DE102012111618A1 - Circuit breaker with passively heated bimetallic element - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Leitungsschutzschalter mit zumindest zwei Anschlusskontakten angegeben, die innerhalb des Leitungsschutzschalters über einen Schaltkontakt (1) elektrisch verbunden sind. Weiterhin umfasst der Leitungsschutzschalter einen auf den Schaltkontakt (1) wirkenden elektromagnetischen Auslöser (2), dessen Spule (3) zwischen die zumindest zwei Anschlusskontakte geschaltet ist, sowie ein auf den Schaltkontakt (1) wirkendes Bimetall-Element (4). Bei dem genannten Leitungsschutzschalter ist die elektrische Verbindung zwischen den zumindest zwei Anschlusskontakten am Bimetall-Element (4) vorbei geführt, und das Bimetall-Element ist mit dem genannten elektromagnetischen Auslöser (2) thermisch gekoppelt.A circuit breaker is specified with at least two connection contacts that are electrically connected within the circuit breaker via a switching contact (1). Furthermore, the circuit breaker comprises an electromagnetic release (2) acting on the switching contact (1), the coil (3) of which is connected between the at least two connection contacts, and a bimetal element (4) acting on the switching contact (1). In the circuit breaker mentioned, the electrical connection between the at least two connection contacts is routed past the bimetal element (4), and the bimetal element is thermally coupled to the said electromagnetic release (2).
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die Erfindung betrifft einen Leitungsschutzschalter, umfassend zumindest zwei Anschlusskontakte, die innerhalb des Leitungsschutzschalters über einen Schaltkontakt elektrisch verbunden sind, einen auf den Schaltkontakt wirkenden elektromagnetischen Auslöser, dessen Spule zwischen die zumindest zwei Anschlusskontakte geschaltet ist, und einen auf den Schaltkontakt wirkenden Bimetall-Aktuator respektive ein auf den Schaltkontakt wirkendes Bimetall-Element.The invention relates to a circuit breaker, comprising at least two terminal contacts, which are electrically connected within the circuit breaker via a switching contact, an acting on the switching contact electromagnetic release whose coil is connected between the at least two terminal contacts, and acting on the switching contact bimetallic actuator respectively a bimetallic element acting on the switching contact.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Leitungsschutzschalter (kurz „LS-Schalter“ beziehungsweise engl. „circuit breaker“) dienen dem Schutz einer Leitung vor zu hoher Strombelastung. Wird ein vorgegebenen Grenzwert überschritten, so wird der zwischen den Anschlusskontakten liegende Schaltkontakt geöffnet und damit der Stromkreis unterbrochen. Die Auslösung in herkömmlichen Leitungsschutzschaltern kann in der Regel elektromagnetisch, mit Hilfe eines Bimetall-Elements, manuell sowie in vielen Fällen auch über einen externen Anschluss erfolgen.Circuit breakers (short "LS-Schalter" or English "circuit breaker") are used to protect a line against excessive current load. If a predetermined limit is exceeded, the switching contact located between the terminals is opened and thus the circuit is interrupted. The tripping in conventional circuit breakers can usually be done electromagnetically, by means of a bimetallic element, manually and in many cases also via an external connection.
Die elektromagnetische Auslösung zielt vor allem auf das Trennen des Stromkreises bei hohem Überstrom ab. Weil die Spule des elektromagnetischen Auslösers des Leitungsschutzschalters vom Strom durchflossen ist, welcher auch über die Anschlusskontakte fließt, ist die vom elektromagnetischen Auslöser erzeugte Kraft abhängig von der Stromstärke. Über einem bestimmten Schwellwert wird der Schaltkontakt durch diese Kraft geöffnet. Der elektromagnetische Auslöser spricht sehr schnell an, wodurch die Verzögerungszeit zwischen dem Auftreten eines Überstroms und dem Öffnen des Schaltkontakts nur sehr kurz ist.The electromagnetic release is aimed primarily at the disconnection of the circuit at high overcurrent. Since the coil of the electromagnetic release of the circuit breaker is traversed by the current flowing through the terminals, the force generated by the electromagnetic release is dependent on the current. Above a certain threshold, the switching contact is opened by this force. The electromagnetic release responds very quickly, whereby the delay time between the occurrence of an overcurrent and the opening of the switch contact is only very short.
Die Auslösung über das Bimetall-Element (zumeist in Streifenform) erfolgt deutlich langsamer und soll vor allem übermäßig lang anhaltenden Strom, welcher nur geringfügig über einem festgesetzten Grenzwert liegt, verhindern. Das Bimetall-Element ist zu diesem Zweck in die elektrische Verbindung zwischen den Anschlusskontakten des Leitungsschutzschalters geschaltet und wird demzufolge von dem über die Anschlusskontakte fließenden Strom durchflossen. Dabei wird das Bimetall-Element entsprechend seinem elektrischen Widerstand allmählich erwärmt und schaltet nach einer Verzögerungszeit ab, die von der Höhe des Stroms abhängt. Ein höherer Überstrom führt dabei zu einem früheren Abschalten, ein niedrigerer Strom zu einem späteren Abschalten.The triggering via the bimetallic element (usually in strip form) takes place much slower and is intended above all to prevent excessively long-lasting current, which is only slightly above a set limit. The bimetallic element is connected for this purpose in the electrical connection between the terminals of the circuit breaker and is therefore flowed through by the current flowing through the terminal contacts current. In this case, the bimetallic element is gradually heated according to its electrical resistance and switches off after a delay time, which depends on the magnitude of the current. A higher overcurrent leads to an earlier shutdown, a lower current to a later shutdown.
Nachteilig an bekannten Leitungsschutzschaltern ist, dass das Bimetall-Element durch die mitunter sehr hohen über die Anschlusskontakte des Leitungsschutzschalters fließenden Ströme belastet wird. Weiterhin ist der Aufbau eines Leitungsschutzschalters aufgrund der vielen Einzelteile aufwändig. Schließlich verursacht der über das Bimetall-Element fließende Strom, welcher auch als Ohmscher Widerstand wirkt, eine erhebliche Verlustleistung und führt damit zu einem schlechten Wirkungsgrad des Leitungsschutzschalters.A disadvantage of known circuit breakers that the bimetallic element is loaded by the sometimes very high currents flowing through the terminals of the circuit breaker currents. Furthermore, the structure of a circuit breaker is complex due to the many items. Finally, the current flowing through the bimetallic element, which also acts as an ohmic resistor, causes a considerable power loss and thus leads to a poor efficiency of the circuit breaker.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen verbesserten Leitungsschutzschalter anzugeben. Insbesondere soll eine Strombelastung des Bimetall-Elements verringert oder vermieden werden und/oder die am Leitungsschutzschalter abfallende Verlustleistung verringert werden und/oder der Aufbau eines Leitungsschutzschalters vereinfacht werden.An object of the invention is therefore to provide an improved circuit breaker. In particular, a current load of the bimetal element is to be reduced or avoided and / or the power loss on the circuit breaker power loss can be reduced and / or the structure of a circuit breaker can be simplified.
Diese Aufgabe wird durch einen Leitungsschutzschalter der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die elektrische Verbindung zwischen den zumindest zwei Anschlusskontakten am Bimetall-Element vorbei geführt ist und das Bimetall-Element mit dem genannten elektromagnetischen Auslöser thermisch gekoppelt ist.This object is achieved by a circuit breaker of the type mentioned, in which the electrical connection between the at least two terminal contacts is guided past the bimetallic element and the bimetallic element is thermally coupled to said electromagnetic trigger.
Auf diese Weise wird das Bimetall-Element passiv beheizt, das heißt lediglich durch die Abwärme des elektromagnetischen Auslösers erwärmt. In Folge kann auch die am Leitungsschutzschalter abfallende Verlustleistung verringert werden. Darüber hinaus werden der thermische und elektromagnetische Kurzschlussauslöser räumlich und funktionell vereint, das heißt sie können eine Baugruppe bilden. Dadurch wird der Aufbau eines Leitungsschutzschalters vereinfacht.In this way, the bimetallic element is passively heated, that is, heated only by the waste heat of the electromagnetic release. As a result, the power loss at the circuit breaker can also be reduced. In addition, the thermal and electromagnetic short-circuit release are combined spatially and functionally, ie they can form an assembly. This simplifies the construction of a circuit breaker.
In der Regel strebt man für den thermischen Auslöser eines Leitungsschutzschalters (d.h. für das Bimetall-Element) eine weitgehende Unabhängigkeit von der Umgebungstemperatur an. Deswegen wählt man die „Arbeitstemperatur“, also jene Temperatur bei der die Krümmung des Bimetall-Elements so groß ist, dass der Schaltkontakt geöffnet wird, vergleichsweise hoch (z.B. über 100°C). Außerdem sollte das Bimetall-Element ein ausreichendes Arbeitsvermögen für die Auslösung des Auslösemechanismus des Leitungsschutzschalters aufweisen. Das heißt, das Produkt aus Weg und Kraft am freien Ende des Bimetall-Elements sollte ausreichend groß sein. Dafür ist ein ausreichender Abstand der Arbeitstemperatur zur Referenztemperatur (z.B. 20°C) nötig.As a rule, the thermal release of a circuit breaker (i.e., the bimetal element) tends to be largely independent of ambient temperature. Therefore, the "working temperature", that is, the temperature at which the curvature of the bimetallic element is so large as to open the switching contact, is selected to be comparatively high (for example, over 100 ° C). In addition, the bimetallic element should have a sufficient working capacity for the triggering of the trigger mechanism of the circuit breaker. That is, the product of travel and force at the free end of the bimetallic element should be sufficiently large. For this, a sufficient distance of the working temperature to the reference temperature (for example 20 ° C) is necessary.
In der Spule eines Magnetauslösers eines Leitungsschutzschalters ist im Überlastbereich in der Regel eine Temperatur gegeben, die als Arbeitstemperatur für das Bimetall ausreichend ist. Weiterhin ist auch die Heizleistung des genannten elektromagnetischen Auslösers in den meisten Fällen ausreichend, um das Bimetall-Element zu beheizen und eine sichere Auslösung des Leitungsschutzschalters durch das Bimetall-Element zu gewährleisten.In the coil of a magnetic release of a circuit breaker is in the overload range in the Usually given a temperature which is sufficient as working temperature for the bimetal. Furthermore, the heating power of said electromagnetic release is sufficient in most cases to heat the bimetallic element and to ensure safe triggering of the circuit breaker by the bimetallic element.
Weiterhin ist folgender Umstand für das genannte Funktionsprinzip von Vorteil:
Spulen für große Nennströme weisen eine geringe Windungszahl bei großem Leiterquerschnitt auf, wohingegen Spulen für kleine Nennströme eine im Vergleich dazu große Windungszahl mit geringem Leiterquerschnitt aufweisen. Dadurch werden größenordnungsmäßig im Wesentlichen gleiche magnetische Kräfte über einen großen Nennstrombereich erzielt. Demgemäß ist auch die in Wärme umgesetzte Leistung größenordnungsmäßig gleich.Furthermore, the following circumstance is advantageous for the said operating principle:
Coils for large rated currents have a low number of turns with a large conductor cross-section, whereas coils for small rated currents have a comparatively large number of turns with a small conductor cross-section. As a result, essentially the same magnetic forces are achieved over a large nominal current range on the order of magnitude. Accordingly, the power converted to heat is also the order of magnitude equal.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung in Zusammenschau mit den Figuren.Further advantageous embodiments and modifications of the invention will become apparent from the dependent claims and from the description in conjunction with the figures.
Günstig ist es aber auch, wenn das Bimetall-Element beabstandet zum elektromagnetischen Auslöser, insbesondere beabstandet zur Spule, angeordnet ist. Dadurch kann eine gute elektrische Isolation zwischen dem elektromagnetischen Auslöser, insbesondere dessen Spule, und dem Bimetall-Element erzielt werden. Ein Kurzschluss der Spule durch das Bimetall-Element wird somit auch dann vermieden, wenn die Isolation der Spule aus irgendeinem Grund defekt sein sollte.It is also favorable if the bimetallic element is arranged at a distance from the electromagnetic release, in particular at a distance from the coil. Thereby, a good electrical insulation between the electromagnetic release, in particular its coil, and the bimetallic element can be achieved. A short circuit of the coil by the bimetallic element is thus avoided even if the insulation of the coil should be defective for some reason.
In einer bevorzugten Variante des Leitungsschutzschalters sind das Bimetall-Element und der elektromagnetische Auslöser, insbesondere dessen Spule, im Leitungsschutzschalter direkt benachbart angeordnet. Auf diese Weise kann das Bimetall-Element gut durch thermische Strahlung erwärmt werden. „Direkt benachbart“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass zwischen dem elektromagnetischen Auslöser, insbesondere dessen Spule, und dem Bimetall-Element in der für die Wärmeübertragung durch Strahlung relevanten Zone keine nennenswerte Abschirmung durch andere Bauteile erfolgt. Bevorzugt sollen wenigstens 90% der vom elektromagnetischen Auslöser, insbesondere dessen Spule, in dieser Zone ausgehenden Strahlen ungehindert auf das Bimetall-Element auftreffen. Das sind 90% jener Strahlen, welche vom elektromagnetischen Auslöser ausgehen und aufgrund der räumlichen Lage des elektromagnetischen Auslösers und des Bimetall-Elements zueinander prinzipiell auf das Bimetall-Element treffen können.In a preferred variant of the circuit breaker, the bimetallic element and the electromagnetic release, in particular its coil, are arranged directly adjacent in the circuit breaker. In this way, the bimetallic element can be well heated by thermal radiation. "Directly adjacent" in this context means that there is no significant shielding by other components between the electromagnetic release, in particular its coil, and the bimetallic element in the zone relevant for the heat transfer by radiation. Preferably, at least 90% of the radiation emitted by the electromagnetic release, in particular its coil, in this zone rays should impinge unhindered on the bimetallic element. That is 90% of those rays, which emanate from the electromagnetic release and due to the spatial position of the electromagnetic release and the bimetallic element to each other in principle can hit the bimetallic element.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Bimetall-Element wenigstens im Bereich der thermischen Kopplung mit dem elektromagnetischen Auslöser und/oder der der elektromagnetische Auslöser wenigstens im Bereich der thermischen Kopplung mit dem Bimetall-Element mit einer Beschichtung versehen ist/sind, welche wenigstens 90% der Infrarotstrahlung absorbiert. Auf diese Weise gelingt die Wärmeübertragung vom elektromagnetischen Auslöser auf das Bimetall-Element besonders gut. Das Bimetall-Element und/oder der elektromagnetische Auslöser können zu diesem Zweck entsprechen beschichtet sein. Für eine gute Wärmeübertragung ist dabei das Absorptionsvermögen im Infrarotbereich relevant, im sichtbaren Wellenlängenbereich können die genannten Elemente durchaus eine andere Farbe als schwarz haben.It is particularly advantageous if the bimetallic element is / are provided with a coating at least in the region of the thermal coupling with the electromagnetic release and / or the electromagnetic release at least in the region of the thermal coupling with the bimetal element, which is at least 90%. the infrared radiation absorbs. In this way, the heat transfer from the electromagnetic release to the bimetallic element succeeds particularly well. The bimetallic element and / or the electromagnetic release may be coated accordingly for this purpose. For a good heat transfer, the absorption capacity in the infrared range is relevant, in the visible wavelength range, the elements mentioned may well have a different color than black.
Günstig ist es, wenn das Bimetall-Element oberhalb des elektromagnetischen Auslösers, insbesondere oberhalb der Spule, angeordnet ist oder eine Leitvorrichtung zum Leiten heißer Luft vom elektromagnetischen Auslöser auf das Bimetall-Element vorgesehen ist. Auf diese Weise kann das Bimetall-Element gut durch Konvektion erwärmt werden. Vom elektromagnetischen Auslöser aufsteigende warme Luft streicht dabei um das Bimetall-Element und erwärmt dieses. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn dabei eine turbulente Strömung erzeugt wird, insbesondere durch die Form des elektromagnetischen Auslösers, dessen Spule oder der Leitvorrichtung.It is advantageous if the bimetallic element is arranged above the electromagnetic release, in particular above the coil, or a guide device for directing hot air from the electromagnetic release to the bimetal element is provided. In this way, the bimetallic element can be well heated by convection. Warm air rising from the electromagnetic release sweeps around the bimetallic element and heats it. It is particularly advantageous in this case if a turbulent flow is generated, in particular by the shape of the electromagnetic release, its coil or the guide device.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Leitungsschutzschalters bildet das Bimetall-Element wenigstens einen Teil eines Jochs des elektromagnetischen Auslösers. Einerseits kann das Bimetall-Element wiederum durch Wirbelströme erwärmt werden, andererseits bildet es einen Teil des magnetischen Jochs des elektromagnetischen Auslösers, wodurch sich ein besonders starker synergetischer Effekt ergibt. Diese Variante der Erfindung funktioniert dann besonders gut, wenn das Bimetall-Element einen vergleichsweise hohen Eisenanteil hat. Generell tragen Wirbelströme bei einer Frequenz von 50 Hz nur einen vergleichsweise kleinen Anteil zu Erwärmung des Bimetall-Elements bei.In a particularly preferred embodiment of the circuit breaker, the bimetallic element forms at least part of a yoke of the electromagnetic release. On the one hand, the bimetallic element can in turn be heated by eddy currents, on the other hand, it forms part of the magnetic yoke of the electromagnetic release, resulting in a particularly strong synergistic effect. This variant of the invention works particularly well when the bimetallic element has a comparatively high iron content. In general, eddy currents at a frequency of 50 Hz contribute only a comparatively small proportion to heating of the bimetallic element.
Bei einer Baureihe von mehreren Leitungsschutzschaltern ist es darüber hinaus von Vorteil, wenn die Spulen aus unterschiedlich dickem Draht gefertigt sind und im Wesentlichen denselben Durchmesser, insbesondere Außendurchmesser, aufweisen. Dadurch kann eine Baureihe von Leitungsschutzschaltern mit relativ wenigen unterschiedlichen Bauformen seiner Bestandteile aufgebaut werden, da alle Spulen denselben Durchmesser (vorzugsweise denselben Außendurchmesser) aufweisen und die Bauteile des Leitungsschutzschalters ohne größere Adaptierungen zueinander passen. Im Idealfall brauchen überhaupt keine unterschiedlichen Bauformen der Bestandteile der Leitungsschutzschalter vorgesehen sein. In einer vorteilhaften Variante werden die unterschiedlich dicken Spulendrähte zudem auf Spulenhülsen mit unterschiedlichem Durchmesser gewickelt, sodass sich innerhalb der Baureihe von Leitungsschutzschaltern Spulen mit im Wesentlichen demselben Außendurchmesser ergeben.In a series of multiple circuit breakers, it is also advantageous if the coils are made of different thickness wire and have substantially the same diameter, in particular outer diameter. As a result, a series of circuit breakers with relatively few different designs of its components can be constructed, since all coils have the same diameter (preferably the same outer diameter) and the components of the circuit breaker fit without major adaptations to each other. Ideally, no different types of components of the circuit breaker need at all be provided. In an advantageous variant, the differently thick coil wires are also wound on bobbin tubes with different diameters, so that within the series of circuit breakers result in coils with substantially the same outer diameter.
Günstig ist es bei einer Baureihe von mehreren Leitungsschutzschaltern schließlich, wenn der Abstand zwischen dem Bimetall-Element und dem elektromagnetischen Auslöser, insbesondere dessen Spule, bei mehreren Leitungsschutzschaltern im Wesentlichen gleich groß ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass der Wärmeübergang von dem elektromagnetischen Auslöser auf das Bimetall-Element innerhalb einer Baureihe von Leitungsschutzschaltern mit unterschiedlich dickem Spulendraht im Wesentlichen gleich ist.It is favorable in a series of several circuit breakers, finally, if the distance between the bimetallic element and the electromagnetic release, in particular its coil, is substantially equal in several circuit breakers. In this way, it is achieved that the heat transfer from the electromagnetic release to the bimetallic element within a series of circuit breakers with different thickness coil wire is substantially equal.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung lassen sich auf beliebige Art und Weise kombinieren.The above embodiments and developments of the invention can be combined in any manner.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:The present invention will be explained in more detail with reference to the exemplary embodiments indicated in the schematic figures of the drawing. It shows:
DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Konkret umfasst der elektromagnetische Auslöser
Auf diese Weise kann der Schaltpunkt beziehungsweise der Auslösepunkt des Bimetall-Elements
Der Schaltkontakt
In der
Die Funktion des in der
In einer EIN-Stellung ist das Bimetall-Element
In an ON position, the bimetallic element is
Als weitere Möglichkeit kann die Auslösung des Leitungsschutzschalters durch den elektromagnetischen Auslöser
In ähnlicher Weise erfolgt die Auslösung des Leitungsschutzschalters mit Hilfe des Bimetall-Elements
Die Auslösung durch den elektromagnetischen Auslöser
Durch die Anordnung des Bimetall-Elements
Der in der
Im vorliegenden Beispiel ist das Bimetall-Element
In the present example, the
Weiterhin sind das Bimetall-Element
Von Vorteil ist es in diesem Zusammenhang auch, wenn das Bimetall-Element
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn das Bimetall-Element
Obwohl die in der
Von Vorteil ist es auch, wenn das Bimetall-Element
Die
Von Vorteil ist es, wenn die Spulen
Vorteilhaft ist es zudem, wenn der Abstand zwischen den Bimetall-Elementen
Bei der in den
Eine weitere Möglichkeit, den Auslösemechanismus an verschieden große Spulen
In den dargestellten Beispielen krümmt sich das Bimetall-Element
Das Bimetall-Element
Abschließend wird angemerkt, dass die Auslösevorrichtung nicht notwendigerweise maßstäblich dargestellt ist und daher auch andere Proportionen aufweisen kann. Finally, it is noted that the triggering device is not necessarily shown to scale and therefore may have other proportions.
Weiterhin kann die Auslösevorrichtung auch mehr oder weniger Bauteile als dargestellt umfassen. Lageangaben (z.B. „oben“, „unten“, „links“, „rechts“, etc.) sind auf die jeweils beschriebene Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäß an die neue Lage anzupassen. Beispielsweise können der elektromechanische Auslöser
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |