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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Schutzschaltelement mit einem
ersten Leiterelement und einem zweiten Leiterelement, das zu dem
ersten Leiterelement parallel verläuft. Darüber
hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Schutzschaltverfahren
zum Schalten von Schutzelementen. Insbesondere betrifft die vorliegende
Erfindung Leitungsschutzschalter bzw. Leistungsschalter als derartige
Schutzelemente.
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Leitungsschutzschalter
bzw. Leistungsschalter sind Schutzelemente, die bei Überströmen
den Stromfluss durch Öffnen eines Kontaktes unterbrechen
und somit die Installation vor Schaden schützen. Bei Leitungsschutzschaltern
bzw. Leistungsschaltern ohne elektronischen Auslöser erfolgt
das Auslösen bei Überlast mittels eines Bimetalls
und bei Kurzschluss mittels eines Magnetsystems. Das Magnetsystem
besteht dabei im Wesentlichen aus einem magnetfelderzeugenden, stromführenden
Leiter – meist als Spule ausgebildet – und einem
ferromagnetischen Anker, der vom Magnetfeld angezogen und ab einer
Stromschwelle gegen eine Kraft (z. B. Federkraft) bewegt wird.
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Aus
der Druckschrift
EP
0 181 103 A2 ist ferner ein spezielles Ankersystem mit
Dämpfung des ferromagnetischen Ankers durch eine viskose
Flüssigkeit bekannt. Der Anker wird durch ein von einem stromführenden
Leiter erzeugtes Magnetfeld angezogen und unterliegt dem Effekt
der Sättigung. Damit führen auch höhere
Ströme nicht zwangsläufig zu einem schnelleren
Schließen des Schutzschalters.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Schaltelement
bereitzustellen, das ohne großen technischen Aufwand ein
zuverlässiges Schalten ermöglicht. Dabei ist es
wünschenswert, wenn das Schutzelement umso schneller reagiert
je höher der fließende Strom ist. Darüber
hinaus soll ein entsprechendes Schutzschaltverfahren bereitgestellt
werden.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe gelöst durch ein Schutzschaltelement mit
einem ersten Leiterelement und einem zweiten Leiterelement, das
zu dem ersten Leiterelement im Wesentlichen parallel verlauft, wobei
das zweite Leiterelement gegenüber dem ersten Leiterelement
beweglich und so angeordnet ist, dass es gegen eine Rückstellkraft
eine Bewegung ausführt, wenn die beiden Leiterelemente
von gleich oder entgegengesetzt gerichteten Strömen durchflossen
sind, wobei die Bewegung des zweiten Leiterelements für
eine Schutzschaltfunktion benutzt wird.
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Darüber
hinaus wird erfindungsgemäß bereitgestellt ein
Schutzschaltverfahren durch Bereitstellen eines ersten und eines
dazu im Wesentlichen parallelen und beweglichen zweiten Leiterelements, Durchfließenlassen
der beiden Leiterelemente mit gleich oder entgegengesetzt gerichteten
Strömen und Nutzen einer Bewegung des zweiten Leiterelements
für eine Schutzschaltfunktion.
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In
vorteilhafter Weise wird somit das Ampèresche Gesetz für
das Schalten des Schutzelements ausgenutzt. Dadurch kann insbesondere
gewährleistet werden, dass sich die Auslösezeit
mit steigendem Stromfluss verkürzt.
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Vorzugsweise
sind die beiden Leiterelemente parallel oder in Serie miteinander
verbunden. Wenn die beiden Leiterelemente parallel verbunden sind,
teilt sich der Stromfluss in beide parallelen Zweige auf und der
parallele Stromfluss führt zu einem gegenseitigen Anziehen
der beiden Leiterelemente. Sind die beiden Leiterelemente in Serie
miteinander verbunden und beispielsweise mäanderförmig
nebeneinander angeordnet, so führen die beiden antiparallel
verlaufenden Ströme dazu, dass sich die beiden Leiterelemente
gegenseitig abstoßen. Auch diese Bewegung kann zum Schalten
des Schutzschaltelements herangezogen werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das zweite bewegliche
Leiterelement von einem Medium umgeben, das zäher als Luft
ist. Durch die Zähigkeit kann die gewünschte Dämpfung bzw.
die entsprechende Schaltgeschwindigkeit eingestellt werden.
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Das
zweite, bewegliche Leiterelement kann ferner mit einer Kapselung
gegenüber dem ersten Leiterelement abgekapselt sein. Die
Kapselung dient vorzugsweise dafür, das dämpfende
Medium aufzunehmen.
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Entsprechend
einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Schutzschaltelements
können die Kapselung gegenüber dem ersten Leiterelement
entsprechend einer ersten Bewegung und das zweite Leiterelement
in der Kapselung entsprechend einer zweiten Bewegung beweglich sein,
wobei beide Bewegungen für die Schutzschaltfunktion nutzbar
sind. Hierbei ist es gegebenenfalls von Vorteil, wenn die beiden
Bewegungen relativ zueinander unterschiedlich gedämpft
sind. Somit lässt sich beispielsweise bei geringen Überströmen
ein gedämpftes, langsames Schalten und bei hohen Überströmen
ein sehr rasches Schalten erzielen.
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Die
beiden Leiterelemente können Abschnitte einer gemeinsamen
Leiterspirale darstellen. Damit kann das erfindungsgemäße
Prinzip dazu verwendet werden, dass sich die Leiterspirale bei Überstrom
zusammenzieht.
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Alternativ
kann das zweite Leiterelement gegenüber dem ersten Leiterelement
drehbeweglich gelagert sein. Damit werden die aufeinander wirkenden
Kräfte von zwei stromdurchflossenen Leitern für Schwenkbewegungen
genutzt, die detektierbar sind oder direkt mechanisch zum Schalten
verwendet werden können.
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Die
beiden Leiterelemente können aber auch Abschnitte einer
g-förmigen Leiterbahn sein. Hierdurch wird ein mittleres
Leiterstück von einem äußeren Leiterstück
angezogen und von dem anderen äußeren Leiterstück
abgestoßen, so dass sich eine Kraftverdoppelung ergibt.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert, in denen zeigen:
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1 eine
Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Schutzschaltelements
mit spiralförmigem Leiter gemäß einer
ersten Ausführungsform;
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2 eine
Seitenansicht eines Schutzschaltelements mit spiralförmigem
Leiter gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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3 eine
Draufsicht auf das Schutzschaltelement von 1 oder 2;
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4 einen
Schnitt durch das Schutzelement von 1 oder 2;
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5 ein
Schutzschaltelement mit drehbeweglichem Leiterabschnitt gemäß einer
dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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6 ein
Schutzschaltelement mit g-förmigem Leiter gemäß einer
vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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7 ein
Schutzschaltelement mit beweglicher Kapselung gemäß einer
fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
und
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8 ein
Schutzschaltelement mit beweglicher Kapselung gemäß einer
sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die
nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele
stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
dar.
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Nach
dem Ampèreschen Gesetz wirkt zwischen zwei parallelen Strombahnen
bei gleicher Stromrichtung eine anziehende Kraft, die proportional
zum Produkt der beiden Ströme und zur Länge der
parallel geführten Strombahn und indirekt proportional
zum Abstand der parallel geführten Strombahnen ist. Fließt
nun ein genügend großer Strom über die
zwei parallel angeordneten Leiter und ist dabei einer der beiden
Leiter beweglich, so führt die entstehende Kraft zu einer
Bewegung des bewegli chen Leiters. Diese Bewegung kann für
das Auslösen des Schutzelements genutzt werden.
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Entsprechend
dem Beispiel von 1 wird als auslösendes
Element eines Schutzschalters eine spiralförmig gewickelte
Strombahn 1 genutzt. Der innerste Abschnitt 2 der
spiralförmigen Strombahn 1 ist hier starr ausgeführt.
Gemäß dem Beispiel von 2 ist auch
das innerste Segment der Strombahn 1 als flexibles Leiterstück
ausgebildet.
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Fließt
nun ein Strom beispielsweise von der Innenseite der Spirale nach
außen oder umgekehrt, so ziehen sich die nebeneinander
angeordneten Leiterabschnitte an, da in ihnen der Strom jeweils
in gleicher Richtung fließt. Insgesamt zieht sich somit
die gesamte Spirale zusammen. Die erste Variante gemäß 1 hat
dabei unter Umständen den Vorteil, dass das Zusammenziehen
der Spirale definierter erfolgt.
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Die
spiralförmigen Strombahnen beider Ausführungsbeispiele
von 1 und 2 sind jeweils in einer Kapselung 3 untergebracht.
Die Kapselungen 3 sind mit einem dämpfenden Medium 4,
z. B. einem schweren Gas, einer zähen Flüssigkeit
usw., gefüllt. Mit dieser Dämpfung wird erreicht,
dass sich die Spirale nicht ungewünscht schnell, sondern
entsprechend langsam zusammenzieht. Folglich löst das Schutzschaltelement
langsamer als im ungedämpften Fall aus.
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In 3 ist
eine Draufsicht auf die spiralförmige Strombahn 1 bzw. 1' in
der in den 1 und 2 dargestellten
Schnittebenen A dargestellt. Auf einem spiralförmigen,
isolierenden Träger 5 ist eine Leiterbahn 6 angeordnet.
Sie besteht aus zwei entlang der Spirale verlaufenden parallelen
Leiterbahnabschnitten, die am Ende der Spirale miteinander verbunden
sind. Im Zentrum der Spirale ist jeweils ein Kontakt 7, 8 mit
einem der beiden parallelen Leiterbahnabschnitte verbunden. Die
beiden Kontakte 7 und 8 sind durch die Kapselung 3 nach
außen geführt. Weiterhin ist zu erkennen, dass
die Spirale 1, 1' frei in dem dämpfenden
Medium 4 innerhalb der Kapselung 3, nur gehalten
durch die Kontakte 7, 8, angeordnet ist.
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Bei
der gewählten Anordnung fließt der Strom durch
einen der beiden Kontakte 7, 8, durch einen der
beiden parallelen Leiterbahnabschnitte in der Spirale nach außen,
durch den anderen parallelen Leiterbahnabschnitt in der Spirale
wieder nach innen und verlässt die Spirale bzw. die Kapselung
am jeweils anderen Kontakt 7, 8. Die radial übereinander liegenden
Abschnitte der Spirale bewirken bei Stromfluss ein gegenseitiges
Anziehen, so dass sich die Spirale insgesamt zusammenzieht. Das äußere Ende
der Spirale kann sich dabei insbesondere auch in Umfangsrichtung
frei bewegen.
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Die
Bewegung des Spiralenendes bzw. eines beliebigen anderen Abschnitts
der Spirale lässt sich auf beliebige Art und Weise detektieren.
Beispielsweise können hier optische, elektrische und andere
Ausleseverfahren herangezogen werden. Wenn die Kapselung 3 und
das dämpfende Medium 4 durchsichtig sind, kann
die Bewegung der Spirale beispielsweise optisch erfasst werden.
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Parallel
angeordnete Strombahnen lassen sich aber auch durch Aufteilung der
Strombahn oder durch Rückführung der Strombahn
erzeugen. Im ersten Fall ergibt die Summe der Teilströme
in den beiden parallelen Strombahnen den Überstrom, im zweiten
Fall fließt in beiden parallelen Strombahnen der Überstrom.
In 5 ist ein drittes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Schutzschaltelements dargestellt,
wobei der Strom hier in zwei parallele Strombahnen aufgeteilt ist.
Die Aufteilung des Strompfads erfolgt in eine feste erste Strombahn 10 und
in eine an einem Lager 11 drehbar gelagerte zweite Strombahn 12.
Die zweite Strombahn 12 ist durch eine Spiralfeder 13 im
vorliegenden Beispiel gegen den Uhrzeigersinn vorgespannt. Wenn
sich also die beiden Strombahnen 10, 12 nicht
anziehen, werden sie durch die Spiralfeder 13 in die in 5 dargestellte
Position auseinandergedreht.
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Der
gesamte Stromleiter ist hier also in zwei parallele Pfade aufgeteilt,
wobei die bewegliche Strombahn 12 durch flexible Abschnitte 14, 15 mit dem
festen Abschnitt, nämlich der ersten Strombahn 10 verbunden
ist. Fließt nun ein Strom I0 durch
das Schutzschaltelement bzw. dessen Auslöser, so teilt er
sich in den parallelen Zweigen, nämlich der ersten Leiterbahn 10 und
der zweiten Leiterbahn 12 in die Teilströme I1 und I2 auf. Aufgrund
des Ampèreschen Gesetzes ziehen sich nun die beiden Leiterelemente 10 und 12 an,
so dass das drehbare zweite Leiterelement 12 nach unten,
d. h. zu dem ersten Leiterelement 10 hin schwenkt. Diese
Schwenkbewegung ist möglich, da an beiden Enden des zweiten
Leiterelements 12 die flexiblen Leiterstücke 14 und 15 angeordnet
sind.
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Zur
Detektion der Bewegung des zweiten Leiterelements 12 ist
an diesem ein Arm 16 in der Nähe des Drehlagers 11 angebracht.
Dieser Arm 16 vollführt somit die gleiche Drehbewegung
wie das zweite Leiterelement 12. Am freien Ende des Arms 16 ist
ein Magnet 17 angeordnet, der ein die Kapselung 18 durchdringendes
Magnetfeld erzeugt. Ein Magnetfeldsensor 19 detektiert
die Anwesenheit bzw. die Position des Magnets 17, somit
kann auf die Bewegung des zweiten Leiterelements 12 bzw.
des Stroms I0 indirekt geschlossen werden.
Anstelle des Magnetfeldsensors 19 kann durch den Permanentmagneten 17 auch
berührungslos ein ferromagnetischer Auslösehebel
außerhalb der Kapselung 18, d. h. außerhalb
des Auslösesystems, z. B. für ein Schaltschloss
betätigt werden.
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Das
Auslösesystem ist hier durch eine Kapselung 18 umgeben.
Sie ist gefüllt mit einem zähen, dämpfenden
Medium 20, z. B. eine Flüssigkeit oder ein Gas.
Damit lässt sich die Bewegung des zweiten Leiterelements 12 dämpfen
und so die Auslösezeiten des Auslösesystems verlängern.
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In 6 ist
eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Auslösesystems dargestellt. Es besitzt im Wesentlichen
einen g-förmigen Leiter 21. Ein mittlerer Abschnitt 22 des
Leiters 21 ist beweglich ausgestaltet. Der Leiter 21 ist
wie derum vollständig mit einer Kapselung 23 umgeben,
die ein dämpfendes Medium 24 beinhaltet. Bei dem
in 6 mit Pfeilen 25 eingetragenen Stromfluss
durch den Leiter 21 ergibt sich das in der Zeichnung mit
konzentrischen Ringen bzw. Pfeilen dargestellte Magnetfeld 26.
Es führt dazu, dass sich die beiden unteren Leiterabschnitte
des Leiters 21 abstoßen und die beiden oberen
Leiterabschnitte anziehen. Da der mittlere Leiterabschnitt 22 beweglich
ist, wird er sich nach oben bewegen. Auch bei umgekehrter Stromrichtung wird
sich die gleiche Bewegung des beweglichen Abschnitts 22 einstellen.
Die Bewegung des mittleren Abschnitts 22 ist wieder durch
die bereits oben genannten Möglichkeiten detektierbar.
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7 zeigt
eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Auslösersystems. Sein Aufbau entspricht annähernd
dem von 5. Ein bewegliches zweites Leiterelement 31 ist
in einer Kapselung 32 angeordnet. Das Leiterelement 31 ist
an einem Lager 33 drehbeweglich gelagert. Ein mit dem beweglichen,
zweiten Leiterelement 31 fest verbundener Arm 34,
der an seinem freien Ende mit einem Permanentmagneten 35 bestückt
ist, überträgt die Bewegung des zweiten Leiterelements 31 an
einen Auslösehebel oder Magnetfeldsensor 36, der
außerhalb der Kapselung 32 angeordnet ist.
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Das
zweite Leiterelement 31 ist an der Seite des Drehlagers 33 mit
einem Kontakt 37 von außen kontaktiert. Auf der
anderen Seite des zweiten Leiterelements 31 befindet sich
ein flexibles Leiterstück 38, das mit einem entsprechenden
Kontakt 39 nach außen geführt ist. Dieser
Kontakt 39 ist mit einem flexiblen Verbindungsstück 40 mit
dem festen ersten Leiterelement 41 verbunden, das sich
im Wesentlichen parallel zu dem zweiten Leiterelement 31 erstreckt. Das
erste Leiterelement 41 verläuft jedoch außerhalb der
Kapselung 32. Die Kapselung 32 ist außerdem gegenüber
dem ersten Leiterelement 41 beweglich. Die Bewegungsmöglichkeit
wird in 7 durch Federn 42, 43 symbolisiert
(gegebenenfalls auch drehbeweglich). Diese Relativbewegung zwischen
der Kapselung 32 und dem ers ten Leiterelement 41 kann eine
Linearbewegung aber auch eine Drehbewegung oder Kombination von
beiden sein.
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Da
die beiden Leiterelemente 31 und 41 hier in Reihe
geschaltet sind und sich dabei entgegengesetzte Stromrichtungen
in beiden Leiterelementen ergeben, werden sie sich gemäß dem
Ampèreschen Gesetz abstoßen. Die Kräfte
der Federn 42 und 43 können nun so ausgelegt
sein, dass bei einem geringen Kurzschlussstrom lediglich eine gedämpfte
Bewegung des zweiten Leiterelements 31 in der mit einem
dämpfenden Medium 44 gefüllten Kapselung 32 zustande
kommt. Ist hingegen der Kurzschlussstrom ausreichend hoch, so dass
die abstoßenden Kräfte der beiden Leiterelemente 31, 41 die
Federkräfte der Federn 42, 43 ohne weiteres überwinden,
so bewegt sich die gesamte Kapselung 32 gegenüber
dem ersten Leiterelement 41. Dies erfolgt ungedämpft,
so dass es zu einem raschen Auslösen kommt. Die Dynamik
des Auslösesystems ist somit stromabhängig durch
zwei Bereiche gekennzeichnet: Die gedämpfte Bewegung des
zweiten Leiterelements 31 in der Kapselung 32 und
die ungedämpfte Bewegung der Kapselung 32 gegenüber
dem festen, ersten Leiterelement 41.
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Eine
sechste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Auslösesystems ist in 8 wiedergegeben.
Der Aufbau entspricht im Wesentlichen dem des Ausführungsbeispiels
von 5, wobei jedoch der feste Leiterabschnitt 61 entsprechend
dem Beispiel von 7 außerhalb der Kapselung 52 verläuft.
Ein bewegliches zweites Leiterelement 51 ist in einer Kapselung 52 angeordnet.
Das Leiterelement 51 ist an einem Lager 53 drehbeweglich
gelagert. Ein mit dem beweglichen, zweiten Leiterelement 51 fest verbundener
Arm 54, der an seinem freien Ende mit einem Permanentmagneten 55 bestückt
ist, überträgt die Bewegung des zweiten Leiterelements 51 an
einen Auslöserhebel oder Magnetfeldsensor 56,
der außerhalb der Kapselung 52 angeordnet ist.
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Das
zweite Leiterelement 51 ist an der Seite des Drehlagers 53 über
ein bewegliches Leiterstück 57 mit einem Kontakt 65 von
außen kontaktiert. Auf der anderen Seite des zweiten Leiterelements 51 befindet
sich ein flexibles Leiterstück 58, das mit einem entsprechenden
Kontakt 59 nach außen geführt ist. Dieser
Kontakt 59 ist mit einem flexiblen Verbindungsstück 60 mit
dem festen ersten Leiterelement 61 verbunden, das sich
im Wesentlichen parallel zu dem zweiten Leiterelement 51 erstreckt.
Das erste Leiterelement 61 verlauft, wie erwähnt,
außerhalb der Kapselung 52. Die Kapselung 52 ist
außerdem gegenüber dem ersten Leiterelement 61 beweglich. Die
Bewegungsmöglichkeit wird in 8 ebenfalls lediglich
durch Federn 62, 63 symbolisiert. Die Relativbewegung
zwischen der Kapselung 52 und dem ersten Leiterelement 61 kann
eine Linearbewegung aber auch eine Drehbewegung oder Kombination von
beiden sein.
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An
der Seite des Kontakts 65 ist das zweite Leiterelement 51 über
ein flexibles Leiterstück 66 mit dem ersten Leiterelement 61 verbunden.
Wie in dem Beispiel von 5 teilt sich dadurch der in
das Auslösesystem hineinfließende Strom I0 in die zwei parallelen Teilströme
I1 und I2 auf. Nach
dem Ampèreschen Gesetz ziehen sich daher das erste Leiterelement 61 und
das zweite Leiterelement 51 an. Ähnlich dem Ausführungsbeispiel
von 7 können die Kräfte der Federn 62 und 63 so
ausgelegt sein, dass bei einem geringen Kurzschlussstrom lediglich
eine gedämpfte Bewegung des zweiten Leiterelements 51 in der
mit einem dämpfenden Medium 64 gefüllten
Kapselung 52 zustande kommt. Ist hingegen der Kurzschlussstrom
ausreichend hoch, so dass die anziehenden Kräfte der beiden
Leiterelemente 51, 61 die Federkräfte
der Federn 62, 63 ohne weiteres überwinden,
so bewegt sich die gesamte Kapselung 52 gegenüber
dem ersten Leiterelement 61. Dies erfolgt ungedämpft,
so dass es zu einem raschen Auslösen kommt. Die Dynamik
des Auslösesystems ist somit stromabhängig durch
zwei Bereiche gekennzeichnet: Die gedämpfte Bewegung des
zweiten Leiterelements 51 in der Kapselung 52 und
die ungedämpfte Bewegung der Kapselung 52 gegenüber
dem festen, ersten Leiterelement 61.
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Darüber
hinaus sind noch weitere Varianten mit verschiebbaren Strombahnen
und meanderförmigen Strombahnen zu Erhöhung der
Leiterlänge oder auch Auslösesysteme mit antiparalleler
Stromführung vorstellbar. Grundsätzlich ist jedoch
zu beachten, dass die Kraft, mit der sich die Leiter anziehen bzw.
abstoßen, mit zunehmendem Abstand abnimmt.
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Entsprechend
einer weiteren Ausführungsform wird eine Sperrklinke eingesetzt,
die die bewegliche Strombahn erst ab einer vorgegebenen Kraft frei
gibt, so dass der Auslöser erst ab einem bestimmten Stromschwellwert
aktiv wird.
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Die
oben dargestellten Ausführungsformen wie auch die vorliegende
Erfindung insgesamt profitieren von der Gegebenheit, dass die Kraft
aufgrund des Ampèreschen Gesetzes mit zunehmendem Überstrom
zunimmt, so dass bei zunehmendem Strom die Auslösezeit
aufgrund zunehmender Kräfte abnimmt. Eine zunehmende Kraft
bewirkt eine schnellere Verdrängung des dämpfenden
Mediums und damit eine größere Beschleunigung
und eine kürzere Laufzeit bis zur Entklinkung. Dabei entsteht im
Gegensatz zu den herkömmlichen Magnetsystemen kein Sättigungseffekt.
Die oben beschriebenen Auslösesysteme können einerseits
durch Verstellung der Rückstellkraft oder andererseits
durch Verstellung des Ruheabstands eingestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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