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Die
Erfindung betrifft ein elektrisches Schaltgerät, insbesondere
einen Last-Trennschalter, mit einem Sprungantrieb gemäß Oberbegriff
des Patentanspruchs 1. Ein derartiges Schaltgerät ist z.
B. aus der
DE 28 50
761 C3 bekannt.
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Elektrische
Schaltgeräte benötigen oftmals einen mittelbar
wirkenden Antrieb, um sicherzustellen, dass Schaltvorgänge
unabhängig von äußeren Einflüssen
immer mit gleicher und genügender Geschwindigkeit erfolgen.
Dies wird beispielsweise durch Sprungantriebe realisiert, die einen
aufladbaren Energiespeicher umfassen, der ein sprunghaftes Schalten
ermöglicht.
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Dies
gilt insbesondere für Last-Trennschalter, die zum Schalten
von Hochspannungsstromkreisen im Bereich der Industrie und der Marinesysteme eingesetzt
werden. In Marinesystemen finden beispielsweise Last-Trennschalter
für Gleichspannungen von 450 V bis 900 V und Schaltströme
bis 400 A Anwendung. Während der Schaltvorgänge
eines solchen Last-Trennschalters entstehen, bedingt durch die hohen
Schaltströme und Schaltspannungen, Lichtbögen,
die zu einem allmählichen Abbrand der Kontakte führen
und somit die Schalteinrichtungen verschleißen lassen.
Um einen Abbrand der Kontakte zu minimieren, müssen die
entstehenden Lichtbögen möglichst gering ausfallen.
Dies kann durch kurze Schaltzeiten erzielt werden. Um die Schaltzeiten solcher
Last-Trennschalter zu reduzieren, werden die Schaltkinematiken innerhalb
der Last-Trennschalter mit Sprungantrieben versehen. Durch den Sprungantrieb
wird die Geschwindigkeit der Bewegung, die ein Bediener auf ein
Schaltelement aufbringt, im Bereich eines Schaltpunktes erhöht.
Dies erfolgt in der Regel durch Federelemente im Sprungantrieb.
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Ein
aus der
DE 28 50 761
C3 bekannter Sprungantrieb für ein elektrisches
Schaltgerät mit einer Schaltwelle umfasst eine Druckfeder,
deren Federkraft über ein auf der Schaltwelle drehbeweglich angeordnetes Übertragungsglied
eine sprungartige Bewegung der Schaltwelle bewirkt. Eine Spannvorrichtung
für die Feder ist ebenfalls drehbeweglich auf der Schaltwelle
angeordnet und dreht bei ihrer Drehbewegung nach einer Freilaufbewegung
das Übertragungsglied mit. Das Übertragungsglied
ist dabei als ein U-förmiges Mitnehmerteil ausgebildet,
in der ein erster und ein zweiter Spannstift sitzt. Die Spannvorrichtung
umfasst eine Spannscheibe und einen Betätigungshebel, der
mit der Spannscheibe verbunden ist. Der Betätigungshebel
weist eine kreisförmige Ausnehmung auf, in der sich der
erste Spannstift bewegt, der auch eine Verbindung mit der Druckfeder herstellt.
Bei einem Ausschaltvorgang des Schaltgerätes wird der erste
Spannstift mit dem U-fömigen Mitnehmerteil über
den Betätigungshebel mitgenommen und dabei die Feder gespannt.
Nach Erreichen eines Totpunktes wird die gespannte Feder freigegeben
und durch den zweiten Spannstift kraftschlüssig ein auf
der Schaltwelle sitzender Spannstift bewegt, so dass die Schaltwelle
in eine Drehung versetzt wird.
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Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Schaltgerät
mit einem Sprungantrieb anzugeben, das sich durch einen einfachen
konstruktiven Aufbau, geringe Bauteilanzahl und einen geringen Platzbedarf
auszeichnet und somit insbesondere für die Verwendung in
mobilen Systemen mit beengten Platzverhältnissen, wie sie
z. B. in Schiffen vorliegen, geeignet ist.
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Die
Lösung dieser Aufgabe gelingt durch ein elektrisches Schaltgerät
gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen
sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Schaltgerät mit
einer Schaltwelle und mit einem Sprungantrieb mit einem Federelement,
das eine sprungartige Bewegung der Schaltwelle bewirkt, umfasst
der Sprungantrieb einen Knickhebel mit einem ersten und einem zweiten
Arm, wobei der erste Arm an seinem dem zweiten Arm abgewandten Ende
drehfest mit der Schaltwelle verbunden ist und der zweite Arm an seinem
dem ersten Arm abgewandten Ende ortsfest in Bezug zu der Schaltwelle
drehbeweglich gelagert ist, und wobei der zweite Arm zwei Teilarme
umfasst, zwischen denen das Federelement angeordnet ist. Durch eine
Drehung der Schaltwelle kann der Hebel von einer gekippten Lage,
in der das Federelement nicht gespannt ist, in eine Strecklage bewegt
werden, wobei das Federelement gespannt wird. Bei Überschreiten
der Strecklage kann sich dann das Federelement entspannen und bewegt
dann sprungartig den Kipphebel und die damit verbunden Schaltwelle, wodurch
ein schneller Schaltvorgang in dem Schaltgerät bewirkt
wird. Der Knickhebel dient dabei sowohl zum Spannen des Federelementes
als auch als Übertragungsglied zum Übertragen
der Federkraft auf die Schaltwelle. Die erfindungsgemäße
Lösung zeichnet sich somit durch nur eine geringe Anzahl von
Bauteilen und einen geringen Platzbedarf aus. Bei einem Knickhebel
handelt es sich um ein konstruktiv einfaches Bauelement, so dass
sich die erfindungsgemäße Lösung auch
durch einen konstruktiv einfachen Aufbau auszeichnet. Ein weiterer
Vorteil ist dabei, dass der Sprungantrieb in beiden Schaltrichtungen,
d. h. sowohl für einen Ausschaltvorgang als auch für
einen Einschaltvorgang wirkt. Hierdurch können ebenfalls
Bauteile eingespart werden. Außerdem kann der Sprungantrieb
von mehreren Seiten bedient werden, was die Flexibilität
hinsichtlich des Einbauortes des Schaltgerätes und seiner
Bedienung erhöht.
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Bevorzugt
ist an den beiden Teilarmen eine Halterung für das Federelement
ausgebildet. Das Federelement kann somit zuverlässig in
einer korrekten Position zwischen den beiden Teilarmen gehalten werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Federelement eine oder mehrere
Druckfedern, da sich Druckfedern durch eine vergleichsweise hohe
Ausfallsicherheit auszeichnen.
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Zur
weiteren Erhöhung der Ausfallsicherheit kann das Federelement
auch zwei konzentrisch zueinander angeordnete Druckfedern umfassen.
Somit kann auch bei Ausfall einer der beiden Federn die Funktion
des Schaltgerätes aufrecht erhalten werden. Die konzentrische
Anordnung führt außerdem zu einer gleichmäßigen
Federbelastung und zu einem geringen Platzbedarf.
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Eine
besonders hohe Kompaktheit und Schockfestigkeit des Schaltgerätes
sowie mechanische Stabilität des Sprungantriebs ist dadurch
möglich, dass das Schaltgerät eine Grundplatte
aufweist, in oder auf der die Schaltwelle und der zweite Arm des
Knickhebels drehbeweglich gelagert sind.
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Für
eine manuelle Bedienung weist das Schaltgerät von Vorteil
ein manuell betätigbares Bedienelement und einen Mechanismus
zur Umwandlung einer Bewegung des Bedienelementes in eine rotatorische
Bewegung der Schaltwelle auf.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Bedienelement
einen Bedienhebel, der drehfest mit einer drehbaren Scheibe verbunden
ist, durch die ein Ende eines ersten Betätigungshebel geführt
ist, der mit seinem anderen Ende wiederum einen zweiten Betätigungshebel führt,
der drehfest mit der Schaltwelle verbunden ist.
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Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden
im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren
näher erläutert; darin zeigen:
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1 ein
Teilschnittbild eines erfindungsgemäßen elektrischen
Schaltgerätes in Seitenansicht,
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2 eine
Detaildarstellung des Sprungantriebs des Schaltgerätes
von 1 in einer ersten Endstellung,
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3 eine
Detaildarstellung des Sprungantriebs des Schaltgerätes
von 1 in einer Mittelstellung und
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4 eine
Detaildarstellung des Sprungantriebs des Schaltgerätes
von 1 in einer zweiten Endstellung.
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Ein
nur andeutungsweise in 1 dargestelltes Schaltgerät
in Form eines Last-Trennschalters 1 umfasst eine Schaltwelle 2,
einem Sprungantrieb 3 für die Schaltwelle 2 und
ein manuelles Bedienelement in Form eines Steigbügelantriebes 4.
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Bei
Last-Trennschaltern kommen üblicherweise Nockenschaltelemente
als Schalteinheiten zum Einsatz. Bei Spannungen von über
24 V werden die Nockenschaltelemente mit Lichtbogenkammern ausgerüstet,
die für die Löschung des Lichtbogens sorgen. Der
Last-Trennschalter 2 weist deshalb nicht näher
dargestellte Nockenschaltelemente und Lichtbogenkammern auf. Außerdem
weist die Schaltwelle 2 nicht näher dargestellte
Nocken zur Betätigung der Nockenschaltelemente auf.
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Die
Schaltwelle 2 ist über eine Wellenlagerung drehbeweglich
auf einer Grundplatte 5 des Last-Trennschalters 1 gelagert.
An der Grundplatte 5 sind die Nockenschaltelemente, die
Lichtbogenkammern sowie elektrische Anschlussbauteile befestigt (nicht
dargestellt).
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Bei
dem Steigbügelantrieb 4 handelt es sich um einen
Handantrieb, d. h. die Bedienung erfolgt manuell, zum Beispiel über
einen Bedienhebel 6, und nicht über zusätzliche
Antriebsaggregate. Ein Betätigungsmechanismus 7 dient
zur Umwandlung einer Bewegung eines Bedienhebels 6 des
Steigbügelantriebes 4 in eine rotatorische Bewegung
der Schaltwelle 2. Der Bedienhebel 6 ist hierzu
drehfest mit einer drehbaren Scheibe 20 verbunden, durch
die ein Ende eines ersten Betätigungshebel 21 geführt
ist, der mit seinem anderen Ende wiederum einen zweiten Betätigungshebel 22 führt,
der drehfest mit der Schaltwelle 2 verbunden ist. Der erste
Betätigungshebel 21weist zur Führung
des zweiten Betätigungshebels 22 ein Langloch 23 auf.
In diesem wird ein Bolzen 24 geführt, der auf
dem zweiten Betätigungshebel 22 sitzt.
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Bei
einer Betätigung des Bedienhebels 6 wird die Scheibe 20 gedreht
und somit der erste Betätigungshebel 21 in einer
im Wesentlichen translatorischen Bewegung vertikal nach unten geführt.
Durch diese Bewegung wird der Bolzen 24 in die obere Endlage
des Langloches 23 gedrückt und kraftschlüssig von
dem ersten Betätigungshebel 21 mitgeführt.
Der Bolzen 24 führt dann den zweiten Betätigungshebel 22 derart,
dass dieser die Schaltwelle 2 dreht.
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Wie
im Detail in den 2–4 dargestellt, umfasst
der Sprungantrieb 3 einen Knickhebel 8 mit einem
ersten Arm 9 und einem zweiten Arm 10, die über
ein Gelenk 11 miteinander verbunden sind. Der erste Arm 9 ist
an seinem dem zweiten Arm 10 bzw. dem Gelenk 11 abgewandten
Ende drehfest mit der Schaltwelle 2 verbunden.
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Der
zweite Arm 10 ist an seinem dem ersten Arm 9 bzw.
dem Gelenk 11 abgewandten Ende durch einen Bolzen 14 in
einer Halterung 13 drehbeweglich gelagert. Die Halterung 13 ist
fest an der Grundplatte 5 angeschraubt. Der zweite Arm 10 ist
somit ortsfest in Bezug zu der Schaltwelle 2 gelagert.
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Der
zweite Arm 10 umfasst zwei Teilarme 10a, 10b,
zwischen denen ein Federelement 15 angeordnet ist. Das
Federelement 15 umfasst zwei konzentrisch zueinander angeordnete
zylindrische Druckfedern 15a, 15b, deren Längsachse
in Richtung der Längsachse des zweiten Arms 10 verläuft.
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Jeder
der Teilarme 10a, 10b weist an seiner jeweiligen
den Federn 15a, 15b zugewandten Seite eine Halterung 12 für
die Federn 15a, 15b auf. Diese Halterung 12 umfasst
eine ebene Auflagefläche 16 für die Stirnseiten
der Feder 15a, 15b und Erhöhungen 17, 18.
Die Auflagefläche 16 wird radial nach außen
begrenzt durch eine ringförmige Erhöhung 17, an
der die äußere Druckfeder 15a anliegt
und somit stets in der richtigen Position gehalten wird. Zum anderen
wird die Auflagefläche 16 radial nach innen durch
eine zylinderförmige Erhöhung 18 begrenzt, auf
der die innere Druckfeder 15b sitzt und somit ebenfalls
stets in der richtigen Position gehalten wird. Wie sich herausgestellt
hat, sind diese Maßnahmen für eine korrekte Positionierung
und Führung der Lage der Federn in den meisten Fällen
ausreichend.
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In
einer alternativen, nicht näher dargestellten, Ausgestaltung
kann zur Führung der Federn 15a, 15b mittig
innerhalb der Federn ein Bolzen angeordnet sein. Der Bolzenkopf
liegt dann von Vorteil in einer Buchse an, die im Bereich der Federauflagefläche 16 des
dem Gelenk 11 zugewandten ersten Teilarmes 10a mit
diesem Teilarm 10a verschraubt ist. Im Bereich der Federauflagefläche 16 des
dem Gelenk 11 abgewandten Teilarmes 10b befindet
sich dann vorzugsweise ein Spalt, durch den der Bolzen mit Hilfe
einer Sicherungsscheibe fixiert ist.
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Der
Knickhebel 8 und der zweite Betätigungshebel 22,
die beide drehfest mit der Schaltwelle 2 verbunden sind,
können als separate Hebel ausgebildet sein. Zur Verringerung
der Bauteilanzahl und des Platzbedarfs bilden die beiden Hebel 8, 22 – wie in 1–4 dargestellt – jedoch
einen geradlinigen Doppelhebel, d. h. der zweite Betätigungshebel 22 und
der erste Arm 9 des Knickhebels 8 sind in einer
Linie miteinander verbunden, wobei zwischen den beiden Hebeln die
Schaltwelle 2 angeordnet ist.
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Der
Knickhebel 8 ist von einer in 2 gezeigten
ersten End lage, in der er geknickt ist, über eine in 3 gezeigte
Strecklage in eine in 4 gezeigte zweite Endlage bewegbar,
in der er ebenfalls geknickt ist, und umgekehrt.
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Die
Fixierung der beiden in 2 und 4 gezeigten
Endlagen kann durch nicht näher dargestellte Anschläge
erfolgen, die auf der Schaltwelle 2 angeordnet sind.
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Die
Längen des ersten Arms 9, die Längen des
ersten und zweiten Teilarms 10a, 10b, die Dimensionierung
der Federn 15a, 15b und der Abstand zwischen der
Schaltwelle 2 und dem Bolzen 14 sind dabei derart
aufeinander abgestimmt, dass in der in 3 gezeigten
Strecklage des Knickhebels 8 zwischen dem ersten Teilarm 10a und
dem zweiten Teilarm 10b genug Raum für die zusammengestauchten Druckfedern 15a, 15b vorhanden
ist.
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Durch
die Langlochbohrung 23 in dem ersten Betätigungshebel 21 wird
ein Mitreißen des ersten Betätigungshebels 21 und
damit des Bedienelementes 6 bei einem Durchschalten des
Sprungantriebs 3 vermieden. Nach einem derartigen Durchschalten wird
der Bedienhebel 6 des Steigbügelantriebs 4 dann
manuell durch einen Bediener in seine jeweilige Endlage gebracht.
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Im
Folgenden wird die Funktionsweise des Sprungantriebs 3 anhand
der 2–4 erläutert:
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2 zeigt
die Schaltwelle 2 in einer ersten Schaltstellung, beispielsweise
einer Einschaltstellung des Schaltgerätes 1. Der
Knickhebel 8 befindet sich dabei in einer ersten Endlage.
Die beiden Arme 9, 10 des Kipphebels 8 sind
dabei zueinander gekippt.
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Bewegt
eine Bedienperson manuell den Bedienhebel 6, so wird über
den ersten Betätigungshebel 21 und den zweiten
Betätigungshebel 22 die Schaltwelle 2 im
Gegenuhrzeigersinn gedreht und dabei der Kipphebel 8 aus
seiner in 2 gezeigten Endlage in eine
in 3 gezeigte Strecklage bewegt, in der der Kipphebel 8 vollständig
gestreckt ist. Bei dieser Bewegung werden die Federn 15a, 15b gestaucht
bzw. gespannt. Die Halterung 13 dient dabei als Widerlager
für den zweiten Arm 10 des Knickhebels 8 beim
Stauchen der Federn 15a, 15b.
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Bei
Loslassen des Bedienhebels 6 vor Erreichen der Strecklage
drücken die Federn 15a, 15b den Kipphebel 8 und
somit auch die Schaltwelle 2 im Uhrzeigersinn wieder in
die in 2 gezeigte Ausgangslage zurück.
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Bei Überschreiten
der Strecklage entspannen sich die Federn 15a, 15b und
bewegen den Kipphebel 8 und somit auch die Schaltwelle 2 sprungartig im
Gegenuhrzeigersinn bis in die in 4 gezeigte Endlage
und sorgen hierdurch für einen schnellen Schaltvorgang
an den Nockenschaltelementen des Schaltgerätes 1.
Die Federkraft ist dabei derart bemessen, dass sie eine für
das Schalten der Kontakte des Schaltgerätes 1 benötigte
Schaltkraft erreicht.
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Durch
eine Bewegung des Kickhebels in umgekehrter Richtung, d. h. von
der in 4 gezeigten Endlage in die in 2 gezeigte
Endlage, ist in gleicher Weise ein Einschaltvorgang des Schaltgerätes möglich.
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Wie
ersichtlich, werden für den Sprungantrieb 3 nur
sehr wenige unterschiedliche Bauteile benötigt. Der Sprungantrieb 3 hat
einen konstruktiv sehr einfachen Aufbau und zeichnet sich, insbesondere
in Kombination mit einem Steigbügelantrieb, durch eine hohe
Zuverlässigkeit und Schockfestigkeit bei gleichzeitig hoher
Kompaktheit und geringem Platzbedarf aus. Ein großer Vorteil
ist auch, dass der Steigbügelantrieb 4 statt oberhalb
der Grundplatte 5 auch unterhalb der Grundplatte 5 angeordnet
sein kann, wobei der erste Betätigungshebel 21 dann
von unten kommend mit dem zweiten Betätigungshebel 22 gekoppelt
wird. Hierdurch ergibt sich eine hohe Flexibilität hinsichtlich
des Einbauortes und der Bedienung des Schaltgerätes, was
insbesondere für eine Verwendung in mobilen Systemen wie
z. B. in Schiffen von großem Vorteil ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2850761
C3 [0001, 0004]
