DE102004056279A1

DE102004056279A1 - Schaltgerät mit einem thermischen und elektromagnetischen Auslöser

Info

Publication number: DE102004056279A1
Application number: DE200410056279
Authority: DE
Inventors: Patrick Dipl.-Ing. Claeys; Albrecht Dr. Vogel
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2004-11-22
Filing date: 2004-11-22
Publication date: 2006-05-24

Abstract

Schaltgerät (1, 1a, 1b, 1c, 1d) mit einem Gehäuse (2, 2a, 2b, 2c, 2d) und mit wenigstens einer ein festes und ein bewegliches Kontaktstück (8, 8a, 8b, 8c, 8d, 6, 6a, 6b, 6c, 6d) umfassenden Kontaktstelle (4, 4a, 4b, 4c, 4d) und mit einem thermischen und magnetischen Auslöser (20, 20a, 20b, 20c, 20d), der eine Auslösespule (22, 22a, 22b, 22c, 22d) und einen Auslöseanker (24, 24a, 24b, 24c, 24d) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslöseanker (24, 24a, 24b, 24c, 24d) aus einem Material mit einem kombinierten thermischen und magnetischen Formgedächtniseffekt gebildet ist, wobei sowohl unter Einfluss des Magnetfeldes der Auslösespule (22, 22a, 22b, 22c, 22d) im Kurzschlussstromfall als auch unter Einfluss einer durch Überstrom hervorgerufenen Temperaturerhöhung der Auslöseanker (24, 24a, 24b, 24c, 24d) verformt und dadurch die Öffnung der Kontaktstelle (4, 4a, 4b, 4c, 4d) bewirkt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltgerät mit einem Gehäuse und mit wenigstens einer ein festes Kontaktstück und einen Kontakthebel mit einem beweglichen Kontaktstück umfassenden Kontaktstelle, und mit einem thermischen und magnetischen Auslöser, der eine Auslösespule und einen auf den Kontakthebel wirkenden Auslöseanker aufweist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiter betrifft die Erfindung die Verwendung eines Materials mit einem kombinierten thermischen und magnetischen Formgedächtniseffekt in einem eine Auslösespule und einen Auslöseanker aufweisenden thermischen und magnetischen Auslöser für ein Schaltgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12, sowie weiterhin die Verwendung eines Materials mit kombinierten thermischen und magnetischen Formgedächtniseffekt zur Überstrom- und Kurzschlussstromauslösung in einem eine Kontaktstelle und einen thermischen und magnetischen Auslöser umfassenden Schaltgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 14.

Bei gattungsgemäßen Schaltgeräten, beispielsweise Leitungsschutzschaltern oder Motorschutzschaltern, dient der elektromagnetische Auslöser zur Unterbrechung des Strompfades zwischen den Ein- und Ausgangsklemmen im Falle des Auftretens eines Kurzschlussstromes. Der thermische Auslöser dient zur Unterbrechung des Strompfades für den Fall, dass ein Überstrom auftritt, der den Nennstrom um einen bestimmten Betrag und über eine bestimmte Zeit hinweg überschreitet. Die im Stand der Technik heute bekannten elektromagnetischen Auslöser, wie beispielsweise in der DE 101 26 852 C1 oder der DE 100 10 093 A1 beschrieben, arbeiten dabei alle nach dem Prinzip, dass ein Auslöseanker bei Auftreten eines Kurzschlussstromes auf einen Magnetkern hin in Bewegung versetzt wird, und im Verlauf dieser Bewegung schlägt der Auslöseanker über einen mit ihm in Wirkverbindung stehenden Stößel das bewegliche Kontaktstück von dem festen Kontaktstück an der Kontaktstelle weg, so dass dadurch die Kontaktstelle geöffnet wird. Bekannte elektromagnetische Auslöser umfassen dazu eine Spule, die üblicherweise aus schraubenförmig gewickeltem Draht hergestellt ist, sowie einen mit einem die Spule außen umgebenden Joch fest verbundenen Magnetkern, der ins Innere der Spule eingreift. Der Auslöseanker ist entweder als Klappanker oder als Tauchanker ausgebildet, wobei sich letzterer ebenfalls innerhalb der Spule befindet. Der Anker wird vom Kern im Ruhezustand mittels einer Druckfeder auf Abstand gehalten. Wenn der Kurzschlussstrom durch die Auslösespule fließt, so bewirkt das dabei erzeugte Magnetfeld der Auslösespule, dass der Auslöseanker entgegen der rückstellenden Kraft der Druckfeder auf den Kern hin bewegt wird. Nach Abschalten des Kurzschlussstromes wird der Anker durch die rückstellende Kraft der Druckfeder wieder in seine Ausgangslage zurückbewegt.

Im Stand der Technik bekannte thermische Auslöser arbeiten in der Regel mit Auslöseelementen aus Thermobimetall oder thermischen Formgedächtnismetallen, die beispielsweise als Biegebalken oder als Schnappscheibe realisiert sind. Aus der DE 43 00 909 A1 ist ein thermischer Auslöser mit einem Thermobimetall-Biegebalken bekannt.

Thermische und magnetische Auslöser werden heute so realisiert, dass für jedes Auslöseprinzip ein eigenes Bauelement gefertigt wird. Dabei werden ein erster, thermischer Teil-Auslöser mit einem thermischen Auslöseanker aus Thermobimetall oder thermischem Formgedächtnismetall, wie oben erwähnt, und ein zweiter, magnetischer Teil-Auslöser mit einer Auslösespule und einem magnetischen Auslöseanker zusammengesetzt. Aus der DE 42 42 516 A1 ist ein thermisch-magnetischer Kombi-Auslöser bekannt, bei dem der thermische Teil-Auslöser als Schnappscheibe und der elektromagnetische Teil-Auslöser durch einen Schlaganker-Auslöser ausgebildet ist. Aber auch hier sind zwei getrennte Auslöser aufgebaut, die räumlich nahe beieinander in einer komplexen Baugruppe kombiniert sind.

Der Aufbau thermischer und elektromagnetischer Auslöser ist daher heute sehr aufwändig und mit hohen Kosten verbunden, da zwei komplette Auslöser aufgebaut und miteinander kombiniert werden müssen, wobei viele Einzelteile mit engen Toleranzen gefertigt und zusammen zu bauen sind.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Schaltgerät einfacher montierbar und damit kostengünstiger aufzubauen.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Schaltgerät mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, durch die Verwendung eines Materials mit einem kombinierten thermischen und magnetischen Formgedächtniseffekt in einem Schaltgerät gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 12 und durch die Verwendung eines Materials mit einem kombinierten thermischen und magnetischen Formgedächtniseffekt zur Kurzschluss- und Überstromstromauslösung in einem Schaltgerät gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 14.

Erfindungsgemäß also ist der Auslöseanker aus einem Material mit einem kombinierten thermischen und magnetischen Formgedächtniseffekt gebildet, wobei sowohl unter Einfluss des Magnetfeldes der Auslösespule im Kurzschlussstromfall, als auch unter Einfluss einer durch Überstrom hervorgerufenen Temperaturerhöhung der Auslöseanker verformt und dadurch die Öffnung der Kontaktstelle bewirkt wird. Insbesondere kann der Auslöseanker aus einer ferromagnetischen Formgedächtnislegierung aus Nickel, Mangan und Gallium gebildet sein.

Bei magnetischen Formgedächtnislegierungen kann in der martensitischen Phase eine Formänderung durch den Übergang zwischen zwei Kristallstrukturvarianten einer Zwillings-Kristallstruktur hervorgerufen werden, wobei der Übergang zwischen den Kristallstrukturvarianten durch ein äußeres Magnetfeld gesteuert wird. Diese Materialien werden daher als magnetische Formgedächtnislegierungen oder „Magnetic Shape Memory Alloys" (MSM) bezeichnet.

Magnetische Formgedächtnislegierungen werden vorteilhafterweise als ferromagnetische Formgedächtnislegierungen aus Nickel, Mangan und Gallium gebildet. Genauere Erläuterungen zum Aufbau und der Funktionsweise von ferromagnetischen Formgedächtnislegierungen auf der Basis von Nickel, Mangan und Gallium sind beispielsweise der WO 98/08261 und der WO 99/45631 entnehmbar.

Durch die entsprechende Legierungszusammensetzung kann bestimmt werden, bei welcher Orientierung des äußeren Magnetfeldes die maximale Ausdehnung erreicht wird; z.B. kann das Magnetfeld senkrecht oder quer zu dem MSM – Material stehen, um die maximale Ausdehnung zu erreichen.

Formänderungen, die mit MSM-Materialien unter Einwirken eines äußeren Magnetfeldes erreicht werden, können lineare Ausdehnung, Verbiegung oder Verdrehung (Torsion) sein.

Bei MSM-Materialien findet ergänzend zu dem magnetisch stimulierten auch noch ein thermisch stimulierter Übergang zwischen der martensitischen und der austenitischen Phase statt.

Wenn das äußere Magnetfeld klein ist, so verhalten sich diese Materialien wie ein herkömmliches thermisches Formgedächtnismetall. Dort sind bekanntlich die beiden Formen, zwischen denen die Formänderung vonstatten geht, in unterschiedlichen Phasen des Materials ausgeformt: einer martensitischen Phase unterhalb und einer austenitischen Phase oberhalb einer sog. Transitionstemperatur des Materials. Überschreitet die Materialtemperatur die Transitionstemperatur, so findet der Phasenübergang statt, mit dem die Formänderung einhergeht. Dabei kann durch die entsprechende Legierungszusammensetzung die thermische Transitionstemperatur bestimmt und somit für die jeweilige Anwendung angepasst werden.

Bei MSM – Materialien kann somit unterhalb der Transitionstemperatur, in der Niedertemperatur- oder martensitischen Phase, eine der o.g. Formänderungen ausschließlich durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes hervorgerufen werden. Ohne äußeres Magnetfeld, oder bei sehr geringem äußerem Magnetfeld, erfolgt die Formänderung thermisch induziert bei Über- oder Unterschreiten der Transitionstemperatur.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass bei einem erfindungsgemäßen Schaltgerät beide Auslöseprinzipien, nämlich das thermische und das elektromagnetische, in einem einzigen Auslöseelement niedriger Komplexität realisiert sind. Damit wird der Aufbau eines thermischen und magnetischen Auslösers stark vereinfacht. Der erfindungsgemäße thermische und magnetische Auslöser lässt sich auch wesentlich kompakter und platzsparender realisieren als eine Kombination von zwei getrennten thermischen und magnetischen Auslösern gemäß dem Stand der Technik. Somit ist auch ein erfindungsgemäßes Schaltgerät mit einem erfindungsgemäßen thermischen und magnetischen Auslöser einfacher und kompakter aufbaubar.

Ein weiterer Vorteil eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes ist die Schnelligkeit der magnetischen Auslösung. Es muß keine träge Masse beschleunigt werden, die Formänderung aufgrund des magnetischen Formgedächtniseffektes geschieht nahezu verzögerungsfrei.

Vorteilhaft ist auch die Erreichbarkeit einer hohen Stellkraft bei großer Längenänderung aufgrund der hohen magnetisch-mechanischen Energiewandlungseffizienz bei ferromagnetischen Formgedächtnislegierungen.

Bei dem erfindungsgemäßen Schaltgerät kann das Magnetfeld für die elektromagnetische Auslösung durch eine stromdurchflossene Spule erzeugt werden.

Der Auslöseanker aus ferromagnetischem Formgedächtnismetall kann als längserstrecktes Bauteil ausgebildet sein, das sowohl unter Einfluss des Magnetfeldes der Auslösespule im Kurzschlussstromfall, als auch unter Einfluss einer durch Überstrom hervorgerufenen Temperaturerhöhung in Richtung seiner Längsachse gedehnt wird.

Der Auslöseanker kann auch balkenförmig ausgebildet sein und sowohl unter Einfluss des Magnetfeldes der Auslösespule im Kurzschlussstromfall, als auch unter Einfluss einer durch Überstrom hervorgerufenen Temperaturerhöhung verbogen werden, oder der Auslöseanker kann spiralförmig ausgebildet sein und sowohl unter Einfluss des Magnetfeldes der Auslösespule im Kurzschlussstromfall, als auch unter Einfluss einer durch Überstrom hervorgerufenen Temperaturerhöhung in Richtung der Spiralenlängsachse gedehnt werden.

Die magnetisch bedingte Formänderung in der martensitischen Phase erfolgt proportional mit dem Spulenstrom.

Ein großer Vorteil eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes liegt in dem sehr einfachen Aufbau des thermischen und elektromagnetischen Auslösers unter Verwendung eines Auslöseankers aus ferromagnetischem Formgedächtnismetall. Der Auslöser umfasst im wesentlichen nur noch eine Spule und einen Auslöseanker, der sowohl die Kurzschlussstrom- als auch die Überlastauslösung übernimmt.

Der Auslöseanker kann dabei an seinem zweiten Ende in Wirkverbindung mit einem Stößel stehen. Es entfällt im Vergleich zu den elektromagnetischen Auslösern gemäß dem Stand der Technik der Kern und die Druckfeder. Auch ist die Lagerung des erfindungsgemäßen Auslöseankers aus ferromagnetischem Formgedächtnismetall einfacher als die Lagerung des Auslöseankers bei herkömmlichen Auslösern. Denn dort muss der Auslöseanker leicht beweglich gelagert sein, wohingegen er bei erfindungsgemäßen Auslösern keine beweglichen Teile mehr umfasst und in einer vorteilhaften Ausführungsform an einem ersten Ende fest gelagert ist, wobei er sich an seinem zweiten, beweglichen Ende unter Einwirkung sowohl des Magnetfeldes als auch einer überstrombedingten Temperaturerhöhung ausdehnt oder verbiegt. Vorteilhaft ist dabei insbesondere eine Ausführungsform, bei der der Auslöseanker an einem ersten, festen Ende in einem mit dem Gehäuse verbundenem Lager gehalten ist.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen thermischen und magnetischen Auslösers wird die Temperaturerhöhung des Auslöseankers im Überstromfall mittels indirekter Erwärmung bewirkt. Der Überstrom durchfließt dazu beispielsweise die Auslösespule, in deren Nahbereich der Auslöseanker angebracht ist. Bei Erwärmung der Spule infolge Überstrom wird der Auslöseanker durch Wärmestrahlung indirekt mit erwärmt.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerhöhung des Auslöseankers im Überstromfall durch direkte Erwärmung bewirkt wird. Der Auslöseanker wird dabei direkt vom Überstrom durchflossen, und durch aufgrund der durch den Stromfluss induzierten Widerstandserwärmung heizt sich der Auslöseanker auf.

Ein großer Vorteil eines erfindnungsgemäßen Schaltgerätes liegt darin, dass die räumliche Zuordnung der Auslösespule zu dem Auslöseanker aus ferromagnetischem Formgedächtnismetall vielfältig an die Geometrieerfordernisse innerhalb des Schaltgerätegehäuses anpassbar ist. So kann in einer vorteilhaften Ausführungsform der Auslöseanker von der Auslösespule umfasst sein. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Aus führungsform kann der Auslöseanker außerhalb der Spule in deren Nahbereich angebracht sein.

Ein zusätzliches weiteres thermisches Auslöseelement ist nicht nötig.

Somit ist eine optimale Raumausnutzung innerhalb des Schaltgerätegehäuses erreichbar, was zu kleineren und damit kostengünstigeren Bauformen der Schaltgeräte führt.

Es werden weniger Teile mit geringerer Anforderung an deren Maßgenauigkeit für den thermischen und elektromagnetischen Auslöser benötig, und die Montage eines thermischen und elektromagnetischen Auslösers mit einem Auslöseanker aus ferromagnetischem Formgedächtnismetall ist daher einfacher und billiger.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und weitere Vorteile sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.

Anhand der Zeichnungen, in denen fünf Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.
Es zeigen:
1 in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes mit einem stabförmigen Auslöseanker aus ferromagnetischem Formgedächtnismetall, angeordnet im Innenraum einer Auslösespule, im Ruhezustand,
2 in schematischer Darstellung die erste Ausführungsform nach 1 im ausgelösten Zustand,
3 in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes mit einem stabförmigen Auslöseanker aus ferromagnetischem Formgedächtnismetall, angeordnet neben einer Auslösespule, im Ruhezustand,
4 in schematischer Darstellung die zweite Ausführungsform nach 3 im ausgelösten Zustand,
5 in schematischer Darstellung eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes mit einem als einseitig eingespannter Biegebalken ausgebildeten Auslöseanker aus ferromagnetischem Formgedächtnismetall, angeordnet im Innern einer Auslösespule, im Ruhezustand,
6 in schematischer Darstellung die dritte Ausführungsform nach 5 im ausgelösten Zustand,
7 in schematischer Darstellung eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes mit einem Auslöseanker aus ferromagnetischem Formgedächtnismetall in Spiralform, angeordnet im Innern einer Auslösespule, im Ruhezustand,
8 in schematischer Darstellung die vierte Ausführungsform nach 7 im ausgelösten Zustand,
9 in schematischer Darstellung eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes mit stromdurchflossenem Auslöseanker, angeordnet im Innern einer Auslösespule, im Ruhezustand, sowie
10 in schematischer Darstellung die fünfte Ausführungsform nach 9 im ausgelösten Zustand.
In 1 ist schematisch ein Schaltgerät 1 mit einem Gehäuse 2, einem thermischen und elektromagnetischen Auslöser 20 und einem Schaltwerk 36 im nicht ausgelösten Zustand gezeigt. In 2 ist das Schaltgerät nach 1 im ausgelösten Zustand gezeigt, wobei gleiche oder ähnlich wirkende Baugruppen oder Teile mit denselben Bezugsziffern bezeichnet sind.
Zwischen einem Eingangsklemmstück 14 und einem Ausgangsklemmstück 16 verläuft ein Strompfad über eine bewegliche Litze 18, einen in einem Kontakthebellager 12 gelagerten Kontakthebel 10, eine ein an dem Kontakthebel 10 befindliches bewegliches Kontaktstück 6 und ein festes Kontaktstück 8 umfassende Kontaktstelle 4, und eine Auslösespule 22. In der in 1 gezeigten Schaltstellung ist die Kontaktstelle 4 ge schlossen. Mit der Auslösespule 22 und dem festen Kontaktstück 8 ist über ein ohrenförmiges Zwischenstück 42 noch ein Joch 40 verbunden.
Der thermische und elektromagnetische Auslöser 20 umfasst die Auslösespule 22 und einen Auslöseanker 24, der hier balkenförmig ausgeführt und im Inneren der Auslösespule 22 so angeordnet ist, dass die Spulenlängsachse und die Auslöseanker-Längsachse zusammenfallen.
An einem ersten, festen Ende 24' ist der Auslöseanker 24 in einem mit dem Gehäuse 2 verbundenen Auslöseanker-Lager 28 gehalten. An seinem zweiten, freien Ende 24'' steht der Auslöseanker 24 in Wirkverbindung mit einem Stößel 26. Die Wirkverbindung ist hier als formschlüssige Verbindung gezeigt, alternativ könnten jedoch auch kraft- oder stoffschlüssige Verbindungen realisiert werden.
An seinem freien Ende 24'' weist der Auslöseanker 24 eine Einkerbung 25 auf, in die ein in einem Auslösehebel-Lager 32 gelagerter Auslösehebel 30, beispielsweise mit einer an seinem ersten freien Ende 30' befindlichen Gabel eingreift. Das zweite freie Ende 30'' des Auslösehebels 30 greift in eine Ausnehmung 35 in einem Schieber 34 ein, der über eine Wirklinie 38 in Wirkverbindung mit dem Schaltwerk 36 steht.
Der Auslöseanker 24 besteht aus einer ferromagnetischen Formgedächtnislegierung mit einem kombinierten thermischen und magnetischen Formgedächtniseffekt auf Basis von Nickel, Mangan und Gallium. Solche ferromagnetischen Formgedächtnislegierungen sind prinzipiell bekannt und verfügbar, sie werden beispielsweise von der finnischen Firma AdaptaMat Ltd. hergestellt und vertrieben. Eine typische Zusammensetzung von ferromagnetischen Formgedächtnis-Legierungen für den erfindungsgemäßen Einsatz in Schaltgeräten ist gegeben durch die Strukturformel Ni_65-x-yMn_20+xGa_15+y, wobei x zwischen 3 Atomprozent und 15 Atomprozent liegt und y zwischen 3 Atomprozent und 12 Atomprozent.
Die hier verwendete ferromagnetische Formgedächtnislegierung hat die Eigenschaft, dass in ihrer martensitischen Phase, das ist diejenige Phase, die das Material unterhalb der thermischen Transitionstemperatur einnimmt, unter Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes im mikroskopischen Maßstab ein Übergang zwischen zwei Kristallstrukturvarianten einer Zwillings-Kristallstruktur stattfindet, der makroskopisch mit einer Formänderung verbunden ist. Bei der hier gewählten Ausführung des Auslöseankers besteht die Formänderung in einer linearen Dehnung in Richtung der Balkenlängsachse.
Die thermische Transitionstemperatur bei den hier verwendeten ferromagnetischen Formgedächtnislegierungen liegt im Bereich der Raumtemperatur und ist durch Variation der Atomprozent-Anteile x und y innerhalb einer Bandbreite einstellbar. Damit ist der Arbeitstemperaturbereich, innerhalb dessen der thermische und magnetische Auslöser als rein magnetischer Auslöser arbeitet, innerhalb einer Bandbreite durch Wahl der Materialzusammensetzung einstellbar.
Bei Überschreiten der thermischen Transitionstemperatur geht das ferromagnetische Formgedächtnismaterial – auch ohne äußeres Magnetfeld – in seine austenitische Phase über. Dieser Phasenübergang ist reversibel und ebenfalls mit einer Formänderung verbunden, welche sich hier ebenfalls als eine Längenänderung des balkenförmigen Auslöseankers 24 manifestiert.
Die Kurzschlussstromauslösung geschieht nun folgendermaßen. Fließt durch das Schaltgerät 2 im Kurzschlussfall ein hoher Kurzschlussstrom, so dehnt sich der Auslöseanker 24 aufgrund des oben beschriebenen magnetischen Formgedächtniseffektes aus, und infolgedessen schlägt der Stößel 26 das bewegliche Kontaktstück 6 vom festen Kontaktstück 8 weg, so dass die Kontaktstelle 4 geöffnet und das Schaltgerät ausgelöst wird, wie in 2 dargestellt. Die Ausdehnung des ferromagnetischen Formgedächtnismaterials geschieht dabei sehr schnell und nahezu verzögerungsfrei. Die Verzögerungszeit als die Zeitdifferenz zwischen dem Auftreten des Kurzschlussstromes und der maximalen Längenausdehnung des Auslöseankers 24 liegt typischerweise in der Größenordnung von einer Millisekunde.
Die Auslösung wird hier durch den Auslösehebel 30 unterstützt, der bei Ausdehnung des Auslöseankers 24 sich im Uhrzeigersinn um das Auslösehebel-Lager 32 dreht und dabei den Schieber 34 in dessen Längserstreckungsrichtung, angedeutet durch den Richtungspfeil S, verschiebt, so dass der Schieber 34 über die Wirklinie 38 das Schaltwerk 36 betätigt, das die Kontaktstelle über hier nicht dargestellte Wirkverbindungen dauerhaft geöffnet hält.
Nach der Auslösung des Schaltgerätes ist der Strompfad unterbrochen und das Magnetfeld der Auslösespule 22 bricht wieder zusammen. Infolgedessen wird sich der Auslöseanker 24 wieder auf seine Ausgangsmaße zusammenziehen, wodurch auch der Auslösehebel 30 wieder in die Ausgangsstellung, wie in 1 gezeigt, zurückbewegt wird. Die Kontaktstelle 4 wird jetzt aufgrund der hier nicht dargestellten Wirkverbindungen durch das Schaltwerk 36 dauerhaft in Offenstellung gehalten.
Die thermische Überstromauslösung geschieht folgendermaßen: Überschreitet der im Strompfad durch das Schaltgerät 1 fließende Strom seinen Nennwert um einen höheren Wert und für einen längeren Zeitraum als zugelassen, so erwärmt sich der Auslöseanker 24 aufgrund der Wärmeeinstrahlung von der Auslösespule 22 auf eine Temperatur, die oberhalb der thermischen Transitionstemperatur des ferromagnetischen Formgedächtnismetalls liegt. Infolgedessen findet die thermisch induzierte Formänderung des Auslöseankers 24 statt, die sich hier ebenfalls als eine Längenausdehnung manifestiert. Durch die Ausdehnung des Auslöseankers 24 und infolge des Eingriffs dessen ersten freien Endes 30' dreht sich der Auslösehebel 30 im Uhrzeigersinn um das Auslösehebel-Lager 32 und verschiebt dabei den Schieber 34 in dessen Längserstreckungsrichtung, angedeutet durch den Richtungspfeil S, so dass der Schieber 34 über die Wirklinie 38 das Schaltwerk 36 betätigt, das die Kontaktstelle über hier nicht dargestellte Wirkverbindungen öffnet und dauerhaft geöffnet hält.
Die elektromagnetische und die thermische Auslösung werden also von einem einzigen Bauelement bewirkt. Der Aufbau eines Schaltgerätes mit einem thermischen und magnetischen Auslöser wie beschrieben wird damit sehr einfach und aufgrund des Entfallens einer kompletten Baugruppe kostengünstiger als bei herkömmlichen Schaltgeräten.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes 1a in nicht ausgelöstem Zustand, und in 4 das Schaltgerät 1a in ausgelöstem Zustand gezeigt. Gleiche oder gleichwirkende Baugruppen und Teile sind mit denselben Bezugsziffern wie in den 1 und 2, ergänzt um den Buchstaben a, bezeichnet. Der wesentliche Unterschied zwischen dem Schaltgerät 1a gemäß 3 und 4 und dem Schaltgerät 1 gemäß 1 und 2 besteht darin, dass bei ersterem der Auslöseanker 24a aus der ferromagnetischen Formgedächtnislegierung auf Basis NiMnGa außerhalb der Auslösespule 22a angeordnet ist. Außerdem sind der Auslösehebel 30a, der Schieber 34a und das Schaltwerk 36a in den 3 und 4 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Im Kurzschlussstromfall wird die Formänderung des Auslöseankers 24a bei der in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsform durch das Magnetfeld im Außenbereich der Auslösespule 22a bewirkt. Eine entsprechende Auslegung der Auslösespule 22a und des Magnetkreises kann von einem Fachmann unter Zuhilfenahme seines normalen Fachwissens und unterstützt durch systematische Versuche vorgenommen werden. Im thermischen Überlastfall erfolgt die Erwärmung des Auslöseankers 24 ebenfalls durch Wärmestrahlung von der Auslösespule 22.
In 5 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes 1b in nicht ausgelöstem Zustand und in 6 das Schaltgerät 1b in ausgelöstem Zustand gezeigt. Gleiche oder gleichwirkende Baugruppen und Teile sind mit denselben Bezugsziffern wie beim Schaltgerät 1 in den 1 und 2, ergänzt um den Buchstaben b, bezeichnet. Der wesentliche Unterschied zwischen dem Schaltgerät 1b gemäß 5 und 6 und dem Schaltgerät 1 gemäß 1 und 2 besteht darin, dass der Auslöseanker 24b bei ersterem als mit einem ersten, festen Ende 24b' einseitig an der Auslöseanker-Lagerstelle 28b fest eingespannter Biegebalken ausgeführt ist. Der Auslöseanker 24b ist im Innenraum der Auslösespule 22b angeordnet. Die durch das Magnetfeld der Auslösespule 22b im Kurzschlussfall oder durch Temperaturerhöhung des Auslöseankers aufgrund von Wärmestrahlung von der Auslösespule 22b induzierte Formänderung besteht hier in einer Verbiegung des Auslöseankers 24b an seinem zweiten, freien Ende 24b'', siehe 6. Das zweite, freie Ende 24b'' des Auslöseankers 24b greift in eine Ausnehmung 35b in einem ersten Schenkel 33b des L-förmigen Schiebers 34b ein, wodurch dieser bei Verbiegen des Auslöseankers 24b in Richtung der Längserstreckungsrichtung des ersten Schenkels 33b, angedeutet durch den Richtungspfeil S, verschoben wird. An seinem zweiten Schenkel 33b' steht der Schieber 34b in Wirkverbindung mit dem Stößel 26b, der bei Verschieben des Schiebers 34b das bewegliche Kontaktstück 6b von dem festen Kontaktstück 8b wegschlägt und damit die Kontaktstelle 4b öffnet. Das Schaltwerk 36 ist in der Ausführungsform der 5 und 6 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
In 7 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes 1c in nicht ausgelöstem Zustand und in 8 das Schaltgerät 1c in ausgelöstem Zustand gezeigt. Gleiche oder gleichwirkende Baugruppen und Teile sind mit denselben Bezugsziffern wie beim Schaltgerät 1 in den 1 und 2, ergänzt um den Buchstaben c, bezeichnet. Der wesentliche Unterschied zwischen dem Schaltgerät 1c gemäß 7 und 8 und dem Schaltgerät 1 gemäß 1 und 2 besteht darin, dass bei ersterem der Auslöseanker 24c spiralförmig ausgebildet und im Inneren der Auslösespule 24c in einer parallel zur Spulenachse ausgerichteten Führungshülse 23c geführt ist. Die durch das Magnetfeld der Auslösespule 22c im Kurzschlussfall oder durch Temperaturerhöhung des Auslöseankers 24c aufgrund von Wärmestrahlung von der Auslösespule 22c induzierte Formänderung des spiralförmigen Auslöseankers 24c besteht hier in einer Ausdehnung der den Auslöseanker bildenden Spirale 24c in Richtung der Spiralenlängsachse, angedeutet durch den Richtungspfeil L. An dem beweglichen Ende 24c'' des spiralförmigen Auslöseankers 24c steht dieser in Wirkverbindung mit dem Stößel 26c, der im Auslösefall die Kontaktstelle 4c öffnet, siehe 8. Die Wirkverbindung ist hier durch stoffschlüssige Verbindung realisiert, es könnte aber auch eine kraft- oder formschlüssige Verbindung sein. Das Schaltwerk und dessen Wirkverbindungslinien mit dem Auslöseanker 24c und der Kontaktstelle 4c sind hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
In 9 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes 1d in nicht ausgelöstem Zustand, und in 10 das Schaltgerät 1d in ausgelöstem Zustand gezeigt. Gleiche oder gleichwirkende Baugruppen und Teile sind mit denselben Bezugsziffern wie beim Schaltgerät 1 in den 1 und 2, ergänzt um den Buchstaben d, bezeichnet.
Die in 9 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von derjenigen in 1 dadurch, dass bei ersterer die Erwärmung des Auslöseankers 24d direkt durch Stromfluss erfolgt und nicht, wie bei letzterer, indirekt über Wärmestrahlung von der Auslösespule 22d her. Der Strompfad in der Ausführungsform nach 9 stellt sich folgendermaßen dar: von der Eingangsklemme 14d fließt der Strom über die bewegliche Litze 18d, den Kontakthebel 10d, die Kontaktstelle 4d durch die Auslösespule 22d und weiter in Serie zu dieser über eine weitere bewegliche Litze 18d', die das Ende der Auslösespule 22d elektrisch mit dem vorderen Teil des Auslöseankers 24d verbindet, durch den Auslöseanker 24d und von dessen festem Ende 24d' weiter zu der Ausgangsklemme 16d. Im Falle eines Überstromes wird der Auslöseanker 24d also durch Stromwärme direkt er wärmt. Dadurch ist eine thermisch exaktere Auslegung des thermischen und magnetischen Auslösers 20d möglich.
Zur Unterstützung der Rückverformung des Auslöseankers 24d nach der Auslösung- im Kurzschlussstromfall nach Zusammenbrechen des Magnetfeldes der Auslösespule 22d oder im Überstromfall nach Abkühlung des Auslöseankers 24d auf eine Temperatur unterhalb der thermischen Transitionstemperatur infolge der Kontaktöffnung – ist in der Ausführungsform nach 9 und 10 eine Rückstellfeder 46d vorgesehen. Diese ist hier als Spiralfeder ausgebildet und umfasst den Stößel 26d. Sie könnte aber auch als Blattfeder oder auf sonstige geeignete Art und Weise ausgebildet sein. Die Rückstellfeder ist in nicht ausgelöstem Zustand (9) entspannt. Sie stützt sich mit einem Ende an einem mit dem Gehäuse verbundenen Federlager 50d ab, und mit ihrem anderen Ende an dem beweglichen Ende 24d'' des Auslöseankers 24d. Im Auslösefall (10) wird sie durch den sich ausdehnenden Auslöseanker 24d zusammengedrückt.
Die in den 1 bis 10 dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele sind eine exemplarische, nicht abschließende Darstellung möglicher erfindungsgemäßer Schaltgeräte unter Verwendung eines thermischen und elektromagnetischen Auslösers mit einem Auslöseanker aus einer ferromagnetischen Formgedächtnislegierung. Es können auch aus allen anderen im Stand der Technik bekannten Schaltgerätevarianten mit thermischen und elektromagnetischen Auslösern durch die erfindungsgemäße Verwendung einer ferromagnetischen Formgedächtnislegierung zur Bildung des Auslöseankers erfindungsgemäße Schaltgeräte hergestellt werden.
Bezugszeichenliste:

Claims

Schaltgerät (1, 1a, 1b, 1c, 1d) mit einem Gehäuse (2, 2a, 2b, 2c, 2d) und mit wenigstens einer ein festes und ein bewegliches Kontaktstück (8, 8a, 8b, 8c, 8d, 6, 6a, 6b, 6c, 6d) umfassenden Kontaktstelle (4, 4a, 4b, 4c, 4d), und mit einem thermischen und magnetischen Auslöser (20, 20a, 20b, 20c, 20d), der eine Auslösespule (22, 22a, 22b, 22c, 22d) und einen Auslöseanker (24, 24a, 24b, 24c, 24d) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslöseanker (24, 24a, 24b, 24c, 24d) aus einem Material mit einem kombinierten thermischen und magnetischen Formgedächtniseffekt gebildet ist, wobei sowohl unter Einfluss des Magnetfeldes der Auslösespule (22, 22a, 22b, 22c, 22d) im Kurzschlussstromfall, als auch unter Einfluss einer durch Überstrom hervorgerufenen Temperaturerhöhung der Auslöseanker (24, 24a, 24b, 24c, 24d) verformt und dadurch die Öffnung der Kontaktstelle (4, 4a, 4b, 4c, 4d) bewirkt wird.
Schaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslöseanker (24, 24a, 24b, 24c, 24d) aus einer ferromagnetischen Formgedächtnislegierung aus Nickel, Mangan und Gallium gebildet ist.
Schaltgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslöseanker (24, 24a, 24d) als längserstrecktes Bauteil ausgebildet ist und sowohl unter Einfluss des Magnetfeldes der Auslösespule (22, 22a, 22d) im Kurzschlussstromfall, als auch unter Einfluss einer durch Überstrom hervorgerufenen Temperaturerhöhung in Richtung seiner Längsachse gedehnt wird.
Schaltgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslöseanker (24b) balkenförmig ausgebildet ist und sowohl unter Einfluss des Magnetfeldes der Auslösespule (22b) im Kurzschlussstromfall, als auch unter Einfluss einer durch Überstrom hervorgerufenen Temperaturerhöhung verbogen wird.
Schaltgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslöseanker (24c) spiralförmig ausgebildet ist und sowohl unter Einfluss des Magnetfeldes der Auslösespule (22c) im Kurzschlussstromfall, als auch unter Einfluss einer durch Überstrom hervorgerufenen Temperaturerhöhung in Richtung der Spiralenlängsachse gedehnt wird.
Schaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslöseanker (24, 24b, 24c, 24d) von der Auslösespule (22, 22b, 22c, 22d) umfasst ist.
Schaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslöseanker (24a) außerhalb der Auslösespule (22a) in deren Nahbereich angebracht ist.
Schaltgerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerhöhung des Auslöseankers (24, 24a, 24b, 24c) im Überstromfall mittels indirekter Erwärmung durch die den Überstrom führende Auslösespule (22, 22a, 22b, 22c) bewirkt wird.
Schaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerhöhung des Auslöseankers (24d) im Überstromfall durch direkte Erwärmung aufgrund des den Auslöseanker (24d) durchfließenden Überstromes bewirkt wird.
Schaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslöseanker (24, 24a, 24b, 24d) an einem ersten Ende in einem mit dem Gehäuse (2, 2a, 2b, 2d) verbundenem Lager (28, 28a, 28b, 28d) gehalten ist.
Schaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslöseanker (24, 24a, 24b, 24c, 24d) an seinem zweiten Ende in Wirkverbindung mit einem Stößel (26, 26a, 26b, 26c, 26d) steht.
Verwendung eines Materials mit einem kombinierten thermischen und magnetischen Formgedächtniseffekt in einem eine Auslösespule (22, 22a, 22b, 22c, 22d) und einen Auslöseanker (24, 24a, 24b, 24c, 24d) umfassenden thermischen und magnetischen Auslöser (20, 20a, 20b, 20c, 20d) für ein Schaltgerät 81, 1a, 1b, 1c, 1d), dadurch gekennzeichnet, dass der Auslöseanker (24, 24a, 24b, 24c, 24d) des Auslösers (20, 20a, 20b, 20c, 20d) aus dem Material mit dem kombinierten thermischen und magnetischen Formgedächtniseffekt gebildet ist, wobei sowohl unter Einfluss des Magnetfeldes der Auslösespule (22, 22a, 22b, 22c, 22d) im Kurzschlussstromfall, als auch unter Einfluss einer durch Überstrom hervorgerufenen Temperaturerhöhung der Auslöseanker (24, 24a, 24b, 24c, 24d) verformt und dadurch die Öffnung der Kontaktstelle (4, 4a, 4b, 4c, 4d) bewirkt wird.
Verwendung eines Materials mit einem kombinierten thermischem und magnetischen Formgedächtniseffekt nach Anspruch 12, bestehend aus einer ferromagnetischen Formgedächtnislegierung aus Nickel, Mangan und Gallium.
Verwendung eines Materials mit einem kombinierten thermischen und magnetischen Formgedächtniseffekt zur Kurzschluss- und Überstromstromauslösung in einem eine Kontaktstelle (4, 4a, 4b, 4c, 4d) und einen thermischen und magnetischen Auslöser (20, 20a, 20b, 20c, 20d) umfassenden Schaltgerät (1, 1a, 1b, 1c, 1d), dadurch gekennzeichnet, dass der Auslöseanker (24, 24a, 24b, 24c, 24d) des eine Auslösespule (22, 22a, 22b, 22c, 22d) und einen Auslöseanker (24, 24a, 24b, 24c, 24d) aufweisenden Auslösers (20, 20a, 20b, 20c, 20d) aus dem Material mit dem kombinierten thermischen und magnetischen Formgedächtniseffekt gebildet ist, wobei sowohl unter Einfluss des Magnetfeldes der Auslösespule (22, 22a, 22b, 22c, 22d) im Kurzschlussstromfall, als auch unter Einfluss einer durch Überstrom hervorgerufenen Temperaturerhöhung der Auslöseanker (24, 24a, 24b, 24c, 24d) verformt und dadurch die Öffnung der Kontaktstelle (4, 4a, 4b, 4c, 4d) bewirkt wird.
Verwendung eines Materials mit einem kombinierten thermischen und magnetischen Formgedächtniseffekt zur Kurzschluss- und Überstromstromauslösung nach Anspruch 14, bestehend aus einer ferromagnetischen Formgedächtnislegierung aus Nickel, Mangan und Gallium.