EP3766090B1 - Schutzschalter zur trennung eines stromkreises - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Schutzschalter mit einer Schalteinheit als Trennvorrichtung zur Unterbrechung eines Stromkreises, aufweisend einen stationären Festkontakt und einen Bewegkontakt, welcher relativ zum Festkontakt bewegbar und aus einer Schließstellung in eine Offenstellung überführbar ist, sowie eine Löscheinrichtung zum Verlöschen eines beim Öffnen der Kontakte entstehenden Lichtbogens, mit einer Vorkammer zur Führung des Lichtbogens von den Kontakten zu einer Löschkammer.
• Eine zuverlässige Trennung von elektrischen Komponenten oder Einrichtungen von einem Schalt- oder Stromkreis ist beispielsweise zu Installations-, Montage- oder Servicezwecken sowie insbesondere auch zum allgemeinen Personenschutz wünschenswert. Eine entsprechende Schalteinheit oder Trennvorrichtung muss hierbei in der Lage sein, eine Unterbrechung unter Last, also ohne ein vorheriges Abschalten einer den Stromkreis speisenden Spannungsquelle, vorzunehmen. Zur Lasttrennung können mechanische Schalter (Schaltkontakt) eingesetzt werden. Diese haben den Vorteil, dass bei erfolgter Kontaktöffnung ebenso eine galvanische Trennung der elektrischen Einrichtung von der Spannungsquelle hergestellt ist.
• Insbesondere bei zu schaltenden Gleichspannungen oberhalb von 24 Volt (DC) treten beim Trennen der stromdurchflossenen elektrischen Kontakte häufig Schaltlichtbögen auf, indem der elektrische Strom nach Öffnen der Kontakte entlang einer Lichtbogenstrecke in Form einer Bogenentladung weiter fließt. Da bei Gleichspannungen ab etwa 50 Volt und Gleichströmen ab etwa 1 Ampere derartige Schaltlichtbögen unter Umständen nicht selbsttätig verlöschen, werden beispielsweise sogenannte Sprungkontakte als mechanisches Kontaktsystem eingesetzt, bei denen zur Beschleunigung der Kontakttrennung mechanische Federn eingesetzt werden.
• Die beim Öffnen der Kontakte unter Last entstehenden Lichtbögen werden schnell in dafür vorgesehene Löscheinrichtungen bewegt, wo die entsprechende Lichtbogenlöschung stattfindet. Die dafür benötigte Kraft erfolgt beispielsweise durch magnetische Felder, sogenannte Blasfelder, welche typischerweise durch einen oder mehrere Permanentmagneten erzeugt werden. Durch besondere Gestaltung der Kontaktzonen und des Lichtbogenleitstücks wird der Lichtbogen in entsprechende Löschkammern geleitet, wo die Lichtbogenlöschung nach bekannten Prinzipien erfolgt.
• Grundsätzliche Maßnahmen zur Vermeidung oder Beherrschung derartiger Schaltlichtbögen bestehen im Wesentlichen darin, einen Isolierstoff zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit und damit zur Lichtbogenlöschung schon bei kleinem Kontaktabstand einzusetzen oder die Lichtbogenspannung durch Aufteilung des Lichtbogens zu reduzieren.
• Aus der DE 20 2006 021 064 U1 ist ein Schutzschalter mit einer Schalteinheit beschrieben, bei welcher ein beim Öffnen eines Kontaktsystems entstehender (Schalt-)Lichtbogen mittels einer Löscheinrichtung verlöscht wird. Die Löscheinrichtung weist eine Vorkammer mit zwei Lichtbogenlaufschienen auf, welche zwischen zwei isolierenden Seiten- oder Abdeckwänden als seitliche Begrenzung zur Lichtbogenführung angeordnet sind. Der Lichtbogen wird mittels der Vorkammer zu einer Löschkammer geführt und dort verlöscht.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders geeigneten Schutzschalter zur Trennung eines Stromkreises anzugeben.
• Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Der erfindungsgemäße Schutzschalter ist zur Unterbrechung eines Stromkreises, insbesondere eines Gleichstromkreises, geeignet und eingerichtet. Der Schutzschalter ist also als ein Schaltgerät zum manuellen und/oder selbsttätigen Abschalten von elektrischen Stromkreisen oder einzelnen Verbrauchern bei einem Überschreiten von zulässigen Strom- oder Spannungswerten (Überstrom, Fehlerstrom) ausgeführt.
• Hierzu weist der Schutzschalter eine Schalteinheit als eine Trennvorrichtung mit einem schaltbaren mechanischen Kontaktsystem auf. Unter "Schalten" wird hier und im Folgenden insbesondere eine mechanische oder galvanische Kontakttrennung ("Öffnen") und/oder eine Kontaktschließung ("Schließen") des Kontaktsystems verstanden.
• Das Kontaktsystem weist einen stationären Festkontakt und einen Bewegkontakt auf. Der Bewegkontakt ist hierbei relativ zum Festkontakt bewegbar und aus einer Schließstellung in eine Offenstellung überführbar. Dies bedeutet, dass zum Schalten des Kontaktsystems bzw. der Schalteinheit der Bewegkontakt zwischen der Offenstellung und der Schließstellung bewegt wird.
• Die Schalteinheit weist weiterhin eine Löscheinrichtung zum Verlöschen eines beim Öffnen der Kontakte entstehenden (Schalt-)Lichtbogens auf. Die Löscheinrichtung ist mit einer Löschkammer zur Löschung des Schaltlichtbogens sowie mit einer Vorkammer zur Führung des Lichtbogens von den Kontakten zu der Löschkammer ausgeführt.
• Die Vorkammer weist zwei isolierende Seitenwände als seitliche Abdeckplatten auf, wobei zwischen den Seitenwänden ein Paar von Lichtbogenlaufschienen einsitzt. Die Vorkammer ist somit beidseitig an den Stirnseiten geöffnet, wobei die eine Stirnseite dem Kontaktsystem und die andere Stirnseite der Löschkammer zugewandt ist. Die Vorkammer bildet somit einen Lichtbogenlaufraum, welcher zu den Seiten hin mittels der isolierenden Seitenwänden als Abdeckplatten und den Lichtbogenlaufschienen zur Führung des Lichtbogens begrenzt ist. Der Übergang des Lichtbogens von den Kontakten des Kontaktsystems auf die angrenzenden Lichtbogenlaufschienen der Vorkammer ist nachfolgend auch als Kommutierung bezeichnet.
• Die Löschkammer weist geeigneterweise einen Einlass, welcher der geöffneten Stirnseite der Vorkammer zugewandt ist, und einen gegenüberliegenden angeordneten Auslass für den Gasstrom des Lichtbogens auf.
• In einer ersten Ausführung der Erfindung ist erfindungsgemäß an den Seitenwänden jeweils ein ferromagnetisches Formteil angeordnet, welches vorzugsweise an den Verlauf der Lichtbogenlaufschienen angepasst ist. Die Formteile sind in einfacher Art und Weise hergestellt, beispielsweise als Stanzteile. Vorzugsweise sind die Formteile hierbei außerhalb des Lichtbogenlaufraums, also auf die Außenseite der Seitenwände der Vorkammer aufgebracht. Die Formteile umgeben den Lichtbogenlaufraum der Vorkammer im Wesentlichen vollflächig.
• Im Bereich des Festkontakts ist in dieser Ausführung zusätzlich ein Permanentmagnet (Dauermagnet) angeordnet, dessen Magnetfeld den Lichtbogen entlang einer der Lichtbogenlaufschienen führt. Dadurch ist eine besonders schnelle und effektive Verlöschung eines entstehenden Lichtbogens ermöglicht. Somit ist eine besonders effektive und betriebssichere Schalteinheit realisiert.
• Der ionisierte (Schalt-)Lichtbogen wird aufgrund der elektrodynamischen Wechselwirkungen mit dem Magnetfeld des Permanentmagneten in Richtung der Löschkammer gedrängt oder kanalisiert. Durch die ferromagnetischen Formteile als Seitenplatten wird einerseits eine Bündelung oder Fokussierung des Magnetfelds im unmittelbaren Kontaktbereich der Kontakte realisiert. Andererseits ist das Lichtbogenmagnetfeld, welches den Lichtbogen begleitet, in der Nähe eines ferromagnetischen Werkstoffes bestrebt, durch die magnetisch besser leitenden Formteile zu verlaufen. Dadurch entsteht eine "Saugwirkung" in Richtung der Formteile, welche dazu führt, dass sich der Lichtbogen zu der Vorkammer bewegt.
• Die ferromagnetischen Formteile werden durch das Magnetfeld des Permanentmagneten zumindest teilweise magnetisiert, sodass das Magnetfeld beziehungsweise dessen Magnetfeldlinien zwischen den Lichtbogenlaufschienen effektiv gebündelt, also konzentriert oder fokussiert, wird. Durch diese konzentrierte Bündelung des Magnetfelds wird eine besonders gleichmäßige und schnelle Lichtbogenführung bis in das Löschpaket bewirkt.
• Der Permanentmagnet ist geeigneterweise aus einem hitzebeständigen Material gefertigt. Dies bedeutet, dass der Permanentmagnet aus einem magnetischen Material gefertigt ist, welches auch bei hohen Temperaturen, wie sie insbesondere im Bereich des Lichtbogens auftreten, seine magnetischen Eigenschaften beibehält. Mit anderen Worten wird beispielsweise ein magnetisiertes ferromagnetisches Material für den Permanentmagnet verwendet, dessen materialspezifische Curie-Temperatur größer als die zu erwartenden Temperaturen im Bereich des Lichtbogens sind.
• Der Permanentmagnet ist beispielsweise aus einer Samariumlegierung, insbesondere einer Samarium-Cobalt-Legierung, vorzugsweise Sm₂Co₁₇, oder einer Neodymlegierung, insbesondere Neodym-NiCuN, oder einer Aluminiumlegierung, insbesondere AlNiCo500, hergestellt. Der Permanentmagnet erzeugt hierbei ein Magnetfeld mit einer Magnetfeldstärke zwischen 900 mT (Milli-Tesla) bis 1500 mT, insbesondere zwischen 1000 mT bis 1250 mT.
• Dadurch wird der Lichtbogen besonders schnell von dem Festkontakt auf die Laufschienen kommutiert, und somit von dem Kontaktsystem weggezogen. Somit werden die Kontakt-Material-Verluste im Bereich der Kontakte aufgrund der Lichtbogenbildung reduziert. Des Weiteren wird der Lichtbogen durch das mittels der Formteile konzentrierte Magnetfeld besonders stabil und schnell auf der Lichtbogenlaufschiene bewegt.
• Die Löscheinrichtung ist in bevorzugter Ausführungsform dahingehend optimiert, dass ein Schaltlichtbogen mittels der Vorkammer und des Permanentmagneten schnell und effektiv in die Löschkammer "eingesaugt" wird, ohne die Löschkammer zu durchlaufen und am Auslass zurückzuzünden oder an der Löschkammer abzuprallen und vor deren Einlass zurückzuzünden. Durch die schnelle und zuverlässige Führung des Lichtbogens mittels der Vorkammer ist eine besonders effektive Löscheinrichtung realisiert, so dass die Löschkammer mit hinreichend gutem Löschverhalten besonders flachbauend ausführbar ist. Dadurch ist eine besonders bauraumkompakte Schalteinheit ermöglicht.
• In einer denkbaren Ausgestaltung sind zur Führung des Lichtbogens zusätzlich zum Permanentmagneten zwei Formmagnete vorgesehen. Der Permanentmagnet ist hierbei geeigneterweise zwischen den Formmagneten angeordnet. Dadurch ist eine besonders zuverlässige und betriebssichere Führung des Lichtbogens zur Löschkammer gewährleistet.
• Die im Hinblick auf die vorstehend beschriebene erste Ausführung angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf die nachfolgend beschriebene, alternative Ausführung zu übertragen und umgekehrt.
• In einer nicht beanspruchten alternativen Ausführung weist die Schalteinheit im Gegensatz zu der vorstehend beschriebenen Ausführung anstelle der Formteile insbesondere jeweils einen Formmagneten auf, wobei das von den Formmagneten erzeugte gemeinsame Magnetfeld den Lichtbogen entlang einer der Lichtbogenlaufschiene führt.
• Die Formmagnete weisen hierbei im Wesentlichen die gleiche geometrische Form oder Kontur wie die ferromagnetischen Formteile auf. Somit ist es beispielsweise denkbar, die Formteile und die Formmagneten gegeneinander austauschbar auszuführen.
• Die erfindungsgemäßen Schutzschalter weisen somit jeweils eine besonders effektive Löscheinrichtung zur Verlöschung auftretender Schaltlichtbögen auf. Durch das verbesserte Löschverhalten der Löscheinrichtung der Schutzschalter sind diese besonders flachbauend ausführbar. Dadurch ist eine flache Schutzschalterkonstruktion ermöglicht, wodurch der Einsatz in bauraumreduzierten Einbausituationen, wie beispielsweise in Schaltschränken, verbessert wird.
• Erfindungsgemäß ist die Lichtbogenlaufschiene, entlang welcher der Lichtbogen mittels des Magnetfelds des Permanentmagneten gegebenenfalls der Formmagnete geführt wird, an den Festkontakt herangeführt. Die Lichtbogenlaufschiene weist hierbei vom Festkontakt zur Löschkammer hin einen gekrümmten oder gebogenen Verlauf auf. Dadurch ist ein besonders zweckmäßiger und betriebssicherer Verlauf der Lichtbogenlaufschiene realisiert.
• Erfindungsgemäß verbindet diese (erste) Lichtbogenlaufschiene den Festkontakt mit einer ersten Seitenwand der Löschkammer. Die Lichtbogenlaufschiene weist ausgehend vom Festkontakt aufgrund der Biegung einen konvexen Verlauf auf. Durch die Krümmung oder Biegung wird der Lichtbogen besonders zuverlässig von dem Festkontakt weggeführt, so dass ein Materialverlust oder Verschleiß des Festkontakts reduziert wird.
• Die andere (zweite) Lichtbogenlaufschiene verbindet vorzugsweise eine Anschlagfläche, an welcher der Bewegkontakt in der Öffnungsstellung anliegt, mit einer zweiten Seitenwand der Löschkammer, so dass eine zuverlässige Kommutierung des Lichtbogens auch im Bereich des Bewegkontakts ermöglicht ist.
• In einer geeigneten Weiterbildung ist die erste Seitenwand der Löschkammer insbesondere als ein Magnetjoch eines Kurzschlussauslösers einer Auslösemechanik des Schutzschalters ausgeführt. Die (erste) Lichtbogenlaufschiene ist insbesondere integral mit dem Magnetjoch ausgeführt.
• Erfindungsgemäß ist der Permanentmagnet bezogen auf den Biegeradius der Biegung oder Krümmung radial innenseitig zur (ersten) Lichtbogenlaufschiene angeordnet. Bei einer solchen, radial innenseitigen, Anordnung des Permanentmagneten ist dieser somit außerhalb der Vorkammer angeordnet. Insbesondere ist der Permanentmagnet somit von der (ersten) Lichtbogenlaufschiene zumindest teilweise umgeben oder eingefasst. Bei einem konvexen Verlauf der (ersten) Lichtbogenlaufschiene ist diese somit etwa U-förmig oder V-förmig um den Permanentmagneten herum geführt. Somit ist der Permanentmagnet vor einem direkten Kontakt mit dem Lichtbogen zuverlässig und konstruktiv einfach geschützt. Dadurch wird die Lebensdauer des Permanentmagneten wesentlich verbessert.
• In einer zweckmäßigen Ausbildung weisen die ferromagnetischen Formteile und/oder die Formmagnete an den zur Löschkammer orientierten Stirnseiten jeweils eine elektrische Isolierung auf. Mit anderen Worten sind die Formteile oder Formmagnete zum Einlass der Löschkammer hin mit einer Isolierung versehen. Dadurch wird ein elektrischer Kurzschluss entlang der Löschkammer und den Formteilen oder Formmagneten verhindert. Dies überträgt sich in der Folge vorteilhaft auf die Lebensdauer der Löscheinrichtung und somit der Schalteinheit.
• In einer bevorzugten Ausführung sind die Formteile oder Formmagnete als Einlegteile mit der Isolierung im Bereich der Stirnseiten umspritzt. In einer alternativen Ausführungsform sind die Formteile oder Formmagnete stirnseitig insbesondere in ein Isolierteil eingelegt. Mit anderen Worten werden die Isolierungen an den ferromagnetischen Formteilen oder Formmagneten prozesstechnisch angespritzt und/oder umspritzt oder eingelegt. Dies bedeutet, dass das Formteil oder der Formmagnete und die Isolierung insbesondere als ein Verbundteil ausgeführt sind. Dadurch ist eine besonders einfache und aufwandsarme Herstellung und Isolierung der Formteile oder Formmagnete gewährleistet. Somit ist ein besonders kostengünstiger Schutzschalter realisiert.
• Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Löschkammer als eine Deionkammer mit einem Lichtbogenlöschpaket, also mit einem Löschpaketstapel mit einer Anzahl von Löschblechen oder Streuplatten, ausgeführt ist. Als Material für die Löschbleche werden beispielsweise ferromagnetische Werkstoffe eingesetzt, da das Magnetfeld, welches den Lichtbogen begleitet, in der Nähe eines ferromagnetischen Werkstoffes bestrebt ist, durch die magnetisch besser leitenden Löschbleche zu verlaufen. Dadurch entsteht eine Saugwirkung in Richtung der Löschbleche, die dazu führt, dass sich der Lichtbogen zu der Anordnung der Löschbleche bewegt und zwischen diesen aufgeteilt wird.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Bewegkontakt der verwendeten Schalteinheit an einem verschwenkbaren Schaltarm angeordnet, welcher mit einer Handbetätigungsmechanik zur manuellen Verstellung des Schaltarms zwischen der Offenstellung und der Schließstellung, und mit einer Auslösemechanik zur automatischen Rückführung des Schaltarms in die Offenstellung bei einem Eintritt einer Auslösebedingung gekoppelt ist. Dadurch ist ein besonders geeigneter Schutzschalter realisiert.
• Die Handbetätigungsmechanik weist beispielsweise einen Schwenkhebel auf, welcher mittels einer Mechanik mit dem Schaltarm gekoppelt ist. Die Mechanik weist beispielsweise ein Federelement, zweckmäßigerweise eine Torsionsfeder, auf, welches den Schwenkhebel in Richtung auf eine der Offenstellung des Schaltarms entsprechende erste Schwenkstellung vorspannt, so dass der Schwenkhebel in unbelasteten Zustand stets von selbst in diese erste Schwenkstellung zurückkehrt. In einer der Schließstellung des Schaltarms entsprechenden zweiten Schwenkstellung wird der Schwenkhebel dagegen bevorzugt durch eine Verklinkung der Mechanik mit dem in der Schließstellung befindlichen Schaltarm arretiert. Zweckmäßigerweise sind der Schaltarm und die Handbetätigungseinrichtung derart aufeinander abgestimmt, dass bei einer Rückkehr des Schaltarms in die Öffnungsstellung und des Schwenkhebels in die erste Schwenkstellung die Mechanik selbsttätig mit dem Schaltarm verklinkt, so dass der Schaltarm mittels der Handbetätigungsmechanik ohne weiteres Zutun sofort wieder verstellbar ist.
• Die Auslösemechanik weist vorzugsweise einen Kurzschlussauslöser auf, welcher dazu ausgebildet ist, im Falle eines elektrischen Kurzschlusses als Auslösebedingung die Auslösemechanik zu betätigen. Der Kurzschlussauslöser weist beispielsweise eine Magnetspule, ein Magnetjoch sowie einen Magnetanker auf, wobei das Magnetjoch insbesondere eine erste Seitenwand der Löschkammer ausbildet.
• Zusätzlich oder alternativ zu dem Kurzschlussauslöser weist die Auslösemechanik vorzugsweise einen Überlastauslöser oder Überstromauslöser auf. Der Überlastauslöser ist beispielsweise im Wesentlichen durch einen Bimetallstreifen gebildet, welcher sich infolge des Stromflusses erhitzt und sich dabei derart verformt, dass er im Überlastfall, also bei der zugehörigen Auslösebedingung, die Auslösemechanik und somit den Schaltarm bzw. das Kontaktsystem betätigt.
• In einer geeigneten Weiterbildung sind die Schalteinheit und die Auslösemechanik sowie die Handbetätigungsmechanik zumindest teilweise in einem gemeinsamen Schaltgehäuse aufgenommen. Dadurch ist ein zuverlässiger Berührungsschutz (Fingerschutz) realisiert.
• Die Seitenwände der Schalteinheit sind hierbei parallel zu den Stirnseiten des Schaltgehäuses orientiert, wobei zwischen der Vorkammer und dem Schaltgehäuse ein Spaltbereich, also ein lichter Abstand, gebildet ist. Ein derartiger Spaltbereich ist insbesondere vorteilhaft für einen Druckausgleich im Zuge einer Lichtbogenverlöschung. Der Spaltbereich ist hierbei vorzugsweise an den Stirnseiten der Vorkammer, also zu Kontakten und zum Einlass hin geöffnet. Der Lichtbogen schiebt in Vorkammer aufgrund der plötzlichen Lufterhitzung eine Druckwelle vor sich her, welche den Einlauf des Lichtbogens in Löschkammer behindern kann. Durch den Spaltbereich zwischen dem Schaltgehäuse und der Vorkammer ist ein Druckausgleich vor und hinter der Vorkammer möglich, so dass der Einlauf des Lichtbogens in die Löschkammer nicht behindert wird. Dadurch wird eine besonders betriebssichere und zuverlässige Löschung des Lichtbogens gewährleistet.
• Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in perspektivischen Darstellungen:

Fig. 1

einen Schutzschalter,

Fig. 2

eine Schalteinheit des Schutzschalters mit einem Kontaktsystem und mit einer Löscheinheit, welche eine Vorkammer mit zwei Seitenwänden sowie eine Löschkammer aufweist,

Fig. 3

die Schalteinheit aus Fig. 2 mit einer abgenommenen Seitenwand,

Fig. 4

eine alternative Ausführungsform der Schalteinheit mit einem Handbetätigungsmechanismus und mit einem Auslösemechanismus des Schutzschalters, und

Fig. 5

in vergrößerter Detailansicht die Ausführungsform gemäß Fig. 4.

• Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• Die Fig. 1 zeigt einen Schutzschalter 2 zur Unterbrechung eines Stromkreises. Hierzu weist der Schutzschalter 2 eine anhand der Figuren 2 bis 5 näher erläuterte Schalteinheit 4 auf. Der Schutzschalter 2 weist weiterhin ein Schaltgehäuse 6 aus einem Isoliermaterial auf.
• Der Schutzschalter 2 ist vorzugsweise nach Art eines Reiheneinbaugeräts ausgebildet. Das Schaltgehäuse 6 weist entsprechend eine für solche Geräte charakteristische, symmetrisch zu einer Frontseite 8 abgestufte Formgebung auf. An einem herausragenden Mittelteil 10 der Frontseite 8 ragt zur manuellen Betätigung der Schalteinheit 4 ein Schwenkhebel 12 einer Handbetätigungsmechanik 14 (Fig. 4, Fig. 5) aus dem Schaltgehäuse 6 heraus. An einer der Frontseite 8 gegenüberliegenden Rückseite 16 ist der Schutzschalter 2 mit einer für Reiheneinbaugeräte typischen Rastnut 18 zum Aufrasten auf eine Tragschiene, insbesondere auf eine Hutschiene, versehen. Senkrecht zu der Frontseite 8 und der Rückseite 16 sind zwei Stirnseiten 20 des Schaltgehäuses 6 angeordnet, entlang welcher der Schutzschalter 2 im Einbau- oder Montagezustand eines Reiheneinbaugeräts aneinandergereiht wird.
• Die Figuren 2 und 3 zeigen eine erste und zweite Ausführungsform der Schalteinheit 4, 4'. Die Schalteinheit 4, 4' weist ein mechanisches Kontaktsystem mit einem stationären Festkontakt 22 und mit einem gegenüber diesem relativ bewegbaren Bewegungskontakt 24 auf. Der Bewegungskontakt 24 ist von einem Schaltarm 26 getragen und mittels diesem zwischen einer Offenstellung, in welcher der Festkontakt 22 und der Bewegungskontakt 24 voneinander beabstandet sind, und einer Schließstellung, in welcher der Festkontakt 22 und der Bewegungskontakt 24 in einem elektrisch leitfähigen Berührungskontakt sind, bewegbar oder überführbar.
• Die Schalteinheit 4, 4' weist weiterhin eine Löscheinrichtung 28 zum Verlöschen eines beim Öffnen der Kontakte 22, 24 entstehenden (Schalt-)Lichtbogens auf. Die Löscheinrichtung 28 weist eine Löschkammer 30, welche als eine Deionkammer mit einem darin eingesetzten Paket von zueinander parallel angeordneten Löschblechen 32 ausgebildet ist, auf. In den Figuren sind die Löschbleche 32 lediglich beispielhaft mit Bezugszeichen versehen.
• Die Löscheinrichtung 28 weist weiterhin eine Vorkammer 34 auf, mittels welcher der Lichtbogen von den Kontakten 22, 24 zur Löschkammer 30 geführt wird. Die Vorkammer 34 weist eine erste Lichtbogenlaufschiene 36 und eine zweite Lichtbogenlaufschiene 38 auf. Die Lichtbogenlaufschiene 36 ist hierbei integral mit einem Magnetjoch 40 eines Kurzschlussauslösers 42 einer Auslösemechanik 44 des Schutzschalters 2 ausgeführt (Fig. 4, Fig. 5). Die Lichtbogenlaufschiene 38 ist zusammen mit einer Stromzuführung 46 als ein einstückig zusammenhängendes Blechteil gebildet, wobei die Stromzuführung 46 gleichzeitig einen Träger für einen Bimetallstreifen 48 eines Überlastauslösers 50 der Auslösemechanik 44 bildet (Fig. 4, Fig. 5).
• Die Vorkammer 34 weist des Weiteren zwei isolierende Seitenwände 52 als seitliche Abdeckplatten auf, zwischen denen die Lichtbogenlaufschienen 36, 38 eingefasst sind. Die Seitenwände 52 und die Lichtbogenlaufschienen 36, 38 bilden somit einen Lichtbogenlaufraum zur Führung des Lichtbogens von den Kontakten 22, 24 zu der Löschkammer 30.
• Wie insbesondere in der Fig. 2 ersichtlich ist, sind auf die Außenflächen, also auf den den Stirnseiten 20 zugewandten Oberflächen, der Seitenwände 52 der Schalteinheit 4 ferromagnetische Formteile 54 aufgebracht. Die Formteile 54 weisen eine Außenkontur auf, welche etwa dem Verlauf der Lichtbogenlaufschienen 36, 38 angepasst ist. Die Formteile 54 sind als ein Verbundteil mit einer angespritzten Isolierung 56 ausgeführt, welche an der der Löschkammer 30 zugewandten Stirnseite der Formteile 54 angeordnet ist.
• In der alternativen Ausführung der Schalteinheit 4' sind anstelle der ferromagnetischen Formteile 54 zwei Formmagneten 54' vorgesehen. Die Formmagnete 54' weisen im Wesentlichen die gleiche Form oder Kontur wie die Formteile 54 auf. Insbesondere sind die Formmagneten 54' ebenfalls mit der Isolierung 56 versehen. Dies bedeutet, dass sich die Formmagnete 54' und die Formteile 54 im Wesentlichen lediglich durch das verwendete Material unterscheiden.
• Die Fig. 3 zeigt die Schalteinheit 4, 4' der Fig. 2 mit einer abgenommenen Seitenwand 52. Wie in der Fig. 3 ersichtlich, ist im Bereich des Festkontakts 22 ein hitzebeständiger Permanentmagnet 58 angeordnet. Der Permanentmagnet 58 ist bei der Ausführung der Schalteinheit 4'hierbei zusätzlich zu den Formmagneten 54' vorgesehen.
• Durch die Verwendung des Permanentmagneten 58 zusätzlich zu den zwei Formmagneten 54' wird das resultierende Magnetfeld besonders stark im Bereich des Festkontakts 22 gebündelt, so dass der Lichtbogen besonders schnell von diesem auf die Lichtbogenlaufschiene 36 bewegt wird. Die Formmagnete 54' sind hierzu - wie die Formteile 54 - jeweils an einer der Seitenwände 52 angeordnet. Der Permanentmagnet 58 erzeugt ein Magnetfeld, welches den Lichtbogen entlang der Lichtbogenlaufschiene 36 führt. Hierzu ist der Permanentmagnet 58 radial innenseitig einer - vom Festkontakt 22 aus gesehen - konvexen Biegung oder Krümmung 60 der Lichtbogenlaufschiene 36 angeordnet. Somit ist der Permanentmagnet 58 im Wesentlichen innerhalb des Verlaufs der Lichtbogenlaufschiene 36 angeordnet.
• Die isolierenden Seitenwände 52 isolieren die ferromagnetischen Formteile 54 oder die Formmagnete 54' gegenüber dem Lichtbogen, so dass die Formteile 54 oder die Formmagneten 54' insbesondere nicht über ihre jeweilige Curie-Temperatur hinaus erwärmt, und somit in einen paramagnetischen Zustand versetzt werden. Die Seitenwände 52 ragen stirnseitig über die Kontaktstelle der Kontakte 22, 24 hinaus, so dass diese im Wesentlichen zwischen den Seitenwänden 52 der Vorkammer 34 eingefasst sind. Der Lichtbogen wird somit bereits bei einer Entstehung zwischen den Seitenwänden 52 "eingequetscht", wodurch eine Spannungserhöhung bewirkt wird.
• Die Formteile 54 der Schalteinheit 4 bündeln das Magnetfeld des Permanentmagneten 58. Durch die Anordnung des Permanentmagneten 58 nahe dem Festkontakt 22 wirkt die resultierende magnetische Kraft sofort auf den entstehenden Lichtbogen und zieht diesen von dem Festkontakt 22 auf die Lichtbogenlaufschiene 36 herunter. Mit anderen Worten wird der Lichtbogen bei der Entstehung durch das Magnetfeld besonders schnell auf die Lichtbogenlaufschiene 36 kommutiert und zur Löschkammer 30 geführt.
• Entsprechend wird das Magnetfeld durch die Formmagneten 54' der Schalteinheit 4' zusätzlich zu dem Magnetfeld des Permanentmagneten 58 erzeugt, und somit der Lichtbogen durch die resultierende magnetische Kraft von dem Festkontakt 22 auf die Lichtbogenlaufschiene 36 kommutiert.
• Die Figuren 4 und 5 zeigen eine weitere Ausführungsform der Schalteinheit 4, 4'. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Bewegungskontakt 24 einstückig, also einteilig oder monolithisch, an dem Freiende des Schaltarms 26 ausgeführt. Die Figuren 4 und 5 zeigen die Vorkammer 34 ohne die Seitenwände 52 und somit ohne die Formteile 54 oder Formmagneten 54', welche den Lichtbogenlaufraum der Vorkammer 34 jedoch im Montagezustand auch in dieser Ausführungsform zu den Stirnseiten 20 hin begrenzen.
• Die Figuren 4 und 5 zeigen neben der Schalteinheit 4 die Handbetätigungsmechanik 14 sowie die Auslösemechanik 44 mit dem Kurzschlussauslöser 42 und dem Überstromauslöser 50. Die Handbetätigungsmechanik 14 und die Auslösemechanik 44 sowie der Schaltarm 26 der Schalteinheit 4, 4' bilden ein nicht näher bezeichnetes Schaltschloss des Schutzschalters 2.
• Die Handbetätigungsmechanik 14 ist im Wesentlichen gebildet durch den Schwenkhebel 12 sowie eine Koppelstange 62 und eine Torsionsfeder 64.
• Der Schaltarm 26 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel zweigliedrig ausgeführt und weist einen Kontakthebel 66 mit dem freiendseitigen Bewegungskontakt 24, und einen Klinkenhebel 68 auf. Der Schaltarm 26 wird mittels einer Zugfeder 70 vorgespannt.
• Die Auslösemechanik 44 weist einen Auslöseschieber 72 und den im Wesentlichen aus dem Bimetallstreifen 48 gebildeten Überlastauslöser 50 sowie den elektromagnetischen Kurzschlussauslöser 42 auf. Der Kurzschlussauslöser 42 weist eine Magnetspule 74 und einen Magnetkern 76 sowie das Magnetjoch 40 und einen Magnetanker 78 auf. Der Magnetanker 78 ist hierbei mit einem nicht näher gezeigten Kunststoffstab gekoppelt, welcher mittels einer Druckfeder vorgespannt gehalten ist.
• Im Montagezustand ist der Klinkenhebel 68 des Schaltarms 26 um eine gehäusefeste Drehachse 80 schwenkbar gelagert. Der Kontakthebel 66 ist mittels eines Drehgelenks 82 an dem Klinkenhebel 68 angelenkt, so dass der Schaltarm 26 in sich eine gewisse Flexibilität aufweist. Die dadurch bewirkte Relativbeweglichkeit des Kontakthebels 66 bezüglich des Klinkenhebels 68 wird begrenzt durch ein Langloch 84 an dem rückwärtigen, also dem Bewegkontakt 24 abgewandten, Ende des Kontakthebels 66, in welches die Drehachse 80 nach Art einer Linearführung eingreift.
• Der Bewegkontakt 24 wirkt mit dem Festkontakt 22 zusammen, um einen Stromkreis zu schalten. Der Festkontakt 22 ist hierbei insbesondere an einer Oberseite des Magnetjochs 40 am Ansatz der mit diesem integral verbundenen Lichtbogenlaufschiene 36 aufgebracht.
• Die Fig. 4 zeigt die Schalteinheit 4, 4' in einem Schließzustand oder in einer Schließstellung des Schaltarms 26, in dem das den Bewegkontakt 24 bildende Freiende des Kontakthebels 66 an dem Festkontakt 22 anliegt. In dieser Schließstellung ist zwischen einem Einspeiseanschluss 86 beziehungsweise Koppelkontakt 88 und einem Lastanschluss 90 des Schutzschalters 2 eine elektrisch leitende Verbindung erzeugt, welche über eine Stromschiene 92, die Magnetspule 74, das Magnetjoch 40, den Festkontakt 22, den Kontakthebel 66 mit dem Bewegkontakt 24, den Bimetallstreifen 48 und eine daran anschließende Stromschiene 94 führt. Die elektrische Verbindung zwischen dem rückwärtigen Ende des Kontakthebels 66 und dem Bimetallstreifen 48 sowie zwischen dem Bimetallstreifen 48 und der Stromscheine 94 ist jeweils mittels einer Litzenverbindung 96 geschlossen, welche in der Fig. 4 lediglich schematisch dargestellt sind.
• Kernbestandteil der Auslösemechanik 44 ist der Auslöseschieber 72, welcher sowohl von dem Bimetallstreifen 48 des Überlastauslösers 50 als auch von dem mit dem Magnetanker 78 gekoppelten Kunststoffstab des Kurzschlussauslösers 42 betätigt wird, und der unter Betätigung einer der Auslöser 50 oder 42 die Rückstellung des Schaltarms 26 von der Schließstellung in die Offenstellung (Fig. 5) bewirkt.
• Ein Kurzschluss in einem an den Anschlüssen 86 und 90 angeschlossenen Stromkreis führt zu einem sprunghaften Anstieg des durch die Magnetspule 74 fließenden Stromes. Der starke Stromanstieg bewirkt einen proportionalen Anstieg des durch die Magnetspule 74 erzeugten Magnetfeldes, in Folge dessen der Magnetanker 78 betätigt wird. Durch die resultierende Bewegung wird der Auslöseschieber 72 betätigt und somit die Kontakte 22 und 24 aufgetrennt.
• Die Fig. 5 zeigt hierbei einen Endzustand eines Auslösevorgangs, in dem der Bewegkontakt 24 an einer Anschlagfläche 98 anliegt, die einen dem Festkontakt 22 mit Abstand gegenüberliegenden Ansatz der zweiten Lichtbogenlaufschiene 38 bildet.
• Im Zuge eines solchen Auslösevorgangs entsteht zwischen dem Festkontakt 22 und dem sich von diesem abhebenden Bewegkontakt 24 der (Schalt-)Lichtbogen, welcher zu einer starken Erhitzung und langfristig zu einem Abbrennen der Kontakte 22 und 24 führt. Die Löscheinrichtung 28 dient hierbei dem schnellen effektiven Verlöschen des Lichtbogens.
• Beim Öffnen der Kontakte 22 und 24 wirkt der Stromfluss innerhalb des Kontakthebels 66, der Lichtbogenstrecke und der dem Kontakthebel 66 gegenüberliegenden Strecke des Magnetjochs 40 als Stromschleife. Diese Stromschleife übt zusätzlich zu einer Lorenzkraft aufgrund des mittels der Formteile 54 gebündelten Magnetfelds des Permanentmagneten 58 eine Induktionskraft auf den Lichtbogen aus, welche den Lichtbogen in Richtung auf die Löschkammer 30 treibt.
• Mit dem Anschlagen des Schaltarms 26 an der Anschlagfläche 98 wird die leitende Verbindung zwischen dem Bimetallstreifen 48, den Litzenverbindungen 96 (Fig. 4) und dem Kontakthebel 66 über die Stromzuführung 46 kurzgeschlossen. Durch die Formgebung des Blechstreifens, aus dem die Stromzuführung 46 und die Lichtbogenlaufschiene 38 integral gebildet sind, wird sichergestellt, dass die Induktionswirkung des Stromflusses auf den Lichtbogen bei diesem Vorgang dem Vorzeichen nach erhalten bleibt.
• Die Lichtbogenlaufschiene 38 ist aus der Stromzuführung 46 derart freigestellt, dass die Lichtbogenlaufschiene 38 im Bereich der Anschlagfläche 98 an dem in seiner Öffnungsstellung hieran anliegenden Kontakthebel 66 entlanggeführt ist, und - von dem Bewegkontakt 24 aus entlang des Kontakthebels 66 gesehen - erst hinter dem Bewegkontakt 24 in die Stromzuführung 46 übergeht. Der von dem Festkontakt 22 über die Lichtbogenstrecke zum Bewegkontakt 24 geführte Strom muss somit, auch wenn der Kontakthebel 66 bereits an der Anschlagfläche 98 anliegt, wie vor dem Anschlagen des Kontakthebels 66 innerhalb des Kontakthebels 66 oder der Lichtbogenlaufschiene 38 eine gewisse Strecke in Richtung des langlochseitigen Hebelendes fließen, bis er über die Stromzuführung 46 in entgegengesetzter Richtung abgeleitet wird. Die Lichtbogenlaufschiene 38 ist hierbei insbesondere mittig aus der Stromzuführung 46 ausgeschnitten, um im Übergangsbereich einen möglichst symmetrischen Stromfluss zu gewährleisten.
• Mit Rücksicht auf die elektrodynamische Wechselwirkung des Strompfades ist auch das Magnetjoch 40, in das die Laufschiene 36 integriert ist, nicht kreisförmig um die Magnetspule 74 herum geschlossen. Vielmehr ist das Magnetjoch 40 an einer dem Magnetanker 78 zugewandten Unterseite durch einen engen Luftspalt 100 (Fig. 4) unterbrochen. Der Luftspalt 100 ist hierbei derart bemessen, dass er den Magnetfluss innerhalb des Magnetjochs 74 nicht signifikant beeinträchtigt, aber einen Stromfluss über die Spaltstrecke hinweg wirksam unterbindet. Es wird vielmehr innerhalb des Magnetjochs 40 stets ein Richtung des Festkontakts 22 und der Lichtbogenlaufschiene 36 gerichteter Strompfad erzwungen. Die Richtung des Strompfades wird im Rahmen dieser Beschreibung unabhängig von der tatsächlichen Stromflussrichtung als ausgehend von dem Einspeiseanschluss 86 bzw. Koppelkontakt 88 und ausgerichtet auf den Lastanschluss 90 angegeben.
• Insgesamt bleiben die geometrische Charakteristik des Stromflusses innerhalb des Schutzschalters 2 und die hierdurch hervorgerufene Induktionswirkung, über den gesamten Auslösevorgang bis zum Erlöschen des Lichtbogens erhalten.
• Unter der Induktionswirkung sowie insbesondere aufgrund des gebündelten Magnetfeldes des Permanentmagneten 58 löst sich der Lichtbogen spätestens nach dem Anschlagen des Kontakthebels 66 an der Anschlagfläche 98 von den Kontakten 22 und 24 ab und geht auf die angrenzenden Lichtbogenlaufschienen 26 und 38 über. Dieser Vorgang wird als Kommutierung bezeichnet. Der Lichtbogen wandert anschließend, eingeschlossen von den Seitenwänden 52 und Formteilen 54 oder den Formmagneten 54', weiterhin unter dem Einfluss der elektrodynamischen Kräfte, entlang der Lichtbogenlaufschienen 36 und 38 in dem zwischen diesen gebildeten Lichtbogenlaufraum der Vorkammer 34 auf einen Einlass 102 der Löschkammer 30 zu.
• Über den Einlass 102 tritt der Lichtbogen in die Löschkammer 30 ein und wird durch die Löschbleche 32 in eine Anzahl von Teillichtbögen aufgeteilt. Die Löschbleche 32 begünstigen die Löschung des Lichtbogens in an sich bekannter Weise, indem die über die gesamte Lichtbogenstrecke abfallende Gesamtspannung vervielfacht und der Lichtbogen abgekühlt wird.
• Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

2

Schutzschalter

4, 4'

Schalteinheit

6

Schaltgehäuse

8

Frontseite

10

Mittelteil

12

Schwenkhebel

14

Handbetätigungsmechanik

16

Rückseite

18

Rastnut

20

Stirnseite

22

Festkontakt

24

Bewegkontakt

26

Schaltarm

28

Löscheinrichtung

30

Löschkammer

32

Löschblech

34

Vorkammer

36, 38

Lichtbogenlaufschiene

40

Magnetjoch

42

Kurzschlussauslöser

44

Auslösemechanik

46

Stromzuführung

48

Bimetallstreifen

50

Überlastauslöser

52

Seitenwand

54

Formteil

54'

Formmagnet

56

Isolierung

58

Permanentmagnet

60

Krümmung/Biegung

62

Koppelstange

64

Torsionsfeder

66

Kontakthebel

68

Klinkenhebel

70

Zugefeder

72

Auslöseschieber

74

Magnetspule

76

Magnetkern

78

Magnetanker

80

Drehachse

82

Drehgelenk

84

Langloch

86

Einspeiseanschluss

88

Koppelkontakt

90

Lastanschluss

92, 94

Stromschiene

96

Litzenverbindung

98

Anschlagfläche

100

Luftspalt

102

Einlass

Claims (7)

1. Schutzschalter (2) mit einer Schalteinheit (4, 4') zur Unterbrechung eines Stromkreises, aufweisend

   - einen stationären Festkontakt (22) und einen Bewegkontakt (24), welcher relativ zum Festkontakt (22) bewegbar und aus einer Schließstellung in eine Offenstellung überführbar ist, sowie

   - eine Löscheinrichtung (28) zum Verlöschen eines beim Öffnen der Kontakte (22, 24) entstehenden Lichtbogens, mit einer Vorkammer (34) zur Führung des Lichtbogens von den Kontakten (22, 24) zu einer Löschkammer (30), wobei die Vorkammer (34) zwei isolierende Seitenwände (52) und ein dazwischen einsitzendes Paar von Lichtbogenlaufschienen (36, 38) aufweist,

   - wobei eine der Lichtbogenlaufschiene (36), an den Festkontakt (22) herangeführt ist,

   - wobei diese Lichtbogenlaufschiene (36) vom Festkontakt (22) zur Löschkammer (30) hin einen gekrümmten oder gebogenen Verlauf aufweist, und

   - wobei die Lichtbogenlaufschiene (36) den Festkontakt (22) mit einer ersten Seitenwand (40) der Löschkammer (30) verbindet, und ausgehend vom Festkontakt (22) einen konvexen Verlauf aufweist,

   dadurch gekennzeichnet,

   - dass an den Seitenwänden (52) jeweils ein ferromagnetisches Formteil (54) angeordnet ist oder dass an den Seitenwänden (52) jeweils ein Formmagnet (54') angeordnet ist, deren gemeinsames Magnetfeld den Lichtbogen entlang der Lichtbogenlaufschiene (36) führt,

   - dass im Bereich des Festkontakts (22) ein Permanentmagnet (58) angeordnet ist, dessen Magnetfeld den Lichtbogen entlang der Lichtbogenlaufschiene (36) führt,

   - dass der Permanentmagnet (58) radial innenseitig der Biegung oder Krümmung (60) der Lichtbogenlaufschiene (36) angeordnet ist, und

   - dass das resultierende Magnetfeld des Permanentmagneten (58) und der Formteile (54) oder Formmagnete (54') im Bereich des Festkontakts (22) gebündelt ist.
2. Schutzschalter (2) nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass die Seitenwand (40) durch ein Magnetjoch eines Kurzschlussauslösers (42) gebildet ist.
3. Schutzschalter (2) nach Anspruch 1 oder 2,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass die ferromagnetischen Formteile (54) oder die Formmagnete (54') an den zur Löschkammer (30) orientierten Stirnseiten jeweils eine elektrische Isolierung (56) aufweisen.
4. Schutzschalter (2) nach Anspruch 3,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass die Formteile (54) oder die Formmagnete (54') als Einlegteile mit der Isolierung (56) im Bereich der Stirnseiten umspritzt sind.
5. Schutzschalter (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass die Löschkammer (30) als Deionkammer mit einem Lichtbogenlöschpaket ausgeführt ist.
6. Schutzschalter (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass der Bewegkontakt (24) der Schalteinheit (4, 4') an einem verschwenkbaren Schaltarm (26) angeordnet ist, welcher mit einer Handbetätigungsmechanik (14) zur manuellen Verstellung des Schaltarms (26) zwischen der Offenstellung und der Schließstellung, und mit einer Auslösemechanik (44) zur automatischen Rückführung des Schaltarms (26) in die Offenstellung bei einem Eintritt einer Auslösebedingung gekoppelt ist.
7. Schutzschalter (2) nach Anspruch 6,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass die Schalteinheit (4, 4') und die Auslösemechanik (44) sowie die Handbetätigungsmechanik (14) zumindest teilweise in einem gemeinsamen Schaltgehäuse (6) aufgenommen sind.

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