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Die
Erfindung betrifft einen Leitungsschutzschalter nach dem Oberbegriff
von Patentanspruch 6 und ein Magnetjoch für einen Leitungsschutzschalter nach
dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Der
Leitungsschutzschalter weist ein Gehäuse auf. In dem Gehäuse sind
eine Schalteinrichtung mit einem ein- und ausschaltbaren Schalter
und eine kombinierte Überstrom-Kurzschlussstrom-Auslöseeinrichtung
angeordnet. Eine solche kombinierte Überstrom-Kurzschlussstrom-Auslöseeinrichtung wurde
entwickelt, um möglichst
wenig Bauteile zu verwenden. Sie umfasst einerseits einen Anker
und andererseits ein Magnetjoch, an dem ein Bimetallelement befestigt
ist, durch das bei eingeschaltetem Schalter Strom fließt. Ferner
ist an dem Magnetjoch eine Feldlinienaustrittsplatte angeordnet,
an der von dem Bimetallelement bei Stromdurchfluss ausgehende und
von dem Magnetjoch geführte
Magnetfeldlinien austreten. Das Bimetallelement ist an einer ersten Seite
des Ankers angeordnet. Im ungestörten
System verbiegt es sich bei Überstrom
und drückt
auf den Anker. Die Feldlinienaustrittsplatte ist auf einer gegenüberliegenden
zweiten Seite des Ankers angeordnet. Bei einem Kurzschlussstrom
zieht sie den Anker magnetisch an. Somit wird sowohl bei Überstrom als
auch bei Kurzschlussstrom der Anker aus einer Ruhe-Drehstellung
in dieselbe vorbestimmte Richtung gedreht. Bei einer Drehung kann
er ein Ausschalten des Schalters hervorrufen, beispielsweise über einen
Klinkenmechanismus.
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Kostengünstige Gehäusewerkstoffe,
wie dies beispielsweise Duroplaste (u. a. Harnstoffmassen) sind,
unterliegen im Laufe der Gerätelebensdauer
einem Gehäuseschwund.
Dies ist deswegen problematisch, weil viele Bauteile am Gehäuse gelagert
werden sollten. Der Gehäuseschwund
hat dann zur Folge, dass sich Ab stände der Bauteile zueinander ändern. Dies
kann einen negativen Einfluss auf die thermische Auslösung (Überstromauslösung) und
die magnetische Auslösung
(Kurzschlussstromauslösung)
haben.
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Das
Problem wurde bisher häufig
dadurch gelöst,
dass die gesamte Schaltmechanik in Metall gelagert wurde, so dass
der Gehäuseschwund
keinen Einfluss auf die Auslösung
haben konnte. Diese Konstruktionen sind sehr teuer.
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Alternativ
wurden schwindungsarme oder schwindungsfreie Gehäusemassen, zum Beispiel Melaminmassen,
verwendet. Auch diese Lösung
ist teurer als die Verwendung schwindungsbehafteter Duoplastmassen.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstige Konstruktion bereitzustellen,
in der dennoch gewährleistet
ist, dass die thermische und magnetische Auslösung zuverlässig erfolgt.
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Die
Aufgabe wird durch einen Leitungsschutzschalter mit den Merkmalen
nach Patentanspruch 6 und durch ein Magnetjoch mit den Merkmalen
nach Patentanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird somit
ein Gehäuse verwendet,
das einem Schwund unterliegt und der Anker so gelagert, dass er
bei Gehäuseschwund
seine Ruhe-Drehstellung verändert.
Das Magnetjoch wird so gelagert, dass es bei einem Gehäuseschwund
ebenfalls Kräfte
aufnimmt. Es ist so geformt, dass die aufgenommenen Kräfte eine
Veränderung
der Lage des Bimetallelements und der Feldlinienaustrittsplatte
derart bewirken, dass der Veränderung
der Ruhe-Drehstellung des Ankers entgegengewirkt wird. Vorzugsweise
wird diese Veränderung (vollständig, so
weit dies bei einer Drehung möglich ist)
ausgeglichen.
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Der
an sich störende
Schwund wird somit bewusst nicht von dem Anker abgekoppelt, sondern stattdessen
wird der Schwund zusätzlich
auf der Seite des Magnetjochs so ausgenutzt, dass die Schwundwirkung
auf den Anker und die Schwundwirkung auf das Magnetjoch genau entgegengesetzt wirken.
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Bevorzugt
wird bei dem Leitungsschutzschalter nach Patentanspruch 6 ein erfindungsgemäßes Magnetjoch
verwendet. Ein solches Magnetjoch für einen Leitungsschutzschalter
weist die Eigenschaft auf, dass an ihm ein stromleitendes Bimetallelement
befestigbar ist. Es hat einen Grundkörper, der dazu ausgelegt ist,
von einem an dem Magnetjoch befestigten Bimetallelement bei Stromdurchfluss ausgehende
Magnetfeldlinien zu einer ebenen Feldlinienaustrittsplatte zu führen, durch
deren Flächennormale
eine erste Richtung definiert ist. An zwei einander gegenüberliegenden
Seiten des Magnetjochs sind Lagerabschnitte definiert, mit denen
das Magnetjoch in einem Gehäuse
lagerbar ist. Die Lagerabschnitte ermöglichen ferner die Einleitung
von Kräften
von dem Gehäuse
in das Magnetjoch in einer zweiten und einer dritten Richtung (die
in der Regel einander im Wesentlichen entgegengesetzt sind). Diese
Richtungen stehen im Wesentlichen senkrecht auf der ersten Richtung,
und zwar definitionsgemäß in einem
Winkel von 75° bis
105° (bevorzugt
85° bis 95°, besonders
bevorzugt 90°)
zur ersten Richtung.
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Das
erfindungsgemäße Magnetjoch
ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem der beiden Lagerabschnitte
und dem Grundkörper
ein biegsames Element angeordnet ist, das sich bei Einleitung von
in der zweiten und dritten Richtung wirkenden Kräften verbiegt und dadurch eine
Bewegung der Feldlinienaustrittsplatte in eine Richtung ermöglicht, die
im Wesentlichen der ersten Richtung gleich ist. Definitionsgemäß weicht
sie um höchstens
20° (bevorzugt
um höchstens
10°) von
dieser Richtung ab (wobei diese Abweichung von der Abweichungsrichtung
her gesehen beliebig sein kann).
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Vereinfacht
ausgedrückt
lässt sich
sagen, dass das Magnetjoch Kräfte
in einer Dimension aufnimmt und in einer Bewegung in eine Dimension senkrecht
hierzu umwandelt.
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Bevorzugt
ist hierzu das biegbare Element stabförmig ausgebildet und weist
zwei Stabstellen mit (gegenüber
der übrigen
Stabform) verringertem Querschnitt auf, die als Sollbiegestellen
dienen. Durch die Vorgabe der Sollbiegestellen wird die Art der
Biegung besonders eindeutig definiert, so dass die Bewegung der
Feldlinienaustrittsplatte wohldefiniert erfolgen kann und das Ziel
verwirklicht werden kann, der Veränderung der Ruhe-Drehstellung
des Ankers sehr genau entgegenzuwirken.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
erstreckt sich das stabförmige
biegbare Element geradlinig im Winkel von 35° bis 55° (bevorzugt von 45°) zur ersten
Richtung einerseits und zur zweiten Richtung andererseits von einem
Lagerabschnitt zum Grundkörper.
Mit anderen Worten verläuft
das stabförmige
biegbare Element „schräg". Dadurch werden die
wirkenden Kräfte
in optimaler Weise geleitet.
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Bevorzugt
ist der eine der beiden Lagerabschnitte, zwischen dem und dem Grundkörper das biegbare
Element angeordnet ist, als T-förmiger
Fuß ausgebildet.
Der Fuß ermöglicht an
einem ersten Schenkel das Eingreifen einer Schraube zur Definition
einer Stellung des Fußes
und damit des Magnetjochs und an einem anderen (gegenüberliegenden) Schenkel
eine Gegenlagerung zum Halt des Fußes bei verschiedenen Stellungen
der Schraube.
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Bei
einer weiter bevorzugten Ausführungsform
ist das Magnetjoch als ein Stanz-Biegeteil ausgebildet. Es ist dadurch
besonders kostengünstig herstellbar.
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Nachfolgend
wird eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, in der
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1 schematisch
einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Leitungsschutzschalter veranschaulicht,
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2 eine
perspektivische Darstellung der wichtigsten Schaltelemente des Leitungsschutzschalters
aus 1 veranschaulicht,
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3 das
bei dem Leitungsschutzschalter aus 1 und 2 verwendete
Magnetjoch in Seitenansicht veranschaulicht,
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4 das
Magnetjoch aus 3 in dem erfindungsgemäßen Leitungsschutzschalter
von der Seite veranschaulicht, um so die Wirkungsweise des Magnetjochs
zu erläutern.
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Ein
in 1 dargestellter, im Ganzen mit 8 bezeichneter
Leitungsschutzschalter umfasst ein Gehäuse 10, das aus einem
Werkstoff wie beispielsweise Duroplast besteht, der einem Gehäuseschwund unterliegt.
Die eigentliche Schalteinrichtung umfasst einen Festkontakt 12 und
einen auf den Festkontakt 12 aufschwenkbaren Bewegkontakt 14.
Der Bewegkontakt 14 wird mit Hilfe eines Griffs 16 in
die in 1 dargestellte Einschaltstellung verbracht, wobei
der Griff 16 über
einen Bügel 18 und
einen Kontaktträger 20 den
Bewegkontakt 14 bewegt.
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An
dem Kontaktträger 20 greift
eine Klinke 22 an, die im Grundzustand, d. h. wenn der
Einschaltzustand aufrecht erhalten soll, in einen Anker 24 eingreift,
siehe insbesondere die Darstellung in 2. Wird
der Anker 24 im Uhrzeigersinn geschwenkt, kommt die Klinke 22 außer Eingriff,
und über
den Kontaktträger 20 bewirkt
dies ein Abheben des Bewegkontakts 14 von dem Festkontakt 12 und
damit ein Unterbrechen des eingeschalteten Zustands.
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Eine
solche Drehung des Ankers 24 kann auf zwei verschiedene
Arten eingeleitet werden. Zunächst
ist ein Bimetallelement 26 bereitgestellt, welches an einem
Magnetjoch 28 befestigt ist. Die Befestigung ist besonders
gut in 4 zu erkennen. Im Ruhezustand soll das Bimetallelement 26 einen
Abstand A zum Anker 24 aufweisen. Das Bimetallelement wird
im eingeschalteten Zustand von Strom durchflossen. Bei Überströmen erwärmt sich
das Bimetallelement, wobei es sich biegt. Das Bimetallelement 26 biegt
sich hierbei zum Anker 24 hin, überwindet den Abstand A und
drückt
letztendlich auf den Anker 24, so dass sich dieser im Uhrzeigersinn
bewegt. Es handelt sich somit um einen Mechanismus zur Überstromauslösung. Gleichzeitig kann
mit Hilfe des Magnetjochs 28 auch bei Kurzschlussströmen eine
Auslösung
erfolgen. Hierzu ist an dem Magnetjoch 28 eine Feldlinienaustrittsplatte 30 ausgebildet, und
zwar auf genau der anderen Seite des Ankers 24 im Vergleich
zum Bimetallelement 26, in 1 also links
von dem Anker 24 anstatt wie das Bimetallelement 26 rechts
von dem Anker 24. In der Grundstellung ist ein Abstand
B zwischen der Feldlinienaustrittsplatte 30 und dem Anker 24 definiert.
Bei einem Kurzschlussstrom wird das Bimetallelement 26 von einem
stark erhöhten
Strom durchflossen. Das Magnetjoch 28 führt die Magnetfeldlinien, die
von dem stromdurchflossenen Bimetallelement 26 ausgehen, zur
Feldlinienaustrittsplatte 30, so dass eine magnetisch anziehende
Kraft von der Feldlinienaustrittsplatte 30 auf den Anker 24 ausgeübt wird
und dieser angezogen wird. Auch dann dreht er sich im Uhrzeigersinn.
Es handelt sich somit um einen Kurzschlussauslösemechanismus ergänzend zu
dem thermischen Auslösemechanismus.
Während
beim thermischen Auslösemechanismus
das Bimetallelement 26 den Abstand A überwindet und dann auf den
Anker 24 drückt,
zieht das Magnetjoch 28 bei Kurzschluss den Anker 24 von
der entgegengesetzten Seite her an, so dass der Abstand B überwunden
wird, und bewirkt genauso eine Drehung desselben im Uhrzeigersinn.
Die Klinke 22 klinkt dann aus, und der elektrische Kontakt
zwischen dem Bewegkontakt 14 und dem Festkontakt 12 wird
aufgehoben, der Strom also unterbrochen.
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Bei
beiden Auslösungsarten
kommt es darauf an, dass der jeweilige Abstand A beziehungsweise
B genau eingestellt ist, damit die Auslösung wohldefiniert ist. Zur
Einstellung der Abstände
A und B dient eine Feststellschraube 32, welche in einen T-förmigen Fuß 34 des
Magnetjochs 28, genauer gesagt in einen Schenkel 36 des
Fußes 34,
eingreift. Das Magnetjoch ist mit dem entgegengesetzten Schenkel 38 in
einer Aussparung 40 in dem Gehäuse gelagert und gehalten.
Die Position der Schraube 32 ist festgelegt. Bei einer
Drehung der Schraube 32 ändert sich somit nicht die
Position der Schraube, sondern die des Magnetjochs 28,
in das die Schraube 32 eingreift. Entsprechend kann der
Abstand A verkleinert und vergrößert werden
und gleichzeitig der Abstand B vergrößert beziehungsweise verkleinert
werden.
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Der
Schwund des Gehäuses 10 bei
längerer Gehäuselebensdauer
kann nun dazu führen,
dass sich die Abstände
A und B ändern,
so dass die Auslösung
nicht mehr wohldefiniert erfolgt. Die Konstruktion, wie sie in den
FIG dargestellt ist, bewirkt, dass der Schwund gegenläufige Effekte
hat. Der Anker 24 ist in einem Lager 41 am Gehäuse 10 gelagert.
Bei einem Schwund des Gehäuses 10 dreht
sich der Anker im Uhrzeigersinn, allerdings nicht so weit, dass die
Klinke 22 ausgelöst
wird. Hierbei wird der Abstand A vergrößert und der Abstand B verkleinert. Konstruktiv
ist nun vorgesehen, dass das Magnetjoch 28 diese Änderungen
der Abstände
A und B genau ausgleicht.
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Das
in 3 im Ganzen dargestellte Magnetjoch weist einen
Grundkörper 42 auf,
der die Funktion der Führung
von magnetischen Feldlinien hat. Es werden die magnetischen Feldlinien
geführt, die
von dem Bimetallelement 26 ausgehen. Zur Befestigung des
Bimetallelements 26 dient ein Befestigungselement 44 (4),
für das
an einem oberen Abschnitt 46 des Magnetjochs 28 Platz
vorhanden ist. Der obere Abschnitt 46 fungiert als Lagerabschnitt.
Wie in 4 gezeigt, greift der Lagerabschnitt 46 in
eine Aussparung 48 im Gehäuse 10 ein. Als gegenüberliegender
Lagerabschnitt fungiert der Fuß 34,
der wie oben erwähnt
in das Gehäuse
in die Aussparung 40 eingreift.
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Zwischen
Grundkörper 42 und
dem Fuß 34 ist
ein biegbares Element 50 angeordnet. Das biegbare Element 50 besteht
aus einem Stab 52, der sich zu dem Fuß 34 hin an einer
Stelle 54 verjüngt,
welche gleichzeitig den unteren Schenkel der T-Form des Fußes 34 bildet.
Zum Grundkörper 42 hin
verjüngt sich
das stabförmige
Element 52 ebenfalls an einer Stelle 56, die sich
in etwa auf Höhe
der Feldlinienaustrittsplatte 30 befindet. Die verjüngten Stellen 54 und 56 dienen
als Sollbiegestellen. Der gesamte Stab 52 steht im Wesentlichen
in einem Winkel von α auf
dem Fuß 34 und
in einem Winkel β auf
einer Flächennormalen 58 der
Feldlinienaustrittsplatte 30. α und β betragen beide ungefähr 45°. Dies wird
dadurch ermöglicht,
dass der Fuß 34 ungefähr senkrecht
zur Feldlinienaustrittsplatte 30 steht. Bei Schwund des
Gehäuses
wirken nun über
die Lager 40 beziehungsweise 48 die Kräfte FSchwindung (siehe Pfeile in 3,
auch in 4) auf die Lagerabschnitte 34 beziehungsweise 46.
Durch die Kräfte
FSchwindung sind zwei Richtungen der Kraftwirkung
definiert, die ungefähr
senkrecht auf der Flächennormalen 58 stehen.
Der tatsächliche Winkel
weicht leicht von 90° ab,
bewegt sich aber in einem Bereich von 75° bis 105.
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Durch
die Kräfte
FSchwindung wird nun das Magnetjoch 28 zusammengedrückt. An
den schwächsten Stellen
kommt es dadurch zu einer Verbiegung. Dies sind die Stellen 54 und 56.
Damit knickt das stabförmige
Element 52 ab, im Bild nach links, so dass sich der Grundkörper 42 mit
der Feldlinienaustrittsplatte 30 entsprechend dem Pfeil 60 bewegt.
Die Bewegungsrichtung entsprechend dem Pfeil 60 ist nahezu gleich
einer durch die Flächennormalen 58 vorgegebenen
Richtung. Die Bewegungsrichtung 60 weicht jedenfalls nicht
mehr als 20° von
der durch die Flächennormalen 58 vorgegebenen
Richtung ab.
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Die
Dimensionen der Magnetjochteile sind bei dem Magnetjoch 28 so
gewählt,
dass der oben erwähnten
Drehbewegung des Ankers, welche über das
Lager 40 von dem Gehäuse 10 bei
dessen Schwund eingeleitet wird, entgegengewirkt wird. Wie oben
erwähnt,
dreht sich der Anker 24 bei Schwund leicht im Uhrzeigersinn
und vergrößert dadurch
den Abstand A und verkleinert den Abstand B. Durch die gleichzeitig
bei der Schwindung eingeleiteten Kräfte FSchwindung wird
die Bewegung entsprechend dem Fall 60 hervorgerufen. Durch
die Bewegung 60 wird der Abstand B wieder vergrößert. Die
Abmessungen sollen so sein, dass der Abstand B wieder dem Abstand entspricht,
der im Grundzustand definiert ist. Die Bewegung 60 gilt
für den
gesamten Grundkörper 42 und damit
auch für
den oberen Teil 46. Damit bewegt sich auch das Bimetallelement 26 in
die durch den Pfeil 60 angegebene Richtung. Somit wird
auch der Vergrößerung des
Abstands A durch die Drehung des Ankers 24 im Uhrzeigersinn
bei Schwund des Gehäuses 10 entgegengewirkt.
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Die
Konstruktion nimmt also ausdrücklich
in Kauf, dass sich der Anker 24 schwundbedingt bewegt.
Das Magnetjoch 28 ist so ausgebildet, dass dies jedoch
nicht zum Tragen kommt, sondern dass der Gehäuseschwund gleichzeitig eine
Zweitwirkung (am Magnetjoch 28) hervorruft, die der Erstwirkung (am
Anker 24) entgegenwirkt. Diese Entgegenwirkung wird insbesondere
durch das Bereitstellen des biegbaren stabförmigen Elements 52,
insbesondere durch die beiden Sollbiegestellen 54 und 56,
ermöglicht.