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Die
Erfindung betrifft einen elektrischen Leistungsschalter gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Elektrische
Leistungsschalter zur Stromunterbrechung, beispielsweise bei einem
Kurzschluss, sind bekannt. Sie weisen dazu einen Unterbrecher mit
mindestens einem Kontakt auf, welcher aus zwei Kontaktstücken gebildet
wird. Zum Öffnen
und Schließen
des Kontakts wird eines der beiden Kontaktstücke bewegt. Der Unterbrecher
kann als Doppelunterbrecher mit einem verschwenkbaren zweiarmigen
Hebel ausgebildet sein, der an seinen freien Enden das bewegliche
Kontaktstück
trägt.
Zwischen den Kontaktstücken
baut sich nach dem Öffnen
der Kontakte ein Lichtbogen auf. Der Lichtbogen ist elektrisch leitfähig und
muss schnellstmöglich
zum Erlöschen
gebracht werden, um den Stromfluss zwischen den Kontaktstücken zu
unterbinden, insbesondere um nachgeordnete Verbraucher und Verteiler
zu schützen.
Ein schnelles Erlöschen
des Lichtbogens ist auch für
die Lebensdauer des Leistungsschalters entscheidend, da der Lichtbogen
die Kontaktstücke abbrennen
lässt,
was für
den Leistungsschalter zusätzlich
eine erhebliche thermische Belastung darstellt. Zum Löschen des
Lichtbogens werden Löschbleche
verwendet, in welche der Lichtbogen mittels Magnetfeldern gedrückt oder
gezogen wird. Das strombegrenzende Verhalten des Leistungsschalters wird
dabei maßgeblich
durch die Zeitdauer bestimmt, welche die beweglichen Kontaktstücke bei
Erreichen oder Überschreiten
einer vorgegebenen Auslöseschwelle
benötigen,
um eine definierte Öffnungsstrecke
zurückzulegen.
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Die
Energie zum Beschleunigen der beweglichen Kontaktstücke und
damit zum Öffnen
der Kontakte wird dem durch den Schalter fließenden Strom entnommen. Die
Beschleunigung erfolgt mittels der magnetischen Kräfte des
Magnetfelds, das von der sogenannten Hauptleiterschleife erzeugt
wird. Durch die magne tischen Kräfte
der Hauptleiterschleife werden die beweglichen Kontaktstücke vom
Festkontaktstück
quasi weggedrückt.
Die Hauptleiterschleife ist die Leiterschleife, die von dem Hebel
und dem Ende der Strombahn gebildet wird, welche das Festkontaktstück trägt. Bei
geöffnetem
Kontakt ist der Lichtbogen Teil der Hauptleiterschleife. Um eine
relativ geschlossene Hauptleiterschleife mit den entsprechend großen Magnetfeldkräften zu
erzeugen, wird die Strombahn, die das Festkontaktstück trägt, U-förmig zum
Festkontaktstück
geführt,
was allerdings mit einem unerwünschten
parasitären
Magnetfeld verbunden ist, welches das Magnetfeld der Hauptleiterschleife
schwächt,
und zwar vorwiegend im Bereich des Festkontaktstücks. Dadurch wird nicht nur
die Beschleunigung des beweglichen Kontaktstücks sondern auch die Kraft
verringert, die den Lichtbogen in die Löschbleche drückt, die
sich in der Nähe
des Festkontaktstücks
befinden, da die magnetischen Kräfte
des parasitären
Magnetfelds den Lichtbogen aus den Löschblechen drücken.
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Der
schwächende
Einfluss kann verringert werden, wenn der Schleifenabstand der U-förmigen Strombahnschleife
vergrößert wird,
was allerdings auf Kosten der Bauhöhe geht und damit den Leistungsschalter
vergrößert.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Leistungsschalter vorzuschlagen,
bei dem die Beschleunigung des beweglichen Kontaktstücks und
das Löschen
des Lichtbogens verbessert sind.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; die
Unteransprüche
entsprechen vorteilhaften Ausgestaltungen.
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Die
Lösung
sieht vor, dass die Strombahnen von den beiden Anschlussklemmen
jeweils so geführt
sind, dass sie im Bereich des Festkontaktstücks bezogen auf das Festkontaktstück auf der
dem beweglichen Kontaktstück
abgewandten Seite nebeneinander verlaufen und dass der Strom in
diesem Bereich jeweils in die gleiche Richtung fließt. Die
Lösung
sieht also keine Stromschleife unter den Festkontaktstücken mehr
vor, sondern die Strombahnen werden so geführt, dass sie das Magnetfeld
der Hauptleiterschleife, zu der auch der Lichtbogen gehört, verstärken. Damit
verbunden ist eine erhöhte Beschleunigung
des beweglichen Kontaktstücks. Weiter
wird der Lichtbogen im Bereich des Festkontaktstücks verstärkt in die Löschbleche
getrieben.
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Eine
technisch einfache Ausführung
sieht vor, dass zur Stromunterbrechung ein Unterbrecher vorgesehen
ist, der zumindest einen verschwenkbaren Hebel umfasst, welcher
an seinem freien Ende das bewegliche Kontaktstück trägt, welches mit dem Festkontaktstück den Kontakt
bildet, der die Form eines Drehkontakts aufweist, wobei der Strom
bei geschlossenem Drehkontakt über
den Drehkontakt und den Hebel fließt.
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Die
Größe des Leistungsschalters
lässt sich verringern,
wenn der Unterbrecher als Doppelunterbrecher mit einem verschwenkbaren
zweiarmigen Hebel ausgebildet ist, welcher an seinen freien Enden
je ein bewegliches Kontaktstück
trägt,
das jeweils mit einem Festkontaktstück einen Drehkontakt bildet,
wobei der Strom bei geschlossenen Drehkontakten über den die beiden Drehkontakte
verbindenden zweiarmigen Hebel fließt.
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Bei
einer einfachen Ausführung
mit einem zweiarmigen Hebel sind die Strombahnen am Drehpunkt des
zweiarmigen Hebels beidseitig vorbeigeführt.
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Die
Funktion des Leistungsschalters verbessert sich, wenn die Strombahnen
symmetrisch zur Drehachse des zweiarmigen Hebels verlaufen.
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Das
Löschen
des Lichtbogens lässt
sich dadurch verbessern, dass die Strombahnen im Öffnungsbereich
der Drehkontakte so geführt
sind, dass die Richtung des Stroms durch die Strombahnen entgegen
der Richtung des Stroms durch den Lichtbogen ist, der sich beim Öffnen der
Drehkontakte zwischen den Kontaktstücken ausbildet.
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Eine
weitere Verbesserung sieht vor, dass die beiden Strombahnen im Bereich
des zweiarmigen Hebels geteilt ausgebildet sind und sich der zweiarmige
Hebel durch die beiden Teilstrombahnen hindurch erstreckt.
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Technisch
einfach ist es, wenn in der Strombahn zur Teilung ein schlitzförmiger Durchbruch
vorgesehen ist.
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Das
Verlöschen
des Lichtbogens verbessert sich, wenn neben der Bewegungsbahn des
beweglichen Kontaktstücks
Löschbleche
angeordnet sind, die quer zur Bewegungsbahn verlaufen und neben denen
wiederum die Strombahn so entlang geführt ist, dass der Strom durch
die Strombahn im Bereich der Löschbleche
und durch den Lichtbogen jeweils in die gleiche Richtung fließt.
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Der
Lichtbogen lässt
sich besser in den Löschblechen
halten, wenn die Strombahn als geteilte Strombahn mit zwei parallel
zueinander verlaufenden Teilstrombahnen ausgebildet ist und die
Löschbleche
jeweils zwischen diesen beiden Teilstrombahnen angeordnet sind.
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Eine
technisch einfache Ausführung
sieht vor, dass der Unterbrecher als Einfachunterbrecher mit einem
verschwenkbaren einarmigen Hebel ausgebildet ist und dass beide
Strombahnen auf der gleichen Seite an der Drehachse des Hebels vorbeigeführt sind.
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Technisch
am einfachsten ist es, wenn die beiden Strombahnen sich unterhalb
des Festkontaktstücks
kreuzen.
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Eine
einfache Lösung
für das
Kreuzen sieht vor, dass eine Strombahn als geteilte Strombahn ausgebildet
und die andere Strombahn zwischen diesen beiden Teilstrombahnen
hindurchbeführt
ist.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 einen
Leistungsschalter mit einem Doppelunterbrecher in einer schematischen
räumlichen
Darstellung,
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2 einen
Längsschnitt
des Leistungsschalters gemäß 1,
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3 die
Seitenansicht gemäß 2 mit eingezeichneten
Magnetfeldern,
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4 den
Leistungsschalter gemäß 1 mit
geteilten Strombahnen,
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5 den
Leistungsschalter gemäß 1 mit
zwischen Strombahnen angeordneten Löschblechen,
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6 eine
Leistungsschalter mit einem Einfachunterbrecher mit einem verschwenkbaren
einarmigen Hebel und
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7 den
Leistungsschalter gemäß 6 mit
in einer Seitenansicht mit eingezeichneten Magnetfeldern.
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1 zeigt
schematisch den Aufbau eines elektrischen Leistungsschalters mit
Anschlussklemmen 1, 2 in einer räumlichen
Darstellung. Über
die netzseitige Anschlussklemme 1 wird der Leistungsschalter
an ein Stromversorgungsnetz angeschlossen und über die lastseitige Anschlussklemme 2 an einen
nachgeordneten Verbraucher (beide nicht gezeigt).
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Die
Anschlussklemmen 1, 2 bilden jeweils ein freies
Ende eines metallischen Rahmens 3, 4, welcher
gleichzeitig die Strombahnen 5, 6 des Leistungsschalters
bildet. Am gegenüberliegenden
Ende der beiden Rahmen 3, 4 ist jeweils ein Fest kontaktstück 7, 8 befestigt.
Die Stromunterbrechung des Stroms erfolgt mittels eines Doppelunterbrechers
mit einem zweiarmigen Hebel 9, der um die Schwenkachse 10 verschwenkbar
ist. Der Hebel 9 trägt
an seinen freien Enden jeweils ein bewegliches Kontaktstück 11, 12.
Die Kontaktstücke 7, 11 und 8, 12 bilden jeweils
einen Drehkontakt.
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Unmittelbar
nach dem Öffnen
bildet sich im Auslösefall,
d. h. z. B. im Kurzschlussfall, zwischen den Kontaktstücken 7 und 11 sowie 8 und 12 ein Lichtbogen 13 aus.
Durch die Strombahnen 5, 6, die Kontaktstücke 7, 8, 11, 12,
den zweiarmigen Hebel 9 und den Lichtbogen 13 fließt dann
ein Strom I, der in 1 durch schwarze Pfeile dargestellt
ist. Die Strombahn 5, der Lichtbogen 13 auf der
rechten Seite in 1 und der Arm des zweiarmigen
Hebels 9 auf der rechten Seite in 1 bilden
eine sogenannte Hauptschleife; die andere Hauptschleife wird von der
Strombahn 6, dem Lichtbogen 13 auf der linken Seite
in 1 und dem Arm des zweiarmigen Hebels 9 auf
der linken Seite in 1 gebildet. (Bei geschlossenen
Drehkontakten werden die Hauptschleifen jeweils nur von einer Strombahn 5, 6 und
dem zugehörigen
Arm des Hebels 9 gebildet.) Die vom Stromfluss durch die
beiden Hauptschleifen bewirkten Magnetfelder B1, B2 erzeugen am
Hebel 9 angreifende Magnetkräfte FL (s. 3),
welche den Hebel 9 beschleunigen und so im Auslösefall die Drehkontakte öffnen.
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Im
Bereich der Festkontaktstücke 7, 8 verlaufen
die beiden Abschnitte 14, 15 und 16, 17 unmittelbar
nebeneinander (hier im Ausführungsbeispiel parallel
nebeneinander) und der Strom I fließt durch die beiden Abschnitte 14, 15 und
durch die beiden Abschnitte 16, 17 der Strombahnen 5, 6 jeweils
in die gleiche Richtung. Seitlich neben den beiden Lichtbögen 13 befinden
sich noch Löschbleche 18 zum schnelleren
Löschen
der Lichtbögen 13.
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Die
Strombahnen 5, 6 verlaufen beidseitig an der Drehachse 10 des
Hebels 9 vorbei. (In 1 verlaufen
diese symmetrisch zur Drehachse 10.)
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Weiter
sind die beiden Strombahnen 5, 6 im Bereich des
Hebels 9 geteilt ausgebildet und der Hebel 9 verläuft durch
die beiden Teilstrombahnen 5a, 6a hindurch. Die
Teilung hat hier die Form eines in den Strombahnen 5, 6 vorgesehenen
Schlitzes. Durch jede der so gebildeten Teilstrombahnen 5a, 6a fließt der halbe
Strom I, also I/2.
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In 2 ist
ein Längsschnitt
durch den elektrischen Leistungsschalter gemäß 1 gezeigt.
Dabei ist in 2 gut zu erkennen, dass die
Strombahnen 5, 6 im Öffnungsbereich der Drehkontakte
und damit im Bereich der Lichtbögen 13 so
geführt
sind, dass die Richtung des Stroms I durch die Teilstrombahnen 5a, 6a und
damit durch die Strombahnen 5, 6 entgegengesetzt
zur Stromrichtung durch den Lichtbogen 13 ist.
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Weiter
sind die Strombahnenabschnitte 5c, 6c neben den
Löschblechen 17 jeweils
so geführt, dass
der Strom I durch die Strombahnenabschnitte 5c, 6c und
durch den unmittelbar benachbarten Lichtbogen 13 jeweils
in die gleiche Richtung fließt (Strombahnenabschnitt 5c und
Lichtbogen 13 auf der linken Seite sowie Strombahnenabschnitt 6c und Lichtbogen 13 auf
der rechten Seite).
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3 zeigt
zusätzlich
die Magnetfelder B1, B2, B3 und B4 im Leistungsschalter von 2.
Die Magnetfelder B1 (Strich-Punkt-Linie), B2 (gestrichelte Linie)
sind die Magnetfelder der Hauptschleifen und die parasitären Magnetfelder
B3 (durchgehende Linie) sind die Magnetfelder der "Nebenschleifen" im Bereich der Festkontaktstücke 7, 8 bzw.
im Bereich der beiden jeweils parallel nebeneinander verlaufenden
Abschnitte 14, 15 und 16, 17.
Die Magnetfelder B1, B2 setzen sich jeweils aus den vom Stromfluss durch
den Lichtbogen 13 und den vom Stromfluss durch den zugehörigen Hebelarm
bewirkten Magnetfeldern zusammen. In 3 ist anschaulich
dargestellt, dass die Magnetfelder B3 der Nebenschleifen die Magnetfelder
B1, B2 und so die am Hebel 9 angreifenden Magnetkräfte FL verstärken. Die
vom Stromfluss durch den Lichtbogen 13 bewirkten magnetischen
Kräfte
FB drücken
den Lichtbogen 13 jeweils in die Löschbleche 18. Der
oben bereits beschriebene spezielle Verlauf der Strombahnenabschnitte 5c, 6c bewirkt,
dass das Magnetfeld B4 (gepunktete Linie) der Strombahnenabschnitte 5c, 6c den
Lichtbogen 13 zusätzlich
in die Löschbleche 18 zieht.
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Die
Strombahnen 5, 6 in 4 entsprechen denen
in 1. Allerdings sind diese hier aus zwei parallel
zueinander verlaufenden Strombahnen 5d, 6d gebildet.
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In 5 sind
die Strombahnen 5, 6 geteilt und so verlaufend,
dass sich die Löschbleche 18 jeweils
zwischen den beiden Teilstrombahnen 5e, 6e befinden.
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In 6 ist
ein Einfachunterbrecher mit einem verschwenkbaren einarmigen Hebel 20 gezeigt, der
um die Schwenkachse 10 verschwenkbar ist. Die Anschlussklemmen 1, 2 bilden
wieder jeweils ein freies Ende eines metallischen Rahmens 3, 4,
welcher auch hier die Strombahnen 5, 6 des Leistungsschalters
bildet. Der Hebel 9 trägt
an seinem freien Ende ein bewegliches Kontaktstück 11; das Festkontaktstück 7 ist
am gegenüberliegenden
Ende des Rahmens 4 befestigt. Beide Strombahnen 5, 6 auf
sind der gleichen Seite an der Drehachse 10 des Hebels 20 vorbeigeführt, wobei
die beiden Strombahnen 5, 6 einander quasi kreuzen.
Dazu weist die Strombahn 6 einen Durchbruch 21 auf,
durch den das Endstück 5f der
Strombahn 5 hindurchgeführt
ist. Seitlich des Durchbruchs 21 verlaufen die beiden Teilstrombahnen 22 der
geteilten Strombahn 6. Selbstverständlich kann das „Kreuzen" der Strombahnen 5, 6 auch
darin bestehen, dass die Strombahn 6 seitlich am Endstück 5f vorbeigeführt wird.
Oder die Strombahn 6 ist z. B. mit einer entsprechenden
Ausnehmung anstelle des Durchbruchs 21 versehen.
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7 zeigt
analog zur 3 zusätzlich die Magnetfelder B1
und B3. Das Magnetfeld B1 (grün, blau)
ist wieder das Magnetfeld der Hauptschleife und das parasitäre Magnetfeld
B3 (rot) das der „Nebenschleife" im Bereich des Festkontaktstücks 7, 8 bzw.
im Bereich der beiden jeweils parallel nebeneinander verlaufenden
Abschnitte 23, 24. Das Magnetfeld B1 setzt sich
wider aus den vom Stromfluss durch den Lichtbogen 13 (grün) und den
vom Stromfluss durch den zugehörigen
Hebelarm (blau) bewirkten Magnetfeldern zusammen. Das Magnetfeld
B3 der Nebenschleife und das Magnetfeld B1 verstärken sich gegenseitig und vergrößern damit
die am Hebel 20 wirksamen Magnetkräfte FL. Die vom Stromfluss
I durch den Lichtbogen 13 bewirkten magnetischen Kräfte FB drücken den
Lichtbogen 13 in die Löschbleche 18.