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Wechselstromschalter, insbesondere Magnetschalter
Die Erfindung betrifft einen Wechselstromschalter, insbesondere einen Magnetschalter mit einem unbeweglichen Kontakt, der mit einem durch einen Kraftspeicher belasteten beweglichen Kontakt zusammenarbeitet, wobei die Bewegungen des Mitnehmers des beweglichen Kontaktes von einer krummen Bahn gesteuert werden, die drei Abschnitte aufweist, von denen der mittlere die Kontakte beim Einschalten zur Berührung bringt bzw. beim Ausschalten trennt, wogegen der eine seitliche Abschnitt den Kontaktdruck erzeugt und der andere seitliche Abschnitt die gegenseitige Annäherung bzw. Entfernung der Kontakte beim Ein- bzw. Ausschalten steuert.
Es ist bekannt, dass die Schaltung derartigerWechselstromschalter unter nachteiligen Erscheinungen verschiedener Art vor sich geht.
Beim Einschalten tritt das sogenannte Prellen auf, das darin besteht, dass der bewegliche Kontakt beim Auftreffen am unbeweglichen Kontakt abgebremst wird und infolge der kinetischen Energie, die sich in eine elastische Verformung verwandelte, die Kontakte von neuem getrennt werden. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis der bewegliche Kontakt nach einigen Schwingungen seine Ruhelage erreicht.
Der bewegliche Kontakt führt somit aperiodische Schwingungen aus, während welcher die Kontaktnahme mehrmals unterbrochen wird. Bei jeder dieser Unterbrechungen entsteht ein Lichtbogen, wodurch die Lebensdauer der Kontakte abnimmt. Bei Motorschaltern ist diese Erscheinung besonders nachteilig, da der Stromstoss, der beim Einschalten des Motors auftritt, in der ersten Halbwelle ein mehrfaches der normalen Stromaufnahme des Motors beträgt. Der Abstand, bis zu dem sich der bewegliche Kontakt von seinem Gegenkontakt durch das Prellen entfernt, ist zwar verhältnismässig gering, die Kontakte werden jedoch durch die Bögen mit hoher Stromstärke trotzdem stark in Anspruch genommen. Versuche haben gezeigt, dass infolge des Prellens die Lebensdauer der Kontakte lediglich einen Bruchteil der Lebensdauer beträgt, die beim Einschalten des Nennstromes erreichbar wäre.
Es ist demnach offensichtlich, dass bezüglich der Lebensdauer der Kontakte die Behebung des Prellens als wünschenswert anzusprechen ist.
Eine andere nachteilige Erscheinung tritt beim Ausschalten auf. Der Wechselstrombogen wird zwar beim Stromwert Null selbsttätig unterbrochen, löscht aber endgültig nicht unbedingt dann aus, wenn der Strom im Laufe der Unterbrechung zum ersten Mal den Wert Null beträgt. Dies ist dadurch bedingt, dass einerseits nach Durchgang des Stromes durch den Wert Null an den Kontakten kurzzeitig glühende Flecke zurückbleiben und hiedurch Elektronen frei werden, anderseits infolge der durch den Lichtbogen stark ionisierten Luft bereits geringe Spannungen genügen, um den Lichtbogen erneut zu zünden.
Diese Erscheinungen, insbesondere aber die Ionisierung der Luft, kann durch die Verringerung der Leistung des Lichtbogens gemässigt werden. Die Ionisierung der Luft hängt, wie bekannt, von der Wärmemenge ab, die der Energie des Lichtbogens entspricht. Wenn demnach die Erhöhung der zum Wiederzünden des Lichtbogens erforderlichen Spannung angestrebt werden soll, muss durch Erniedrigung der Lichtbogenenergie die ionisierende Wirkung bzw. die hiezu erforderliche Wärmemenge erniedrigt werden. Die der Lichtbogenenergie entsprechende Wärmemenge ist nun das Wärmeäquivalent der Arbeit des elektrischen Lichtbogens. Wie aus der Formel der elektrischen Lichtbogenarbeit hervorgeht, wird die Wärmemenge durch die Spannung, Stromstärke und Zeitdauer des Lichtbogens bestimmt.
Die durch den Lichtbogen geleistete und in der Form von Wärme erscheinende Arbeit kann demnach durch die Verringerung
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eines dieser drei Werte gemässigt werden. Diesbezüglich kann die Zeitdauer des Lichtbogens nicht in Betracht gezogen werden, da diese innerhalb einer Halbperiode jeweils bis zum Nulldurchgang der Stromstärke andauert, d. h. nicht beeinflussbar ist. Es bleiben demnach die Stromstärke und die Spannung als Faktoren, durch welche die der Lichtbogenarbeit entsprechende Wärmemenge und somit die Ionisierung der Luft beeinflusst werden kann.
Zwecks Verringerung der Stromstärke ist vorgeschlagen worden, den Spannungsabfall deszwischenden Kontakten entstehenden Lichtbogens, namentlich den ohm'sehen Widerstand des Stromkreises, derart zu erhöhen, dass der Lichtbogen plötzlich gestreckt wird. Einem höheren Spannungsabfall ist nämlich offenbar eine geringere Stromstärke und somit ein quadratisch geringeres Wärmeäquivalent zugeordnet. Der Spannungsabfall des Lichtbogens wird dagegen dadurch erniedrigt, dass die Länge des Lichtbogens so lange gering gehalten wird, bis die Stromstärke den Nullwert erreicht. Gemäss praktischen Erfahrungen ist dies bis zu gewissen Stromstärken vorteilhafter, die praktische Ausführung stösst jedoch insbesondere bei Magnetschaltern auf Schwierigkeiten.
Die Erfindung bezweckt die Behebung der oben beschriebenen Nachteile, namentlich die Vermeidung einerseits des Prellens, andrerseits der Möglichkeit der Wiederzündung. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass das Prellen und die Wiederzündung gleichwie vermieden werden können, wenn gesichert wird, dass sowohl die Kontaktaufnahme als auch die Trennung der Kontakte bei geringen Kontaktgeschwindigkeiten eintritt. Es ist nämlich gezeigt worden, dass das Prellen auf die kinetische Energie des beweglichen Kontaktes zurückzuführen ist, wobei in der Formel der kinetischen Energie die Geschwindigkeit quadratisch erscheint. Durch Verringerung der Geschwindigkeit kann somit die kinetische Energie und daher die Ursache des Prellens wirkungsvoll bekämpft werden.
Anderseits steht zwischen den erforderlichen Grenzwerten der Schaltzeit genügend Zeit zur Verfügung, um die Stromstärke wiederholt durch den Wert Null durchgehen zu lassen, wenn der bewegliche Kontakt während der Trennung der Kontakte sich verhältnismässig langsam bewegt. Wenn demnach die krumme Bahn, durch welche die Bewegung des beweglichen Kontaktes zwangläufig gesteuert dira, einen Abschnitt aufweist, durch den der bewegliche Kontakt dann bei verhältnismässig geringerer Geschwindigkeit mitgenommen wird, wenn die Kontaktaufnahme, d. h. der Aufschlag der Kontakte bzw. das Ausschalten, d. h. die Trennung der Kontakte, voraussichtlich eintritt, werden vorteilhafteste Verhältnisse erlangt.
Demgemäss besteht die Erfindung darin, dass bei Wechselstromschaltern der eingangs beschriebenen Art die den mittleren Abschnitt der krummen Steuerbahn entsprechende mittlere Geschwindigkeit des beweglichen Kontaktes geringer ist als die den seitlichen Abschnitten entsprechenden mittleren Geschwindigkeiten dieses Kontaktes. Es ist offensichtlich, dass bei einer derartigen Anordnung der bewegliche Kontakt sich sowohl beim Einschalten als auch beim Ausschalten mit verhältnismässig geringer Geschwindigkeit bewegt und somit einerseits die aus dem Aufschlag herrührende kinetische Energie verhältnismässig geringer wird, anderseits die Stromstärke beim Trennen der Kontakte wiederholt über den Wert Null geht, so dass sowohl das Prellen als auch die Ursache des, Lichtbogens lediglich in beschränktem Masse auftreten können.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hard der Zeichnung erläutert, deren Fig. 1-3 drei verschiedene Betriebslagen eines Ausführungsbeispiels der Erfindung darstellen.
Wie aus der Zeichnung hervorgeht, weist der Schalter einen unbeweglichen Kontakt 10a, lOb und einen beweglichen Kontakt 11 auf, der mit dem unbeweglichen Kontakt zusammenarbeitet. Der bewegliche Kontakt 11 ist an einem Mitnehmer 12 und dieser in der Wand 13 eines Schaltergehäuses verschiebbar angeordnet. Am Mitnehmer 12 ist ein Federteller 14 vorgesehen, der zum Unterstützen eines Kraftspeichers, u. zw. beim dargestellten Ausführungsbeispiel einer Druckfeder 15 dient. Das andere Ende der Druckfeder 15 stützt sich am beweglichen Kontakt ab. Am unteren Ende des Mitnehmers 12 ist eine Rolle 16 drehbar gelagert, die auf einer krummen Bahn 18a, 18b, 18c läuft. Die krumme Bahn selbst ist in einem Betätigungsglied 17 des Schalters ausgebildet.
Wie ersichtlich, weist die krumme Bahn drei Abschnitte auf, von denen der mittlere Abschnitt 18b mit der Bewegungsrichtung 19 des Betätigungsgliedes 17 einen geringeren Winkel einschliesst als die beiden seitlichen Abschnitte 18a bzw. 18c. An den beiden Enden der krummen Bahn ist je eine Raste20 bzw. 21 ausgebildet, in denen eine am Ende des Mitnehmers 12 des beweglichen Kontaktes 11 angebrachte Rolle aufliegt, wenn der Schalter eingeschaltet bzw. ausgeschaltet ist.
Beim dargestellten Au sfiihrungsbeispiel schliesst die Bewegungsrichtung 22 des Mitnehmers 12 mit der Bewegungsrichtung 19 des Betätigungsgliedes 17 einen rechtenwinkel ein. Wenn demnach das Betätigungsglied 17 sich unter der Wirkung seines Magneten oder der Schwerkraft, oder etwa unter der Wirkung einer separaten Ausschaltfeder in der Richtung des Doppelpfeiles 19 bewegt, wird der Mitnehmer 12 durch die krumme Bahn 18a, 18b, 18c in Richtung des Doppelpfeiles 22 zwangsläufig verstellt.
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Das dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung arbeitet wie folgt :
In der geschlossenen Lage gemäss Fig. 1 des Schalters berührt der unbewegliche Kontakt 10a, lOb den beweglichen Kontakt 11, wobei die Kontaktnahme durch die Druckfeder 15 gewährleistet ist, durch wel- che der Federteller 14 gegen den beweglichen Kontakt 11 gedrückt wird. Gleichzeitig befindet sich die Rolle 16 des Mitnehmers 12 in der Raste 20 der krummen Bahn 18a, 18b, 18c.
Beim Ausschalten bewegt sich das Betätigungsglied 17 auf der Zeichnung nach links, wodurch die Rolle 16 auf den Abschnitt 18a der krummen Bahn zu liegen kommt. Der Mitnehmer 12 bewegt sich demlach auf der Zeichnung nach unten, so dass der Federteller 14 eine Entspannung der Druckfeder 15 und diemit die Aufhebung des die Kontakte 10a, lOb, 11 gegeneinander drückenden Druckes ermöglicht. Die* ser Vorgang dauert so lange an, bis die Rolle 16 am Abschnitt 18a der krummen Bahn läuft und ihre Be- triebslage gemäss Fig. 2 erreicht.
In der Lage gemäss Fig. 2 beginnt die Rolle 16 am verhältnismässig weniger steilen Abschnitt 18b der krummen Bahn zu laufen. Am Beginn des Abschnittes 18b findet noch eine Berührung zwischen den Kontakten 10a, lOb bzw. 11 statt, die Druckfeder 15 ist jedoch bereits entspannt, so dass kein Kontaktdruck mehr herrscht. Wenn demnach der Mitnehmer 12 seinen Lauf am Abschnitt 18b der krummen Bahn fortsetzt und sich auf der Zeichnung weiter nach- unten bewegt, entfernen sich die Kontakte 10a, lOb bzw. 11 langsam voneinander.
Nun beginnt die dritte Phase der Bewegung, wobei die Rolle 16 am wiederum verhältnismässig steileren Abschnitt 18c der krummen Bahn läuft und schliesslich in der Raste 21 derselben anlangt, wie dies aus Fig. 3 der Zeichnung ersichtlich ist. In dieser Lage ist der Abstand zwischen den Kontakten 10a, lOb bzw. 11 am grössten und der Schalter nimmt seine Ausschalt1age ein.
Beim Einschalten geht der beschriebene Vorgang im entgegengesetzten Sinn vor sich. Beim Bewegen des Betätigungsgliedes 17 auf der Zeichnung nach rechts läuft die Rolle 16 zunächst am Abschnitt 18c der krummen Bahn, wodurch der bewegliche Kontakt 11 bei verhältnismässig höherer Geschwindigkeit im Sinne der Kontaktnahme mitgenommen wird. Diese verhältnismässig schnellere Bewegung dauert so lange an, bis die Rolle 16 das auf der Zeichnung rechte Ende des Abschnittes 18b der krummen Bahn erreicht. Von hier an findet eine verhältnismässig langsamere Bewegung statt und der bewegliche Kontakt 11 gelangt in das Gebiet der Kontaktaufnahme. Wenn die Rolle 16 das auf der Zeichnung linke Ende des Abschnittes 18b der krummen Bahn erreicht, stehen die Kontakte 10a, lOb bzw. 11 bereits in Berührung.
Beim Bewegen der Rolle 16 am Abschnitt 18a der krummen Bahn und bei der hiedurch bewirkten verhältnismässig schnelleren Verschiebung des Mitnehmers 12 auf der Zeichnung nach oben wird die Druckfeder 15 angespannt und somit der erforderliche Kontaktdruck gewährleistet.
Es ist demnach offensichtlich, dass von den drei Abschnitten 18a, 18b, 18c der krummen Bahn durch den Mitnehmerabschnitt 18b beim Einschalten die Kontaktnahme, beim Ausschalten die Trennung der Kontakte 10a, lOb bzw. 11, durch den linksseitigen seitlichen Abschnitt 18a der zur Kontaktnahme erforderliche Federdruck und durch den auf der Zeichnung rechtsseitigen seitlichen Abschnitt 18c die Bewegung des beweglichen Kontaktes 11 zwischen dem Gebiet der Kontaktnahme und der durch die Raste 21 bestimmten Ausschaltlage gesteuert wird. Die im Verhältnis zur Richtung 19 verschiedenen Steilheiten gewährleisten dabei, wie gezeigt worden ist, dass die dem mittleren Abschnitt 18b zugeordnete Geschwindigkeit des beweglichen Kontaktes geringer ist als die den seitlichen Abschnitten 18a bzw. 18c zugeordneten Kontaktgeschwindigkeiten.
Hiedurch wird aber erreicht, dass einerseits die Kontaktnahme, d. h. der Aufschlag der Koniakte, bei verhältnismässig geringerer Geschwindigkeit vor sich geht und somit dasPrel- len wegbleibt, anderseits, dass die Stromstärke im Laufe der langsamen Bewegung am Abschnitt 18b wiederholt durch den Wert Null durchgeht, d. h. die Unterbrechung ohne Lich1 ; bogenbildung erfolgt.
Der erfindungsgemässe Schalter kann selbstverständlich auch vom dargestellten abweichend ausgebildet werden. Ausser den oben beschriebenen drei Abschnitten kann die krumme Bahn auch andere Abschnitte aufweisen, sollte dies aus irgendeinem Grund erforderlich sein. Prinzipiell kann der Schalter auch derart ausgebildet sein, dass die Bewegungsrichtung des Mitnehmers 12 mit jener des Betätigungsgliedes 17 einen vom rechten Winkel verschiedenen Winkel einschliesst. Der Eingriff des Mitnehmers mit der krummen Bahn 18a, 18b, 18c kann auch ohne die Rolle 16 bewirkt werden. Zwecks Sicherung der äusseren Schaltlagen können anstatt der Rasten 20,21 andere Mittel, z. B. eine Art von Riegelmechanismus verwendet werden.
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