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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Auslöserelais mit einem aus einem
Joch und einem Magnetanker gebildeten Magnetkreis sowie mit einem
von einem Magnetschenkel des Jochs getragenen Spulenkörper einer
Auslösespule,
wobei der Magnetanker mittels einer von einer Druckfeder erzeugten
Auslösekraft
gegen die Magnetkraft eines Permanentmagneten beaufschlagt ist.
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Ein
derartiges Auslöserelais
findet üblicherweise
Verwendung in einer Schutzschalt-Einrichtung, insbesondere in einem
Fehlerstrom(FI)- oder in einem Differenzstrom(DI)-Schutzschalter.
Dabei weist ein solcher FI- und DI-Schutzschalter in ähnlicher
Art und Weise einen Summenstromwandler auf, durch dessen Wandlerkern
alle stromführenden
Leiter eines Leiternetzes geführt
sind. Im Falle eines Fehlerstroms wird in der Sekundärwicklung
des Summenstromwandlers ein Auslöse-
oder Spannungssignal induziert, das ein mit der Sekundärwicklung
verbundenes Auslöserelais
ansteuert. Am auch als Auslöser
bezeichneten Auslöserelais
wird üblicherweise durch
Magnetfeld-Kompensation
Bewegungsenergie freigesetzt, die eine Schaltmechanik entklingt.
Die Schaltmechanik wiederum bewirkt daraufhin die Trennung der Leiter
des Leiternetzes.
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Das
in der Regel als Haltemagnetauslöser ausgeführte Auslöserelais
weist einen in einem Gehäuse
oder Relaisgehäuse
untergebrachten magnetischen Kreis oder Magnetkreis auf, der durch
ein Joch mit Magnet- oder Polschenkeln und einem deren Pole überdeckenden
Magnetanker gebildet ist. Ein Magnetschenkel trägt den Spulenkörper einer Auslöse- oder
Magnetspule. Zur Ansteuerung oder Auslösung des Auslöserelais
sind aus dem Gehäuse Spulenanschlüsse herausgeführt, die
mit der Sekundärwicklung
des Summenstromwandlers verbunden werden können. Über diese Spulenanschlüsse wird an
die Auslösespule
eine Auslösespannung
zur Auslösung
derart angelegt, dass das von der Auslösespule erzeugte Magnetfeld
einem durch einen Permanent- oder
Dauermagneten erzeugten Magnetfeld entgegenwirkt.
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Im
Auslösemoment
des Auslösers
wird daher die durch den Permanentmagneten erzeugte und auf den
Magnetanker wirkende Kraft (Festhaltekraft) durch die Auslösespule
soweit reduziert, dass die durch eine Auslösefeder aufgebrachte Kraft
(Abzugskraft) den üblicherweise
schwenkbeweglich gehaltenen Magnetanker vom Joch abzieht. Dadurch
wird die Kraft oder das Moment der Auslösefeder auf die Schaltmechanik übertragen,
um dessen Schaltschloss zu entklinken. Die Auslöseschwelle eines solchen Auslöserelais
wird dabei einerseits durch den Pegel der Erregung der Auslösespule
und andererseits durch die Kraft (Festhaltekraft) des Permanentmagneten
bestimmt, der die Magnetkraft bis zum Start des Auslösevorgangs
reduziert.
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Die
für die
Auslösung
erforderliche Auslösekraft
wird durch ein Federelement erzeugt, das bei einem aus der
DE 36 34 582 A1 bekannten
Auslöserelais
als Zugfeder ausgebildet ist. Die von diesem Federelement ausgeübte Zugkraft
wirkt der im Auslösefall
von der Auslösespule
erzeugten Magnetkraft entgegen. Diese Zugfeder muss im Regelfall
mit angeformten Federösen
in zwei Aufhängepunkte
des Auslöserelais
eingehängt
und dazu entsprechend montiert werden. Die Montage einer solchen,
relativ kostenintensiven Zugfeder ist einerseits sehr aufwendig und
andererseits nicht oder nur mit erheblichem Aufwand automatisierbar.
Zudem sind die Federösen der
montierten Zugfeder mechanisch stark belastet und können bei
größeren Schaltspielen
brechen. Dies kann in unerwünschter
Weise zu einem Auslö seversagen
des mit einem solchen Auslöserelais ausgerüsteten Schutzschaltgerätes führen.
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Bei
einem weiteren, aus der
DE
29 11 810 A1 bekannten Auslöserelais ist das Federelement
als Druckfeder ausgebildet. Das Federelement ist dabei zwischen
den Schenkeln des Jochs angeordnet und beaufschlagt den Magnetanker
an dessen dem Joch zugewendeten Seite.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Auslöserelais anzugeben, bei dem
eine möglichst hohe
Auslösesicherheit
bei gleichzeitig möglichst
geringem fertigungstechnischen Aufwand gewährleistet ist. Insbesondere
soll auch eine Automatisierbarkeit bei der Fertigung oder Montage
eines solchen Auslöserelais
mit möglichst
geringem Aufwand ermöglicht werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale des Anspruchs 1. Dazu ist als Auslösefeder eine Druckfeder vorgesehen.
Diese ist gegenüber
einer Zugfeder vergleichsweise kostengünstig und mechanisch höher belastbar.
Zudem ist eine Druckfeder hinsichtlich der Montage besonders einfach
handhabbar und daher automatisierungsgerecht. Ferner ist die Gefahr
eines Auslöseversagens bei
einem Federbruch deutlich verringert, da die von der Druckfeder
erzeugte Auslösekraft
auch bei einem Federbruch durch die verbleibenden Windungen erzeugt
wird.
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Der
Einsatz eines Zugelements als Vermittler der Kraftwirkung zwischen
der Druckfeder und dem Magnetanker ermöglicht dabei eine besonders
platzsparende und im Hinblick auf den Fertigungsaufwand günstige Positionierung
der Druckfeder im Relaisgehäuse.
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Zur
fertigungstechnischen Vereinfachung und automatisierungsgerechten
Ausführung
ist vorteilhafter Weise auch der Permanent- oder Dauermagnet zumindest
annähernd
im Zentrum des Spulenkörpers
angeordnet. Dazu weist der Spulenkörper zweckmäßigerweise eine weitere Öffnung zur
Aufnahme des Permanentmagneten auf. Somit weist der Spulenkörper zweckmäßigerweise Öffnungen
oder Bohrungen auf, um einerseits den die Auslösespule tragenden Magnetschenkel
und andererseits den Permanentmagneten aufzunehmen.
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Bei
der Montage ist der Spulenkörper
des Auslöserelais
lediglich über
den entsprechenden Magnetschenkel und den Permanentmagneten zu führen. Eine
derartige Montage ist in besonders einfacher Art und Weise automatisierbar
und somit besonders effizient.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass durch Verwendung einer Druckfeder zur Erzeugung der zur Auslösung eines
Auslöserelais
erforderlichen Auslösekraft
eine besonders hohe Auslösesicherheit
und lange Gerätelebensdauer
erreicht wird. Bei einem als Haltemagnetsystem ausgeführten Auslöserelais
sind daher die Resthaltekräfte
des Haltemagneten bei gleichzeitig niedriger Wandlerleistung besonders
hoch. Zudem können
durch Materialeinsparung und eine kleine Bauform sowohl des Auslöserelais
als auch des Summenstromwandlers die Herstellungskosten besonders
niedrig gehalten und gleichzeitig eine fertigungsgerechte Anordnung
der Baugruppen in Schutzschaltgeräten, insbesondere in einem FI-Schutzschalter,
erzielt werden.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 ein
Auslöserelais
mit einer von einem Zugelement getragenen Druckfeder,
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2 eine
Seitenansicht des Zugelement gemäß 1,
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3 das
Auslöserelais
gemäß 1 in ausgelöstem Zustand,
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4 in
ausgelöstem
Zustand ein Auslöserelais
gemäß den 1 bis 3 mit
alternativer Anordnung der Druckfeder, und
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5 schematisch
einen Schutzschalter mit einem Auslöserelais nach der Erfindung.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Das
in den 1 bis 3 dargestellte Auslöserelais 1 umfasst
einen aus einem U-förmigen Joch 2 und
einem Magnetanker 3 gebildeten Magnetkreis sowie eine auf
einem Magnetschenkel 2a des Jochs 2 gehaltene
Magnetspule oder Auslösespule 4.
Dazu ist die Magnetspule 4 mit dessen Spulenkörper 5 auf
den Magnetschenkel 2a des Jochs 2 aufgesetzt.
Der Spulenkörper 5 weist
hierzu eine erste Öffnung
oder Bohrung 6 auf, in die der als Tragschenkel dienende
Magnetschenkel 2a hineinragt.
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Eine
Druckfeder 8 übt
auf den Magnetanker 3 eine Federkraft FF aus,
der einer durch einen Permanent- oder Dauermagneten 11 erzeugten
Magnetkraft FM entgegenwirkt, wie durch
die entsprechenden Kraft- und Richtungspfeile FF,
FM dargestellt.
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Der
durch das Joch 2 und den Magnetanker 3 gebildete
Magnetkreis sowie die Auslösespule 4 und
die Druckfeder 8 sind in einem Relaisgehäuse 12 angeordnet.
Das Relaisgehäuse 12 weist
zumindest eine erste Gehäuseöffnung 13 auf,
aus dem Spulenanschlüsse 14 zur
Ansteuerung und damit zur Auslösung
des Auslöserelais 1 herausgeführt sind.
Durch eine weitere Gehäuseöffnung 15 ist
ein im Ausführungsbeispiel
als Stößel ausgeführtes und
somit mechanisch wirkendes Auslöseelement 16 herausgeführt, das
gehäuseintern
mit dem Magnetanker 3 zusammenwirkt und dazu mit diesem
gekoppelt ist.
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Die
Auslösefeder 8 ist
dezentral und dabei außerhalb
des Jochs 2 angeordnet und ist infolge ihrer Ausbildung
als Druckfeder automatisierungsgerecht und mechanisch hoch belastbar.
Durch den Einsatz einer Zugstange als Zugelement 22 kann
die Druckfeder 8 platzsparend und günstig für die Fertigung in das Auslöserelais 1 bzw.
in dessen Relaisgehäuse 12 eingebaut
werden.
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Die
zweckmäßigerweise
als Blechteil ausgeführte
Zugstange 22 wird in die Druckfeder 8 eingeführt, die
als Spiralfeder ausgeführt
ist. Die Zugstange 22 weist an ihrem Frei- oder Montageende
einen beispielsweise in Form eines Langlochs ausgestanzten Durchbruch 23 auf,
der zum Einhängen
der die Druckfeder 8 tragenden Zugstange 20 an
einen Einhängepunkt 24 eines
zusätzlichen
Haltebleches 25 dient, das mit dem Magnetanker 3 fest
verbunden ist. Alternativ kann die Zugstange 22 auch direkt
an eine am Magnetanker 3 angeformte Nase oder Öse eingehängt sein.
Dabei kann die Zugstange 21 beispielsweise als Bolzen mit
angeformter Federführung,
als Kunststoffteil oder als Drahtbiegeteil und somit verschiedenartig
ausgeführt
sein.
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Durch
das Halteblech 25 ist eine weitere Optimierung der Auslösekräfte, d.h.
der wirksamen Hebelarme möglich.
Auf der dem Frei- oder Montageende gegenüberliegenden Seite weist die
Zugstange 22 einen T-förmigen
Anschlag 26 mit angeformter Zentrierung 27 für die Druckfeder 8 auf.
Die zweite Anschlag fläche
für die
Druckfeder 8 befindet sich in einem weiteren Halteelement 28 mit
einer Bohrung 29, durch welche die Druckfeder 8 bedarfsweise
fixiert und/oder geführt
ist.
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Bei
dieser Ausführung
des Auslöserelais 1 ist die
Vergrößerung des
Hebelarms a beim Öffnen
des Auslöserelais 1 durch
Verwendung der Druckfeder 8 als Auslösefeder zur Kompensierung eines
unerwünschten
Kraftverlustes besonders vorteilhaft. Mit anderen Worten: Insbesondere
durch die Einbaulage der Druckfeder 8 vergrößert sich
der für
das Auslösemoment
wirksame Hebelarm beim Öffnen
oder Auslösen
des als Haltemagnetauslöser
wirkenden Auslöserelais 1,
so dass ein entsprechender Anteil des unerwünschten Kraftverlustes beim Öffnen des
Auslöserelais 1 kompensiert
wird. Dieses Prinzip ist vorteilhaft auch bei den sogenannten NFI-
und VFI-Auslöserelais
anwendbar.
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In
der in 1 dargestellten Ruhestellung wird der Magnetanker 3 vom
Permanentmagneten 11 mit der Magnetkraft FM angezogen.
Dieser wirkt die von der Druckfeder 8 auf den Magnetanker 3 ausgeübte Federkraft
FF entgegen. Der Magnetanker 3 wird somit
durch eine durch die Differenz der Kräfte FF und FM gegebene Resthaltekraft oder Festhaltekraft ΔFFM in der Ruhestellung gehalten.
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Zur
Betätigung
des Auslöserelais 1 wird
an die Magnetspule 4 über
deren Spulenanschlüsse 14 eine
Auslösespannung
oder ein Auslösesignal
derart angelegt, dass das von der Magnetspule 4 erzeugte Magnetfeld
dem Magnetfeld des Permanentmagneten 11 entgegen wirkt.
Dies reduziert die auf den Magnetanker 3 wirkende Magnetkraft
FM, wodurch die Federkraft FF der
Druckfeder 8 überwiegt.
Durch die Druckfeder 8 wird der Magnetanker 3 gemäß 3 aus
der Ruhestellung in eine Kippstellung ange hoben, wobei die Dreh-
oder Schwenkachse 21 im Bereich des Auflagepunktes des
Magnetankers 3 auf dem spulenfreien Magnetschenkel 2b liegt.
Die Bewegung des Magnetankers 3 wird über den Stößel 16 in 5 näher dargestellter
Art und Weise auf eine Schaltmechanik übertragen mit der Folge, dass
deren Schaltschloss entklinkt und Schaltkontakte geöffnet werden.
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Durch
Verwendung der Druckfeder 8 als Auslösefeder ist ein fertigungstechnisch
besonders einfach handhabbarer und insbesondere automatisierungsgerecht
ausgelegter Aufbau des erfindungsgemäßen Auslöserelais 1 gegeben.
Zudem ist auch bei einem Federbruch eine ausreichende Auslösekraft
durch die verbleibenden Federwindungen der Druckfeder 8 sichergestellt.
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Eine
alternative Ausführungsform
dieses Auslöserelais 1 zeigt 4.
Diese Ausführungsform des
Auslöserelais 1 entspricht
hinsichtlich des durch das Joch 2 und den Magnetanker 3 gebildeten
Magnetkreises sowie dem Spulenkörper 5 mit
der Magnetspule 4 und dem Gehäuse 12 der Ausführungsform
gemäß 1.
Dort ist allerdings die wiederum als Druckfeder 8 ausgeführte Auslösefeder
im Vergleich zur Anordnung gemäß den 1 und 3 auf
der dem Joch 2 gegenüberliegenden
Seite oder Ankerfläche 30 des
Magnetankers 3 angeordnet. Dabei ist die Auslösefeder 8 wiederum über eine
Zugstange 22' gehalten,
fixiert und positioniert. Dazu ist ein die Druckfeder 8 tragender
Teilbereich oder Abschnitt 22a der Zugstange 22' durch eine
Ankeröffnung 31 im
Magnetanker 3 geführt.
Der verbleibende Teilbereich bzw. Abschnitt 22b der Zugstange 22' ist durch diese
Ankeröffnung 31 in
den Bodenbereich des Gehäuses 12 geführt und
dort endseitig unter Ausbildung eines Hakens 32 abgekröpft. Mit
diesem Haken bzw. dieser Abkröpfung 33 ist
die Zugstange 22' nach
Art eines Hintergriffs an einer Joch- oder Gehäusekontur 33 gehalten.
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Das
Auslöserelais 1 findet
vornehmlich Anwendung in Verbindung mit einem FI- oder DI-Schutzschalter 34,
der in 5 schematisch dargestellt ist. Der Schutzschalter 34 umfasst
einen Summenstromwandler 35 mit einem Wandlerkern 36, durch
welchen die drei Phasenleitungen Li mit i = 1,2,3 sowie der Nullleiter
N eines Vier-Leiternetzes LN geführt
sind. Der Schutzschalter 34 ist dabei einem (nicht dargestellten)
elektrischen Verbraucher vorgeschaltet, welcher aus dem Leiternetz
LN mit Strom versorgt wird. Der Wandlerkern 36 ist mit
einer Sekundärwicklung 36 versehen.
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Im
störungsfreien
Betrieb des Leiternetzes LN ist die Summe der durch den Wandlerkern 36 fließenden Ströme stets
Null. Eine Störung
tritt dann auf, wenn – z.B.
infolge eines Leckstroms – ein
Teil des zugeführten
Stromes verbraucherseitig über
Erde abgeführt
wird. In diesem Fall ergibt die Summe der durch den Wandlerkern 36 fließende Ströme einen von
Null verschiedenen Betrag. Dieser Differenz- oder Fehlerstrom induziert
in der Sekundärwicklung 37 des
Summenstromwandlers 35 eine Differenzspannung, welche als
Maß für den aufgetretenen Fehlerstrom
herangezogen wird. Mit dieser Differenzspannung, die ggf. verstärkt und
gleichgerichtet sowie bewertet wird, wird das Auslöserelais 1 angesteuert.
Dazu sind die Spulenanschlüsse 14 dessen Magnet-
oder Auslösespule 4 direkt – oder indirekt über eine
Auslöseelektronik – mit der
Sekundärwicklung 36 des
Summenstromwandlers 35 verbunden.
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Das
Auslöserelais 1 betätigt bei
dessen Ansteuerung eine Schaltmechanik in Form eines Schaltschlosses 38,
welche die Schaltkontakte eines auf alle Leiter des Leiternetzes
LN wirkenden Schalters 39 öffnet.