DE102007010269A1

DE102007010269A1 - Fehlerstromschutzschalter und Kombigerät

Info

Publication number: DE102007010269A1
Application number: DE200710010269
Authority: DE
Inventors: Josef Herschberger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-03-02
Filing date: 2007-03-02
Publication date: 2008-09-04

Abstract

In einem Fehlerstromschutzschalter strebt eine Feder (24) danach, ein Hebelelement (12') zu verdrehen, um ein Schaltschloss zu entklinken. Ein Magnetsystem wirkt diesem Bestreben entgegen. Ein Fehlerstrom wird durch eine Spule (40) geleitet und schwächt wiederum die von dem Magneten ausgehende Kraft. Bei einem Fehlerstrom bewegt sich somit das Hebelelement (12') von einer Einschaltstellung in eine Ausschaltstellung zum Entklinken. Während dieser Bewegung ändert sich erfindungsgemäß der Angriffspunkt der Feder (24) an dem Hebelelement (12'), so dass der Hebelarm stark vergrößert wird und besonders hohe Kraft zum Entklinken zur Verfügung steht, welche aber für die Auslegung des Magnetsystems (16) nicht relevant war. Die Änderung des Angriffspunkts wird dadurch ermöglicht, dass ein Haken (30) der Feder (24) an einer Rolle (62) eingreift, die in einer Aussparung des Hebelelements (12') geführt ist und sich bei einer vorbestimmten Drehstellung des Hebelelements (12') unter der Wirkung der Schwerkraft von einer Position (A) in eine andere Position (B) bewegt und hierbei den Federhaken (30) mitnimmt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Fehlerstromschutzschalter nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, und sie betrifft auch ein Kombigerät aus einem Leistungsschutzschalter sowie einem Fehlerstromschutzschalter.
Ein Fehlerstromschutzschalter gemäß dem Stand der Technik, wie er im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 definiert ist, ist in den 1 und 2 ausschnittsweise im Querschnitt gezeigt.
Die 1 und 2 zeigen insbesondere den Auslösemechanismus des Fehlerstromschutzschalters: während in einem Einschaltzustand des Fehlerstromschutzschalters in den Figuren nicht gezeigte elektrische Kontakte geschlossen sein sollen, müssen diese zur Erzeugung eines Ausschaltzustands geöffnet werden. Hierzu wird ein in den 1 und 2 im Ganzen mit 10 bezeichnetes Schaltschloss entklinkt, und zwar mit Hilfe eines Hebelelements 12, das auch als Auslösehebel bezeichnet werden kann. Im in der 1 gezeigten Einschaltzustand ruht das Hebelelement 12. Es wird in der in 1 gezeigten Stellung gehalten. Verantwortlich hierfür ist ein in einem Auslösergehäuse 14 angeordnetes Magnetsystem 16. Das Magnetsystem 16 übt eine Kraft F₁ auf ein als Ankerelement dienendes Ankerplättchen 18 aus, welches vermittels eines Drahtbügels 20 an einem Ankerhalter 22 befestigt ist. Dieser Ankerhalter 22 steht in Wirkverbindung mit dem Hebelelement 12. An dem Hebelelement 12 greift nun auch eine Feder 24 an, und zwar ist diese an einer ihrer Seiten mit einem Haken 26 an einem Zapfen 28 eingehängt und an einer gegenüberliegenden Seite mit einem Haken 30 an einem Vorsprung 32 des Hebelelements 12 eingehängt. Der Angriffspunkt der Feder 24 an dem Hebelelement 12 ist somit feststehend, der Abstand zwischen dem Angriffspunkt des Hakens 30 und einer Drehachse 34 des Hebelelements bleibt beim Verschwenken des Hebelelements konstant.
Die Feder 24 übt nun eine Kraft F3 mit einem Hebelarm aus, der die Länge a hat. Über ein Rahmenelement 36 des Ankerhalters 22 wirkt das Hebelelement 12 auf den Ankerhalter ein, und durch die Hebegesetze wird aufgrund der Federkraft eine kleinere Kraft F₂ auf den Ankerhalter 22 ausgeübt. Die Kraft F₂ wirkt der durch das Magnetsystem 16 ausgeübten Kraft F₁ entgegen. Beim üblichen Betrieb des Fehlerstromschutzschalters bleibt die in 1 gezeigte Einschaltstellung dadurch erhalten, dass die Kraft F₁ größer als die Kraft F₂ ist oder diese gerade eben so ausgleicht. Das Ankerplättchen 18 berührt dann gerade die Oberfläche 38 des Magnetsystems 16. In dem Auslösergehäuse 14 ist nun auch eine Spule 40 bereitgestellt. Fließt nun ein Fehlerstrom, erzeugt die Spule 40 eine Magnet-Kraft, die der Kraft F₁ des Magnetsystems 16 entgegenwirkt. Sind die Kräfte F₁ und F₂ ausreichend präzise austariert, solange kein Fehlerstrom fließt, bewirkt ein bereits geringer Fehlerstrom, dass die reduzierte Kraft des Magnetsystems nicht mehr ausreicht, den Ankerhalter 22 mit dem Ankerplättchen 18 zu halten. Das Hebelelement 12 kann sich dann um seine Drehachse 34 drehen. Hierbei vergrößert sich der Hebelarm, vgl. Abstand a' in 2 mit Abstand a in 1, so dass ein Drehmoment M₁ durch die Feder 24 bereitgestellt wird, das an einem Endabschnitt 42 des Hebelelements 12 eine Kraft F₄ erzeugt, welche auf ein Gegenstück 44 des Schaltschlosses 10 einwirkt. Dabei erfolgt ein Entklinken im Bereich einer Verklinkung 46 des Schaltschlosses 10, und über einen in den 1 und 2 nicht gezeigten Mechanismus werden elektrische Kontakte getrennt, der Fehlerstromschutzschalter schaltet aus.
Das Schaltschloss 10 muss relativ hohe Kontaktkräfte in möglichst kleine Auslösekräfte am Hebelelement 44 übersetzen. Hebelmechanismen sorgen für Übersetzungsverhältnis mit einem Faktor von 500 bis 750. Je größer die Kraft F₄ ist, desto weniger aufwendig muss das Schaltschloss 10 gestaltet werden. Grundsätzlich wäre es aus diesem Grund wünschenswert, dass die von der Feder 24 ausgeübte Kraft F₃ möglichst hoch ist. Andererseits bewirkt eine hohe Kraft auch, dass die Kraft F₂ besonders hoch ist, und dann muss das Magnetsystem 16 besonders groß ausgelegt werden, was wegen des eingeschränkten Bauraums in typischen Fehlerstromschutzschaltern nicht erwünscht ist. Zudem gilt, dass je kleiner F₁ und F₂ sind, desto empfindlicher auf durch die Spule 40 fließende Ströme reagiert werden kann und ein zum Auslösekreis gehörender Summenstromwandler entsprechend klein und kostengünstig ausgelegt werden kann. Unter diesem Gesichtspunkt sollte die von der Feder 24 aufgebrachte Kraft F₃ besonders klein sein.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Fehlerstromschutzschalter der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass er kompakter gebaut werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Fehlerstromschutzschalter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist somit das Hebelelement des Fehlerstromschutzschalters so ausgebildet, dass sich während der Drehung des Hebelelements beim Übergang vom Einschaltzustand zum Ausschaltzustand der Angriffspunkt der Feder an dem Hebelelement ändert, wobei sich bevorzugt der Abstand dieses Angriffspunkts zur Drehachse vergrößert, bevor es zum Verklinken kommt.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird der Widerspruch zwischen den oben genannten Erfordernissen der hohen Empfindlichkeit des Auslösesystems gegenüber kleinen Fehlerströmen und der Notwendigkeit der Bereitstellung einer hohen Kraft zum Entklinken des Schaltschlosses aufgehoben. Dies wird dadurch möglich, dass die Feder in der Einschaltstellung an einem anderen Angriffspunkt angreift als beim Entklinken.
Bevorzugt ist diese Änderung des Angriffspunkts der Feder dadurch ermöglicht, dass das Hebelelement eine Rolle umfasst, an der ein Haken der Feder angreift. Das Bereitstellen einer Rolle ist konstruktiv einfacher als es etwa das Vorsehen von komplizierten Hebelkonstruktionen, z. B. von an dem Hebelelement ihrerseits angreifenden Zusatzhebeln, erfordern würde. Bevorzugt ist hierbei die Rolle in einer Führung des Hebel elements zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung rollbar. Durch das Definieren ausgezeichneter Stellungen ist es möglich, einen Angriffspunkt der Feder an dem Hebelelement für den Einschaltzustand einerseits und für das Entklinken andererseits zu definieren.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt der Wechsel der Rolle zwischen der ersten und der zweiten Stellung, bzw. auch wieder zurück, ohne äußere, gesonderte Einwirkelemente, sondern vielmehr unter der Wirkung der Schwerkraft. Es muss lediglich hierzu gewährleistet sein, dass innerhalb der Führung eine schiefe Ebene bereitgestellt ist. Bei vorgegebener (Einbau-)Orientierung des Fehlerstromschutzschalters wird bei der Drehung des Hebelelements beim Übergang von der Einschaltstellung des Fehlerstromschutzschalters in seine Ausschaltstellung eine vorbestimmte Drehstellung des Hebelelements erreicht, in der eine solche schiefe Ebene bereitgestellt ist, auf der die Rolle unter der Wirkung der Schwerkraft abrollt. Naturgemäß ist es bei einer einfachen Ausführungsform so, dass zunächst eine schiefe Ebene derart orientiert ist, dass die Rolle in der ersten Stellung verbleibt, dass dann die Führung genau waagerecht geht, so dass keine Seite bevorzugt ist, und dass dann bei einer weiteren Drehung des Hebelelements eine solche schiefe Ebene immer steiler wird, welche die Rolle in die zweite Stellung drängt.
Das Gerät, in dem die Erfindung verwirklicht wird, ist nicht auf die Funktionalitäten eines Fehlerstromschutzschalters beschränkt. Die Erfindung kann in einem Kombigerät aus einem Leistungsschutzschalter sowie einem Fehlerstromschutzschalter Anwendung finden.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführung der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in der:
1 eine Querschnittsdarstellung eines Ausschnitts eines Fehlerstromschutzschalters gemäß dem Stand der Technik in Ein-Stellung ist,
2 eine Querschnittsdarstellung eines Ausschnitts eines Fehlerstromschutzschalters gemäß dem Stand der Technik beim Entklinken ist,
3 eine Querschnittsdarstellung eines Ausschnittes eines erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalters in Ein-Stellung ist,
4 eine Draufsicht auf die in 3 gezeigten Bauelemente ist,
5 bei ähnlicher Darstellung wie in 3 veranschaulicht, wie zum Entklinken der Angriffspunkt einer Feder geändert wird, und
6 veranschaulicht, wie zum Zurückstellen der Angriffspunkt der Feder zurückgeändert wird.
Die meisten Bauteile des in 3 bis 6 gezeigten erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalters sind in ihrem Grundaufbau nicht anders als die Bauteile des Fehlerstromschutzschalters gemäß dem Stand der Technik, wie er in den 1 und 2 dargestellt ist, so dass vorliegend für funktionsgleiche Bauteile gleiche Bezugszahlen verwendet sind. Der erfindungsgemäße Fehlerstromschutzschalter zeichnet sich durch einen besonderen Aufbau des Hebelelements 12' aus. Anstelle des Fortsatzes 32, der im Stand der Technik einen Angriffspunkt für einen Haken 30 der Feder 24 bereitstellt, ist nunmehr an dem Hebelelement 12' eine Tasche 48 ausgebildet. In der Tasche 48 ist eine quaderförmige Aussparung 50 durch ein Rechteck bildende Wände 52, 54, 56 und 58 und einen Boden 60 gebildet. In der Aussparung 50 befindet sich eine Rolle 62, welche auf dem Boden 60 entlang rollen kann. In der Mitte des Bodens befindet sich ein Schlitz 64, durch den der Haken 30 der Feder 24 hindurchgeführt ist. Der Haken 30 greift an der Rolle 62 an. Die Rolle 62 ist spindelartig ausgeführt, und dies bedeutet, dass sie einen längs ihrer Rollachse variablen Durchmesser hat. Im Zentralbereich der Rolle ist der Durchmesser am kleinsten, so dass der Haken 30 der Feder 24 festgehalten wird. Zu den Randbereichen hin wird der Durchmesser größer. An den Randbereichen der Rolle 62 sind Laufflächen 66 ausgebildet. Der erfindungsgemäße Fehlerstromschutzschalter funktioniert nun un mittelbar nach dem Auftreten eines Fehlerstroms erst einmal nicht anders als der Fehlerstromschutzschalter des Standes der Technik: das Hebelelement 12' beginnt, sich zu verkippen. Vor dem Entklinken des Schaltschutzes 10 tritt jedoch folgende Änderung der Situation ein: die Tasche 48 wird mit dem Hebelelement 12' zusammen so gedreht, dass der Boden 60 kurzfristig waagrecht ist und dann eine schiefe Ebene bildet, deren tiefster Punkt anders als im Einschaltzustand gemäß 3 nicht mehr nahe an der Drehachse 34 ist, sondern fern der Drehachse 34. Dadurch, dass der Boden 60 eine schiefe Ebene bildet, rollt die Rolle 62 von der in 5 gestrichelten gezeigten Stellung A in die in 5 mit durchgezogenen Linien gezeigte Stellung B. Dadurch verzögert sich der Hebelarm radikal, siehe a''' in 5. Der Hebelarm zum Entklinken wird im Vergleich zum Stand der Technik gemäß 2 (a') mehr als verdoppelt, und dadurch verdoppelt sich F₄ unter ansonsten gleichen Bedingungen. Während im Stand der Technik eine Vergrößerung des Hebelarms (vgl. Abstand a in 1 mit Abstand a' in 2) eher gering ausfällt, wird bei der vorliegenden Erfindung eine besonders starke Vergrößerung des Hebelarms (vgl. Abstand a'' in 3 mit Abstand a''' in 5) genutzt. Damit lassen sich zwei Erfordernisse besser miteinander in Einklang bringen: Dass die Kräfte F₁ und F₂ nicht so hoch sein sollen, damit zur Messung empfindlich kleiner Fehlerströme die Spule 40 nicht so groß ausgelegt werden muss, und dass andererseits F₄ relativ groß sein soll, weil für das öffnen der Kontakte durch das Schaltschloss 10 große Kräfte erforderlich sind.
Die Vorteile der Erfindung können bei gleichbleibender Funktionalität der Einzelbauteile dazu genutzt werden, entweder die Feder 24 schwächer auszulegen und gleichzeitig das Magnetsystem 16 und die Spule 40 kleiner auszulegen und dadurch Platz zu sparen, oder auch lediglich das Schaltschloss 10 zu ändern: wenn das Schaltschloss 10 mit relativ großer Kraft F₄ entklinkt wird, bedarf es kleinerer Hebelwirkungen innerhalb des Schaltschlosses 10, wodurch ebenfalls Platz gespart werden kann. Naturgemäß können sowohl im Bereich der Feder 24, des Magnetsystems 16 und der Spule 40 einerseits und im Bereich des Schaltschlosses 10 andererseits Änderungen stattfinden, um die Vorteile der vorliegenden Erfindung zu nutzen.
6 veranschaulicht, dass der Hebel 12' über an sich bekannte Mechanismen zur Wiederherstellung der Einschaltstellung besonders stark gekippt wird, so dass die Rolle 62 unter Wirkung der Schwerkraft von der Stellung B in die Stellung A rollt.
Die Rolle 62 stellt ein bewegliches Bauteil des Hebelelements dar, mit Hilfe dessen der Angriffspunkt der Federkraft 24 veränderlich ist. Durch Bereitstellung der Tasche 48 muss zwar im Bereich des Hebelelements 12' im Vergleich zum Stand der Technik zusätzlicher Platz bereit gestellt werden, ein Vielfaches dieses Platzes kann jedoch an anderer Stelle eingespart werden, indem die Feder 24, das Magnetsystem 16, und die Spule 40 und/oder das Schaltschloss 10 kleiner ausgelegt werden.

Claims

Fehlerstromschutzschalter mit einem um eine Drehachse (34) drehbaren Hebelelement (12') und einem Magnetsystem (16), das auf ein an einem Ankerhalter (22) befestigtes Ankerelement (18) und damit den Ankerhalter (22) eine Kraft (F₁) ausübt, wobei der Ankerhalter (22) in Wirkverbindung mit dem Hebelelement (12') steht, und wobei durch eine Feder (24), die an dem Hebelelement (12') angreift, eine auf den Ankerhalter wirkende Kraft (F₂) in Gegenrichtung zur von dem Magnetsystem ausgeübten Kraft (F₁) ausgeübt wird, wobei in einem Einschaltzustand des Federstromschutzschalters die durch die Feder (24) hervorgerufene Kraft (F₂) am Ankerhalter (22) nicht ausreicht gegen die Kraft (F₁) des Magnetsystems (16) das Hebelelement (12') zu drehen, solange bis ein Fehlerstrom eine Kraft erzeugt, die ebenfalls dem Magnetsystem (16) entgegenwirkt, so dass sich dann das Hebelelement (12') dreht, ein Schaltschloss (10) entklinkt, und so einen Ausschaltzustand des Federstromschutzschalters hervorruft, dadurch gekennzeichnet, dass das Hebelelement (12') so ausgebildet ist, dass sich während der Drehung des Hebelelements (12') beim Übergang vom Einschaltzustand zum Ausschaltzustand der Angriffspunkt der Feder (24) an dem Hebelelement ändert.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hebelelement (12') eine Rolle (62) umfasst, an der ein Haken (30) der Feder (24) angreift.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rolle (62) in einer Führung (52, 56, 60) des Hebelelements (12') zwischen einer ersten Stellung (A) und einer zweiten Stellung (B) rollbar ist.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei vorgegebener Orientierung des Fehlerstromschutzschalters bei einer vorbestimmten Drehstellung des He belelements (12') eine schiefe Ebene bereitgestellt ist, auf der die Rolle unter der Wirkung der Schwerkraft abrollt.
Kombigerät aus einem Leistungsschutzschalter sowie einem Fehlerstromschutzschalter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.