft des Joches auf den Klappanker sich so weit reduziert, daß der Klappanker durch die Kraft der Feder von den Enden des Joches abgezogen und in die Auslösestellung hin bewegt wird, in der dann durch den Klappanker ein Schaltschloss entriegelt wird. Solche Magnetauslöser mit Klappankersystem sind beispielsweise in DE 25 29 221 und EP 0 228 345 beschrieben.
Aus der EP 1 063 666 ist eine weitere mögliche Ausführungsform für einen Magnetauslöser bekannt geworden. Hierbei ist das Joch in Form eines Topfes ausgebildet, in dem sich das Permanentmagnetsystem und - konzentrisch an die Innenwand des Topfes anliegend - die Spule befinden. Das Permanentmagnetsystem ist mit dem Topfboden verbunden und enthält Polschuhe, die einen Stößel umfassen, der entgegen der Kraft einer Feder vom Permanentmagneten gegen den Boden des Topfes gezogen wird. Im Fehlerstromfall wird durch den Fehlerstrom in der Spule ein magnetischer Fluß erzeugt, der dem Permanentmagnetfluß entgegenwirkt und diesen so weit kompensiert, daß der Stößel durch die Kraft der Feder vom Topfboden abgezogen und in die Auslösestellung hinbewegt wird, in der dann durch den Stößel ein Schaltschloss entriegelt wird. Die Polschuhe und der Deckel des Topfes umfassen dabei den Stößel in Art eines Gleitlagers, wodurch der Stößel in seiner Bewegungsrichtung geführt wird.
In allen heute bekannten magnetischen Auslösern für Fehlerstromschutzschalter kann es vorkommen, daß die beweglichen Bauelemente Klappanker oder Stößel an den Kontaktstellen mit den festen Bauelementen U-förmiges Joch oder topfförmiges Joch verkleben, was zur Folge hat daß die Kraft der Feder im Fehlerstromfall nicht ausreicht, um das bewegliche Bauelement von der Ruhe- in die Auslösestellung zu bewegen, somit der Fehlerstromschutzschalter versagt und die Schutzfunktion nicht gewährleistet ist. Mögliche Ursachen für das Verkleben der Kontaktstellen sind die Ausbildung von Adhäsionsschichten zwischen den Auflageflächen am festen und beweglichen Bauelement aufgrund von Korrosion an den metallischen Kontaktstellen durch Ablagerung von Wasser, oder aufgrund von Anlagerung von Schmutzteilchen, wie z.B. Staub oder metallischer Abrieb, oder aufgrund von Anlagerung einer Öl-, Fett- oder Schmierstoffschicht, insbesondere Silikonschicht, oder aufgrund der Anlagerung einer Flüssigkeitsschicht und somit Erhöhung der Oberflächenspannung im Kontaktspalt.
Bei allen heute bekannten Ausführungsformen entsteht in der Ruhestellung an der Kontaktstelle zwischen dem feststehenden und dem beweglichen Bauelement ein Luftspalt, über den der magnetische Fluß des Permanentmagneten geführt und dessen Ausdehnung für das sichere Funktionieren des Auslösers eine kritische Größe ist. Sie ergibt sich aus der Oberflächenrauhigkeit der festen und beweglichen Bauelemente an der Kontaktfläche und liegt in der Größenordnung von wenigen µm, typischerweise beträgt sie 2 -3µm. Um die magnetische Haftkraft nicht zu stark zu verringern, darf die Luftspaltausdehnung durch zusätzliche konstruktive Maßnahmen nur um höchstens einen Bruchteil ihrer ursprünglichen Ausdehnung, also um typischerweise weniger als 1 µm, erhöht werden.
Zur Vermeidung des Verklebens der Kontaktstellen werden heute die Kontaktstellen der festen und beweglichen Bauelemente mit Korrosionsschutzschichten aus Metall oder Edelmetall versehen. Bevorzugte Materialien hierfür sind nach dem Stand der Technik Nickel, Gold oder Silber. Da diese Schichten jedoch unmagnetisch sind und somit für den Magnetkreis dieselbe Wirkung wie die Erhöhung der Ausdehnung des Luftspaltes haben, dürfen sie höchstens in einer Dicke von 1 - 2 µm aufgetragen werden. In dieser geringen Ausdehnung stellen Nickel-, Gold oder Silberschichten jedoch keine dichten Schichten dar, so daß der Schutz gegen Korrosion nur unvollständig gegeben ist. Auch verhindern diese nach dem Stand der Technik hergestellten Schichten nicht das Anlagern von Öl- oder Schmierstoffen oder Partikeln wie z.B. Staub und sie sind nur unzureichend wasserabweisend. Somit sind bei den Fehlerstromschutzschaltern mit magnetischen Auslösern gemäß dem Stand der Technik die Kontaktstellen der Fehlerstromauslöser verklebungsgefährdet, wodurch die Auslösezuverlässigkeit im Fehlerstromfall reduziert ist.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine magnetische Auslöseeinrichtung für einen Fehlerstromschutzschalter dahingehend weiterzubilden und herzustellen, daß die Kontaktstellen deutlich weniger verklebungsgefährdet sind und damit die Auslösezuverlässigkeit des Fehlerstromschutzschalters wesentlich erhöht wird.
Die gestellte Aufgabe wird bezüglich der Auslöseeinrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 - 13 angegeben.
Kern der Erfindung ist hierbei, daß zur Erhöhung der Auslösezuverlässigkeit die Stoß- oder Gleitkontaktstellen an dem festen oder an dem beweglichen Bauelement mit einer dichten, gegen Wasser, Öle, Fette und Silikone beständigen Passivierungsschicht, beschichtet sind, deren Dicke einen Bruchteil der Ausdehnung des Arbeitsluftspaltes beträgt und typischerweise in der Größenordnung von 10 bis 500nm liegt.
In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung besteht die Passivierungsschicht dabei aus hydrophobem Material . Hydrophobes Material ist wasserabweisend. Der Vorteil bei der Verwendung von hydrophobem Material besteht darin, daß sich Wassertropfen nicht an der Oberfläche oder im Luftspalt festsetzen können und somit auch keine durch erhöhte Oberflächenspannung hervorgerufene Adhäsionskraft auftreten kann. Da Wasser aufgrund der hydrophoben Oberflächeneigenschaften der Passivierungsschicht nicht auf der Oberfläche haften kann sondern sofort abläuft, so werden auch zufällig an der Oberfläche anhaftende Schmutzpartikel mit entfernt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht die Passivierungsschicht aus korrosionsresistentem Material.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung besteht die Passivierungsschicht aus adhäsivitätsreduziertem Material, so daß beim Lösen des beweglichen von dem festen Bauelement keine hohe Adhäsionskraft überwunden werden muß.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung besteht die Passivierungsschicht aus öl- und schmutzabweisendem Material.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Oberfläche der Passivierungsschicht nanostrukturiert und nach Art einer Lotusblattoberfläche ausgebildet. Von der Lotusblattoberfläche weiß man, daß Mikrostrukturen im Mikrometer- und Nanometerbereich die Adhäsivität auf den Oberflächen nahezu eliminiert. Das heißt, selbst pastöse, ansonsten stark anhaftende Substanzen wie Öle, Fette und Silikone, können an dieser Oberfläche dann nicht bleibend haften.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, daß die Passivierungsschicht aus einem Nanocomposit-Material besteht. Solche Nanocomposite sind Verbundmaterialien, die durch einen chemischen oder physikalischen Verbund von wenigstens zwei verschiedenen Materialien bestehen, wobei wenigstens eines der Materialien in Form von Partikeln, die nicht größer als einige Nanometer sind, vorliegt. Nanocomposite können entweder rein anorganische Materialien sein, wie z.B. ein Verbund aus Siliziumcarbid-Nanopartikeln in einer Matrix aus Siliziumnitrid, oder ein Verbund von anorganischen Nanopartikeln in einer Matrix aus Polymeren Werkstoffen, wie z.B. Silikat-Nanopartikel in einer Polyamid-Matrix. In letzterem Fall spricht man auch von Nanomeren. Durch die besondere Art der Zusammensetzung und die Verwendung von nanometergroßen Partikeln werden Materialeigenschaften erzielt, die denen herkömmlicher und reiner Materialien weit überlegen sind, insbesondere was die Dichtigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und sonstige chemische und physikalische Widerstandsfähigkeit anbetrifft.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ausgeführt, daß die Passivierungsschicht aus Teflon besteht.
Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung besteht darin, daß die Passivierungsschicht aus metallkeramischem Material besteht. Ein Materialbeispiel aus dieser Klasse sind die sogenannten 123 Keramiken, wie z.B. Ti3SiC2, das sich durch hervorragende Temperaturstabilität, geringe Adhäsivität und hohe chemische Beständigkeit auszeichnet.
In weiterer Ausgestaltung kann die Passivierungsschicht auch aus Metallnitrid oder Metallcarbid bestehen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist, daß die Passivierungsschicht aus Siliziumnitrid besteht.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung besteht darin, daß die Passivierungsschicht aus amorphem Kohlenstoff oder diamantartigem Kohlenstoff besteht.
Weiterhin ist angegeben, daß die Passivierungsschicht defektfrei, insbesondere pinholefrei ausgebildet ist.
Hinsichtlich eines Verfahrens zur Herstellung einer Auslösevorrichtung für einen Fehlerstromschutzschalter der erfindungsgemäßen Art wird die gestellte Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 14 gelöst.
Bezüglich des Verfahrens zur Herstellung besteht der Kern der Erfindung darin, daß zur Erhöhung der Auslösezuverlässigkeit die Stoß- oder Gleitkontaktstellen an dem festen oder an dem beweglichen Bauelement mit einer dichten, gegen Wasser, Öle, Fette und Silikone beständigen Passivierungsschicht, deren Dicke einen Bruchteil der Ausdehnung des Arbeitsluftspaltes beträgt, durch Abscheidung nach einem Sol-Gel Prozeß versehen werden.
Die Herstellung von dünnen, nanostrukturierten Schichten nach einem Sol-Gel Prozeß ist bekannt, wird aber bisher nur zur Beschichtung von großen planaren oder dreidimensional gekrümmten Flächen wie Glasscheiben, Duschabtrennungen, Autokarosserieteilen, Brillengläsern, Trennmembranen in Drucktransmittern, Turboladergehäuse, angewendet und vorgeschlagen. Es hat sich nun überraschend herausgestellt, daß diese Beschichtungstechnik mit sehr gutem Erfolg auch zur Aufbringung von Passivierungsschichten in begrenzten lokalen Bereichen auf kleinen, dreidimensional geformten Bauelementen angewendet werden kann und sie insbesondere auf den Kontaktstellen von magnetischen Auslöseeinrichtungen dichte, gegen Wasser, Öle, Fette und Silikone beständigen Passivierungsschichten, deren Dicke einen Bruchteil der Ausdehnung des Arbeitsluftspaltes beträgt, bildet, mit denen die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst werden kann.
Besonders vorteilhaft lassen sich mit der Sol-Gel Technik sehr dünne, dichte Schichten aus Nanomeren herstellen. Materialbeispiele für die anorganischen Nanopartikel sind Silikate oder Titanate, aus denen zunächst eine Emulsion mit dem Polymeren Matrixwerkstoff gebildet wird. Die Aufbringung der Emulsion auf die gewünschte Teilfläche des Bauelements kann durch Eintauchen, Aufschleudern oder Aufsprühen geschehen, wobei diejenigen Teile des Bauelementes, die nicht beschichtet werden sollen, zuvor maskiert werden, so daß sich dort kein Material ablagert. Dadurch wird der Einsatz des nanomeren Schichtmaterials beschränkt auf die funktional wichtigen Stellen des Bauelementes, was einen sehr sparsamen Umgang mit den möglicherweise sehr teuren Spezialmaterialien erlaubt. Nach Aufbringen der Emulsion wird die Beschichtung fertig polymerisiert, was entweder UV-induziert, thermisch oder plasmaunterstützt erfolgen kann. Bei der Auspolymerisation bildet sich auch die spezielle, lotusblattartige, nanostrukturierte Oberflächenstruktur heraus.
In einem alternativen Verfahren zur Herstellung einer Auslösevorrichtung der erfindungsgemäßen Art für einen Fehlerstromschutzschalter wird die gestellte Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 15 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen des Verfahrens sind den abhängigen Ansprüchen 16 - 19 zu entnehmen.
Bezüglich des alternativen Herstellungsverfahrens besteht der Kern der Erfindung gemäß Anspruch 15 darin, daß zur Erhöhung der Auslösezuverlässigkeit die Stoßoder Gleitkontaktstellen an dem festen oder an dem beweglichen Bauelement mit einer dichten, gegen Wasser, Öle, Fette und Silikone beständigen Passivierungsschicht, deren Dicke einen Bruchteil der Ausdehnung des Arbeitsluftspaltes beträgt, durch Abscheiden aus der Gasphase versehen werden.
Die Abscheidung von dünnen, dichten Passivierungsschichten der erfindungsgemäßen Art aus der Gasphase ist bekannt, wird jedoch bisher nur für planare Flächen, die geometrische Abmessungen im Mikrometer- bis in den Meterbereich haben können, oder für die Beschichtung von dreidimensionalen Körpern, wie z.B. Gehäusen , Sensoren, kompletten Aktoren, oder verwendet. Es hat sich nun überraschender weise gezeigt, daß die Abscheidung aus der Gasphase mit sehr gutem Erfolg auch zur Herstellung von Passivierungsschichten auf nicht planaren, räumlich dreidimensional geformten Bereichen auf Bauelementen angewendet werden kann und sie insbesondere auf den Kontaktstellen von magnetischen Auslöseeinrichtungen dichte, gegen Wasser, Öle, Fette und Silikone beständige Passivierungsschichten, deren Dicke einen Bruchteil der Ausdehnung des Arbeitsluftspaltes beträgt, bildet, mit denen die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht die Passivierungsschicht aus amorphem oder diamantartigem Kohlenstoff, indem der Kohlenstoff plasmaunterstützt aus der Gasphase abgeschieden wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die Passivierungsschicht aus einem metallkeramischen Material, indem die Metallkeramik gänzlich oder zumindest in einer chemischen Teilkomponente aufgesputtert oder aufgedampft wird. Ein Materialbeispiel aus dieser Materialklasse sind die sogenannten 123 Keramiken, wie z.B. Ti3SiC2, das sich durch hervorragende Temperaturstabilität, geringe Adhäsivität und hohe chemische Beständigkeit auszeichnet.
Weiterhin ist angegeben, daß die Passivierungsschicht aus einem Metallnitrid oder Metallcarbid besteht, indem das Metallnitrid oder das Metallcarbid gänzlich oder zumindest in einer chemischen Teilkomponente aufgesputtert oder aufgedampft werden.
Eine weitere Beschichtungsmöglichkeit besteht darin, daß die Passivierungsschicht aus Teflon besteht, indem Teflon plasmaunterstützt polymerisiert aus der Gasphase abgeschieden wird.
Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen und weitere Vorteile der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden. Alle erläuterten Merkmale sind dabei nicht nur in der angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die einzige Fig.1 zeigt einen magnetischen Fehlerstromauslöser mit Klappanker, dessen Kontaktstellen beschichtet sind.
Figur 1 zeigt einen magnetischen Fehlerstromauslöser 1 mit einem Joch 20, das in U-Form ausgebildet ist. Um einen Schenkel 22 des Joches 20 herum ist eine Spule 50 gewickelt. Die beiden Endstücke 23 des Joches 20 sind überdeckt von einem Anker 40, wobei das Endstück des Schenkels, der die Spule 50 trägt, nur zu einem Teil überdeckt ist. An den Kontaktstellen zwischen Anker 40 und Joch 20 entstehen die Arbeitsluftspalte 22, deren Ausdehnung durch die Oberflächenrauhigkeit von Anker und Joch an den Kontaktstellen gegeben ist und in der Größenordnung von einigen µm liegt, typischerweise 2-3 µm beträgt. Im Bereich der Kontaktstellen zwischen Anker 40 und Joch 20 ist der Anker 40 mit einer dichten, gegen Wasser, Öle, Fette und Silikone beständigen Passivierungsschicht 70 beschichtet, die so dünn ist, daß sie den Arbeitsluftspalt nicht signifikant vergrößert, d.h., ihre Ausdehnung beträgt nur einen Bruchteil der Luftspaltausdehnung und ist deutlich kleiner als 1µm. Dabei ist in Fig 1 dargestellt, daß die Beschichtung 70 nicht ausschließlich als planare Schicht aufgebracht ist, sondern das Endstück des Ankers 40 in seiner dreidimensionalen Form dicht bedeckt, also auch um die Kante herumgeführt ist, um einen korrosiven Angriff auf die Kontakstelle auch von der Stirnseite des Ankers her zu verhindern, dies allerdings nur im Bereich der Kontaktstelle zwischen Anker 40 und Joch 20. Der restliche Bereich des Ankers 40 ist schichtfrei, wodurch die benötigte Menge des Beschichtungsmaterials auf das absolute Minimum reduziert wird und ein sehr sparsamer Einsatz des möglicherweise sehr teuren Materials gewährleistet ist. Der Anker 40 ist um eine Achse 41 dreh- oder klappbar gelagert. An dem anderen Schenkel 24 des Joches 20 befindet sich ein Permanentmagnetsystem 30, bestehend aus dem Permanentmagneten 31 und einem Polschuh 32. Der eine Pol des Permanentmagneten 31 ist mit dem freien Schenkel 24 des Joches 20 verbunden, der andere Pol mit dem Polschuh 32. Auch der Polschuh 32 ist mit dem freien Schenkel 24 des Joches 20 verbunden, so daß der magnetische Fluß des Permanetmagneten 31 zum größten Teil über den Polschuh 32 kurzgeschlossen wird und nur ein kleiner Teil über den Anker 40, das Joch 20 und über die Luftspalte 22 verläuft. Somit ist die magnetische Anziehungskraft, mit der der Anker 40 gegen das Joch 20 gezogen wird, nicht sehr groß. Am hinteren Ende des Ankers 40 greift eine Feder 60 an, deren zweites Ende über den Polschuh 32 des Permanentmagnetsystems fest mit dem Joch 20 verbunden ist. Im Ruhezustand ist die magnetische Anziehungskraft des Permanentmagnetsystems 30 auf den Anker 40 gerade so groß, daß der Anker gegen die Rückstellkraft der Feder 60 an die freien Enden des Joches 20 angezogen bleibt. Im Fehlerstromfall wird durch den Fehlerstrom in der Spule 50 ein magnetischer Fluß erzeugt, der dem magnetischen Fluß im aus Joch 20 und Anker 40 gebildeten Magnetkreis entgegenwirkt und diesen so weit kompensiert, daß die magnetische Haltekraft des Joches 20 auf den Klappanker 40 sich so weit reduziert, daß der Klappanker 40 durch die Kraft der Feder 60 von den Enden 23 des Joches 20 abgezogen wird. Er wird in eine - hier nicht dargestellte - Auslösestellung hin bewegt, in der dann durch den Klappanker 40 ein - hier ebenfalls nicht dargestelltes - Schaltschloss entriegelt wird. Hier zeigt sich nun auch der Vorteil der dichten, gegen Wasser, Öle, Fette und Silikone beständigen Passivierungsschichten 70. Ohne diese Passivierungsschichten käme es gelegentlich zum Verkleben des Klappankers 40 mit den Endstücken 23 des Joches 20. Dann würde die Kraft der Feder 60 nicht mehr ausreichen, um den Klappanker 40 im Auslösefall vom Joch 20 abzuziehen, womit der Fehlerstromschutzschalter versagen würde und die Schutzfunktion nicht mehr gewährleistet wäre. Würde jedoch eine nach dem Stand der Technik bekannte Passivierungsschicht aufgebracht, deren Dicke gemäß Stand der Technik in der Größenordnung oder sogar noch größer als die Ausdehnung des Luftspaltes ist, so würde der magnetische Gesamtwiderstand des magnetischen Kreises vervielfacht, die aus dem Fehlerstrom resultierende Durchflutung hätte nur noch einen Bruchteil ihrer feldkompensierenden Wirkung und ein Auslösen wäre nicht mehr gesichert. Durch Einsatz der erfindungsgemäßen dichten, gegen Wasser, Öle, Fette und Silikone beständigen Passivierungsschicht 70, die so dünn ist, daß sie den Arbeitsluftspalt nicht signifikant vergrößert, werden die Nachteile des Standes der Technik vermieden und die Auslösezuverlässigkeit des Fehlerstromauslösers somit deutlich erhöht.

Claims (20)

  1. Auslöser für einen Fehlerstromschutzschalter, mit wenigstens einem ersten feststehenden Bauelement, mit wenigstens einem zweiten beweglichen Bauelement, mit einer Permanentmagnetanordnung und mit einer Spule, wobei das zweite bewegliche Bauelement durch die von der Permanentmagnetanordnung erzeugte Anzugskraft entgegen der Federkraft einer mit dem beweglichen Bauelement verbundenen Feder in einer ersten Ruhestellung angezogen und an wenigstens einer Kontaktstelle in mechanischen Stoß- oder Gleitkontakt mit dem ersten feststehenden Bauelement gebracht wird, so daß sich an der wenigstens einen Kontaktstelle ein Arbeitsluftspalt sehr geringer Ausdehnung einstellt, wobei bei Auftreten eines Fehlerstromes die Spule einen der Permanentmagnetanordnung entgegengesetzten magnetischen Fluß erzeugt, so daß die Federkraft die Anzuggskraft der Permanentmagnetanordnung überwindet und das bewegliche Bauelement in eine zweite Auslösestellung bewegt wird, in der ein Schaltschloß entriegelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Auslösezuverlässigkeit die Stoß- und/oder Gleitkontaktstellen an dem festen und/oder an dem beweglichen Bauelement mit einer dichten, gegen Wasser, Öle, Fette und Silikone beständigen Passivierungsschicht, deren Dicke einen Bruchteil der Ausdehnung des Arbeitsluftspaltes beträgt, beschichtet sind.
  2. Auslöser für einen Fehlerstromschutzschalter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Passivierungsschicht aus wasserabweisendem Material besteht.
  3. Auslöser für einen Fehlerstromschutzschalter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Passivierungsschicht aus korrosionsbeständigem Material besteht.
  4. Auslöser für einen Fehlerstromschutzschalter gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Passivierungsschicht aus adhäsivitätsreduziertem Material besteht.
  5. Auslöser für einen Fehlerstromschutzschalter gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Passivierungsschicht aus ölund schmutzabweisendem Material besteht.
  6. Auslöser für einen Fehlerstromschutzschalter gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Passivierungsschicht nanostrukturiert und nach Art einer Lotusblattoberfläche ausgebildet ist.
  7. Auslöser für einen Fehlerstromschutzschalter gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Passivierungsschicht aus einem Nanocomposit-Material besteht.
  8. Auslöser für einen Fehlerstromschutzschalter gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Passivierungsschicht aus Teflon besteht.
  9. Auslöser für einen Fehlerstromschutzschalter gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Passivierungsschicht aus metallkeramischem Material besteht.
  10. Auslöser für einen Fehlerstromschutzschalter gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Passivierungsschicht aus Metallnitrid oder Metallcarbid besteht.
  11. Auslöser für einen Fehlerstromschutzschalter gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Passivierungsschicht aus Siliziumnitrid besteht.
  12. Auslöser für einen Fehlerstromschutzschalter gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Passivierungsschicht aus amorphem Kohlenstoff oder diamantartigem Kohlenstoff besteht.
  13. Auslöser für einen Fehlerstromschutzschalter gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Passivierungsschicht defektfrei, insbesondere pinholefrei ausgebildet ist.
  14. Verfahren zur Herstellung eines Auslösers für einen Fehlerstromschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Auslösezuverlässigkeit die Stoß- und/oder Gleitkontaktstellen an dem festen und/oder an dem beweglichen Bauelement mit einer dichten, gegen Wasser, Öle, Fette und Silikone beständigen Passivierungsschicht, deren Dicke einen Bruchteil der Ausdehnung des Arbeitsluftspaltes beträgt, durch Abscheidung nach einem Sol-Gel Prozeß versehen werden.
  15. Verfahren zur Herstellung eines Auslösers für einen Fehlerstromschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Auslösezuverlässigkeit die Stoß- oder Gleitkontaktstellen an dem festen oder an dem beweglichen Bauelement mit einer dichten, gegen Wasser, Öle, Fette und Silikone beständigen Passivierungsschicht, deren Dicke einen Bruchteil der Ausdehnung des Arbeitsluftspaltes beträgt, durch Abscheiden aus der Gasphase versehen werden.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Passivierungsschicht aus amorphem oder diamantartigem Kohlenstoff besteht, indem der Kohlenstoff plasmaunterstützt aus der Gasphase abgeschieden wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Passivierungsschicht aus einem metallkeramischen Material besteht, indem die Metallkeramik gänzlich oder zumindest in einer chemischen Teilkomponente aufgesputtert oder aufgedampft wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Passivierungsschicht aus einem Metallnitrid oder Metallcarbid besteht, indem das Metallnitrid oder das Metallcarbid gänzlich oder zumindest in einer chemischen Teilkomponente aufgesputtert oder aufgedampft werden.
  19. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Passivierungsschicht aus Teflon besteht, indem Teflon plasmaunterstützt polymerisiert aus der Gasphase abgeschieden wird.
  20. Fehlerstromschutzschalter, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Magnetauslöser gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
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