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Die Erfindung betrifft eine Auslöseeinheit zum Betätigen einer mechanischen Schalteinheit einer Vorrichtung zur Unterbrechung eines Versorgungsstrangs eines Verbrauchers. Eine derartige Vorrichtung zur Unterbrechung eines Versorgungsstrangs eines Verbrauchers ist insbesondere ein thermisches Überlastrelais, mittels welchem ein Motor- bzw. Leitungsschutz ermöglicht wird. Hierfür wird der entsprechende Versorgungsstrang des zu überwachenden Motors bzw. der zu überwachenden Leitung über die Vorrichtung geführt und mittels einer Überwachungsvorrichtung auf thermische Überlast überwacht. Wird durch die Überwachungsvorrichtung eine thermische Überlast am Motor bzw. an der Leitung detektiert, so wird durch die Überwachungsvorrichtung eine mechanische Schalteinheit betätigt, so dass mittels der mechanischen Schalteinheit der über die Vorrichtung geführte Versorgungsstrang unterbrochen wird. Mittels der mechanischen Schalteinheit kann somit eine elektrisch leitende Verbindung zwischen einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss der Vorrichtung unterbrochen werden. Die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss der Vorrichtung bildet hierbei den zu überwachenden Versorgungsstrang ab.
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Die mechanische Schalteinheit wird üblicherweise über ein Betätigungselement ausgelöst, so dass hierauf durch die mechanische Schalteinheit der Versorgungsstrang (die über die Vorrichtung geführte Phase) unterbrochen wird. Zum Auslösen der mechanischen Schalteinheit und somit zum Unterbrechen der elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem Ausgangs- und Eingangsanschluss der Vorrichtung (überwachter Versorgungsstrang) wird eine mechanische Kraft auf das Betätigungselement der mechanischen Schalteinheit ausgeübt. Durch die Betätigung des Betätigungselements der mechanischen Schalteinheit wird letztendlich ein über die Vorrichtung geführter Versorgungsstrang unterbrochen.
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Bei thermischen Überlastrelais wird meist aufgrund des günstigen Kostenniveaus eine thermomechanischer Auslöser (Bimetall-Auslöser) als Überwachungsvorrichtung und Auslöseeinheit verwendet. Zur Überwachung des Motors bzw. der Leitung wird der Bimetall-Auslöser mittels des Überlastrelais im zu überwachenden Versorgungsstrang platziert. Da der Bimetall-Auslöser im Versorgungsstrang (in der Hauptstrombahn des Verbrauchers) liegt wird er in Abhängigkeit des vorliegenden Stromflusses unterschiedlich erhitzt. Liegt eine thermische Überlast am Verbraucher vor, so wird durch den erhöhten Stromfluss im Versorgungsstrang der Bimetallauslöser, insbesondere dessen Bimetall, derart verformt, dass durch den Bimetall-Auslöser eine mechanische Kraft auf das Betätigungselement der mechanischen Schalteinheit ausgeübt wird, so dass dieses hierdurch ausgelöst wird. Mittels der mechanischen Schalteinheit wird folglich der überwachte Versorgungsstrang unterbrochen.
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Ebenso sind Überlastrelais mit elektromagnetischen Auslöseeinheiten bekannt, bei denen die mechanische Schalteinheit über einen elektromagnetischen Auslöser der Auslöseeinheit ausgelöst werden kann. Dabei kann zwischen zwei Auslöseeinheiten unterschieden werden. Es gibt Auslöseeinheiten, die die Auslöseenergie zur Betätigung des Betätigungselements der mechanischen Schalteinheit direkt von der Auslöseelektronik der Auslöseeinheit zur Verfügung gestellt bekommen und Auslöseeinheiten, die als elektromechanisch getriggerter Kraftspeicher (Maglatch) aufgebaut sind. Letztere haben den Vorteil, dass die Auslöseelektronik weniger Auslöseenergie bereitstellen muss als für das Betätigen des Betätigungselements der mechanischen Schalteinheit eigentlich gebraucht wird.
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Unabhängig davon beinhalten die elektromagnetischen Auslöseeinheiten üblicherweise eine auf einen Spulenkörper gewickelte Spule, wobei die Spulenanschlüsse zusätzlich über Leitungen (Spulen-Anschlussleitungen) und/oder Steckverbindungen an die Elektronik der Auslöseeinheit angebunden werden müssen.
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Aus der
DE 196 46 243 C1 ist ein elektromagnetischer Differenzstrom-Auslöser bekannt, welcher eine Spule mit einem U-formigen Joch umfasst. Im Inneren der Spule ist axial beweglich ein dauermagnetischer Anker geführt, der im Ruhezustand entgegen der Kraft einer Druckfeder den Anker an einem Jochschenkel festhält, während bei Auslösung durch einen Differenzstrom in der Spule die Druckfeder über ein Betätigungsorgan einen Leistungsschalter betätigt.
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Aus der
DE 94 21 240 U1 ist ein Leistungsschalter mit einem eisenlosen Stromwandler bekannt. Der Leistungsschalter umfasste eine Leiterplatte, welche eine Wicklung umfasst.
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Aus der
US 7 973 635 B2 ist eine mehrlagige Leiterplatte bekannt. Innerhalb der mehrlagigen Leiterplatte sind Drähte derart angeordnet, dass eine Spule nachgebildet wird.
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Aus der
DE 691 15 042 T2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines permanentmagnetischen Auslösemagnetes für einen automatischen Leistungsschalter bekannt.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine verbesserte Auslöseeinheit zum Betätigen einer mechanischen Schalteinheit einer Vorrichtung zur Unterbrechung eines Versorgungsstrangs eines Verbrauchers bereitzustellen. Diese Auslöseeinheit soll vorzugsweise kompakt, kostengünstig und energieoptimiert sein, so dass sie im Normalzustand und im ausgelösten Zustand keine elektrische Energie benötigt. Ferner soll die mechanische Schalteinheit mit einer möglichst geringen elektrischen Auslöseenergie ausgelöst werden können.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, d. h. durch eine Auslöseeinheit zum Betätigen einer mechanischen Schalteinheit einer Vorrichtung zur Unterbrechung eines Versorgungsstrangs eines Verbrauchers, wobei die Auslöseeinheit einen beweglich gelagerten Stößel, welcher eine erste und eine zweite Anschlagposition einnehmen kann, einen Kraftspeicher, insbesondere eine Feder, ein Haltemittel, insbesondere ein Dauermagneten, und eine Leiterplattenspule umfasst, wobei die Auslöseeinheit einen ausgelösten Zustand und einen Normalzustand einnehmen kann, wobei sich der Stößel im ausgelösten Zustand in der ersten Anschlagposition und im Normalzustand in der der ersten Anschlagposition entgegen gesetzten zweiten Anschlagposition befindet, wobei im Normalzustand der erste Kraftspeicher den Stößel mit einer Kraftspeicherkraft (F1) in Richtung der ersten Anschlagposition beaufschlagt und das Haltemittel den Stößel mit einer Haltekraft (F2) in der zweiten Anschlagposition hält, wobei durch ein Aktivieren der Leiterplattenspule eine Leiterplattenspulenkraft erzeugbar ist, wobei der Kraftspeicher, das Haltemittel und die Leiterplattenspule derart ausgebildet sind, dass im inaktiven Zustand der Leiterplattenspule der Stößel in der zweiten Anschlagposition verweilt und durch ein Aktiveren der Leiterplattenspule der Stößel die erste Anschlagposition einnimmt, so dass der ausgelöste Zustand vorliegt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 14 angegeben.
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Die Vorrichtung ist vorzugsweise ein Überlastrelais. Mit einem Überlastrelais kann der Versorgungsstrang eines Verbrauchers (z. B. Elektromotor) oder eine Leitung auf thermische Überlast überwacht werden. Wird eine thermische Überlast durch die Vorrichtung detektiert, so wird der über die Vorrichtung geführte Versorgungsstrang unterbrochen. Zur Detektion der thermischen Überlast umfasst die Vorrichtung eine Überwachungsvorrichtung mittels welcher der Verbraucher oder die Leitung hinsichtlich einer thermischen Überlast überwacht werden kann. Die Auslöseeinheit umfasst den Stößel, den Kraftspeicher, das Haltemittel und die Leiterplattenspule. Wird eine Überlast durch die Überwachungsvorrichtung detektiert, so wird mittels der Auslöseeinheit die mechanische Schalteinheit der Vorrichtung betätigt, so dass der überwachte Versorgungsstrang unterbrochen wird. Das Auslösen der mechanischen Schalteinheit erfolgt insbesondere über ein Betätigungselement der mechanischen Schalteinheit. Das Betätigungselement wird vorzugsweise unmittelbar mittels des Stößels betätigt/ausgelöst.
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Zur Betätigung der mechanischen Schalteinheit wird über die Leiterplattenspule eine Leiterplattenspulenkraft erzeugt, so dass der Stößel von der zweiten Anschlagsposition in die erste Anschlagposition wechselt. Über diese Positionsänderung des Stößels wird auf die mechanische Schalteinheit, insbesondere auf dessen Betätigungselement, eine mechanische Kraft ausgeübt, so dass das die mechanische Schalteinheit auslöst und der Versorgungsstrang unterbrochen wird.
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Dadurch, dass die Leiterplattenspule sowie vorzugsweise deren Zuleitungen durch die Leiterplatte ausgebildet sind entfallen insbesondere die derzeit üblichen separaten Komponenten: Spulenkörper, gewickelte Spule, Spulen-Anschlussleitungen und Steckverbindungen. Hierdurch kann eine äußerst kompakte Beform erzielt und ein verbessertes Kosten-Niveau gegenüber heutigen rein thermomechanischen Losungen realisiert werden.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Betätigung/Auslösung der mechanischen Schalteinheit mittels eines elektronischen Impulses möglich ist. Befindet sich der Stößel im Normalzustand so liegt eine auf den Stößel wirkende Gesamtkraft Fges vor, welche in Richtung des zweiten Anschlags wirkt (die Haltekraft ist größer als die Kraftspeicherkraft). Ist der Kraftspeicher eine Feder und die Haltekraft ein Dauermagnet, so kann die Vorrichtung diese Position ohne zusätzliche elektrische Energie stabil halten.
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Wird eine thermische Überlast durch die Überwachungsvorrichtung detektiert, so wird die Leiterplattenspule aktiviert, d. h. sie wird von Strom durchflossen. Durch die Leiterplattenspule wird folglich ein Magnetfeld gebildet. Dieses Magnetfeld (Leiterplattenspulenkraft) der Leiterplattenspule kann zum einen dahingehend genutzt werden, dass die auf den Stößel wirkende Haltekraft des Haltemittels geschwächt wird. Im Fall des Dauermagneten wird die auf den Stößel wirkende Magnetkraft (Haltekraft) des Dauermagneten durch das Magnetfeld der aktivierten Leiterplattenspule reduziert. Zusätzlich oder alternativ kann durch das Magnetfeld der Leiterplattenspule eine Kraft (Magnetkraft) auf den Stößel in Richtung der ersten Anschlagposition ausgeübt werden. Durch das Aktivieren der Leiterplatte wird somit eine Leiterplattenspulenkraft (Kraft des Magnetfeldes der Leiterplattenspule) erzeugt, welche die auf den Stößel wirkende Gesamtkraft Fges derart ändert, dass die Gesamtkraft Fges in Richtung der ersten Anschlagposition des Stößels wirkt. Der beweglich gelagerte Stößel wird folglich in Richtung der ersten Anschlagposition bewegt. Ist das Haltemittel ein Dauermagnet und der Kraftspeicher eine Feder, so nimmt mit zunehmender Entfernung des dem Haltemittel zugewandten Endes des Stößels die auf den Stößel ausgeübte Kraft (F2) des Haltemittels ab. Der Stößel nimmt somit die erste Anschlagposition automatisch ein. Die Leiterplattenspulenkraft müsste somit lediglich solange aufgebracht werden, bis die auf den Stößel wirkende Kraftspeicherkraft F1 größer als die auf den Stößel wirkende Haltekraft F2 ist. Die Leiterplattenspulenkraft muss somit lediglich solange aufgebracht werden, bis die Gesamtkraft Fges in Richtung der ersten Anschlagposition überwiegt. Zur Erhöhung der Sicherheit kann jedoch die Leiterplattenspulenkraft länger aufrechterhalten werden. Im ausgelösten Zustand, der Stößel befindet sich in der ersten Anschlagposition, ist die Kraftspeicherkraft (F1) größer als die Haltekraft (F2). Der Stößel befindet sich somit in Selbsthaltung, so dass keine Leiterplattenspulenkraft erforderlich ist.
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Die mechanische Schalteinheit ist vorzugsweise derart innerhalb der Vorrichtung platziert, dass durch Einnehmen der ersten Anschlagposition durch den Stößel die Betätigung der mechanischen Schalteinheit erfolgt, so dass über die mechanische Schalteinheit eine Unterbrechung des Versorgungsstrangs herbeigeführt wird.
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Ein Zustandswechsel für den Stößel von der zweiten Anschlagposition in die erste Anschlagposition kann somit durch ein kurzes Aktivieren der Leiterplattenspule mittels eins Stromimpulses herbeigeführt werden. Die auf den Stößel wirkende Gesamtkraft Fges nähert sich mit zunehmendem Abstand vom Haltemittel der Kraftspeicherkraft (F1) an. Vorzugsweise wird der Kraftspeicher derart ausgebildet, dass die Betätigung des mechanischen Schaltelements lediglich durch die auf den Stößel wirkende Kraftspeicherkraft (F1) erfolgt. Eine energieoptimierte Vorrichtung kann bereitgestellt werden, da keine konstante elektrische Energieversorgung für die Auslöseeinheit benötigt, da vorzugsweise lediglich für den Auslösevorgang elektrische Energie in Form eines Stromimpulses für die Leiterplattenspule bereitgestellt werden muss. Der ausgelöste Zustand wird vorzugsweise durch die Kraftspeicherkraft (F1) des Kraftspeichers aufrechterhalten. Der Normalzustand wird durch die Haltekraft (F2) des Haltemittels aufrechterhalten.
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Zum Herbeiführen des Normalzustands aus dem ausgelösten Zustand muss vorzugsweise seitens des Kunden eine mechanische Kraft auf den Stößel ausgeübt werden, so dass dieser die zweite Anschlagposition einnimmt. Hierfür wird der Stößel vorzugsweise in die zweite Anschlagposition geschoben.
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Der Stößel ist vorzugsweise aus ferromagnetischem Material. Die auf den Stößel wirkende Haltekraft F2 ist insbesondere in Richtung der zweiten Anschlagposition des Stößels gerichtet. Die auf den Stößel wirkende Kraftspeicherkraft F1 ist insbesondere in Richtung der ersten Anschlagposition des Stößels gerichtet.
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Die erste und zweite Anschlagposition des beweglich gelagerten Stößels ist vorzugsweise jeweils die Endstellung des Stößels innerhalb der Vorrichtung.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist im Normalzustand die auf den Stößel wirkende Haltekraft (F2) größer als die auf den Stößel wirkende Kraftspeicherkraft (F1), so dass der Stößel in der zweiten Anschlagposition verweilt. Es liegt somit keine Leiterplattenspulenkraft vor. Die auf den Stößel wirkende Gesamtkraft Fges ist in Richtung des zweien Anschlags des Stößels gerichtet. Der Stößel wird somit lediglich durch die Haltekraft F2 des Haltemittels im Normalzustand gehalten. Ist das Haltemittel als Dauermagnet und der Kraftspeicher als Feder ausgebildet, so ist keine elektrische Energiequelle zum Halten des Normalzustandes notwendig.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist im aktivierten Zustand die auf den Stößel wirkende Kraftspeicherkraft (F1) größer als die auf den Stößel wirkende Haltekraft (F2), so dass der Stößel in der ersten Anschlagposition verweilt. Es liegt keine Leiterplattenspulenkraft vor. Die auf den Stößel wirkende Gesamtkraft Fges ist in Richtung des ersten Anschlags des Stößels gerichtet. Der Stößel wird somit lediglich durch die Kraftspeicherkraft F1 im ausgelösten Zustand gehalten. Ist das Haltemittel als Dauermagnet und der Kraftspeicher als Feder ausgebildet, so ist keine elektrische Energiequelle zum Halten des ausgelösten Zustands notwendig.
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Zum Herbeiführen des Zustandswechsels vom Normalzustand in den ausgelösten Zustand ist lediglich ein Stromimpuls bei der Leiterplattenspule notwendig.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Leiterplattenspule mehrlagig ausgebildet. Eine Leiterplattenspule kann einseitig kaschiert sein. Ist die Leiterplattenspule mehrlagig ausgebildet, so sind Lagen der Windungen der Spule in unterschiedlichen Ebenen der Leiterplatte angeordnet. Ist die Leiterplattenspule beispielsweise zweiseitig kaschiert oder innerhalb der Leiterplatte sind Lagen der Windungen der Spule ausgebildet, so liegt eine mehrlagige Leiterplattenspule vor.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Leiterplattenspule innerhalb der Leiterplatte ausgebildet ist. Die Lagen der Windungen der Leiterplattenspule sind somit innerhalb der Leiterplatte angeordnet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Leiterplatte der Leiterplattenspule eine Auswerteeinheit zur Ansteuerung der Leiterplattenspule. Mittels der Auswerteeinheit kann die Leiterplattenspule aktiviert werden, so dass ein Strom durch die Windungen der Leiterplattenspule fließt und ein Magnetfeld (Leiterplattenspulenkraft) erzeugt wird. Vorzugsweise erfolgt mit der Auswerteeinheit ebenso die Auswertung der mittels der Überwachungsvorrichtung detektierten Größen des Versorgungsstrangs.
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Vorzugsweise werden die Anschlussleitungen zwischen der Auswerteinheit und der Leiterplattenspule, insbesondere deren Anschlussstellen, ebenso durch die Leiterplatte ausgebildet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung aktiviert die Auswerteeinheit bei einer Detektion einer thermischen Überlast des über die Vorrichtung mit Energie versorgten Verbrauchers die Leiterplattenspule, so dass der Versorgungsstrang zum Verbraucher unterbrochen wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umgibt ein Topf aus ferromagnetischem Material den Stößel. Der Stößel wird insbesondere an seiner Mantelfläche und seiner zum Haltemittel gewandten Seite vom Topf umgeben. Vorzugsweise umgibt der Topf im Normalzustand die Mantelfläche des Stößels zu 80%. Der Boden des Topfs ist vorzugsweise unterhalb des Haltemittels angeordnet, so dass das Haltemittel zwischen dem zum Haltemittel zugewandten Ende des Stößels und dem Boden des Topfs angeordnet ist. Vorzugsweise ragt im Normalzustand der Stößel leicht aus dem Topf heraus, er kann aber ebenso vom Topf vollständig umgeben sein.
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Durch den Topf aus ferromagnetischem Material wird insbesondere das Magnetfeld der Leiterplattenspulenkraft verstärkt. Ferner erfolgt ein gezieltes Lenken des Magnetfelds der Leiterplattenspule, so dass ferner eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit vorliegt.
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Insbesondere für die Realisierung einer elektronisch ausgelösten mechanischen Schaltvorrichtung (Maglatch) ist es vorteilhaft die Auslöseeinheit in einem Topf bestehend aus ferromagnetischem Material zu Kapseln.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Leiterplatte der Leiterplattenspule angrenzend an der äußersten Windung der Leiterplattenspule mindestens einen Durchbruch auf und der Topf ist über diesen mindestens einen Durchbruch mit der Leiterplatte mechanisch verbunden. Ein guter Kompromiss zwischen einer möglichst optimalen Abschirmung und den Anforderungen an die mechanische Stabilität ist eine über zwei bis vier Stege an den Rest der Leiterplatte angebundene Leiterplattenspule. In die Durchbrüche, insbesondere Schlitze, zwischen den Stegen wird der ferromagnetische Topf hindurch gesteckt und ist so gut mechanisch mit der Leiterplatte verbunden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umrahmt der mindestens eine Durchbruch mindestens 50% der äußersten Windung der Leiterplattenspule. Die Leiterplattenspule ist vorzugsweise lediglich mittels zwei oder drei Stege mit der Leiterplatte mechanisch verbunden. Der Durchbruch ist vorzugsweise parallel zur äußersten Windung ausgebildet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Haltemittel an einer Seitenfläche der Leiterplattenspule angeordnet und zwischen dem Haltemittel und der Leiterplattenspule ist eine Platte aus ferromagnetischem Material angeordnet. Insbesondere das Magnetfeld der Leiterplattenspule kann hierdurch verbessert ausgebildet und gelenkt werden. Vorzugsweise deckt die Platte aus ferromagnetischem Material die der Leiterplatte zugewandte Seite des Haltemittels und/oder die Windungen der Leiterplattenspule an der zum Haltemittel gerichteten Seite vorzugsweise vollständig ab.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist im Normalzustand ein Teil der Mantelfläche des Stößels von der Leiterplattenspule umrahmt. Der Stößel ragt vorzugsweise im Normalzustand mit seinem zum Haltemittel ausgerichtetem Ende durch die Leiterplattenspule hindurch. Im ausgelösten Zustand des Stößels ragt das dem Haltemittel zugewandte Ende des Stößels vorzugsweise nicht mehr in die Leiterplattenspule hinein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erfolgt über die zum Stößel gewandte Seitenfläche des Topfs die Führung des Stößels.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Topf und dem Stößel der Kraftspeicher angeordnet.
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Vorzugsweise ist der Kraftspeicher mit der Mantelfläche des Stößels verbunden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Kraftspeicher ein elastisches Element, insbesondere eine Feder, und/oder das Haltemittel ein Magnet, insbesondere Dauermagnet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Vorrichtung, insbesondere ein thermisches Überlastrelais, zur Unterbrechung eines Versorgungsstrangs eines Verbrauchers eine mechanische Schalteinheit und eine Auslöseeinheit, wobei die Auslöseeinheit im ausgelösten Zustand die mechanische Schalteinheit betätigt, so dass die Vorrichtung den Versorgungsstrang des Verbrauchers unterbricht. Die Auslöseeinheit dient der Betätigung der mechanischen Schalteinheit der Vorrichtung. Mittels der mechanischen Schalteinheit der Vorrichtung wird der über die Vorrichtung geführte Versorgungsstrang bei Betätigung der mechanischen Schalteinheit unterbrochen.
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Die Vorrichtung ist insbesondere ein thermisches Überlastrelais.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist über einen eingangsseitigen und ausgangsseitigen Anschluss der Vorrichtung eine Versorgungsstrombahn (Phase) eines Verbrauchers durch die Vorrichtung führbar, wobei im Normalzustand der Auslöseeinheit der eingangsseitige Anschluss mit dem ausgangsseitigen Anschluss elektrisch leitend verbunden ist und im ausgelösten Zustand der Auslöseeinheit die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem eingangsseitigen Anschluss mit dem ausgangsseitigen Anschluss unterbrochen ist. Durch den Wechsel des Stößels vom Normalzustand in den ausgelösten Zustand wird durch den Stößel die mechanische Schalteinheit betätigt. Durch die Betätigung der mechanischen Schalteinheit wird die Versorgungsstrombahn unterbrochen.
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Im Folgenden werden die Erfindung und Ausgestaltungen der Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Auslöseeinheit zum Betätigen einer mechanischen Schalteinheit einer Vorrichtung im Normalzustand,
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2 eine schematische Darstellung der in 1 gezeigten Auslöseeinheit im ausgelösten Zustand,
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3 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf die Leiterplatte der Auslöseeinheit aus 1 und 2.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Auslöseeinheit zum Betätigen einer mechanischen Schalteinheit einer Vorrichtung im Normalzustand. Hierbei ist insbesondere eine Seitenansicht eines Schnitts durch die Auslöseeinheit gezeigt. Die Auslöseeinheit umfasst einen beweglich gelagerten Stößel 1 aus ferromagnetischem Material, einen Topf 5 aus ferromagnetischem Material, einen Dauermagneten 3 als Haltemittel 3, eine Feder 2 als Kraftspeicher 2, eine Platte 6 aus ferromagnetischem Material eine Leiterplatte 8, welche eine Leiterplattenspule 4 eine Auswerteeinheit 9 und eine Anschlussleitung 11 umfasst.
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Die Leiterplattenspule 4 ist über die Anschlussleitung 11 mit der Auswerteeinheit 9 verbunden. Die Auswerteeinheit 9 kann die Leiterplattenspule 4 aktivieren, so dass durch die Leiterplattenspule 4 ein magnetisches Feld erzeugt wird. Im aktivierten Zustand der Leiterplattenspule 4 wird die Leiteplattenspule 4 von Strom durchflossen. Im nicht aktivierten Zustand der Leiterplattenspule 4 liegt kein Stromfluss durch die Leiterplattenspule 4 vor.
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Die Leiterplattenspule 4 ist mehrlagig (vierlagig) ausgebildet. D. h. in unterschiedlichen Ebenen der Leiterplatte 8 sind jeweils Lagen 41, 42, 43, 44 an Windungen der Leiterplattenspule 4 angeordnet. Die beiden Außenseiten der Leiterplatte 8 weisen jeweils eine Lage 41, 44 von Windungen auf. Ferner sind innerhalb der Leiterplatte 8 zwei Lagen 42, 43 an Windungen angeordnet. Die Leiterplatte 8 ist somit zweiseitig kaschiert und weist innerhalb der Leiterplatte 8 ferner zwei Lagen 42, 43 an Windungen auf. Es liegen somit vier Lagen 41, 42, 43, 44 an Windungen vor, welche die Leiterplattenspule 4 bilden. Durch eine derartige Leiterplattenspule 4 kann eine äußerst kompakte Spule bereitgestellt werden.
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Die einzelnen Windungen der Lagen 41, 42, 43, 44 der Leiterplattenspule 4 sind miteinander verbunden. Zur Verbindung der Leiterplattenspule 4 mit der Auswerteeinheit 9 umfasst die an der Außenseite der Leiterplatte aufgebrachte Lage 41, 44 an Windungen jeweils eine Anschlussstelle 13. Diese Anschlussstelle 13 ist insbesondere der Anfang der äußeren Windung der jeweiligen Lage 41, 44. Die innere Windung der an der Leiterplattenaußenseite aufgebrachten Lagen 41, 44 ist jeweils mit der inneren Windung der angrenzenden Lage 42, 43 an Windungen verbunden. Die inneren Lagen 42, 43 an Windungen sind jeweils über deren äußere Windung miteinander verbunden.
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Das Anschließen der Leiterplattenspule 4 mit der Auswerteeinheit 9 erfolgt über die Anschlussleitung 11. Dadurch, dass die Leiterplattenspule 4 in der Leiterplatte 8 integriert ist, kann eine vereinfachte Anbindung der Leiterplattenspule 4 mit der Auswerteeinheit 9 erfolgen. Hierfür ist die Anschlussleitung 11 in die Leiterplatte 8 integriert, so dass die Leiterplattenspule 4, insbesondere deren Anschlussstellen 13, mit der auf der Leiterplatte aufgebrachten Auswerteeinheit 9 elektrisch leitend verbunden ist. Durch die Auswerteeinheit 9 kann somit die Leiterplattenspule 4 aktiviert werden. In 1 ist die Anschlussstelle 13 der auf der Oberseite der Leiterplatte 8 aufgebrachten Lage 41 an Windungen abgebildet.
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Die Auslöseeinheit dient dem Betätigen der mechanischen Schalteinheit des thermischen Überlastrelais. Durch eine Betätigung der mechanischen Schalteinheit kann ein über das thermische Überlastrelais geführter Versorgungsstrang unterbrochen werden. Hierfür muss eine mechanische Kraft auf ein Betätigungselement der mechanischen Schalteinheit ausgeübt werden. Diese mechanische Kraft wird durch den Stößel 1 der Auslöseeinheit auf das Betätigungselement ausgeübt. Hierfür muss der Stößel 1 die erste Anschlagposition (ausgelöster Zustand) einnehmen.
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Der Stößel 1 ist innerhalb der Auslöseeinheit beweglich gelagert. Insbesondere kann der Stößel 1 zwei Positionen einnehmen. Eine erste Anschlagposition (ausgelöster Zustand) und eine zweite Anschlagposition (Normalzustand). 1 zeigt den Normalzustand des Stößels 1. Der ausgelöste Zustand ist durch die gestrichelte Linie angedeutet. Der Stößel 1 kann lediglich ein seiner Längserstreckung bewegt werden. Auf den Stößel 1 wird zum einen durch die Feder 2 und durch den Dauermagneten 3 eine Kraft ausgeübt. Die Feder 2, welche den Stößel an seiner Mantelfläche umgibt übt eine Federkraft F1 in Richtung der ersten Anschlagposition auf den Stößel 1 aus. Die Feder 2 liegt mit einer ihrer Enden auf der Leiterplatte 8 auf und ist mit der anderen ihrer Enden mit dem Stößel 1 in mechanischer Wirkverbindung. Im Normalzustand ist die Feder 2 im komprimierten Zustand. Der Dauermagnet 3 ist auf der Unterseite der Leiterplatte 8 angeordnet und hält den ferromagnetischen Stößel 1 in der zweiten Anschlagposition. Im inaktiven Zustand der Leiterplattenspule ist die auf den Stößel wirkende Gesamtkraft Fges in Richtung der zweiten Anschlagposition gerichtet, so dass der Stößel den Normalzustand beibehält. Die auf den Stößel 1 wirkende Haltekraft F2 des Dauermagneten 3 ist somit im Normalzustand des Stößels 1 größer als die auf den Stößel 1 wirkende Federkraft F1 der Feder 2.
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Der Stößel 1 ragt mit seinem zum Dauermagneten 3 gerichteten Ende in die Leiterplattenspule 4 hinein. Der Stößel 1 kann mit diesem Ende ebenso durch die Leiterplattenspule 4 hindurchragen; d. h. das Ende des Stößels 1 (dessen Stirnseite) liegt unterhalb der Unterseite der Leiterplatte 8.
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Zum Verstärken der durch die Leiterplattenspule 4 erzeugten Leiterplattenspulenkraft ist der Stößel 1 in einem ferromagnetischen Topf 5 eingekapselt. Dieser ferromagnetische Topf 5 umgibt den Stößel 1 in seinem Normalzustand nahezu vollständig an seiner Mantelfläche. Ferner ist die Unterseite der Leiterplattenspule 4 durch den Boden des Topfs 5 abgedeckt. Der Boden des Topfs 5 liegt hierbei unterhalb des Dauermagneten 3, so dass er sich zwischen dem Stößel 1 und dem Boden des Topfs 5 befindet. Ferner ist zwischen dem Dauermagneten 3 und der Leiterplattenspule 4 eine ferromagnetische Platte 6 angeordnet. Durch die ferromagnetische Platte 6 und dem ferromagnetischen Topf 5 wird die Leiterplattenspulenkraft verstärkt, das Magnetfeld der Leiterplattenspule 4 gezielt gelenkt und eine optimierte elektromagnetische Verträglichkeit für die angrenzenden Baugruppen bereitgestellt.
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Wird nun durch eine Analyse des Versorgungsstrangs seitens einer Überwachungsvorrichtung des thermischen Überlastrelais eine thermische Überlast des mit dem Überlastrelais überwachten Verbrauchers detektiert, so muss der mittels des Überlastrelais überwachte Versorgungsstrang geöffnet werden, so dass die elektrisch leitende Verbindung zum Verbraucher unterbunden wird. Hierfür muss die mechanische Schalteinheit betätigt werden. Die Auswerteeinheit 9 aktiviert folglich die Leiterplattenspule 4, so dass die auf den Stößel 1 wirkende Gesamtkraft Fges verändert wird. Hierfür muss die Auswerteeinheit 9 lediglich einen Stromimpuls über die Leiterplattenspule 4 senden. Durch den Stromfluss in den Windungen der einzelnen Lagen 41, 42, 43, 44 der Leiterplattenspule 4 wird ein Magnetfeld (Leiterplattenspulenkraft) erzeugt, welches die auf den Stößel 1 wirkende Magnetkraft F2 des Dauermagneten 3 reduziert/dämpft. Die auf den Stößel 1 wirkende Haltekraft F2 wird hierdurch derart minimiert, dass die Federkraft F1 größer als die Haltekraft F2 ausgebildet ist. Die auf den Stößel wirkende Gesamtkraft Fges ändert somit die Richtung, so dass sich der beweglich gelagerte Stößel 1 in Richtung der ersten Anschlagposition bewegt. Durch eine entsprechende Anordnung des Stößels 1, des Topfs 5, der Leiterplattenspule 4 sowie der Platte 6 kann ferner durch die Leiterplattenspule 4 eine Leiterplattenspulenkraft auf den Stößel 1 in Richtung der ersten Anschlagposition ausgeübt werden. Durch aktivieren der Leiterplattenspule 4 muss jedenfalls sichergestellt werden, dass die auf den Stößel 1 wirkende Gesamtkraft Fges derart abgeändert wird, dass sie in Richtung der ersten Anschlagposition ausgerichtet ist. Mit zunehmenden Abstand des Stößels 1 vom Dauermagneten 3 nimmt die auf den Stößel 1 wirkende Haltekraft F2 des Dauermagneten 3 ab, so dass durch den Stößel 1, insbesondere mittels der auf den Stößel 1 wirkende Federkraft F1, das Betätigungselement der mechanischen Schalteinheit ausgelöst werden kann. Der Versorgungsstrang wird daraufhin unterbrochen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung der in 1 gezeigten Auslöseeinheit im ausgelösten Zustand. Es ist ersichtlich, dass der Stößel 1 im ausgelösten Zustand der Auslöseeinheit weiter aus dem Topf 5 herausragt, als im Normalzustand der Auslöseeinheit. Der Stößel 1 befindet sich nun in der ersten Anschlagposition. Die zweite Anschlagposition des Stößel 1 ist durch die gestrichelte Linie angedeutet. Es ist ersichtlich, dass der Stößel 1 weiter von dem Dauermagneten 3 beabstandet ist als im Normalzustand der Auslöseeinheit. Die auf den Stößel 1 wirkende Federkraft F1 ist im ausgelösten Zustand größer als die auf den Stößel 1 wirkende Haltekraft F2, so dass die auf den Stößel 1 wirkende Gesamtkraft Fges in die gleiche Richtung ausgerichtet ist wie die Federkraft F1. Der Stößel befindet sich in Selbsthaltung. In diesem Zustand ist keine Leiterplattenspulenkraft notwendig.
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Die auf den Stößel wirkende Gesamtkraft Fges setzt sich ohne Berücksichtigung der Leiterplattenspulenkraft wie folgt zusammen: Fges = F1 + F2 Durch die Positionsänderung des Stößels 1 von der zweiten Anschlagposition in die erste Anschlagposition wird durch den Stößel 1 auf das Betätigungselement der mechanischen Schalteinheit eine Kraft ausgeübt, so dass die mechanische Schalteinheit betätigt wird. Durch die mechanische Schalteinheit wird daraufhin der über die Vorrichtung geführte Versorgungsstrang unterbrochen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf die Leiterplatte 8 der Auslöseeinheit aus 1 und 2. Hierbei ist die Auslöseeinheit ohne Topf, Feder, Dauermagnet und Platte abgebildet. Von der Auslöseeinheit ist der Stößel 1, die Leiterplatte 8, die Auswerteeinheit 9, die Anschlussleitung 11, die Leiterplattenspule 4 und Durchbrüche 7 und Stege 10 der Leiterplatte 8 zu sehen.
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Es ist ersichtlich, dass die Auswerteeinheit 9 mittels der Anschlussleitung 11 mit einer Anschlussstelle 13 der Leiterplattenspule 4 verbunden ist. Diese Anschlussstelle 13 stellt eine elektrisch leitende Verbindung zu der äußeren Windung 12 der an der Oberseite der Leiterplatte 8 angeordneten Lage 41 der Leiterplattenspule 4 her. Diese Lage 41 an Windungen der Leiterplattenspule 4 weist an ihrer innersten Windung 15 eine Kontaktstelle 14 auf. Mit dieser Kontaktstelle 14 erfolgt die elektrisch leitende Kontaktierung zur darunter liegenden Lage an Windungen der Leiterplattenspule 4. Mittels einer Anschlussstelle der an der Unterseite der Leiterplatte 8 angeordneten Lage an Windungen erfolgt ebenso eine Kontaktierung mit der Auswerteeinheit 9, so dass ein geschlossener Kreislauf vorliegt.
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Die einzelnen Windungen der Lagen der Leiterplattenspule 4 sind äquivalent zur dargestellten Lage 41 an Windungen der Leiterplattenspule ausgebildet. Die einzelnen Windungen der Lagen der Leiteplattenspule sind insbesondere parallel zueinander angeordnet. Ferner sind sie vorzugsweise in der Draufsicht deckungsgleich, d. h. nicht zueinander seitlich versetzt, angeordnet. Bei einer deckungsgleichen Anordnung der Windungen würde eine durch eine Windung orthogonal zur Leiterplatte geführte Gerade ebenso die entsprechende Windung der darüber bzw. darunter liegenden Windung schneiden, sofern die Windungen der einzelnen Lagen parallel zur Leiterplatte ausgerichtet sind.
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Die Leiterplatte 8 weist angrenzend an der äußersten Windung 12 der oberen Lage 41 vier Durchbrüche 7 und vier Stege 10 auf. Der Topf der Auslöseeinheit ist zweiteilig ausgebildet und wird mit einem ersten Teil durch die Durchbrüche 7 geführt. Die durch die Durchbrüche 7 ragenden Teile des Topfs werden mit einem Boden des Topfs (zweiter Teil des Topfs) mechanisch fest verbunden, so dass zwischen der Unterseite der Leiterplatte zunächst eine Platte, anschließend der Dauermagnet und abschließend der Boden des Topfs angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine kompakte Bauform erzielt werden.
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Mittels der vier Stege 10 kann die Leiterplattenspule 4 stabil gehalten werden. Zudem wird sichergestellt, dass die durch die Feder auf die Leiterplatte 8 ausgeübte Kraft zu keiner Beschädigung der Leiterplatte 8 führt. Über einen Steg 10 erfolgt ferner die Kontaktierung der Anschlussleitung 11 mit der Leiterplattenspule 4.
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Insbesondere durch den Einsatz der Leiterplattenspule 4 kann die Auslöseeinheit im Vergleich zu herkömmlichen Auslöseinheiten kompakter und kostengünstiger ausgebildet werden. Ferner ist die Auslöseeinheit energieoptimiert, da sie im Normalzustand und im ausgelösten Zustand keine elektrische Energie benötigt. Lediglich zum Betätigen der mechanischen Schalteinheit muss die Leiterplattenspule aktiviert werden, so dass der Stößel 1 das Betätigungselement betätigen kann. Die zur Betätigung des Betätigungselements notwendige Energie wird durch die Feder aufgebracht, so dass lediglich eine geringe elektrische Auslöseenergie zum Auslösen des Stößels 1 notwendig ist.
