DE102010014280B4

DE102010014280B4 - Überstrom-Schaltvorrichtung

Info

Publication number: DE102010014280B4
Application number: DE102010014280.8A
Authority: DE
Inventors: Markus Laufenberg
Original assignee: ETO Magnetic GmbH
Current assignee: ETO Magnetic GmbH
Priority date: 2010-04-08
Filing date: 2010-04-08
Publication date: 2021-11-25
Anticipated expiration: 2030-04-09
Also published as: US8860534B2; WO2011124518A1; EP2556524B1; EP2556524A1; US20130043963A1; DE102010014280A1

Abstract

Überstrom-Schaltvorrichtung für einen zu überwachenden Stromkreis, die Schaltmittel so ausgebildet aufweist, dass als Reaktion auf das Überschreiten einer vorbestimmten Stromschwelle eine Unterbrechung des Stromkreises bewirkt wird, wobei die Schaltmittel aufweisen,- eine mittels eines magnetisch wirksamen Formgedächtnis-Legierungsmaterials realisierte Expansionseinheit (16) aufweisen, die von einem Magnetfeld (18) eines im Stromkreis fließenden Stroms beaufschlagt ist, und- einen Unterbrecherkontakt (14) dadurch gekennzeichnet, dassdie das Schaltmittel mechanisch antreibende Expansionseinheit (16; 30; 32; 34) einem spulenfreien stromführenden Leiterabschnitt (10) des Stromkreises zum magnetischen Zusammenwirken so benachbart vorgesehen ist, dass ein Stromfluss im stromführenden Leiterabschnitt (10) oberhalb der vorbestimmten Stromschwelle ein Magnetfeld erzeugt, welches zu einer Expansionsbewegung der Expansionseinheit (16) führt und eine Unterbrechung des Stromkreises bewirkt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Überstrom-Schaltvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Schutzschalter in Form von Überstromschalten sind aus dem Stand der Technik seit vielen Jahren bekannt. Sie haben die Aufgabe, einen etwa kurzschlussbedingt hohen Stromfluss in einem Stromkreis durch Unterbrechen des Stromkreises zu verhindern, wodurch dann weitergehende Gefahren und Probleme wie etwa Beschädigung eines Verbrauchers, Unfallgefahr od. dgl. vermindert werden können.
Aus dem Stand der Technik ist es insbesondere auch bekannt, neben konventionellen Technologien wie dem Einsatz von Bimetallen auch sogenannte Formgedächtnislegierungen (abgekürzt: MSM, Magnetic Shape Memorys) einzusetzen, nämlich solche Werkstoffe, welche als Reaktion auf ein anliegendes Magnetfeld eine Längenveränderung zeigen (typischerweise eine Expansion des Materials). Dieser magnetische Expansionseffekt wird für eine Vielzahl von Anwendungen ausgenutzt, und hat etwa anhand der Lehre der DE 10 2004 056 280 A1 Eingang in die elektrische Schalt- und Sicherheitstechnik gefunden. Darüber hinaus sind in der Regel MSM-Legierungen auch gleichzeitig sogenannte thermische Formgedächtnislegierungen. Neben der Strukturumwandlung innerhalb des Martensits, die dem MSM-Effekt zugrunde liegt, gibt es nämlich auch eine Phasenumwandlung zwischen Martensit und Austenit, die typischerweise auch zu einer Längenänderung eines entsprechenden Körpers führt.
Bei der genannten, als gattungsbildend herangezogenen MSM-Technologie fließt der auf Überstrom zu überwachende Strom durch eine Spule, die damit Teil des zu überwachenden bzw. gegen Überstrom zu schützenden Stromkreises wird, und erzeugt dort ein stromstärke-abhängiges Magnetfeld, welches auf ein MSM-Material wirkt (welches im beschriebenen Stand der Technik etwa in der Art eines Ankers in der Spule vorgesehen ist). Ein Überschreiten eines durch die Expansionseigenschaften des MSM-Elements vorgegebenen Stromstärken-Schwellwerts führt dann dazu, dass die beabsichtigte Längenveränderung des MSM-Elements bewirkt wird, und ein (typischerweise endseits) am MSM-Element vorgesehener Schaltkontakt unterbricht dann in der Art einer Schutzschalterfunktionalität den Stromkreis, bewirkt mithin den gewünschten Überstromschutz.
Eine derartige Vorgehensweise besitzt jedoch zunächst den Nachteil, dass beträchtlicher hardware- bzw. schaltungstechnischer Aufwand notwendig ist: Neben dem geeignet vorzusehenden bzw. zu befestigenden MSM-Element muss dieses magnetisch mit der (Teil des Stromkreises bildenden) Spuleneinheit zusammenwirken und entsprechend geeignet konfiguriert und eingerichtet werden, darüber hinaus ist eine solche Spulen-MSM-Schaltelementkombination nicht beliebig universell einsetzbar, da für jeden Einsatzfall (mit einer jeweils zu überwachenden Stromschwelle für die Stromkreisunterbrechung) eine jeweils individuelle Anpassung einer Spule (zum Erzeugen des notwendigen Magnetfeldes) relativ zum MSM-Element notwendig ist.
Ein weiterer, prinzipbedingter Nachteil besteht in der Wirkung der Spule als Induktivität, so dass insbesondere bei einem schnellen, sprunghaften Anstieg des Stroms dieser (induktivitätsbedingt) verzögert wird und insoweit eine entsprechend langsame Auslösung durch das MSM-Element herbeiführt. Insbesondere bei Kurzschlusssituationen od.dgl. ist daher eine derartige Vorgehensweise systembedingt träge.
Zum ergänzenden Stand der Technik wird auf den Abstract JP H01 - 57 546 A (Originaldokument JP S64 - 57 546 A ), die US 4 205 293 A . die US 4 806 815 A , die WO 2009 / 135 500 A1 sowie die EP 0 866 484 A2 verwiesen.
Die JP S64 - 57 546 A offenbart eine Überstromschaltvorrichtung mit einer MSM-Expansionseinheit, welche als Teil des zu überwachenden Stromkreises ausgebildet ist.
Die US 4 205 293 A offenbart einen Thermoelektrischen Schalter mit einem stromleitenden Auslöseelement aus einer Formgedächtnislegierung, das einen Zweiwege-Temperatureffekt aufweist und mit einer Belastungsvorrichtung gekoppelt ist, die eine Kraft auf das Auslöseelement ausübt, um dadurch die Schalttemperatur des thermoelektrischen Schalters zu bestimmen. Die mechanische Schaltverstärkung wird durch das Auslöseelement betätigt, um den Stromfluss durch den thermoelektrischen Schalter zu unterbrechen.
Aus der US 4 806 815 A ist ein linearer Bewegungsaktuator bekannt, der ein Element aus Formgedächtnislegierungsmaterial umfasst.
Die WO 2009 / 135 500 A1 lehrt eine Schaltvorrichtung mit einem beweglichen Kontakt zum Schließen und Öffnen eines Stromkreises, die eine magnetische Formgedächtnislegierung zum Antrieb des beweglichen Kontakts aufweist. Die Schaltvorrichtung umfasst mindestens einen Aktor, der den Haltebetrieb der Schaltvorrichtung bewirkt.
Die EP 0 866 484 A2 betrifft einen magnetothermischen Niederspannungs-Leistungsschalter mit einem empfindlichen Element aus einem Formgedächtnismaterial, das eine stromdurchflossene Spule aufweist, die mit einem magnetischen Auslöser zur unverzüglichen Unterbrechung des Stromflusses bei Kurzschluss und einem thermischen Auslöser zur Unterbrechung des Stromflusses bei Überlast betriebsmäßig verbunden ist. Das Formgedächtnismaterial hat eine Übergangstemperatur zwischen der Martensitphase und der Austenitphase von mehr als 90°C und eine Temperatur der Temperaturwechselbeständigkeit von mehr als 600°C.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Überstrom-Schaltvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs im Hinblick auf ihren hardwaretechnischen Realisierungsaufwand, ihre Einsatz- und Konfigurierbarkeit sowie ihr Dynamikverhalten, insbesondere Ansprechverhalten zum Auslösen einer MSM-Expansion, zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch die Überstrom-Schaltvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise ist die mittels eines magnetischen Formgedächtnis- (MSM-) Legierungsmaterials realisierte Expansionseinheit so dem Stromkreis zugeordnet, dass ein magnetisches Zusammenwirken mit einem spulenfreien Leiterabschnitt (genauer: einem durch den Stromfluss in diesem Leiterabschnitt erzeugten Magnetfeld) so erfolgt, dass bei Erreichen bzw. Überschreiten der Stromschwelle ein Magnetfeld aufgebaut wird, welches zu einer Expansionsbewegung der (in einer entsprechend zum Leiterabschnitt angeordneten Position befindlichen) Expansionseinheit führt.
Dies hat dann unmittelbar den Vorteil, dass eine aufwändige Konstruktion und (vom Einsatzgebiet abhängige) Individualkonfiguration einer Spule mit dem MSM-Element nicht notwendig wird, vielmehr ist zum Ermöglichen der Funktion dieser Einheit lediglich die (bevorzugt langgestreckt zum Ausbilden einer Expansions- und Erstreckungsrichtung realisierte) Expansionseinheit so nah an den Leiterabschnitt zu bringen (dort gegebenenfalls geeignet justierbar zu verankern), dass in der beabsichtigten Weise eine Expansion (mit der damit bewirkten Stromkreisunterbrechung) bei der Magnetfeldeinwirkung oberhalb eines durch die Stromschwelle bestimmten Schwellwertes bewirkt wird. Dabei ist im Rahmen der Erfindung der Begriff „Expansion“ auch als „negative Expansion“ im Sinne einer Kontraktion zu verstehen, falls, etwa bedingt durch besondere Einbau- oder Konfigurationsbedingungen, ein möglicher Kontraktionseffekt ausgenutzt werden soll. Auch ist im Rahmen der Erfindung nicht notwendigerweise impliziert, dass das Unterbrechen des Stromkreises unmittelbar durch die Bewegungswirkung des MSM-Materials geschieht, vielmehr kann dieses auch durch Expansion einen geeigneten (mechanisch oder elektronisch wirkenden) Schalter betätigen.
Zusätzlich vorteilhaft sorgt die magnetische Interaktion zwischen dem spulenfreien Leiterabschnitt und der Expansionseinheit dafür, dass keine (induktionsbedingten) Verzögerungen im Anstieg der magnetischen Feldstärke (als Reaktion etwa auf einen schnellen Stromanstieg) entstehen, mithin eine solche erfindungsgemäße Vorgehensweise deutliche Dynamik- und Ansprechgeschwindigkeitsvorteile gegenüber konventionellen Vorrichtungen mittels Spule aufweist. Dabei ist der Begriff „spulenfrei“ im Rahmen der Erfindung so zu begreifen, dass der erfindungsgemäße stromführende Leiterabschnitt nicht notwendigerweise linear verlaufen muss (dieser kann vielmehr auch gekrümmt oder abgewinkelt im betreffenden Bereich vorliegen), als „spulenfrei“ ist jedoch eine solche Anordnung zu verstehen, welche keine wicklungsartige Struktur ausbildet und/oder in der hier vorliegenden Weise keine gegenüber einer langgestreckten Leiterstruktur signifikant erhöhte Induktivität aufweist (wobei dies insbesondere vor dem Hintergrund einer Netzstrom-Überwachung, also bei typischer Netzfrequenz gelten soll).
Zum Erreichen einer konstruktiv möglichst einfachen Realisierung ist es bevorzugt, den stromführenden Leiterabschnitt zum Zusammenwirken mit der Expansionseinheit zumindest abschnittsweise langgestreckt bzw. linear auszubilden und die Expansionseinheit entsprechend linear und langgestreckt dazu parallel auszugestalten; hier lässt sich nicht nur eine präzise Justierung und Einrichtung der magnetischen Kopplung realisieren, auch wird bevorzugt durch das langgestreckte MSM-Element (als Expansionseinheit) axial eine Bewegungs- und damit Schaltrichtung vorgegeben, welche sich günstig eignet, unmittelbar daran einen das gewünschte Unterbrechen eines Stromkreis bewirkenden Kontakt anzuordnen.
Aufgrund der durch das Struktur- bzw. Konstruktionsprinzip der vorliegenden Erfindung bedingten hohen Ströme im Leiterbahnabschnitt zum Erzeugen des die Expansionseinheit bewegenden bzw. auslösenden Magnetfeldes kann es im Rahmen bevorzugter Weiterbildungen der Erfindung nützlich sein, das MSM-Material der Expansionseinheit, etwa durch den Einsatz von Permanentmagneten, magnetisch vorzuspannen, d.h. eine Permanentmagneteinheit der Expansionseinheit so zuzuordnen, dass diese etwa ein zum Bewirken der Expansion benötigtes überlagertes Magnetfeld herabsetzen, mit dem Effekt, dass die das überlagerte Magnetfeld erzeugende Stromschwelle signifikant sinken kann. Mit anderen Worten, das Vorsehen geeigneter Permanentmagneten gemäß bevorzugter Weiterbildungen der Erfindung ermöglicht, neben einer Positionsausrichtung (Abstandsausrichtung) der Expansionseinheit relativ zum Leiterbahnabschnitt das Justieren bzw. Einstellen einer gewünschten Stromschwelle.
Dabei kann eine Abstandseinstellung (mit oder ohne Permanentmagneteinheit) entweder permanent erfolgen, z.B. durch geeignete Klebstoffe od.dgl., alternativ kann eine z.B. mechanisch justier- bzw. betätigbare Halterung in ansonsten bekannter Weise vorgesehen sein, um zur Einstellung bzw. Justage des die Expansion bewirkenden Schwellenstroms einen geeigneten Eingriffs- bzw. Wirkabstand zwischen Leiterabschnitt und Expansionseinheit und/oder Permanentmagnet einzustellen.
Zusätzlich lässt sich durch weitere magnetische und/oder mechanische Maßnahmen und Elemente gemäß bevorzugter Weiterbildungen der Erfindung das Expansionsverhalten (und damit Schaltverhalten) der erfindungsgemäßen Überstrom-Schaltvorrichtung beeinflussen: So ist es einerseits möglich, eine Feder (z.B. Druckfeder) als Kraftspeicher der MSM-Expansionseinheit zuzuordnen, so dass eine Magnetfeld-induzierte Bewegung bzw. Expansion der Expansionseinheit gegen die Federkraft der Feder stattfindet und insoweit eine Beeinflussung des Expansions- und Schaltverhaltens stattfindet. Ergänzend oder alternativ (wie auch in Verbindung mit einer der vorgenannten Weiterbildungen und Varianten) ist es möglich, durch das Vorsehen geeigneter Flussleitelemente einen magnetischen Feldeintrag in die Expansionseinheit zu beeinflussen, etwa derartige Flussleitelemente so auszugestalten, dass zum Erreichen eines möglichst schnellen und durchgängigen Schaltverhaltens ein homogener Feldverlauf in der Expansionseinheit erreicht wird.
Im Rahmen bevorzugter Weiterbildungen der Erfindung liegt auch, dass die Expansionseinheit den Leiterabschnitt einstückig oder mehrteilig umgebend ausgestaltet sein kann: So ist es gemäß einer bevorzugter Realisierungsform möglich, die MSM-Expansionseinheit hohlzylindrisch auszugestalten und den stromführenden Leiterabschnitt durch diesen Hohlzylinder hindurchzuführen, alternativ eine Mehrzahl von (typischerweise langgestreckten und/oder parallel zum stromführenden Leiterabschnitt verlaufenden) MSM-Expansionseinheiten um den Leiterabschnitt herum anzuordnen.
Prinzipbedingt erfolgt als Reaktion auf ein Abfallen des die Expansion bewirkenden Magnetfeldes beim MSM-Element kein automatisches Kontrahieren bzw. Zurückführen in die nicht-expandierte Ausgangsposition. Vielmehr ist dies durch zusätzliche Maßnahmen zu gewährleisten, wie etwa die weiterbildungsgemäß vorgesehenen Mittel zur Rückstellung der Expansionseinheit, welche weiter bevorzugt und im Sinne eines Sicherheitsgedankens im praktischen Einsatz der Überstrom-Schaltvorrichtung einen manuellen Eingriff oder Steuer- bzw. Schaltvorgang erfordern, nämlich nachdem eine Bedienperson sich von der Beseitigung der den Überstrom bewirkenden Störung überzeugt hat.
Eine derartige Rückstellung kann alternativ auch automatisch erfolgen, z.B. getriggert durch ein Unterschreiten der vorbestimmten Stromschwelle (ggf. um ein vorbestimmtes Maß), wobei auch für eine derartige Rückstellung geeignet vorgespannte Federn geeignet sind, ferner Permanentmagneten bzw. ein gegensätzlich bzw. gegenläufig eingerichtetes Formgedächtnis-Legierungsmaterial, welches zum Durchführen der Kontraktions- bzw. Rücksetzbewegung auf die Expansionseinheit angesteuert wird.
Während der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung in der Nutzung des durch den stromführenden Leiterabschnitt erzeugten Magnetfeldes zur die Stromkreisunterbrechung auslösenden Expansion der Expansionseinheit im Überstromfall liegt, ist es gleichwohl weiterbildungsgemäß von der Erfindung umfasst, thermische Effekte einer Überstromsituation zusätzlich zu berücksichtigen. Dies kann vorteilhaft etwa dadurch geschehen, dass das magnetische Formgedächtnis-Legierungsmaterial zum Realisieren der Expansionseinheit zusätzlich thermisch expandierend eingerichtet ist und sich so etwa günstig eignet, auf langsame (wiederum überstrombedingte) Erwärmung einer Umgebung der Expansionseinheit, mit geeigneter thermischer Kopplung, zu reagieren und auf diese Weise die den Stromfluss unterbrechende Expansion durchführen kann.
Im Ergebnis entsteht durch die vorliegende Erfindung in überraschend einfacher und wirksamer Weise eine Überstrom-Schaltvorrichtung, welche konstruktive Einfachheit mit hoher Betriebsgeschwindigkeit kombiniert und so auch potenziell praktisch relevante Alternativen zur Realisierung eines wirksamen Überstromschutzes schafft.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in

1, 2 eine Schemadarstellung einer Realisierung einer Überstrom-Schaltvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem eine langgestreckte Expansionseinheit parallel zu einem stromführenden Leiterabschnitt eines Stromkreises geführt ist und eine einen Unterbrecherkontakt für diesen Stromkreis ausbildende Verlängerung aufweist, im nicht expandierten Betriebszustand (1) sowie im expandierten Unterbrechungs-Schaltzustand (2);
3 eine Variante des Ausführungsbeispiels der 1, 2 mit einem der Expansionseinheit zugeordneten Permanentmagneten zum Erzeugen eines überlagernden Permanentmagnetfeldes;
4 bis 7 weitere Varianten zum Realisieren einer Überstrom-Schaltvorrichtung mit alternativ ausgebildeten Expansionseinheiten, in Form eines Hohlzylinders (4), mehrerer, den Leiterbahnabschnitt umgebender Expansionselemente (5, 6) sowie zur Darstellung möglicher alternativer Ausrichtungen (7) der Expansionseinheit;
8 ein Beispiel zum Verdeutlichen einer (automatischen) Rückstellung der Überstrom-Schaltvorrichtung des Ausführungsbeispiels in 1, 2 mittels Permanentmagneten;
9 eine Alternative zur automatischen Rückstellung gemäß 8 durch das Vorsehen einer schematisch gezeigten Druckfeder;
10, 11 eine weitere, nicht beanspruchte Realisierungsform mit einer unmittelbar in den Stromkreis eingeschleiften Expansionseinheit im geschlossenen Betriebszustand (10) sowie im als Reaktion auf Überstrom expandierten, geöffneten Schaltzustand (11).

Die 1 verdeutlicht in der schematischen Seitenansicht eine erste mögliche Realisierungsform der Erfindung, bei welcher ein Stromkreis, verlaufend entlang einem Leiterabschnitt 10 und einem daran anschließenden abgewinkelten Abschnitt 12 (wobei der weitere Verlauf des in der üblichen Weise Verbrauchern zugeordneten, geschlossen Stromkreises nicht gezeigt ist) im Bereich des Abschnitts 12 von einem bewegbaren Kontakt 14 durch Betätigung mittels einer Expansionseinheit 16 aus einem Formgedächtnismaterial (hier: realisiert durch eine als solche bekannte NiMnGa-Legierung) geöffnet werden kann.
Genauer gesagt ist die langgestreckt ausgebildete Expansionseinheit (im praktischen Beispiel ca. 20 mm Kantenlänge bei einem Querschnitt von ca. 2 x 2 mm²) in einem Abstand von 1mm angeordnet zum Leiterbahnabschnitt 10. In der Leiterbahn fließender Strom erzeugt ein Magnetfeld, angedeutet durch eine schematisch gezeigte Feldlinie 18, welches in der gezeigten Weise in die Expansionseinheit 16 eingekoppelt wird und bei Überschreiten einer kritischen Flussdichte eine Expansion der Expansionseinheit 16 auslöst. Dies führt, entlang der Pfeilrichtung 20 in 1, zum Antreiben des Kontakts 14; es öffnet sich der Stromkreis im Bereich des Leiters 12 und der Stromfluss wird, als Reaktion auf den so detektierten Überstrom, unterbrochen.
Die folgenden Größenordnungen verdeutlichen eine Parametrisierung einer solchen Vorrichtung:

Ein Strom I erzeugt in einem Abstand r von der Mittelachse eines geraden Leiters eine magnetische Feldstärke H von

H = \frac{I}{2 π r},

I = \frac{2 π {rB}_{au en}}{μ_{0}}

_MSM

_r

_außen

16

_MSM

In der weiteren Annahme, dass eine typische Flussdichte von B_MSM = 1,25 T ist, gilt bei µ_r = 20 und r = 0,001 m (also 1 mm Abstand zwischen Expansionseinheit und Leiter): $I = \frac{2 π r B_{M S M}}{μ_{0} μ_{r}} = \frac{2 π \cdot 0,001 \cdot 1,25}{4 π \cdot 10^{- 7} \cdot 20} = 312,5 A$
Dies lässt erwarten, dass ein Kurzschlussstrom von etwas oberhalb von 800A bei der gezeigten Konfiguration zum Unterbrechen des Stromkreises durch Expansion der Expansionseinheit 16 führt.
Die 3, analog zur Darstellung der 1, verdeutlicht eine Möglichkeit, den Magnetfluss durch die Expansionseinheit 16 zu beeinflussen (entweder mit dem Zwecke, geeignet die Schwelle herabzusetzen oder zu erhöhen, oder aber eine Anpassbarkeit an verschiedene Justierungs- bzw. Umgebungsbedingungen zu schaffen). Für diesen Zweck ist eine schematisch gezeigte, langgestreckte Permanentmagneteinheit 22 der Expansionseinheit 16 parallel so zugeordnet, dass ein von der Permanentmagneteinheit 22 erzeugtes Permanentmagnetfeld (schematisch gezeigt durch die Pfeilschaar 24) die Feldlinien des Leiterfeldes (symbolisch wiederum gezeigt durch Bezugszeichen 18) überlagert, insoweit, bei vorhandenem Permanentmagnetfeld 24, eine geringere Stromstärke durch den Leiterabschnitt 10 als Stromschwelle fließen muss, um den Expansions-Schaltvorgang (Bewegung in Pfeilrichtung 20 durch Expansion) auszulösen.
Die 4 bis 7 verdeutlichen Weiterbildungen und Varianten, eine Expansionseinheit in der erfindungsgemäß beanspruchten Weise relativ zu einem stromführenden Leiterabschnitt so anzuordnen, dass ein im Leiter erzeugtes Magnetfeld eine Expansion der Expansionseinheit bei Überschreiten einer kritischen Stromschwelle auslöst. In den 4 bis 7 ist zur Vereinfachung der Darstellung ein Leiterabschnitt wiederum mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet; eine Ausdehnungsrichtung der jeweiligen Expansionseinheiten erhält, analog zu den 1 bis 3, das Bezugszeichen 20: Im Ausführungsbeispiel der 4 ist eine hohlzylindrische Expansionseinheit 30 als MSM-Legierungselement realisiert. Diese umgibt den stromführenden Leiter 10 so, dass bei Erreichen bzw. Überschreiten des für die Expansion ausreichenden Magnetfeldes eine Expansion in axiale Richtung (20) erfolgt.
Demgegenüber zeigen die Varianten der 5, 6 eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung um den stromführenden Leiter herum angeordneten und parallel zu diesem ausgerichteten Einzelelementen 32 als MSM-Legierungskörper, wobei diese geeignete Querschnitte (etwa quadratisch in der 5, kreisförmig in der 6) oder andere Konturen aufweisen können. Hier erfolgt dann, wie auch im Beispiel der 4 (bzw. 7) eine geeignete, nicht im Detail gezeigte Ankopplung einer (Unterbrecher-) Kontakteinheit.
Das Beispiel der 7 verdeutlicht, dass auch Realisierungen möglich sind, bei welchen die Expansionseinheit 34 nicht parallel zum stromführenden Leiter geführt sein muss, sondern auch eine andere relative Winkelgestaltung, z.B. orthogonal, aufweisen kann.
Die 8 und 9 verdeutlichen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Realisieren einer Rückstellung der Expansionseinheit nach erfolgter Expansion. Prinzipbedingt kontrahiert das MSM-Legierungsmaterial nach erfolgter Expansion auch durch Verschwinden des Magnetfeldes aufgrund der Stromunterbrechung nicht von sich aus in seine Ausgangsposition, so dass, im Rahmen einer Überstrom-Schaltvorrichtung, ein Zurückführen in eine Ausgangsituation zum Wiederbetreiben des Stromkreises möglich sein muss. Dies kann einerseits (in nicht näher gezeigter Weise) manuell geschehen, alternativ verdeutlichen die 8 und 9 eine automatische Rückführung durch Beaufschlagung mit Kraft oder einem geeignet orientierten Magnetfeld, welche im Schaltfall der Expansion bei Überstrom überwunden wird, welche jedoch nach Beendigung dieses Zustandes ein automatisches Zurückführen in die Ausgangslage bewirkt.
So zeigt das schematische Ausführungsbeispiel der 8 das Zusammenwirken der Expansionseinheit 16 (ansonsten ausgestaltet und angeordnet wie im Prinzipbeispiel der 1, 2) mit einer endseitig vorgesehenen Permanentmagneteinheit 40, welche in der durch die Pfeilschaar 42 gezeigten Weise eine Permanentmagnetkraft auf die Expansionseinheit 16 ausübt. Bei Erreichen der Überstromsituation (wie oben beschrieben) expandiert die Expansionseinheit 16 und treibt den Kontakt 14, zum Unterbrechen des Stromkreises, aus dem Abschnitt 12 heraus. Sobald jedoch das im Abschnitt 12 durch dortigen (niedrigeren) Stromfluss gebildete Feld unter eine kritische Grenze sinkt, überwiegt die Permanentmagnetkraft (42) der Einheit 40, so dass durch das Permanentmagnetfeld (und wiederum entsprechend durch Ausnutzung des MSM-Effekts) die Expansionseinheit 16 zurück in ihre Ausgangstellung gebracht wird. Die in 8 gezeigte Anordnung ist dabei rein schematisch; je nach gewünschtem Kraftfluss und Anwendungsbeispiel können geeignete (ggf. auch mehrere) Permanentmagneteinheiten 40 vorgesehen sein, oder es kann eine mechanische Vorspannung auf geeignete Weise vorgesehen sein.
Eine äquivalente Funktionalität wird auf die in 9 gezeigte Weise bewirkt: Hier arbeitet im Überstromfall die Expansionseinheit 16 gegen eine als Kraftspeicher wirkende Druckfeder 44. Nach Beendigung des Überstrom-Expansionszustands drückt diese die Expansionseinheit 16 entgegen der Expansionsrichtung (Pfeil 20) zurück in ihre kontrahierte Ausgangslage.
Auch hier ist die Darstellung als rein schematisch zu verstehen; der gezeigte Kraftspeicher 44 kann prinzipiell an beliebigen anderen Stellen angreifen und bei Abfall des Magnetfelds 18 entsprechend die Expansionseinheit 16 zurück in die Kontraktionsstellung führen.
Am Beispiel der 10 und 11 wird ein weiterer, nicht beanspruchter Aspekt erläutert, bei welchem eine Expansionseinheit 50, wiederum realisiert aus einem MSM-Legierungsmaterial, Teil eines Stromkreises ist, wie durch die angrenzenden Leiterbahnabschnitte 52 bis 56 als normale Leiter symbolisiert. Zwischen den Leiterbahnabschnitten 54 und 56 ist dabei ein Abschnitt 55 so vorgesehen, dass eine Expansion des MSM-Legierungselements 50 in horizontaler Richtung (in der Figurenebene rechts) zu einem Öffnen des Stromkreises zwischen den Elementen 55 und 56 führt, wobei ein schematisch gezeigtes Federelement 58 eine dieser Expansion entgegenwirkende Rückstellkraft anbietet.
Auch hier wird das Prinzip eines magnetfeld-induzierten Bewegungsverhaltens im MSM-Element 50 ausgenutzt, wobei die Stromkreisanordnung im relevanten Bereich spulenfrei ist und hier der zur Expansion benötigte Magnetfluss unmittelbar durch den Stromfluss im Element 50 erzeugt wird. Die magnetische Induktion an einem Radius r <= R innerhalb des Leiters beträgt $B_{innen} = \frac{μ_{0} μ_{r} Ir}{2 π R_{2}}$
wobei R der Radius des Leiters 50 und I der dort fließende Strom ist.
Auch diese Realisierungsform der in den 11 und 12 verdeutlichten Art ist als rein schematisch und nicht auf die gezeigte Konkretisierung beschränkt zu verstehen. Vielmehr sind zahlreiche Varianten und Modifikationen möglich, eingeschlossen das gezielte Beeinflussen des Magnetflusses im MSM-Abschnitt 50 durch z.B. gesondert vorzusehende Permanentmittel oder andere Maßnahmen.

Claims

Überstrom-Schaltvorrichtung für einen zu überwachenden Stromkreis, die Schaltmittel so ausgebildet aufweist, dass als Reaktion auf das Überschreiten einer vorbestimmten Stromschwelle eine Unterbrechung des Stromkreises bewirkt wird, wobei die Schaltmittel aufweisen, - eine mittels eines magnetisch wirksamen Formgedächtnis-Legierungsmaterials realisierte Expansionseinheit (16) aufweisen, die von einem Magnetfeld (18) eines im Stromkreis fließenden Stroms beaufschlagt ist, und - einen Unterbrecherkontakt (14) dadurch gekennzeichnet, dass die das Schaltmittel mechanisch antreibende Expansionseinheit (16; 30; 32; 34) einem spulenfreien stromführenden Leiterabschnitt (10) des Stromkreises zum magnetischen Zusammenwirken so benachbart vorgesehen ist, dass ein Stromfluss im stromführenden Leiterabschnitt (10) oberhalb der vorbestimmten Stromschwelle ein Magnetfeld erzeugt, welches zu einer Expansionsbewegung der Expansionseinheit (16) führt und eine Unterbrechung des Stromkreises bewirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiterabschnitt (10) langgestreckt ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionseinheit (16) in einer Expansionsrichtung langgestreckt ausgebildet und bevorzugt zumindest abschnittsweise parallel zum Leiterabschnitt (10) geführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine der Expansionseinheit (16) zugeordnete Permanentmagneteinheit (22), die so ausgebildet ist, dass ein Permanentmagnetfeld (24) der Permanentmagneteinheit (22) dem durch den Leiterabschnitt (10) erzeugten Magnetfeld (18) mit Wirkung auf die Expansionseinheit (16) zur Beeinflussung eines magnetfeldabhängigen Expansionsverhaltens der Expansionseinheit (16) überlagert ist, insbesondere eine Expansion der Expansionseinheit (16) bei einem niedrigeren Strom als der Stromschwelle bewirkt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Mittel zum Vorgeben und/oder Einstellen eines magnetischen Kopplungsabstands zwischen dem Leiterabschnitt (10) und der Expansionseinheit (16).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen der Expansionseinheit (16) zugeordneten mechanischen Kraftspeicher, der zur Beeinflussung eines magnetfeldabhängigen Expansionsverhaltens der Expansionseinheit (16) vorgesehen und ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionseinheit (30; 32; 34) als den Leiterabschnitt (10) zumindest abschnittsweise umgebender oder umschließender Körper, bevorzugt als Hohlzylinder, ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionseinheit (32; 34) als Anordnung einer Mehrzahl von magnetischen Formgedächtnislegierungskörpern realisiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Expansionseinheit Mittel (44) zur Rückstellung, insbesondere zur Kontraktion des Formgedächtnis-Legierungsmaterials in eine nicht-expandierte Ausgangsform, zugeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Rückstellung zum Ausführen einer automatischen Kontraktion des Formgedächtnis-Legierungsmaterials als Reaktion auf ein vorbestimmtes Unterschreiten der Stromschwelle ausgebildet sind und Permanentmagnetmittel (40) und/oder einen Kraftspeicher (44), insbesondere eine Feder, aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Formgedächtnis-Legierungsmaterial zusätzlich thermisch bewirkte Expansionseigenschaften aufweist und thermisch mit dem Leiterabschnitt (10) und/oder einem anderen, eine stromflussabhängige Erwärmung aufweisenden Stromkreisabschnitt gekoppelt ist.