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Die Erfindung betrifft eine Überlastsicherungsvorrichtung zum Schutz von elektrotechnischen Bauteilen vor oberhalb eines Grenzbetriebstroms liegenden Betriebsströmen, mit einer Schalteinrichtung, die in einem Betriebszustand zumindest teilweise in einem Betriebsstrompfad der Überlastsicherungsvorrichtung angeordnet ist und durch die der Betriebsstrompfad in einem Schutzzustand der Überlastsicherungsvorrichtung unterbrochen ist.
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Überlastsicherungsvorrichtungen sind allgemein bekannt. Oftmals werden Schmelzsicherungen verwendet, die bei Erreichen der vorgegebenen Betriebsstromhöhe, beispielsweise bei Erreichen des Grenzbetriebsstroms schmelzen und hierdurch den Betriebsstrompfad unterbrechen.
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Schmelzsicherungen sind jedoch träge, sodass es vorkommen kann, dass sie den Betriebsstrompfad erst unterbrechen, wenn der Betriebsstrom bereits oberhalb des Grenzbetriebsstroms liegt. Insbesondere schnell ansteigende Betriebsströme können also von der Schmelzsicherung erst so spät erkannt werden, dass in Reihe mit der Schmelzsicherung geschaltete Bauteile bereits Schaden nehmen können. Solche sich schnell ändernden Betriebsströme können beispielsweise in Betriebsstrompfaden von elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen oder in Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieb auftreten.
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Neben der Geschwindigkeit der Betriebsstromänderung können weitere Faktoren, wie beispielsweise die Schmelzeigenschaften der Schmelzsicherung oder die Umgebungstemperaturen dazu beitragen, dass der Betriebsstrom oberhalb des Grenzbetriebsstroms liegen kann. Gerade im Betrieb von Kraftfahrzeugen können die Umgebungstemperaturen stark unterschiedlich sein und durchaus zwischen –40°C und 85°C liegen. Temperaturunterschiede von bis zu 100°C oder mehr können also auftreten. Bei geringen Umgebungstemperaturen kann es sein, dass die Schmelzsicherung stark gekühlt wird und folglich erst bei unzulässig hohen Betriebsströmen schmilzt. Bei hohen Umgebungstemperaturen schmilzt die Schmelzsicherung womöglich schon vor Erreichen des Grenzbetriebsstroms, sodass die Schmelzsicherung schon bei zulässigen Betriebsstromen den Betriebsstrompfad unterbricht. Überlastsicherungen in Form von Schmelzsicherungen müssen daher so ausgelegt werden, dass bei maximaler Umgebungstemperatur der zulässige Strom gerade noch dauerhaft geführt werden kann. Dieses führt dazu, dass bei niedriger Temperatur die Belastung der zu schützenden Bauteile im Fall von schleichenden Kurzschlüssen unzulässig hoch wird.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Überlastsicherungsvorrichtung und ein Verfahren zum Schutz von elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen bereitzustellen, die geeigneter als bekannte Überlastsicherungsvorrichtungen und weitgehend temperaturunabhängig sind.
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Diese Aufgabe wird für die eingangs genannte Überlastsicherungsvorrichtung dadurch gelöst, dass die Schalteinrichtung von oberhalb des Grenzbetriebstroms liegenden Betriebsströmen betätigbar und vom Betriebszustand in den Schutzzustand überführbar ausgestaltet ist und die Überlastsicherungsvorrichtung mit einer Haltevorrichtung ausgebildet ist, die wenigstens einen den Betriebszustand sichernden Haltemagneten aufweist Durch die direkte Verwendung des Betriebsstroms zur Bestimmung des Betriebs- oder des Schutzzustandes sind Steuersignale und diese erzeugende oder verwendende Vorrichtungen unnötig. Die Sicherung des Betriebszustands durch wenigstens einen Haltemagneten ist konstruktiv besonders einfach, da keine weitere Mechanik notwendig ist, die anfällig für Fehlfunktionen ist. Die Trennung beziehungsweise Unterbrechung des Betriebsstrompfads erfolgt zuverlässig und ist nicht von Schmelzeigenschaften der verwendeten Überlastsicherungsvorrichtung oder der Umgebungstemperatur abhängt.
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Die erfindungsgemäße Lösung kann durch verschiedene, jeweils für sich vorteilhafte, beliebig miteinander kombinierbare Ausgestaltungen weiter verbessert werden. Auf diese Ausgestaltungsformen und die mit ihnen verbundenen Vorteile wird im Folgenden eingegangen.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltungsform kann die Schalteinrichtung durch ein Betriebsstrommagnetfeld betätigbar sein, das vom durch den Betriebsstrompfad fließenden Betriebsstrom hervorgerufen wird, wenn der Betriebsstrom oberhalb des Grenzbetriebsstroms liegt. Die Höhe des durch den Betriebsstrom hervorgerufenen Betriebsstrommagnetfeld hängt dabei direkt mit dem Betriebsstrom zusammen, ohne dass externe Faktoren, wie beispielsweise die Umgebungstemperatur, einen Einfluss auf die Funktion der Überlastsicherungsvorrichtung haben.
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Die Schalteinrichtung kann also zumindest teilweise durch das von den zu hohen Betriebsströmen hervorgerufene Betriebsstrommagnetfeld betätigbar sein. Hierzu kann eine die Schalteinrichtung im Betriebs- in den Schutzzustand überführende mechanische Schaltkraft durch das Betriebsstrommagnetfeld erzeugt werden. Der direkte Zusammenhang zwischen Betriebsstrom und den durch ihn hervorgerufenen Magnetfeldes ergibt einen direkten und einfachen Zusammenhang zwischen dem Betriebsstrommagnetfeld und den Schaltkräften, die auf das Unterbrecherelement wirken. Folglich kann die Überlastsicherungsvorrichtung in besonders einfacher Weise dimensioniert werden, ohne dass externe Faktoren, wie beispielsweise die Umgebungstemperatur einen nennenswerten Einfluss nehmen.
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Damit die Schalteinrichtung einen sicheren Betriebszustand und auch einen sicheren Schutzzustand gewährleisten kann, kann sie bistabil ausgebildet sein. Die Haltevorrichtung kann also neben dem wenigstens einen Haltemagneten noch ein Sicherungselement aufweisen, durch dessen Sicherungskräfte die Schalteinrichtung im Schutzzustand gehalten ist.
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Zur weiteren Vereinfachung des mechanischen Aufbaus der Überlastsicherungsvorrichtung kann das Sicherungselement als ein Federelement ausgestaltet sein, das im Betriebszustand stärker vorgespannt ist als im Schutzzustand. Die als elastische Federkraft erzeugte Sicherungskraft des Federelements kann zusammen mit der Kraft des Betriebsstrommagnetfeldes zur Schaltkraft oder Öffnungskraft beitragen. Die Feder und der darunter liegende Kontaktraum sind so dimensioniert, dass durch durch die entspannte Feder erreichbare Kontaktabstände Ströme im Kiloamperebereich bei Spannungen von bis zu 400 V abgeschaltet werden können.
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Um die Überlastsicherungsvorrichtung einfach in den Betriebsstrompfad integrieren zu können, kann die Überlastsicherungsvorrichtung einen Abschnitt des Betriebsstrompfads umfassen, der das Betriebsstrommagnetfeld hervorruft. Beispielsweise kann die Überlastsicherungsvorrichtung einen elektrischen Leiter aufweisen, dessen Enden Anschlusselemente der Überlastsicherungsvorrichtung ausbilden können. Über die Anschlusselemente kann die Überlastsicherungsvorrichtung in den Betriebsstrompfad eingebunden werden, sodass sie in Reihe mit den zu schützenden Bauteilen geschaltet ist.
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Der durch die Überlastsicherungsvorrichtung verlaufende Teil des Betriebsstrompfads kann einen zumindest teilweise gewunden ausgeformten Abschnitt umfassen, der durch den Leiter ausgebildet sein kann. Der gewundene Abschnitt kann so ausgebildet sein, dass er das die Schaltkräfte zumindest teilweise hervorrufende Betriebsstrommagnetfeld erzeugt, wenn der Leiter vom Betriebsstrom durchflossen ist. Das vom gewunden ausgeformten Abschnitt hervorgerufene Betriebsstrommagnetfeld kann insbesondere auf die Schalteinrichtung wirken und sie aus einer Betriebsposition in Richtung auf eine Schutzposition ziehen, wenn der Betriebsstrom oberhalb des Grenzbetriebsstroms liegt. In der Betriebsposition kann die Schalteinrichtung im Betriebszustand angeordnet sein. Im Schutzzustand kann die Schalteinrichtung in der Schutzposition angeordnet sein. Die Schutzposition kann in einer Öffnungsrichtung hinter der Betriebsposition liegen.
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Der gewundene Abschnitt kann beispielsweise als eine Schlaufe oder Spule ausgebildet sein, die sich in einer Schlaufen- oder Spulen- beziehungsweise Windungsebene erstreckt. Bei entsprechender Dimensionierung der Überlastsicherungsvorrichtung und wenn der Grenzbetriebsstrom hoch genug liegt, kann es jedoch ausreichen, wenn der gewundene Abschnitt des Leiters nur eine Windung oder nur einen Teil einer Windung ausbildet. Zum Beispiel kann es ausreichen, wenn der gewundene Abschnitt eine halbe oder eine dreiviertel Windung ausbildet und beispielsweise U-förmig ausgeformt und in der Windungsebene verlaufend angeordnet ist.
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Die Schalteinrichtung kann mit einem mechanischen Unterbrecherelement ausgeformt sein, das im Betriebszustand beispielsweise eine Lücke im Betriebsstrompfad beziehungsweise im elektrischen Leiter der Überlastsicherungsvorrichtung überbrückend schließen kann, sodass der Betriebsstrom durch das Unterbrecherelement und die Überlastsicherungsvorrichtung fließen kann. In diesem Betriebszustand, in dem das Unterbrecherelement in seiner Betriebsposition angeordnet ist, kann das Unterbrecherelement von betriebsunabhängigen und von dem wenigstens einen Haltemagneten erzeugten Haltekräften in seiner Betriebsposition gehalten werden. Die betriebsunabhängigen Haltekräfte gewährleisten also, dass sich der Betriebszustand der Überlastsicherungsvorrichtung nicht ohne Weiteres ändert. Die Haltekräfte können alternativ federelastische Kräfte und der wenigstens eine Haltemagnet ein Elektro- oder ein Permanentmagnet sein.
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Erreicht der Betriebsstrom den Grenzbetriebsstrom, so erreicht das Betriebsstrommagnetfeld eine Stärke, die zumindest zum Teil und womöglich zusammen mit der elastischen Sicherungskraft ausreicht, um den die Überlastsicherungsvorrichtung aus dem Betriebszustand zu holen. Nach Verlassen des Betriebszustands kann die Überlastsicherungsvorrichtung in einem zwischen den Betriebs- und dem Schutzzustand liegenden instabilen dynamischen Zustand sein. In einem solchen dynamischen Zustand kann das Unterbrecherelement den Betriebszustand verlassen haben und in den Schutzzustand wechseln. Im Schutzzustand kann das Unterbrecherelement in seiner Schutzposition angeordnet sein, wobei die Schutzposition von der Betriebsposition in einer Öffnungsrichtung beabstandet liegen kann. Auch der Schutzzustand kann ein stabiler Zustand sein, der von betriebsunabhängigen Haltekräften gehalten ist. Auch die Haltekräfte zur Gewährleistung des Schutzzustandes können magnetische oder federelastische Kräfte sein. Insbesondere kann die Haltekraft zur Stabilisierung des Schutzzustandes die federelastische Kraft des Sicherungselements sein.
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Zur Unterbrechung des Betriebsstrompfades ist zumindest die magnetische Haltekraft zu überwinden. Im Betriebszustand kann die federelastische Sicherungskraft geringer sein als die magnetische Haltekraft, sodass das Unterbrecherelement in seiner Betriebsposition gehalten ist. Erreicht der Betriebsstrom den Grenzbetriebsstrom, so kann das Unterbrecherelement in Öffnungsrichtung bewegt werden, da das durch den Betriebsstrom hervorgerufene Betriebsstrommagnetfeld, womöglich in Kombination mit der hierzu gleich ausgerichteten Sicherungskraft zur Sicherung des Schutzzustandes, größere Kräfte hervorruft als die magnetische Haltekraft. Die Schalt- oder Öffnungskraft kann also wenigstens teilweise durch die federelastische Sicherungskraft und insbesondere durch eine Kombination dieser Federkraft mit der magnetischen und durch das Betriebsstrommagnetfeld hervorgerufenen Kraft ausgebildet sein.
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Durch die Bewegung des Unterbrecherelements in Richtung auf seine Sicherungsposition zu kann der Betriebsstrompfad unterbrochen werden und der Betriebsstrom zusammenbrechen. Ferner nimmt die Reichweite des Haltekraftmagnetfelds schnell ab, sodass die federelastische Sicherungskraft ausreicht, den dynamischen Zustand der Überlastsicherungsvorrichtung in den Schutzzustand zu überführen.
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Zur Einleitung der Halte- beziehungsweise Sicherungskräfte und/oder der durch das Betriebsstrommagnetfeld zumindest zum Teil hervorgerufenen Schaltkraft kann die Schalteinrichtung eine Kupplungseinrichtung aufweisen, durch welche eine Öffnungsbewegung, die in der Öffnungsrichtung verläuft, zwangsweise in das Unterbrecherelement eingeleitet werden kann. Hierzu kann die Kupplungseinrichtung insbesondere zumindest teilweise mit dem im Betriebszustand im Betriebsstrompfad angeordneten mechanischen Unterbrecherelement der Schalteinrichtung bewegungsübertragend verbunden sein. Die Öffnungszwangsbewegung gewährleistet, dass der Betriebsstrompfad sicher unterbrochen wird, selbst wenn Kontaktelemente des Unterbrecherelements an Gegenkontaktelementen der Überlastsicherungsvorrichtung haften sollten.
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Die Kupplungsvorrichtung kann mit einem Ankerelement ausgebildet sein, durch das das Unterbrecherelement zumindest in der Öffnungsrichtung zwangsgeführt ist. Das Ankerelement kann die Öffnungskräfte aufnehmen und an das Unterbrecherelement weiterleiten.
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Die den Betriebszustand sichernde Haltekraft kann direkt in das Ankerelement eingeleitet werden. Beispielsweise kann der wenigstens eine Haltemagnet das Ankerelement im Betriebszustand anziehen und so dessen Lage in der Betriebsposition sichern. Um die Sicherung der Betriebsposition zu gewährleisten und den Übergang in den Schutzzustand zu ermöglichen, kann das Ankerelement im Betriebszustand näher am Haltemagneten angeordnet sein als im Schutzzustand. Insbesondere kann der Haltemagnet im Betriebszustand am Ankerelement anliegen, damit dessen Haltekräfte maximal wirken. Im Schutzzustand kann der Abstand zwischen dem wenigstens einen Haltemagneten und dem Ankerelement größer sein, die Wirkung des Haltemagneten auf den Anker wesentlich geringer, sodass der Haltemagnet den Schutzzustand nur geringfügig oder sogar vernachlässigbar beeinflusst.
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Die Kupplungseinrichtung kann ein Betätigungselement aufweisen, das die Öffnungsbewegung an das Ankerelement überträgt beziehungsweise in dieses einleitet. Das Betriebsstrommagnetfeld kann eine auf das Betätigungselement wirkende und in Öffnungsrichtung weisende Öffnungskraft erzeugen, welche die Öffnungsbewegung hervorruft. Auf das Betätigungselement können die durch das Betriebsstrommagnetfeld hervorgerufenen Öffnungskräfte wirken, sodass das bewegungsübertragend mit dem Ankerelement verbundene Unterbrecherelement dem Betriebsstrommagnetfeld weniger ausgesetzt ist und daher unabhängig von der Wechselwirkung mit dem Betriebsstrommagnetfeld ausgestaltet und betrieben werden kann.
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Das Betätigungselement kann ein Mitnehmerorgan aufweisen, wobei das Ankerelement durch das Mitnehmerorgan mit dem Betätigungselement in Öffnungsrichtung bewegungsübertragend zwangsgeführt gekoppelt ist. Das Mitnehmerorgan kann als ein Vorsprung oder ein Kragen des Betätigungselements ausgebildet und in Öffnungsrichtung vor dem Ankerelement angeordnet sein, wobei es das Ankerelement zumindest abschnittsweise überlappen kann. In Öffnungsrichtung kann das Ankerelement das Betätigungselement also zumindest teilweise verdecken.
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Um das Ankerelement möglichst gleichförmig in Richtung auf die Schutzposition ziehen zu können, kann das Betätigungselement wenigstens zwei Mitnehmerorgane aufweisen, die jeweils eines von mindestens zwei voneinander weg weisende Enden des Ankerelements überlappen. Dabei können die Mitnehmerorgane aufeinander zu weisende Vorsprünge oder Mitnehmerlippen des Betätigungselements sein.
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Das Betätigungselement kann beispielsweise U-förmig oder krallenförmig ausgestaltet sein, wobei ein offenes Ende des Betätigungselements vom gewundenen Abschnitt des Leiters weg weisen kann. Ein geschlossenes Ende des U-förmigen oder krallenförmigen Betätigungselements kann als eine Magnetfeldaufnahmeplatte ausgebildet sein, die nah am gewundenen Abschnitt angeordnet und effektiv durch das Betriebsstrommagnetfeld in Öffnungsrichtung gezogen wird.
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Das offene Ende des U-förmigen oder krallenförmigen Betätigungselements kann vom Mitnehmerorgan quer zur Öffnungsrichtung umgeben oder begrenzt sein, wobei die vom Mitnehmerorgan begrenzte Öffnung kleiner als das Ankerelement quer zur Öffnungsrichtung bemessen sein kann. Hierdurch wird ein Herausrutschen des Ankerelements aus dem Betätigungselement entgegen der Öffnungsrichtung verhindert.
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Das Betätigungselement kann die Öffnungskraft zunächst auf das Ankerelement leiten. Das Ankerelement kann also durch das Betätigungselement in Öffnungsrichtung zwangsbewegt werden. Zur Erreichung des stabilen Schutzzustandes kann es jedoch vorteilhaft sein, wenn das Ankerelement in Öffnungsrichtung relativ zum Betätigungselement bewegbar gehalten ist. So kann nämlich die federelastische Sicherungskraft das Ankerelement in Öffnungsrichtung bewegen, sobald die Haltekraft überwunden ist. Hierdurch kann das Ankerelement von dem wenigstens einem Haltemagneten, der die magnetische Haltekraft erzeugt, in Öffnungsrichtung weg und in dessen Schutzposition bewegt werden, nachdem das Ankerelement zumindest teilweise durch das Betätigungselement in den dynamischen Zustand überführt worden ist.
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Da das Ankerelement in Öffnungsrichtung relativ zum Betätigungselement beweglich ist, kann der Abstand zwischen der Betriebs- und der Schutzposition des Ankerelements größer sein als der Abstand zwischen der Betriebs- und der Schutzposition des Betätigungselements. Selbst kleine Bewegungen des Betriebselements können also vergleichsweise große Bewegungen des Ankerelements und folglich auch des Unterbrecherelements hervorrufen. Daher kann das Betätigungselement in Öffnungsrichtung nahe am gewundenen Abschnitt oder an einem das Betriebsstrommagnetfeld leitenden Magnetfeldleiter angeordnet sein, sodass das Betriebsstrommagnetfeld effektiv mit dem Betätigungselement interagieren kann. Dabei kann das Ankerelement durch dessen größeren Bewegungsspielraum in Öffnungsrichtung weit genug aus seiner Betriebsposition bewegt werden, damit der Betriebsstrompfad sicher unterbrochen und das Ankerelement weit genug vom Haltemagneten weg bewegt werden kann.
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Auf das Ankerelement können sowohl die das Unterbrecherelement im Betriebszustand als auch im Schutzzustand haltenden Halte- beziehungsweise Sicherungskräfte einwirken. Durch diese einfache Ausgestaltung ist sichergestellt, dass die Halte- beziehungsweise Sicherungskräfte nur auf ein einzelnes Element der Überlastsicherungsvorrichtung, nämlich auf das Ankerelement, wirken und daher einfach dimensioniert werden können.
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Der wenigstens eine Haltemagnet und auch das Federelement können an der Halteeinrichtung gelagert sein, wobei die Halteeinrichtung ortsfest in der Überlastsicherungsvorrichtung vorgesehen sein kann. Ferner kann die Halteeinrichtung ein Führungsorgan aufweisen, durch welches die Öffnungskraft vom Anker zum Unterbrecherelement geführt sein kann. Das Führungsorgan kann beispielsweise eine Führungshülse umfassen, die eine Halteachse oder Haltestange führt. Ein Ende der Halteachse kann am Anker fixiert sein. Ein anderes Ende der Halteachse kann die in Öffnungsrichtung weisende Öffnungskraft in das Unterbrecherelement einleiten. Beispielsweise kann das vom Ankerelement weg weisende Ende der Halteachse bzw. -stange in Öffnungsrichtung vor einen Kontaktelementträger des Unterbrecherelements angeordnet sein und diesen überlappen. Wird der Anker durch das Betriebsstrommagnetfeld nun in Öffnungsrichtung bewegt, kann das vom Ankerelement weg weisende Ende der Halteachse oder -stange an einer entgegen der Öffnungsrichtung weisenden Seite des Kontaktelementträgers anliegen und hier die Öffnungskraft direkt einleiten.
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Da die Kontaktelemente oder die Gegenkontaktelemente des Unterbrecherelements bzw. der Überlastsicherungsvorrichtung von einer vorgegebenen Idealgeometrie abweichen können, kann eine direkte Zwangsführung des Unterbrecherelements entgegen der Öffnungsrichtung dazu führen, dass die Kontaktelemente die Gegenkontaktelemente nicht optimal kontaktieren. Folglich kann die Verbindung der Halteachse oder -stange entgegen der Öffnungsrichtung federelastisch ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Halteachse oder -stange über eine Überhubfeder mit dem Unterbrecherelement und insbesondere mit dem Kontaktelementträger verbunden sein. Durch die Überhubfeder werden die Kontakte gegen die Gegenkontakte gedrückt, auch wenn sich die Geometrie der Kontakte, beispielsweise durch Abbrand, verändert haben sollte. Liegen die Kontakte nicht an den Gegenkontakten an, beispielsweise im Schutzzustand, kann das vom Ankerelement weg weisende Ende der Halteachse oder -stange als ein Anschlag für das Unterbrecherelement dienen, gegen den die Überhubfeder den Kontaktelementträger drückt. Der Kontaktelementträger kann so zumindest im Schutzzustand vorpositioniert sein, damit die Kontakte bei einem Schließen der Lücke des Leiters gut zu den Gegenkontakten angeordnet sind.
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Um das Betriebsstrommagnetfeld möglichst effizient in die Kopplungseinrichtung und insbesondere in das Betätigungselemente einleiten zu können, kann die Schalteinrichtung mit dem Magnetfeldleiter ausgebildet sein, der das durch den Betriebsstrom hervorgerufene Magnetfeld zumindest teilweise entgegen der Öffnungsrichtung leitet.
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Der Magnetfeldleiter kann ein Kernelement aufweisen, um das der gewundene Abschnitt des Betriebsstrompfades bzw. des elektrischen Leiters zumindest teilweise herumgewunden ist. Das Kernelement kann das Magnetfeld entgegen der Öffnungsrichtung effektiver leiten als beispielsweise Luft. Beispielsweise kann das Kernelement T-förmig ausgebildet und in etwa entlang einer zentralen Achse, die parallel zur Öffnungsrichtung verlaufen kann, des gewundenen Abschnitts angeordnet sein. Sich von einem entlang der Öffnungsrichtung verlaufenden Abschnitt des Kernelements weg erstreckende Teile des Kernelements können quer zur Öffnungsrichtung verlaufend eine Magnetfeldabgabeplatte ausbilden. Die Magnetfeldabgabeplatte und die Magnetfeldaufnahmeplatte des Betätigungselements können im Betriebszustand und in Öffnungsrichtung soweit voneinander beabstandet angeordnet sein, dass auf das Betätigungselement wirkende Betriebsstrommagnetfeldkräfte in Kombination mit den federelastischen Sicherungskräften bei Erreichen des Grenzbetriebsstroms größer sind als die magnetische Haltekraft, die im Betriebszustand auf das Ankerelement wirken, d. h. durch Einstellen des Abstands von Magnetfeldabgabeplatte (28) und Betätigungselement (19) kann der Grenzstrom voreingestellt werden.
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Ferner kann der Abstand zwischen den Platten so groß sein, dass das Betätigungselement spätestens bei Erreichen des Kernelements das Ankerelement soweit von den Haltemagneten entfernt hat, dass deren auf das Ankerelement wirkenden magnetischen Haltekräfte geringer sind als die federelastischen Kräfte des Federelements allein.
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Zur weiteren Verbesserung der Effizienz der Betriebsstrommagnetfeldeinleitung in das Betätigungselement kann der Magnetfeldleiter wenigstens ein Magnetfeldkurzschlusselement aufweisen, das sich parallel zum Kern und quer zur Öffnungsrichtung erstreckt. Das wenigstens eine Magnetfeldkurzschlusselement kann das Magnetfeld vom Betätigungselement aufnehmen und zurück zum Kernelement leiten, wodurch ein magnetischer Kreis im Wesentlichen geschlossen und im Betriebszustand lediglich durch den Abstand zwischen dem Kernelement und dem Betätigungselement unterbrochen ist. Das Magnetfeldkurzschlusselement kann sich insbesondere soweit entgegen der Öffnungsrichtung erstrecken, dass es in Öffnungsrichtung wenigstens teilweise neben dem Betätigungselement angeordnet ist. Hierdurch leitet es nicht nur das Magnetfeld effektiv zurück zum Kernelement. Vielmehr kann es darüber hinaus auch das Betätigungselement vor ungewollten Verdrehung um die Öffnungsrichtung schützen, wodurch auch die Lage des Unterbrecherelements vor ungewünschten Drehungen gesichert sein kann. Das Magnetfeldkurzschlusselement kann auch am Betätigungselement anliegen.
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Der Magnetfeldleiter kann symmetrisch und mit zwei Magnetfeldkurzschlusselementen ausgebildet sein. Hierdurch kann das durch den Betriebsstrom im gewundenen Abschnitt hervorgerufene Magnetfeld noch effektiver geleitet und darüber hinaus die Bewegung des Betätigungselement in Öffnungsrichtung genauer geführt werden.
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Im Folgenden ist die Erfindung beispielhaft anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Die unterschiedlichen Merkmale der Ausführungsformen können dabei unabhängig voneinander kombiniert werden, wie es bei den einzelnen vorteilhaften Ausgestaltungen bereits dargelegt wurde.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Überlastsicherungsvorrichtung in einem Betriebszustand;
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2 eine schematische Darstellung der Überlastsicherungsvorrichtung des Ausführungsbeispiels der 1 in einem Schutzzustand.
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Zunächst sind Aufbau und Funktion einer erfindungsgemäßen Überlastsicherungsvorrichtung mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel der 1 beschrieben.
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1 zeigt die Überlastsicherungsvorrichtung 1 schematisch in einer perspektivischen Vorderansicht. Die Überlastsicherungsvorrichtung 1 umfasst zwei Anschlusselemente 2, 3, über welche die Überlastsicherungsvorrichtung 1 in einen Betriebsstrompfad eines Betriebsstromkreises, beispielsweise eines Kraftfahrzeuges, eingebunden werden kann. Ein elektrischer Leiter 4 der Überlastsicherungsvorrichtung 1 kann die Anschlusselemente 2, 3 miteinander verbinden. Der elektrische Leiter 4 kann in den Betriebsstrompfad eingebunden und die Überlastsicherungsvorrichtung 1 in Reihe mit elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen des Betriebsstrompfades geschaltet werden. Der elektrische Leiter 4 kann also ein in der Überlastsicherungsvorrichtung 1 angeordneter Abschnitt 5 des Betriebsstrompfades sein, wenn die Überlastsicherungsvorrichtung 1 in diesen eingebunden ist.
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Die Überlastsicherungsvorrichtung 1 kann eine Schalteinrichtung 6 aufweisen, die den Abschnitt des Betriebsstrompfades 5 in einem Betriebszustand B der Überlastsicherungsvorrichtung 1 elektrisch durchgängig schließt.
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Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Schalteinrichtung 6 ein mechanisches Unterbrecherelement 7 aufweisen, das als eine Kontaktbrücke ausgestaltet sein kann. Das mechanische Unterbrecherelement 7 kann im Betriebszustand B eine Lücke L im Abschnitt des Betriebsstrompfades 5 überbrücken. Kontaktelemente 8, 9 können an Enden eines Kontaktelementträgers 10 der Schalteinrichtung 6 angeordnet sein, wobei der Kontaktelementträger 10 die Kontaktelemente 8, 9 elektrisch miteinander verbindet. Die Überlastsicherungsvorrichtung 1 kann Gegenkontaktelemente 8', 9' für die Kontaktelemente 8, 9 aufweisen, wobei die Kontaktelemente 8, 9 im Betriebszustand B elektrisch mit den Gegentaktelementen 8', 9' verbunden sein können. Zum Schließen der Lücke L kann das mechanische Unterbrecherelement 7 in seiner Betriebsposition Pb angeordnet sein, sodass die Kontaktelemente 8, 9 mit den Gegenkontaktelementen 8', 9' verbunden sein und paarweise aneinander anliegen können.
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Um das Unterbrecherelement 7 in der Betriebsposition Pb zu halten, kann die Überlastsicherungsvorrichtung 1 mit einer Halteeinrichtung 11 ausgestattet sein. Die Halteeinrichtung 11 kann betriebsunabhängige Haltekräfte aufbringen, um das Unterbrecherelement 7 im Betriebszustand B in seiner Betriebsposition Pb zu halten. Diese betriebsunabhängigen Haltekräfte können magnetische oder federelastische Kräfte sein. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel der 1 kann die Halteeinrichtung 11 wenigstens ein und insbesondere zwei Haltemagnete 12, 13 umfassen, welche die Betriebsposition Pb des Unterbrecherelements 7 sichern. Die Halteeinrichtung 11 kann wie auch der elektrische Leiter 4 ortsfest in der Überlastsicherungsvorrichtung 1 angeordnet sein.
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Die Haltemagnete 12, 13 können mit einem Ankerelement 14 interagieren und insbesondere das Ankerelement 14 magnetisch halten. Das Ankerelement 14 kann bewegungsübertragend mit dem Unterbrecherelement 7 verbunden sein, sodass die magnetische Halterung des Ankerelements 14 durch die Haltemagnete 12, 13 für eine Fixierung des Unterbrecherelements 7 in der Betriebsposition Pb sorgen kann. In der gezeigten Ansicht der Überlastsicherungsvorrichtung 1 sind die Haltemagnete 12, 13 vom Ankerelement 14 verdeckt.
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Von der Lücke L aus gesehen hinter dem Ankerelement 14 ist ein gewunden ausgebildeter Abschnitt 15 des elektrischen Leiters 4 angeordnet. Eine Windungsebene P des Abschnitts 15 kann parallel zum Ankerelement 14 bzw. zur Lücke L angeordnet sein. Fließt ein Betriebsstrom Ib vom Anschlusselement 2 zum Anschlusselement 3 oder umgekehrt, so kann der gewundene Abschnitt 15 ein Magnetfeld erzeugen, durch das Kräfte in das Unterbrecherelement 7 eingeleitet werden. Diese Betriebsstrommagnetfeld- oder Öffnungskräfte können das Unterbrecherelement 7 aus seiner Betriebsposition Pb in einer Öffnungsrichtung R zu bewegen suchen. Übersteigen nun die durch das Magnetfeld hervorgerufenen Kräfte zumindest zum Teil die Haltekräfte der Haltemagnete 12, 13, so kann das Ankerelement 14 weg von den Haltemagneten 12, 13 und der Lücke L in Öffnungsrichtung R auf den gewundenen Abschnitt 15 zu bewegt werden. Das Ankerelement 14 kann so mit dem Unterbrecherelement 7 verbunden sein, dass eine solche Öffnungsbewegung des Ankerelements 14 zwangsweise auf das Unterbrecherelement 7 übertragen wird und das Unterbrecherelement 7 dieser Öffnungsbewegung folgt.
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Sobald der durch die Überlastsicherungsvorrichtung 1 verlaufende Abschnitt des Betriebsstrompfades 5 jedoch unterbrochen ist, kann das durch den gewundenen Abschnitt 15 hervorgerufene Betriebsstrommagnetfeld zusammenbrechen. Liegt das Ankerelement 14 dann noch so nahe an den Haltemagneten 12, 13, das deren Magnetkräfte das Ankerelement 14 zurückziehen, kann der Abschnitt des Betriebsstrompfades 5 unmittelbar wieder geschlossen werden.
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Dies kann zu einem unerwünschten Betriebsmodus führen, in den die Überlastsicherungsvorrichtung 1 den Betriebsstrompfad in schneller Folge öffnet und schließt.
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Um einen solchen Betriebsmodus zu verhindern, kann die Halteeinrichtung 11 Sicherungselement E, beispielsweise einen Öffnungskraftspeicher aufweisen, dessen Sicherungskraft zumindest teilweise freigesetzt wird, sobald das Unterbrecherelement 7 aus seiner Betriebsposition Pb in Öffnungsrichtung R bewegt ist. Beispielsweise kann das Sicherungselement E ein Federelement 16 aufweisen, das im Betriebszustand B in Öffnungsrichtung R gegen das Ankerelement 14 drückt, dessen elastische Federkraft im Betriebszustand B allein jedoch nicht ausreicht, das Ankerelement 14 von den Haltemagneten 12, 13 zu lösen.
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Sobald das Betriebsstrommagnetfeld des gewundenen Abschnitts 15 das Ankerelement 14 von den Haltemagneten 12, 13 löst, nimmt die magnetische Haltekraft der Haltemagneten 12, 13 auf das Ankerelement 14 rapide ab und die elastische Federkraft des Federelements 16 kann in einem solchen dynamischen Zustand der Überlastsicherungsvorrichtung 1 größer sein als dann wirkende die Haltekraft der Haltemagnete 12, 13. Folglich kann das Federelement 16 das Ankerelement 14 und somit das Unterbrecherelement 7 in Öffnungsrichtung R auf den gewundenen Abschnitt 15 des elektrischen Leiters 4 zu verschieben, sobald die Lücke L nicht mehr durch die Schalteinrichtung 6 überbrückt ist. Eine solche durch das Federelement 16 hervorgerufene Öffnungsbewegung des Ankerelements 14 folgt auch das Unterbrecherelement 7. Diese Öffnungsbewegung verhindert den unerwünschten Betriebsmodus.
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Das Ankerelement 14 kann Teil einer Kupplungseinrichtung 18 der Überlastsicherungsvorrichtung 1 sein. Die Kupplungseinrichtung 18 kann neben dem Ankerelement 14 noch ein Betätigungselement 19 aufweisen. Das Betätigungselement 19 kann im Wesentlichen U-förmig ausgebildet sein, wobei die offene Seite des Betätigungselements 19 von dem gewundenen Abschnitt 15 weg und entgegen der Öffnungsrichtung R zur Lücke L weisen kann. Das Betätigungselement 19 kann wenigstens ein Mitnehmerorgan M aufweisen, das so ausgebildet sein kann, dass es das Ankerelement 14 auf dessen zur Lücke L weisenden Seite zumindest abschnittsweise überlappt. Hierzu kann das Betätigungselement 19 beispielsweise krallen- oder klammerförmig ausgestaltet sein, wobei freie Enden 22, 23 von Schenkeln 20, 21 des im Wesentlichen U-förmigen Betätigungselements 19 als Mitnehmerorgane M aufeinander zu weisen können. Insbesondere diese aufeinander zu weisenden Enden 22, 23 können sich gegenüberliegende Abschnitte oder Enden W des Ankerelements 14 überlappen und zumindest im Betriebszustand B an einer auf die Lücke L und entgegen der Öffnungsrichtung R weisenden Seite 24 des Ankerelements 14 anliegen. Die Mitnehmerorgane M beziehungsweise die Enden 22, 23 können als ein umlaufender Kragen oder sich gegenüberliegende Mitnehmerlippen ausgebildet sein, die ins innere des Betätigungselements 19 ragen und die Öffnung O des Betätigungselements 19 so begrenzen, dass die Öffnung O quer zur Öffnungsrichtung R kleiner bemessen ist als das Ankerelement 14. In Öffnungsrichtung R hinter der Öffnung O kann sich das Betätigungselement 19 weiten, womöglich sogar sprunghaft, wodurch ein das Mitnehmerorgan M ausbildender Hinterschnitt ausgeformt sein kann.
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Ein unterer, geschlossener Abschnitt des im Wesentlichen U-förmigen Betätigungselements 19 kann als eine Magnetfeldaufnahmeplatte 25 ausgebildet sein. Die Magnetfeldaufnahmeplatte 25 kann quer zur Öffnungsrichtung R ausgerichtet verlaufen und zwischen dem Ankerelement 14 und dem gewundenen Abschnitt 15 angeordnet sein. Dadurch, dass die Magnetfeldaufnahmeplatte 25 näher an dem gewundenen Abschnitt 15 angeordnet ist als das Ankerelement 14, kann das Betriebsstrommagnetfeld des gewundenen Abschnitts 15 größere Kräfte auf die Magnetfeldaufnahmeplatte 25 hervorrufen als auf das Ankerelement 14. Ein Abstand A zwischen dem Kernelement 26 und der Magnetfeldaufnahmeplatte 25 kann in Öffnungsrichtung R so bemessen sein, dass das durch den Betriebsstrom Ib vom gewundenen Abschnitt 15 erzeugte Betriebsstrommagnetfeld stark genug ist, um das Ankerelement 14 von den Haltemagneten 12, 13 so weit zu lösen, dass die Federkraft des Federelements 16 im dynamischen Zustand ausreicht, das Ankerelement 14 in Öffnungsrichtung R weiter von den Haltemagneten 12, 13 zu entfernen.
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Ohne das Betätigungselement 19 könnte der Abstand zwischen dem gewundenen Abschnitt 15 und dem Ankerelement 14 zwar verringert werden, um die Kräfte des Betriebsstrommagnetfelds direkt auf das Ankerelement 14 zu erhöhen. Ist der Abstand zwischen dem Ankerelement 14 und dem gewundenen Abschnitt 15 jedoch zu gering, kann die durch das Federelement 16 hervorgerufene Öffnungsbewegung jedoch womöglich zu gering ausfallen, um das Ankerelement 14 weit genug von den Haltemagneten 12, 13 zu entfernen.
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Eine in Öffnungsrichtung R weisende lichte Weite H zwischen der Magnetaufnahmeplatte 25 und den aufeinander zu weisenden Endabschnitten 22, 23 beziehungsweise dem Mitnehmerorgan M des Betätigungselements 19 kann also so bemessen sein, dass die Ankerplatte 14 zumindest dann weit genug weg von den Haltemagneten 12, 13 angeordnet ist, wenn sie von dem Federelement 16 gegen die Magnetfeldaufnahmeplatte 25 gedrückt ist.
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Damit das Betriebsstrommagnetfeld effektiv in das Betätigungselement 19 eingeleitet werden kann, kann die Schalteinrichtung 6 einen Magnetfeldleiter 26 umfassen. Der Magnetfeldleiter 26 kann ortsfest in der Überlastsicherungsvorrichtung 1 angeordnet und so ausgebildet sein, dass er das von dem gewundenen Abschnitt 15 und durch den Betriebsstrom Ib erzeugte Betriebsstrommagnetfeld aufnimmt und in Richtung auf das Betätigungselement 19 leitet. Der Magnetfeldleiter 26 kann mit einem Kernelement 27 ausgebildet sein, wobei der gewundene Abschnitt 15 das Kernelement 27 zumindest teilweise umlaufen kann. Der gewundene Abschnitt 15 kann dabei beispielsweise als eine 3/4-Windung ausgebildet sein, in deren Zentrum sich das in Öffnungsrichtung R erstreckende Kernelement 27 angeordnet sein kann. Das Kernelement 27 kann im Wesentlichen T-förmig ausgebildet sein, wobei ein zum Betätigungselement 19 weisendes Ende des Kernelements 27 im Wesentlichen als eine Magnetfeldabgabeplatte 28 ausgebildet sein kann, welche das Betriebsstrommagnetfeld effektiv in Richtung auf das Betätigungselement 19 richtet.
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Das Kernelement 27 kann den gewundenen Abschnitt 15 des elektrischen Leiters 4 entgegen der Öffnungsrichtung R überragen, sodass das Betätigungselement 19 bei Öffnungsbewegungen in Öffnungsrichtung R nur gegen das Kernelement 27 stößt und somit ein Kontakt des Betätigungselements 25 mit dem elektrischen Leiter 4 und insbesondere mit dessen gewundenen Abschnitt 15 verhindert wird.
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Der Magnetfeldleiter 26 kann wenigstens ein Magnetfeldkurzschlusselement 29 aufweisen, das sich parallel zum Kernelement 26 und entgegen der Öffnungsrichtung R erstreckt. Das Magnetfeldkurzschlusselement 29 kann das in das Betätigungselement 19 eingeleitete Betriebsstrommagnetfeld aufnehmen und zurück zum Kernelement 27 leiten, sodass ein im Wesentlichen geschlossener magnetischer Kreis entsteht, durch den die Effektivität der Schalteinrichtung 6 erhöht wird.
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Der Magnetfeldleiter 26 kann symmetrisch und insbesondere W-förmig ausgeformt sein, wobei der Magnetfeldleiter 26 zwei Magnetfeldkurzschlusselemente 29, 30 aufweisen kann, die entgegen der Öffnungsrichtung R verlaufend das Kernelement 27 flankieren können.
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Zusätzlich zur Effektivitätssteigerung der Schalteinrichtung 6 können die Magnetfeldkurzschlusselemente 29, 30 als Führungen für die Öffnungsbewegung des Betätigungselements 19 dienen. Hierdurch können Verdrehungen des Betätigungselements 19 und folglich auch des Unterbrecherelements 7 um die Öffnungsrichtung R herum wirksam unterbunden werden.
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Zur Bewegungsübertragung kann das Ankerelement 14 im Wesentlichen starr mit dem Unterbrecherelement 7 verbunden sein. Beispielsweise können das Ankerelement 14 und das Unterbrecherelement 7 bzw. dessen Kontaktelementträger 10 über eine Haltestange oder -achse 31 miteinander verbunden sein. Das Ankerelement 14 kann an der Haltestange 31 fixiert sein, und somit die Öffnungsbewegung direkt auf die Haltestange 31 übertragen. Ein vom Ankerelement 14 weg weisendes Ende 32 der Haltestange 31 kann so mit dem Unterbrecherelement 7 und insbesondere mit dessen Kontaktelementträger 10 verbunden sein, dass die Haltestange 31 die Öffnungsbewegung in Öffnungsrichtung R zwangsweise auf das Unterbrecherelement 7 überträgt. Beispielsweise kann die Haltestange 31 durch eine in Öffnungsrichtung R verlaufende Öffnung 33 im Kontaktelementträger 10 verlaufen, wobei der Durchmesser des Endes 32 größer sein kann als der Durchmesser der Öffnung 33.
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Um das Unterbrecherelement 7 in der Betriebsposition Pb zu halten, kann die Haltestange 31 auch entgegen der Öffnungsrichtung R bewegungsübertragend mit dem Unterbrecherelement 7 verbunden sein. Bei einer vollkommen starren Verbindung zwischen der Haltestange 31 und dem Unterbrecherelement 7 kann es jedoch zu Problemen kommen, falls die Geometrie der Kontaktelemente 8, 9 bzw. der Gegenkontaktelemente 8', 9' von einer Sollgeometrie abweicht. Beispielsweise können sowohl die Kontaktelemente 8, 9 als auch die Gegenkontaktelemente 8', 9' im Betrieb in Folge von Abbrand so verformt sein, dass die Kontaktelemente 8, 9 und die Gegenkontaktelemente 8', 9' bei einer starren Verbindung des Unterbrecherelements 7 mit der Haltestange 31 nicht mehr richtig kontaktiert werden.
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Um solche Probleme zu vermeiden, kann die Haltestange 31 entgegen der Öffnungsrichtung R elastisch bewegungsübertragung mit dem Unterbrecherelement 7 verbunden sein. Beispielsweise kann an der Haltestange 31 ein Federelement 34 fixiert sein, das federkraftübertragend mit dem Kontaktelementträger 10 verbunden sein kann. Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 kann die Haltestange 31 über das hier als eine Überhubfeder ausgestaltetes Federelement 34 mit dem Kontaktelementträger 10 verbunden sein. Das Federelement 34 kann dabei symmetrisch ausgebildet sein, wobei Enden 35, 36 des womöglich blattfederartig ausgebildeten Federelements 34 an Abschnitten des Kontaktelementträgers 10, die den Kontaktelementen 8, 9 in Öffnungsrichtung R gegenüberliegen, befestigt sein können. Ein mittlerer Abschnitt 37 des Federelement 34 kann an der Haltestange 31 fixiert sein.
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Um Bewegungen parallel zur Öffnungsrichtung R der Haltestange 31 und somit auch des Unterbrecherelements 7 führen zu können, kann die Halteeinrichtung 11 ein Führungsorgan 38 umfassen. Das Führungsorgan 38 kann mit einer Führungshülse 39 ausgeformt sein, wobei sich die Führungshülse 39 entlang der Öffnungsrichtung R erstrecken und Bewegungen der Haltestange 31 parallel zur Öffnungsrichtung R führen kann. Beispielsweise kann die Halteachse oder -stange 31 durch die Führungshülse 39 geführt sein, wobei die Führungshülse 39 ortsfest in der Überlastsicherungsvorrichtung 1 angeordnet sein kann.
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2 zeigt das Ausführungsbeispiel der 1 schematisch in einer perspektivischen Vorderansicht, wobei die Überlastsicherungsvorrichtung 1 in einem Schutzzustand S dargestellt ist.
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Im in der 2 gezeigten Schutzzustand S der Überlastsicherungsvorrichtung 1 ist die Lücke L nicht mehr durch das Unterbrecherelement 7 überbrückt. Vielmehr ist das Unterbrecherelement 7 in seiner Schutzposition Ps angeordnet dargestellt, wobei die Schutzposition Ps in Öffnungsrichtung R hinter der Betriebsposition Pb des Unterbrecherelements 7 angeordnet ist.
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Das Betätigungselement 19 kann im gezeigten Schutzzustand S der Überlastsicherungsvorrichtung 1 beispielsweise mit seiner Magnetfeldaufnahmeplatte 25 am Kernelement 27 und insbesondere an dessen Magnetfeldabgabeplatte 28 anliegen. Auch wenn im Schutzzustand S kein Betriebsstrom Ib durch den elektrischen Leiter 4 fließt und daher der gewundene Abschnitt 15 kein Betriebsstrommagnetfeld erzeugen kann, kann das Betätigungselement 19 dennoch sicher am Kernelement 27 anliegen. Das Betätigungselement 19 kann nämlich durch das Ankerelement 14 in Öffnungsrichtung R gegen das Kernelement 27 gedrückt werden, da das Ankerelement 14 durch das Federelement 16 in Öffnungsrichtung R gedrückt ist. Auch das Unterbrecherelement 7 kann über das Ankerelement 14 und die Haltestange 31 durch das Federelement 16 in der Schutzposition Ps sicher gehalten sein.
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Die Überlastsicherungsvorrichtung 1 und insbesondere deren Schalteinrichtung 6 kann also bistabil ausgebildet sein, wobei ein stabiler Zustand der Betriebszustand B und ein anderer stabiler Zustand der Schutzzustand S sein kann. Der dynamische Zustand kann ein instabiler Übergangzustand sein. Die Haltemagnete 12, 13 können den stabilen Betriebszustand B im Normalbetrieb sichern. Löst ein unzulässiger, oberhalb des Grenzbetriebstroms liegender Betriebsstrom Ib die Schalteinrichtung 6 aus, so kann die Überlastsicherungsvorrichtung 1 den stabilen Betriebszustand B verlassen und über den instabilen dynamischen Zustand in den stabilen Schutzzustand S übergehen, der durch das Federelement 16 stabil gesichert sein kann.
