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Die
Erfindung betrifft einen Schalter zur Schaltung mindestens eines
elektrischen Stromes, wobei der Schalter einen Anker aufweist, der
als bewegbares Element mittels Kraftübertragung zur elektrischen
Kontaktierung vorgesehen ist, und der mindestens eine Schaltposition
aufweist, und der Schalter mindestens einen stromführenden
Leiter mit einer schlaufenähnlichen
Führung
oder Windung aufweist, der zur Erzeugung einer elektromagnetischen
Kraft vorgesehen ist, die zur Änderung
der Schaltposition des Ankers vorgesehen ist.
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Ein
derartiger Schalter kommt auf dem Gebiet der Leistungsschalter und/oder
Stromschalter zum Einsatz. Weiterhin werden derartige Schaltern
in elektronischen Geräten
verwendet, die unter anderem ähnliche
Schaltfunktionen aufweisen. Derartige Leistungsschalter basieren
in der Regel auf magnetischen Auslösesystemen, die beispielsweise
zur unverzögerten
Kurzschlussauslösung
verwendet werden.
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Durch
die elektromagnetische Kraftwirkung des durch die Strombahn laufenden
Stromes wird in der Regel ein Magnetanker derartig bewegt, dass
ein Schaltvorgang mittels einer Kraftübertragung an einen Auslöser oder
ein Schlosssystem möglich
ist. Die Strombahn weist eine Windung auf, wobei die elektromagnetischen
Kräfte,
die durch den Stromfluss in den einzelnen Strombahnsegmenten entstehen,
entsprechend zu einer größeren elektromagnetischen Kraft
vektoriell akkumuliert werden. Auf diese Weise wird die magnetische
Kraftwirkung auf den Magnetanker konzentriert. Man spricht in diesem
Zusammenhang von einem Einleitersystem, da Die Strombahn hierzu
einfach gewickelt oder geführt
ist. Die elektromagnetische Kraft, die durch solch ein Einleitersystem
erzielt wird, ist sehr gering und führt in aller Regel dazu, dass
nur ein klei ner Magnetanker, der leicht genug ist, um von der elektromagnetischen Kraft
bewegt zu werden, verwendbar ist.
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Einige
stromdurchflossene Elemente der Strombahn sind typischerweise als
Blech ausgeführt. Die
meist flachen stromdurchflossenen Elemente dienen oft auch als Wärmeübergang
für ein
zu beheizendes Bimetall. Dieses Bimetall kann eine zusätzliche
Schaltfunktion übernehmen.
Die Strombahn, beziehungsweise deren Elemente haben hierbei zusätzlich die
Funktion das Bimetall zu erwärmen.
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Zum
heutigen Stand der Technik sind weiterhin Magnetsysteme bekannt,
die das magnetische Feld, das durch den Stromfluss entsteht, räumlich führen können. Hierbei
wird der gewundene Teil der Strombahn als so genannte Amperewindung
in einfacher Durchführung
mit einem oder mehreren Magnetflussleitern kombiniert, wobei der
magnetische Fluss durch die Magnetflussleiter dirigierbar ist.
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Aus
EP 0 377 479 B1 ist
eine Auslösevorrichtung
für einen
elektrischen Schalter bekannt, die ein Joch aus magnetischem Material,
das einen beweglich angeordneten langgestreckten Anker trägt, von welchem
ein Endabschnitt nach außen
aus dem Joch vorsteht, enthält.
Die Auslösevorrichtung
sieht ein elektromechanisches Bewegen des Ankers vor, wobei ein
Permanentmagnet und eine Federvorrichtung zur optimalen Positionierung
des Ankers eingesetzt werden kann.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein sicheres und unverzögertes Schalten
durch eine Erhöhung
der elektromagnetischen Kraftwirkung zu gewährleisten.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Schalter der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
dass der Schalter ein aus leitenden Elementen gebildetes Leiterschleifensystem
oder Mehrleitersystem, des Weiteren Mehrfachleitersystem genannt,
zur Erhöhung der
elektromagnetischen Kraft aufweist, wobei mindestens ein leitendes
Element mindestens einfach schlaufenähnlich geführt ist, oder mindestens eine Windung
aufweist. Mindestens ein elektrischer Strom ist durch den Anker,
der als bewegbares Element vorgesehen ist, meist mit externer Hilfsvorrichtung schaltbar.
Der Anker kann sich in mindestens einer Schaltposition befinden,
die einem bestimmten Betriebszustand oder Schaltzustand entspricht.
Ein Schaltvorgang besteht aus dem Wechsel des Ankers aus einer Schaltposition
in eine andere Schaltposition. Die hierzu verwendete Kraft ist eine
elektromagnetische Kraft, die durch den Stromfluss durch die leitenden
Elemente hervorgerufen wird. Es kommt zu einer Erhöhung der
elektromagnetischen Kraft durch die Aufsummierung der elektromagnetischen
Kräfte, die
durch mindestens ein leitendes Element, beziehungsweise durch eine
Vielzahl leitender Elemente im Mehrfachleitersystem entstehen. Das
Mehrfachleitersystem enthält
mindestens ein leitendes Element, das einfach schlaufenähnlich geführt ist.
Durch mehrere Windungen eines einzelnen leitenden Elementes oder
durch eine Vielzahl in Serie geschalteter leitender Elemente werden
mehrere Amperewindungen realisiert, die bei Stromdurchfluss eine
größere elektromagnetische
Kraft erzielen. Die Mehrfachwindungen der leitenden Elemente können auch
schlaufenähnlich
geführt
sein, oder den Umständen
entsprechend an den Schaltmechanismus angepasst sein. Die leitenden
Elemente sind beispielsweise als Bleche ausgeführt, die durch Stapelung oder
Aufschichtung zur Reihenschaltung der leitenden Elemente vorgesehen
sind.
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Zur
Führung
der magnetischen Feldlinien bzw. zur Verstärkung des magnetischen Feldes
werden Magnetflussleiter, wie zum Beispiel Magnetbügel, verwendet.
Die erhöhte
Magnetfeldinduktion ist geeignet, mit einem in den Schalter integriertes
Magnetsystem eine vorteilhaftere Kraftwirkung zu erzielen. Die Kraftwirkung
wird über
die Magnetflussleiter gebündelt
und direkt auf den Anker gerichtet. Die verwendeten leitenden Elemente
können
gleichzeitig als Heizleiter zur Erhitzung von Bimetallen eingesetzt werden
bzw. die leitenden Elemente können
aus Bimetall bestehen oder dasselbe aufweisen.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
sind der stromführende
Leiter und/oder mindestens ein leitendes Element als Wärmeleiter
zur Erhitzung eines Bimetalls vorgesehen. Auf diese Weise kann durch
die Wärmeentwicklung
bei Stromdurchfluss ein redundanter Schaltvorgang durch das Bimetall
erzielt werden. Weiterhin ist es möglich, mittels des Bimetalls
einen weiteren oder weitere Ströme
separat zu schalten.
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Vorteilhafterweise
ist mindestens ein leitendes Element als flaches Blech ausgebildet,
um durch das Übereinanderlegen
der schlaufenähnlichen Blechteile
eine Reihenschaltung der Blechteile zu erreichen. Die als Blechteile
ausgeführten
leitenden Elemente bilden hierbei eine oder mehrere Leiterschleifen,
wobei die Blechteile gegeneinander isoliert sind und nur an definierten
Stellen elektrisch kontaktiert oder kontaktierbar sind. Auf diese
Weise ist das Mehrfachleitersystem günstig und einfach aufbaubar bzw.
erweiterbar.
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Erfindungsgemäß sind die
leitenden Elemente hinsichtlich ihrer Form nicht festgelegt, solange
die gewählte
Form die Erzeugung der elektromagnetischen Kraft unterstützt. Deshalb
ist die Ausführung
der leitenden Elemente als Blechteile zwar vorteilhaft, aber nicht
zwingend.
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Vorteilhafterweise
ist mindestens ein erstes leitendes Element mit einem zweiten leitenden
Element des stromführenden
Leiters elektrisch verbindbar oder verbunden. Durch die elektrische
Verbindbarkeit ist der Aufbau des Mehrfachleitersystems sehr einfach
gehalten und reduziert Kosten bei der Herstellung. Weiterhin ist
eine Reihenschaltung leitender Elemente erwünscht, da auf diese Weise die Anzahl
der Leiterschleifen bzw. Amperewindungen auf simple Weise erhöht oder
verringert werden kann. Dadurch ist die elektromagnetische Kraft,
die am Anker angreift, definiert regulierbar. Eine weitere Vereinfachung
ist gegeben, wenn das erste und das zweite leitende Element baugleich
ausgeführt
sind. Eine Re duktion der Vielfalt der leitenden Elemente reduziert
die Kosten des Schalters.
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Vorteilhafterweise
weisen die leitenden Elemente mindestens ein Isolationsmittel auf,
welches eine elektrische Kontaktierung an unerwünschten Stellen vermeidet.
Mögliche
Isolationsmittel sind unter anderen Kunststoffe oder Lackierungen.
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Weitere
vorteilhafte Ausbildungen und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung
sind der Figurenbeschreibung und/oder den Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand des in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiels näher beschrieben
und erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
dreidimensionale Ansicht des Ausführungsbeispiels eines Schalters,
und
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2 eine
weitere dreidimensionale Ansicht des Ausführungsbeispiels.
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1 zeigt
eine dreidimensionale Ansicht des Ausführungsbeispiels eines Schalters 1.
Der Schalter 1 weist ein Mehrfachleitersystem 6 auf,
das eine erstes leitendes Element 5A und ein zweites leitendes
Element 5B aufweist, die beide als Bleche ausgeführt sind.
Die elektrische Kontaktierung der leitenden Elemente 5A, 5B ist
an deren Enden realisiert, wobei die flachen Auflageflächen der
leitenden Elemente 5A, 5B durch eine Lackierung
isoliert sind. Das Mehrfachleitersystem 6 enthält neben
dem ersten und zweiten leitenden Element 5A, 5B weiterhin zwei
Magnetflussleiter M1, M2, die als Magnetbügel ausgeführt sind. Die Magnetflussleiter
M1, M2 bilden an der offenen Seite durch ihre U-förmige Gestalt
vier plane Auflageflächen,
die für
einen Anker 2 vorgesehen sind. Die Aufla geflächen liegen
im Ausführungsbeispiel
in einer Ebene, so dass ein gleichzeitiges planes Aufliegen des
Ankers 2 auf den Auflageflächen gewährleistet ist. Der Anker 2 kann
weiterhin neben dieser vertikalen Position eine andere, z.B. eine
horizontale Position einnehmen. Beide Positionen entsprechen einer
unterschiedlichen Schaltung des relevanten Stromes. Mittels des
Ankers 2 kann sowohl eine Eigenschaltung, beispielsweise
eine Schaltung eines Stromes I erfolgen oder eines anderes Stromes.
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Der
Strom I fließt
aus dem hinteren Teil des Schalters 1 über das erste leitende Element 5A einmalig
in einer schlaufenähnlichen
Führung
durch beide U-förmigen
Magnetflussleiter M1, M2 hindurch. Durch die Kontaktierung des ersten
leitenden Elementes 5A und des zweiten leitenden Elementes 5B unterhalb
der Magnetflussleiter M1, M2 wird der Strom I nochmals durch die
halboffenen Magnetflussleiter M2 und M1 hindurchgeführt. Dieses
Mehrfachleitersystem 6 kann durch das Hinzufügen bzw. In-Reiheschalten
weiterer leitender Elemente, ähnlich
wie das erste und zweite leitende Element 5A, 5B erweitert
werden. Die elektromagnetische Kraftwirkung wird dadurch stufenweise
geändert.
Eine Änderung
der elektromagnetischen Kraftwirkung ist auch durch die Formgebung
der Magnetflussleiter M1, M2 erreichbar. Durch die U-Form der Magnetflussleiter M1,
M2 wird das magnetische Feld innerhalb der Magnetflussleiter M1,
M2 in Richtung Anker verstärkt.
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2 zeigt
eine weitere dreidimensionale Ansicht des Ausführungsbeispiels. Aufgrund der
Lagerung des Ankers 2 ist dessen Bewegung während des
Schaltvorganges eine Drehbewegung um eine Achse, die innerhalb des
plattenförmigen
Ankers 2 lokalisiert ist. Dir Wirkrichtung der elektromagnetischen Kraft,
die durch die Stromstärke
und die Anzahl der Amperewindungen regulierbar ist, ist in 2 in Form
eines Pfeils angedeutet. Durch die Reihenschaltung mehrerer leitender
Elemente 5A, 5B ist die magnetische Kraftwirkung
auf den Anker 2 stufenweise regulierbar. Alternativ ist
es durch die Reihenschaltung möglich,
die Stromschwelle für
die Auslösung
des Schalters herab bzw. heraufzusetzen.
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Zusammenfassend
betrifft die Erfindung einen Schalter zur Schaltung mindestens eines
elektrischen Stromes, der einen Anker, mindestens einen stromführenden
Leiter mit einer schlaufenähnlichen Führung oder
Windung, der zur Erzeugung einer elektromagnetischen Kraft zur Änderung
der Schaltposition des Ankers vorgesehen ist, aufweist. Die Aufgabe
des Schalters ist es, ein sicheres und unverzögertes Schalten durch eine
Erhöhung
der elektromagnetischen Kraftwirkung durch ein Mehrfachleitersystem
zu gewährleisten.
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Durch
mehrere Windungen eines einzelnen leitenden Elementes oder durch
eine Vielzahl in Serie geschalteter leitender Elemente werden mehrere Amperewindungen
realisiert, die bei Stromdurchfluss eine erhöhte elektromagnetische Kraft
erzielen.