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Die
Erfindung betrifft eine strombegrenzende Lichtbogenlöscheinrichtung
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, ein Installationsschaltgerät mit einer strombegrenzenden
Lichtbogenlöscheinrichtung
gemäß Anspruch
6, sowie die Verwendung eines Verbundmaterials zur Beschichtung
von Teilen einer strombegrenzenden Lichtbogenlöscheinrichtung gemäß Anspruch
7.
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Gattungsgemäße strombegrenzende
Lichtbogenlöschvorrichtungen
für ein
elektrisches Schaltgerät, welches
wenigstens eine ein festes und ein bewegliches Kontaktstück aufweisende
Kontaktstelle hat, umfassen ein Lichtbogenlöschblechpaket und eine Festkontakt-Leitschiene
und ein dem beweglichen Kontaktstück zugeordnetes Lichtbogenleitblech,
zwischen denen sich das Lichtbogenlöschblechpaket befindet, dergestalt, dass
die Fußpunkte
eines beim Öffnen
der Kontaktstelle entstehenden Schaltlichtbogens auf der Festkontakt-Leitschiene
und dem Lichtbogenleitblech entlanglaufen, wobei der Schaltlichtbogen
in das Lichtbogenlöschblechpaket
wandert und darin gelöscht
wird.
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Ein
Beispiel für
eine solche gattungsgemäße strombegrenzende
Lichtbogenlöschvorrichtung
ist in der
DE 40 41
887 A1 offenbart.
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Die
DE 38 18 864 A1 zeigt
einen Stromunterbrecher mit Lichtbogenbegrenzungseinrichtung, bei
dem quer zur Bewegungsrichtung eines beweglichen Kontaktarmes Lichtbogenlöschbleche
angeordnet sind, in die über
eine Lichtbogenlaufschiene der Lichtbogen geführt wird. Die Laufschiene ist
dabei vorteilhafterweise teilweise oder vollständig aus einem Material mit
niedriger elektrischer Austrittsarbeit gebildet, beispielsweise
aus Magnesium oder Magnesiumlegierungen.
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Um
die Lichtbogenlöschung
innerhalb des Lichtbogenlöschblechpaketes
zu beschleunigen ist es verschiedentlich vorgeschlagen worden, die
einzelnen Lichtbogenlöschbleche
mit speziellen Beschichtungen zu versehen, die die Lichtbogenlöschung unterstützen.
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Beispielsweise
zeigt die
DE 32 47 681 eine
Lichtbogenlöschkammer
mit einer Lichtbogenlöschblechanordnung,
wobei jedes Lichtbogenlöschblech
mit einem gas- oder dampfabgebenden Material beschichtet ist, das
unter Einfluss des Lichtbogens verdampft und dadurch die Lichtbogenlöschung befördert.
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Zur
schnellen Strombegrenzung ist es jedoch nicht nur geboten, dass
der Lichtbogen innerhalb der Lichtbogenlöschblechanordnung schnell gelöscht wird,
sondern auch, dass er möglichst
schnell von seinem Entstehungsort zu der Lichtbogenlöschblechanordnung
hin geführt
wird. Um die Laufzeit des Lichtbogens von seinem Entstehungsort
hinzu der Lichtbogenlöschblechanordnung
zu minimieren, wird der Lichtbogen oft durch magnetische Kräfte, erzeugt
durch zusätzlich
vorhandene, so genannte Blasmagnete, oder durch geeignet angeordnete
Leiterschleifen, von der Kontaktstelle weg zu dem Lichtbogenlöschblechpaket
hin beschleunigt.
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Bei
hohen Kurzschlussströmen
weisen dann jedoch die Festkontakt-Leitschiene und das Lichtbogenleitblech
nach der Lichtbogenlöschung
oft hohe Materialaufschmelzungen auf. Dadurch wird die Lebensdauer im
Kurzschlussfall und die Höhe
des maximalen Schaltvermögens
des Schaltgerätes
begrenzt. Die Begrenzung des maximalen Schaltvermögens resultiert
dabei aus Kurzschlüssen,
die durch aufgeschmolzenes und danach von der Oberfläche abspritzendes
Material der Festkontakt-Leitschiene und des Lichtbogenleitbleches hervorgerufen
werden.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es also,
bei gattungsgemäßen strombegrenzenden
Lichtbogenlöschvorrichtungen
die Lebensdauer und die Höhe
des Schaltvermögens
zu erhöhen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine strombegrenzende Lichtbogenlöschvorrichtung mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1.
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Erfindungsgemäß also sind
die Festkontakt-Leitschiene und das Lichtbogenleitblech in ihren
das Lichtbogenlöschblechpaket
flankierenden Bereichen mit einem anderen Material beschichtet.
Das Material der Beschichtung hat andere physikalische und chemische
Eigenschaften als das Grundmaterial der Festkontakt-Leitschiene
und des Lichtbogenleitbleches. Durch Wahl eines geeigneten Materiales
der Beschichtung ist es möglich,
Materialaufschmelzungen in den das Lichtbogenlöschblechpaket flankierenden
Bereichen der Festkontakt-Leitschiene und des Lichtbogenleitbleches
zu vermeiden, ohne dass dadurch die Ausbreitungsgeschwindigkeit
des Lichtbogens auf der Festkontakt-Leitschiene und des Lichtbogenleitbleches
beeinträchtigt
wird.
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Beispielsweise
kann die Festkontakt-Leitschiene und das Lichtbogenleitblech aus
einem ferromagnetischen Material bestehen.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
sind dann die Festkontakt-Leitschiene und das Lichtbogenleitblech
jeweils in ihrem das Lichtbogenlöschblechpaket
flankierenden Bereich mit einem die thermische Beständigkeit
erhöhenden
Material beschichtet. Der das Lichtbogenlöschblechpaket flankierende
Bereich ist dabei derjenige Teil der Oberfläche der Festkontakt-Leitschiene
und des Lichtbogenleitbleches, der den ihnen benachbarten, äußeren Lichtbogenlöschblechen
des Lichtbogenlöschblechpaketes
gegenüberliegt.
Zwischen diesem das Lichtbogenlöschblechpaket
flankierenden Bereich und dem außen liegenden Lichtbogenlöschblech
entsteht beim Einlaufen des Lichtbogens in das Lichtbogenlöschblechpaket
der erste Teilllichtbogen, und in diesem Bereich ist die Gefahr
des Aufschmelzens der Oberfläche
besonders groß.
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Durch
Beschichtung mit einem die thermische Beständigkeit erhöhenden Material
kann an dieser kritischen Stelle das Aufschmelzen unterbunden werden,
so dass sich die Lebensdauer und das maximale Schaltvermögen erhöhen.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
kann das Material der Beschichtung ein Metall mit hoher elektrischer
Leitfähigkeit
sein, beispielsweise Silber oder Kupfer. Aufgrund der hohen elektrischen
Leitfähigkeit läuft der
Lichtbogenfußpunkt
in dem beschichteten Bereich dann schneller, das heißt, jeder
Kontaktpunkt zwischen dem Lichtbogen und der Oberfläche der
Festkontakt-Leitschiene und des Lichtbogenleitbleches wird nur sehr
kurz thermisch belastet, wodurch die thermische Belastung insgesamt
reduziert wird.
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Trotzdem
kann es vereinzelt immer noch zum Aufschmelzen und Abspritzen von
Metallpartikeln kommen.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung besteht daher darin, dass das Material der Beschichtung
ein Verbundmaterial aus mindestens zwei Bestandteilen ist, dessen
erster Bestandteil elektrisch leitfähig ist und Schmelz- und Verdampfungspunkte
hat, die nicht über
dem Schmelz- und Verdampfungspunkt des Grundmaterials von Festkontakt-Leitschiene
und Lichtbogenleitblech liegen, und dessen zweiter Bestandteil Schmelz-
und Verdampfungspunkte hat, die nicht unter dem Schmelz- und Verdampfungspunkt
des Grundmaterials von Festkontakt-Leitschiene und Lichtbogenleitblech
liegen.
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Durch
den ersten Bestandteil erhält
das Verbundmaterial eine hinreichend hohe elektrische Leitfähigkeit,
und durch den zweiten Bestandteil wird das Aufschmelzen und Abspritzen
des Beschichtungsmaterials weit gehend verhindert.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
sieht man zwischen der Beschichtung mit dem anderen Material und
dem Grundwerkstoff der Festkontakt-Leitschiene und des Lichtbogenlöschbleches
noch eine Zwischenschicht vor, welche die Haftung verbessert und
eine Diffusion verhindert. Dafür
eignet sich insbesondere Nickel, welches noch den Vorteil hat, ferromagnetisch
zu sein.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und
weitere Vorteile sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Anhand
der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt ist, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung näher erläutert und
beschrieben werden.
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Es
zeigen:
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1:
eine Teil-Einsicht in ein geöffnetes
Installationsschaltgerät
mit einer erfindungsgemäßen strombegrenzenden
Lichtbogenlöschvorrichtung,
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2:
ein erfindungsgemäß beschichtetes
Lichtbogenleitblech, sowie
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3:
eine erfindungsgemäß beschichtete
Festkontakt-Leitschiene.
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Es
sei zunächst
die 1 betrachtet. Sie zeigt eine teilweise Einsicht
in ein geöffnetes
Installationsschaltgerät 10,
welches hier ein Leitungsschutzschalter in Schalenbauweise ist.
Er umfasst ein aus zwei an einer Verbindungslinie aneinander stoßenden Halbschalen
zusammengesetztes Isolierstoffgehäuse, von denen in der 1 nur
die untere Halbschale 11 zu sehen ist, die diese zu dem
Gehäuse
ergänzende
obere Halbschale ist entfernt worden.
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Innerhalb
des Isolierstoffgehäuses
sind die für
die Funktion des Leitungsschutzschalters erforderlichen Komponenten
und Baugruppen untergebracht. Man erkennt die beiden in Klemmenaufnahmeräumen 12, 13 an
den Schmalseiten 14, 15 des Gehäuses untergebrachten
Anschlussklemmen 16, 17, zwischen denen der durch
den Leitungsschutzschalter 10 zu überwachende Strompfad verläuft.
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In
dem Strompfad liegt eine Kontaktstelle 18, welche aus einem
feststehenden Kontaktstück 19 und einem
an einem schwenkbaren Kontaktträger 20 angebrachten
beweglichen Kontaktstück 21 gebildet
ist.
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Im
Falle eines Kurzschlussstromes wird der Kontaktträger 20 durch
den Anker eines elektromagnetischen Schlagankersystems 22 weggeschlagen,
wodurch die Kontaktstelle 18 plötzlich geöffnet wird und zwischen dem
feststehenden und dem beweglichen Kontaktstück 19, 21 ein
Schaltlichtbogen entsteht.
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Zur
Löschung
des Schaltlichtbogens ist in einer Lichtbogenlöschkammer 23 ein aus
parallel übereinander
gestapelten Lichtbogenlöschblechen
gebildetes Lichtbogen löschblechpaket 24 vorhanden.
Zwischen der Kontaktstelle 18 und dem Einlauf 25 in
das Lichtbogenlöschblechpaket 24 befindet
sich eine Vorkammer 26, in deren Wänden flache Permanentmagnete 27,
so genannte Blasmagnete, angebracht sein können.
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Die
Vorkammer wird seitlich begrenzt durch eine Festkontakt-Leitschiene 28,
welche, von dem feststehenden Kontaktstück 19 ausgehend, mit
ihrem freien Ende parallel zu einem ersten äußeren Lichtbogenlöschblech 29 des
Lichtbogenlöschblechpakets 24 zu
liegen kommt und somit das Lichtbogenlöschblechpaket 24 an
dessen erster äußerer Seite
flankiert, sowie durch ein Lichtbogenleitblech 30, welches
dem beweglichen Kontaktstück 21 zugeordnet
ist und, von diesem ausgehend, mit seinem freien Ende parallel zu
einem zweiten äußeren Lichtbogenlöschblech 31 zu
liegen kommt und somit das Lichtbogenlöschblechpaket 24 an
dessen zweiter äußerer Seite
flankiert.
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Die 2 zeigt
die Lichtbogenleitschiene 30 in Einzeldarstellung. Sie
umfasst einen ersten, bogenförmigen
Blechstreifen 230, welcher die äußere Begrenzung der Vorkammer 26 bildet.
An dessen freiem Ende ist ein etwa rechteckförmiges Blechteil 231 angebracht,
welches mit seiner ersten Breitseite 232 das zweite äußere Lichtbogenlöschblech 31 des
Lichtbogenlöschblechpaketes 24 flankiert.
Der mit seinem ersten Fußpunkt
auf dem Blechstreifen 230 laufende Lichtbogen geht beim
Einlaufen in die Lichtbogenlöschkammer 23 von
dem Blechteil 231 auf das ihn flankierende zweite äußere Lichtbogenlöschblech 31 des
Lichtbogenlöschblechpaketes 24 über und
bildet dort den ersten Teillichtbogen des sich in dem Lichtbogenlöschblechpaket 24 in
eine Reihe von Teillichtbögen
aufteilenden Schaltlichtbogens.
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Die 3 zeigt
die Festkontakt-Leitschiene 28 in Einzeldarstellung. Diese
umfasst einen ersten, U-förmigen
Blechstreifen 328, welcher an seinem ersten Ende mit dem
festen Kontaktstück 19 und
an seinem zweiten Ende mit einem rechteckförmigen Schienenteil 329 verbunden
ist. Das Schienenteil 329 ist ein etwa rechteckförmiges Blechteil,
welches mit seiner ersten Breitseite 330 das erste äußere Lichtbogenlöschblech 29 des Lichtbogenlöschblechpaketes 24 flankiert.
Der mit seinem ersten Fußpunkt
auf dem U-förmigen
Blechstreifen 328 laufende Lichtbogen geht beim Einlaufen
in die Lichtbogenlöschkammer 23 von
dem Schienenteil 329 auf das ihn flankie rende erste äußere Lichtbogenlöschblech 29 des
Lichtbogenlöschblechpaketes 24 über und
bildet dort einen weiteren Teillichtbogen des sich indem Lichtbogenlöschblechpaket 24 in
eine Reihe von Teillichtbögen
aufteilenden Schaltlichtbogens.
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Sowohl
die Festkontakt-Leitschiene 28, als auch die Lichtbogenleitschiene 30 bestehen
aus einem ferromagnetischen Grundmaterial.
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Das
magnetische Feld des Blasmagneten 27 ist so gerichtet,
dass es gemäß der Lenz'schen Regel den Schaltlichtbogen
entlang der Festkontakt-Leitschiene 28 und dem Lichtbogenleitblech 30 durch
den Vorkammerraum 26 hin zum Einlauf 25 des Lichtbogenlöschblechpakets 24 treibt.
Weiterhin kann der stromführende
Leiter des Strompfades im Bereich der Vorkammer 26 so verlaufen,
dass das magnetische Feld, welches ihn bei Stromfluss umgibt, so
gerichtet ist, dass es gemäß der Lenz'schen Regel den Schaltlichtbogen entlang
der Festkontakt-Leitschiene 28 und dem Lichtbogenleitblech 30 durch
den Vorkammerraum 26 hin zum Einlauf 25 des Lichtbogenlöschblechpakets 24 treibt.
Insgesamt wird der Schaltlichtbogen also durch magnetische Kräfte von
der Kontaktstelle 18 weg in die Lichtbogenlöschkammer 23 geführt.
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Die
beiden Fußpunkte
des Schaltlichtbogens laufen dabei auf der Oberfläche der
Festkontakt-Leitschiene 28 und des Lichtbogenleitblechs 30.
Bei hohen Kurzschlussströmen
weisen die Festkontakt-Leitschiene 28 und das Lichtbogenleitblech 30 nach
der Lichtbogenlöschung
hohe Materialaufschmelzungen auf. Dadurch wird die Lebensdauer im
Kurzschlussfall und die Höhe
des maximalen Schaltvermögens
des Gerätes
begrenzt. Denn beim Aufschmelzen des Materials kann dieses teilweise
verdampfen oder abspritzen, und durch den entstehenden Metallnebel
kann es zu Kurzschlüssen
in dem Lichtbogenlöschblechpaket 24 oder
auch zwischen der Festkontakt-Leitschiene 28 beziehungsweise
dem Lichtbogenleitblech 30 und den sie flankierenden äußeren Lichtbogenlöschblechen 29, 31 kommen.
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Um
das zu verhindern, sind die Festkontakt-Leitschiene 28 an
der ersten Breitseite 330 ihres Schienenteils 329 und
die Lichtbogenleitschiene 30 an der ersten Breitseite 232 ihres
rechteckförmigen
Blechteils 231 mit einem die thermische Beständigkeit
erhöhenden
Material beschichtet. Die beschichteten Stellen sind die bezüglich der Aufschmelzungen
besonders kritischen Stellen. Es ist von großem Vorteil, wenn nicht die
gesamten Flächen
der Festkontakt-Leitschiene 28 und der Lichtbogenleitschiene 30 mit
diesem Material beschichtet sind.
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Denn
Materialien, welche die thermische Beständigkeit des ferromagnetischen
Grundmaterials erhöhen,
reduzieren auch die Lichtbogenbeweglichkeit. Dadurch würde der
Lichtbogen langsamer laufen, was einer gewünschten schnellen Lichtbogenlöschung entgegen
stünde.
Dadurch, dass nur die oben erwähnten
Teile der Festkontakt-Leitschiene 28 und der Lichtbogenleitschiene 30 mit
diesem Material beschichtet sind, bleibt die hohe Lichtbogenbeweglichkeit
auf denjenigen Teilen, die den Lichtbogen von der Kontaktstelle
zu der Lichtbogenlöschkammer 23 führen, erhalten,
an den besonders kritischen Stellen wird jedoch ein Aufschmelzen des
Materials verhindert.
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Durch
diese erfindungsgemäße Ausgestaltung
können
zwei sich eigentlich widersprechende Anforderungen erfüllt werden,
nämlich
sowohl eine hohe Lichtbogenbeweglichkeit zu gewährleisten, als auch ein Aufschmelzen
des Materials an den besonders kritischen Stellen zu verhindern.
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Als
Material, welches die thermische Beständigkeit erhöht, wird
ein Verbundmaterial verwendet, welches außer einem ersten Bestandteil,
dessen Schmelzpunkt nicht höher
liegt als der des ferromagnetischen Grundmaterials und eine bessere
Leitfähigkeit
hat als das ferromagnetische Grundmaterial, auch wenigstens einen
zweiten Bestandteil hat, welcher höher schmilzt als der erste
Bestandteil und auch einen höheren
Verdampfungspunkt hat als der erste Bestandteil. Der höher schmelzende
zweite Bestandteil, welcher unter Lichtbogeneinwirkung zunächst nicht
mit aufschmilzt, soll verhindern, dass der unter Lichtbogeneinwirkung
aufgeschmolzene, gut leitfähige
erste Bestandteil verspritzt wird. Die Menge und der Schmelzpunkt
des, zweiten Bestandteils wird so gewählt, dass diese Wirkung erzielt
wird.
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Eine
erfindungsgemäß verwendete
Beschichtung besteht beispielsweise zu 70% aus Kupfer und zu 30%
aus Wolfram und wird durch thermisches Spritzen in einer 0,25 Millimeter
dicken Schicht aufgetragen und anschließend durch Kaltwalzen verdichtet.
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Ein
zweites Beispiel für
eine erfindungsgemäß verwendete
Beschichtung besteht aus 55% Silber und 45% Molybdän und wird
durch Kaltwalz-Plattieren zu einer 0,1 Millimeter dicken Schicht
aufgetragen.
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Ein
drittes Beispiel einer erfindungsgemäß verwendeten Beschichtung
besteht aus 50% Silber und 50 Prozent Tantal und wird Warmwalzplattieren
durch zu einer etwa 0,15 Millimeter dicken Schicht verarbeitet.
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In
einem vierten Beispiel einer erfindungsgemäß verwendeten Beschichtung
wird auf das Grundmaterial ein Wolframkarbid-Pulver aufgebracht
und durch Kaltwalzen in die Oberfläche des Grundmaterials gedrückt. Dadurch
entsteht an der Oberfläche
des Grundmaterials eine Funktionsschicht aus dem Grundmaterial und
Wolframkarbid.
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Als
Grundmaterial können
bekannte ferromagnetische Bänder
aus Weicheisen, Eisen-Kobalt, Nickel-Kobalt verwendet werden, welche
nach der Beschichtung durch Stanzen und Biegen in die gewünschte Form
gebracht und weiterverarbeitet werden können.
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Um
eine Diffusion der Beschichtung in das Grundmaterial hinein zu verhindern,
kann man zwischen der Verbundschicht und dem Grundmaterial eine
Zwischenschicht vorsehen. In einem fünften Beispiel einer erfindungsgemäß verwendeten
Beschichtung wird auf dem Grundmaterial dazu zunächst galvanisch eine etwa 10 μm dicke Nickelschicht
aufgebracht und anschließend
eine etwa 0,2 mm dicke Verbundschicht aufgeschmolzen, welche zu
40% aus Kupfer und zu 60% aus Wolframkarbid besteht.
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Selbst
verständlich
ist die Erfindung nicht auf Beschichtungen der genannten Beispiele
beschränkt. Jede
Beschichtung, die die thermische Beständigkeit des ferromagnetischen
Grundmateriales erhöht,
ist von der Erfindung umfasst, wenn sie nur in den das Lichtbogenlöschblechpaket
flankierenden Bereichen der Festkontakt-Leitschiene und des Lichtbogenleitbleches
als Funktionsschicht verwendet wird. Bezugszeichenliste
| 10 | Leitungsschutzschalter |
| 11 | Gehäusehalbschale |
| 12, 13 | Klemmenaufnahmeraum |
| 14, 15 | Schmalseite |
| 16, 17 | Anschlussklemme |
| 18 | Kontaktstelle |
| 19 | Feststehendes
Kontaktstück |
| 20 | Schwenkbarer
Kontaktträger |
| 21 | Bewegliches
Kontaktstück |
| 22 | Schlagankersystem |
| 23 | Lichtbogenlöschkammer |
| 24 | Lichtbogenlöschblechpaket |
| 25 | Einlauf |
| 26 | Vorkammer |
| 27 | Blasmagnet |
| 28 | Festkontakt-Leitschiene |
| 29 | Erstes äußeres Lichtbogenlöschblech |
| 30 | Lichtbogenleitblech |
| 31 | Zweites äußeres Lichtbogenlöschblech |
| 230 | Blechstreifen |
| 231 | Blechteil |
| 232 | Erste
Breitseite des Blechteils 231 |
| 328 | U-förmiges Teil |
| 329 | Schienenteil |
| 330 | Erste
Breitseite des Schienenteils 329 |