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Die Erfindung bezieht sich auf eine
kombinierte Auslösevorrichtung
für einen
Leistungsschalter.
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Damit Leistungsschalter Leitungen
gegen Kurzschlussströme
schützen
können,
ist eine Auslösevorrichtung
vorgesehen, die ein magnetisches System verwendet. In solchen Systemen
wird mit dem zu überwachenden
Strom ein Magnetfeld erzeugt, das eine Magnetkraft auf einen Anker
ausübt. Wenn
die Magnetkraft groß genug
wird, bewegt sich der Anker in eine Auslösestellung und betätigt eine Abschaltvorrichtung,
die die Kontakte des Leistungsschalters trennt.
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Bei sehr großen Stromspitzen kann es jedoch
vorkommen, dass die magnetische Auslösung nicht schnell genug erfolgt.
Dadurch kann es zu Beschädigungen
des Leistungsschalters selbst sowie der nachgeordneten Einrichtungen
kommen.
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Ferner gibt es Leistungsschalter,
die mit Kontakten zur Schnellabschaltung durch elektrodynamische
Abstoßung
im Kurzschlussfall ausgerüstet
sind. Im Fall der Schnellabschaltung entsteht ein zwischen den Kontakten
gezogener Lichtbogen, der einen schnellen Druckanstieg in dem die
Kontakte aufnehmenden Gehäuse
bewirkt. Mit dem Gehäuse
ist eine Druckkammer verbunden, die mit einem bewegbaren Kolben
verschlossen ist. Dem Druckanstieg im Gehäuse und der Druckkammer folgend
wird der Kolben verschoben und wirkt bei Überschreiten eines vorgegebenen
Drucks auf eine Abschalteinrichtung ein, die den Leistungsschalter
abschaltet.
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Der Druckanstieg durch den Lichtbogen
ist sehr schnell, jedoch erfordert die Gestaltung einer Druckkammer
mit einem dichtenden und verschiebbaren Kolben einen entsprechenden
technischen Aufwand für
die Einhaltung erforderlicher Maßtoleranzen, größere Gehäuseabmessungen
und ein entsprechend druckfestes Gehäuse.
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EP 0 984 476 A2 zeigt einen selektiven Leitungsschutzschalter
mit einer ausschließlich
magnetisch arbeitenden Auslösevorrichtung.
Diese Auslösevorrichtung
hat einen Trägheitsmechanismus,
der eine Auslösung
in der ersten Halbwelle eines Kurzschlussstroms verhindert und erst
bei Auftreten der zweiten Halbwelle oberhalb einer zulässigen Stromstärke auslöst.
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Aus der
EP 0 978 858 A2 ist ein
Leistungsschalter mit einer drehbaren Kontaktbrücke bekannt, dessen Auslösevorrichtung
einen von einer Spule umgebenen festen Kern aufweist, der mit einem schwenkbar
gelagerten hebelförmigen
Ankerelement zusammenwirkt. Im Kurzschlussfall wird das Ankerelement
gegen die Kraft einer Feder angezogen, verschwenkt und löst schließlich den
Leistungsschalter aus.
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Schließlich ist aus der gattungsbildenden
US 3,631, 369 A ein
Leitungsschutzschalter bekannt, der einen drehbaren Hebel mit einem
Hebelarm hat, der einem Magnetsystem zugeordnet ist. Der Hebelarm hat
in seiner dem Drehpunkt des Hebels abgewandten Verlängerung
ferner eine Staufläche
ausgebildet, die in einen Ausblaskanal ragt, der einem Löschblechpaket
zugeordnet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
zuverlässige
Auslösevorrichtung
für Leistungsschalter
zu schaffen, deren kombinierte Druckstoß- und/oder Magnetauslösung mit
geringem Aufwand an verschiedene Auslösekräfte und -verhältnisse
anpassbar ist.
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Diese Aufgabe wird mit einer Auslösevorrichtung
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
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1 eine
Perspektivansicht einer Leistungsschalterbaugruppe mit einer Auslösevorrichtung
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 eine
Seitenansicht von 1;
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3 eine
seitliche Schnittansicht von 2,
die die Ansicht von der abgewandten Seite der Leistungsschalterbaugruppe
aus 2 zeigt; und
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4 eine
Seitenansicht analog 2 einer Leistungsschalterbaugruppe
mit einer modifizierten Auslösevorrichtung.
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1 zeigt
eine Perspektivansicht einer Leistungsschalterbaugruppe 1,
die mit einer Abschaltvorrichtung 40 und einer allgemein
mit 20 bezeichneten Auslösevorrichtung versehen ist.
Die Leistungsschalterbaugruppe hat ein Gehäuse 50, an dem die
Abschaltvorrichtung 40 und die Auslösevorrichtung 20 angebracht
sind. Die Abschaltvorrichtung 40 und die Auslösevorrichtung 20 sind über eine
Auslösewelle 2 wirkverbunden.
Eine Betätigung
der Auslösewelle 2 löst die Abschaltvorrichtung 40 aus,
die den zu schaltenden Stromkreis unterbricht. Die Abschaltvorrichtung
hat ferner einen Mechanismus, mit dem die Kontakte wieder geschlossen
werden können,
nachdem der Leistungsschalter ausgelöst wurde und der Grund für die Auslösung beseitigt
wurde.
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3 zeigt
das Gehäuse 50,
das aus zwei Gehäusehalbschalen
zusammengefügt
ist. Das Gehäuse 50 umschließt einen
Hohlraum, in dem die elektrischen Elemente 30, 32, 34, 28 des
Leistungsschalters aufgenommen sind. Das Gehäuse hat verschiedene Lagerpunkte
für zu
lagernde Elemente, die später
erläutert
werden. Allgemein bedeutet am Gehäuse gelagert in der nachfolgenden
Beschreibung, dass entsprechende Lagerzapfen, -öffnungen etc. an dem Gehäuse ausgebildet
sind. Das Gehäuse ist
aus einem Isolierstoff, vorzugsweise aus einem Kunststoff, gemacht.
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Nun wird unter Bezugnahme auf 3 das Innere des Leistungsschalters
im einzelnen erläutert. Wie
aus 3 zu erkennen ist,
hat der Leistungsschalter ein Gehäuse an welchem die Auslösevorrichtung
angebracht ist (rechte Seite in 3).
In dem Gehäuse
ist eine an einem Rotor drehbar gehaltene Kontaktbrücke 32 angeordnet,
die im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn drehbar ist.
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Die Kontaktbrücke hat an ihren beiden Enden
bewegbare Kontakte 30, die mit Festkontakten 34 zusammenwirken
können.
Wenn der Schalter geschlossen ist, ist die Kontaktbrücke entgegen
der Darstellung in 3 um
etwa 90° in
Gegenuhrzeigersinn gedreht, so dass der bewegbare Kontakt 30 in Anlage
mit dem Festkontakt 34 ist. Auf der dem Festkontakt 34 gemäß 3 diagonal gegenüberliegenden
Seite, d.h. links unten in 3,
ist ein Stromleiter (nicht gezeigt) vorgesehen, der ebenfalls einen
Festkontakt aufweist, der mit dem anderen bewegbaren Kontakt der
Kontaktbrücke 32 in
Anlage ist, wenn die vorgenannten Kontakte 30, 34 geschlossen
sind. Der von dem Leistungsschalter zu schaltende Strom fließt folglich
durch die Kontaktbrücke 32.
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Ferner zeigt 3 rechts oben eine Auslösewelle 2,
die mit einer nicht gezeigten Abschaltvorrichtung zusammenwirkt,
die später
erläutert
wird. Zu erkennen ist, dass an der Auslösewelle 2 der Auslösevorrichtung
ein Anschlag 16 ausgebildet ist, der im Bewegungsweg eines
Hebels 6 der Auslösevorrichtung
liegen kann. Die Funktion der Auslösevorrichtung wird später erläutert. In 3 ist weiterhin zu erkennen,
dass jedem Kontaktpaar eine Lichtbogenlöschkammer 28 zugeordnet
ist. Die Lichtbogenlöschkammer
ist mit geeigneten Blechen (Deion-Blechen) versehen, die im wesentlichen
parallel zueinander in der Kammer angeordnet sind und mit 282 in 3 bezeichnet sind.
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Es ist hier anzumerken, dass der
Rotor bzw. die Kontaktbrücke 32 über Federn
in die jeweilige Endlage belastet sind, d.h. bei der Drehung überschreitet
der Rotor einen Punkt größter Federverformung,
so dass sich eine bistabile Konfiguration ergibt. Mit anderen Worten,
die Kontaktbrücke 32 ist mittels
Federkraft in der Schließstellung
bzw. in der Öffnungsstellung
gehalten. Dies ist für
die Funktion des Leistungsschalters dahingehend von Bedeutung, dass
beim Auftreten eines Überstroms
eine Trennung der Kontakte voneinander erfolgen kann, wie später erläutert werden
wird.
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Der Abschaltvorgang wird nun im Vorgriff
auf die 3 genauer erläutert. Die
Abschaltvorrichtung (nicht gezeigt) bildet einen Klinkenmechanismus,
ein Schaltschloss oder dergleichen, das die drehbare Kontaktbrücke 32 im
Auslösefall
im Uhrzeigersinn drehen kann. Der ausgelöste Zustand ist in 3 gezeigt.
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An dem Stromleiter 14 ist
der Festkontakt 34 angebracht. Indem die Kontaktbrücke 32 im
Gegenuhrzeigersinn in 3 gedreht
wird, kann der an der Kontaktbrücke 32 angebrachte
bewegbare Kontakt 30 in Anlage mit dem Festkontakt 34 des
Stromleiters 14 gebracht werden. Gleichzeitig gelangt der
bewegbare Kontakt 30 am anderen Ende der Kontaktbrücke 32 in
Anlage mit dem Festkontakt (nicht gezeigt) eines abführenden
Stromleiters (nicht gezeigt). Dadurch ist der Stromkreis durch die
Leistungsschalterbaugruppe 1 geschlossen. In diesem geschlossenen Zustand
des Schalters ist die Abschaltvorrichtung in Abschaltrichtung vorgespannt
gehalten. Eine Drehung der Auslösewelle 2 der
Auslösevorrichtung
bewirkt eine Freigabe der Abschaltvorrichtung, die dann die Kontaktpaare 30, 34 trennt,
d.h. den Leistungsschalter abschaltet.
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Nun wird unter Bezugnahme auf 1 bis 3 die Auslösevorrichtung näher erläutert. Die
Auslösevorrichtung 20 hat
neben der Auslösewelle 2 ein
den Stromleiter 14 umgreifendes Joch 8, dessen
Schenkel einem Anker oder Hebel 6 zugewandt sind. Der Hebel 6 ist
um einen Drehpunkt 12 drehbar gelagert. Wie in 2 gut zu erkennen ist, ist
der Hebel 6 über den
Drehpunkt 12 hinaus verlängert und bildet eine Staufläche 10.
Die Staufläche
ist einem Ausblaskanal 26 zugeordnet, der später erläutert wird.
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Der Hebel 6 ist mit einer
Zugfeder 24 in seine Ruhelage vorgespannt und ist mit seinem
der Staufläche 10 abgewandten
Ende einem Anschlag 16 der Auslösewelle 2 gegenüberliegend
angeordnet. Ferner zeigt 2 ein
Bimetallelement 18, das im wesentlichen parallel zu einem
in 2 senkrechten Abschnitt
des Stromleiters 14 angeordnet ist und mit einem Vorsprung 22 der
Auslösewelle 2 in
Eingriff gelangen kann.
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Nun wird unter Bezugnahme auf 3, ausgehend vom geschlossenen
Zustand der Kontakte 30, 34, der Auslösevorgang
erläutert.
Ein durch den Stromleiter 14 fließender Strom erzeugt ein Magnetfeld
um den Stromleiter, das von dem Joch 8 gerichtet und verstärkt wird,
so dass eine Magnetkraft in Richtung des Pfeils A auf den Hebel 6 ausgeübt wird. Übersteigt
der Strom in dem Stromleiter 14 einen vorgegebenen Wert,
wird der Hebel 6 gegen die Kraft der Feder 24 durch
die Magnetkraft zwischen Joch und Hebel 6 so weit ausgelenkt,
dass er gegen den Anschlag 16 der Auslösewelle 2 anschlägt. Dies
bewirkt eine Drehung der Auslösewelle 2,
die die Abschaltvorrichtung 40 (1 und 2)
auslöst
und den Leistungsschalter wie zuvor beschrieben abschaltet.
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Tritt eine hohe Stromspitze auf,
werden die Kontakte 30, 34 unmittelbar durch elektrodynamische
Abstoßung
auseinandergedrückt.
Die elektrodynamische Abstoßung
erfolgt durch die Magnetfelder um den Stromleiter 14 (unterer
waagerechter Abschnitt) und die parallel zum Stromleiter 14 angeordnete
Kontaktbrücke 32,
wenn der Festkontakt 34 und der bewegbare Kontakt 30 an
der Kontaktbrücke 32 geschlossen
sind. Wenn ein hoher Strom durch den Leistungsschalter fließt, werden
zwei parallele Leiter (Stromleiter 14 und Kontaktbrücke 32)
in entgegengesetzter Richtung von Strom durchflossen. Um die Leiter
entstehen gleichsinnige Magnetfelder, die sich abstoßen. Wird
der Strom hoch, werden die Magnetfelder so stark, dass sie die Kontakte
gegen die Schließkraft
der Kontakte auseinander drücken.
Die Schließkraft
wird durch einen Federmechanismus aufgebracht. Die Kontaktbrücke
32 wird
ein wenig im Uhrzeigersinn gedreht. Dabei wird zwischen den Kontakten 30, 34 ein
Lichtbogen aufgespannt, der den zwischen den Kontakten gebildeten
Spalt überbrückt. Jedem
Kontaktpaar 30, 34 ist eine Lichtbogenlöschkammer 28 zugeordnet,
um eine übermäßige Ausbreitung
des Lichtbogens zu verhindern, bzw. um diesen rasch zu löschen.
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Durch den energiereichen Lichtbogen
wird der Druck der Luft oder des Gases in der Löschkammer 28 schlagartig
(ca. 0,5 ms) erhöht.
Der Druck in der Lichtbogenlöschkammer 28 kann
durch den Ausblaskanal 26 an die Umgebung abgegeben werden. Dieser
Druckabbau erfolgt durch einen Druckstoß (Pfeil P) oder eine Druckwelle,
die den Ausblaskanal 26 sehr schnell durchläuft. Die
Staufläche 10 des
Hebels 6 ist in dem Ausblaskanal 26 angeordnet
und wird mit dem Druckstoß beaufschlagt.
Dabei wird die kinetische Energie der Druckwelle, d.h, des in dem Ausblaskanal 26 strömenden Mediums,
in einen Staudruck auf der der Lichtbogenlöschkammer 28 zugewandten
Seite der Staufläche 10 umgewandelt. Der
Standartdruck ist höher
als der auf der Rückseite der
Staufläche 10 herrschende
statische Druck. Einer durch diesen Druckunterschied erzeugten Kraft (Pfeil
B) auf die Staufläche 10 folgend
wird der Hebel 6 in Auslöserrichtung ausgelenkt.
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Zur Funktionsweise ist hervorzuheben,
dass es sich im vorliegenden Fall um einen strömungsdynamischen Vorgang handelt,
der zur Auslenkung der Staufläche
führt.
Durch die lediglich dynamisch wirkende Prallströmung kann auf eine Abdichtung
zwischen Staufläche
und Ausblaskanalwand verzichtet werden, es genügt, wenn die Staufläche beweglich im
wesentlichen quer zur Druckstoßrichtung
angeordnet ist. Folglich ist der fertigungstechnische Aufwand vorteilhaft
gering, da keine engen Toleranzen oder Passungen beachtet werden
müssen.
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Ferner kann die Staufläche auch
außerhalb des
Ausblaskanals in der Nähe
der Austrittsöffnung angeordnet
werden. Es genügt,
wenn die Druckwelle mit ausreichender Geschwindigkeit auf die Staufläche trifft.
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Die beiden vorgenannten Auslösearten
oder Auslösekräfte treten
gleichzeitig auf, so dass die Auslösung durch die zwischen Hebel 6 und
Joch 8 wirkende Magnetkraft zusätzlich durch die Auslösekraft infolge
des Druckstoßes
auf die Staufläche 10 des Hebels 6 unterstützt wird.
Die entgegengesetzten Kräfte
(Pfeile A und B) wirken auf zwei verschiedenen Seiten des Drehpunkts 12 auf
den Hebel 6 und addieren sich zu einem Gesamtmoment um
den Drehpunkt 12, das zur Auslenkung des Hebels zur Verfügung steht.
Dadurch wird das zur Überwindung des
mit der schnelleren Bewegung des Hebels ansteigenden Trägheitsmoments
des Hebels zur Verfügung
stehende Drehmoment erhöht.
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Insgesamt lässt sich mit dieser Anordnung folglich
eine schnellere Auslösung
erhalten, als nur durch die Magnetkraft. Dies ist insbesondere dann von
Vorteil, wenn hohe Stromspitzen sehr schnell oder impulsartig auftreten,
die besonders leicht Schäden
am Leitungsschalter oder den nachfolgenden Einrichtungen hervorrufen
können.
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Der in den 1 bis 3 gezeigte
Leistungsschalter bzw. die Leistungsschalterbaugruppe hat ferner
einen mit einem Bimetallelement 18 ausgerüsteten Überlastschutz.
Das Bimetallelement 18 ist gemäß 2 parallel zu einem in 2 senkrechten Abschnitt des Stromleiters 14 angeordnet.
Fließt
ein Strom (Überlast)
ständig
durch den Stromleiter 14, der zu gering ist, um die magnetische
oder die kombinierte Auslösung
aus magnetischer Auslösung
und Druckstoßauslösung zu
initiieren, jedoch höher
ist als der gewünschte
Strom, wird der Stromleiter 14 allmählich erwärmt.
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Der erwärmte Stromleiter 14 gibt
einen Teil seiner Wärme
an das dicht daneben angeordnete Bimetallelement 18 ab.
Das auf diese Weise erhitzte Bimetallelement 18 verbiegt
sich in 2 nach links und
betätigt
bzw. dreht die Auslösewelle 2 mit
Hilfe des Vorsprungs 22 in der Auslöserichtung. Mit zunehmender
Temperatur des Bimetallelements steigt auch seine Verbiegung oder
Auslenkung aus der Ruhelage an. Überschreitet
die Auslenkung des Bimetallelements bzw. die Drehung der Auslösewelle
einen vorbestimmten Wert, löst
die Auslösevorrichtung die
Abschaltvorrichtung aus, die den Leistungsschalter abschaltet.
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Eine modifizierte Form der Auslösevorrichtung
ist in 4 gezeigt. Gleiche
Bezugszeichen bezeichnen funktionsgleiche Teile oder Elemente wie
in 1 bis 3. Die in 4 gezeigte
Modifikation unterscheidet sich von der vorhergehenden Auslösevorrichtung
nur durch eine andere Form der Beheizung des Bimetallelements 18.
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Wie in 4 zu
erkennen ist, ist der von außen
kommende Stromleiter oder der Anschluss 38 über eine
Leitung 36 mit dem Bimetallelement 18 verbunden.
Das Bimetallelement 18 ist im Bereich seines in 4 unteren Endes elektrisch
mit dem Stromleiter 14 verbunden. Der Stromleiter 14 durchläuft das
Joch 8 und funktioniert auf die gleiche Weise wie sie zuvor
anhand 1 bis 3 ausführlich geschildert wurde.
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Im vorliegenden Fall ist das Bimetallelement 18 von
dem zu überwachenden
Strom durchflossen und wird direkt durch diesen Strom erhitzt. Wenn
der Strom durch das Bimetallelement zu groß wird, übersteigt die Temperatur des
Bimetallelements den Auslösewert
und das Bimetallelement 18 verbiegt sich so weit, dass
es die Auslösewelle 2 zum
Auslösen
der Abschaltvorrichtung 40 dreht.
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Die übrige Anordnung, insbesondere
die Staufläche 10 an
dem Hebel 6, die in dem Ausblaskanal 26 angeordnet
ist, sowie deren Zusammenwirken mit der magnetischen Auslösung ist
entsprechend 1 bis 3 getroffen. Folglich liegt
hier die gleiche Funktionsweise vor, so dass auf eine Wiederholung
verzichtet werden kann.
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Nachfolgend sind einzelne Funktionen
und vorteilhafte Ausgestaltungen der Auslösevorrichtung erläutert.
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In der Lichtbogenlöschkammer 28 sind
Dionebleche 282 aus Stahl zum Löschen des Lichtbogens angeordnet.
Die Bleche 282 sind parallel zueinander schräg in dem
Gehäuse
angeordnet und dienen damit einer besseren Führung der sich durch den Lichtbogen
ausdehnenden Gase in Richtung auf den Ausblaskanal 26.
Dadurch kann die Wirkung der Druckwelle oder des Druckstoßes verstärkt werden.
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Der Mitnehmerabschnitt des Hebels 6 und der
Anschlag 16 ermöglichen
eine Betätigung
der Auslösewelle 2 in
der Auslöserichtung
unabhängig von
einer Bewegung des Hebels 6. Dadurch kann eine andere Auslösungsart,
beispielsweise durch das Bimetallelement 18 ohne Rückwirkung
auf die übrige Auslösevorrichtung
erfolgen. Dies kann zweckmäßig sein,
wenn der Auslösegrund
durch geeignete Mittel (Schlepphebel und Sichtfenster oder dergleichen) bleibend
angezeigt werden soll.
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Ferner ist die Staufläche durch
einfaches Verlängern
des Hebels 6 über
den Drehpunkt 12 hinaus gebildet. Somit lässt sich
die Auslösevorrichtung durch
eine einfache konstruktive Maßnahme
erreichen, ohne dass die Anzahl der Bauteile zunimmt. Gegebenenfalls
kann die Staufläche
als eine den Ausblaskanal verschließende Klappe gestaltet sein, die
das Eindringen von Fremdmaterialien verhindert.
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Ferner wurde zuvor lediglich eine
Leistungsschalterbaugruppe beschrieben, die einpolig ist. Ein mehrpoliger
Leistungsschalter lässt
sich durch eine parallele Anordnung einer entsprechenden Anzahl von
Leistungsschalterbaugruppen verwirklichen, wobei die Abschaltvorrichtung
einem, mehreren oder allen Polen zugeordnet sein kann. Gleichermaßen kann
die Auslösewelle
für das
Abschalten von nur einem Pol, von mehreren Polen oder von allen
Polen mit einer Auslöseeinrichtung
eingerichtet sein.