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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Schaltgerät nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Schaltgeräte dieser Gattung können elektromagnetisch betätigte Schaltgeräte, z.B. Schütze, oder Schutzschalter, insbesondere Motorschutzschalter, sein. Diese Schaltgeräte schalten Last- und Fehlerströme in Niederspannungsnetzen.
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Aus der Druckschrift
DE 4318196 A1 ist der grundlegende Aufbau eines elektromagnetischen Schaltgerätes zu erkennen. In einem Formgehäuse sind für jeden der zu schaltenden drei Pole zwei feststehende Festkontaktträger mit je einem Festkontaktstück und eine von einer Kontaktdruckfeder beaufschlagte bewegliche Kontaktbrücke mit einem Paar Brückenkontaktstücke vorgesehen. Beim Schalten werden durch lineare Bewegung der Kontaktbrücke die Brückenkontaktstücke in und außer Verbindung mit den Festkontaktstücken gebracht. Die Kontaktbrücken sind nebeneinander und linear beweglich in einem Kontaktbrückenhalter angeordnet, der seinerseits im Formgehäuse geführt gelagert ist. Unterhalb des Kontaktbrückenhalters ist ein Magnetantrieb angeordnet. Dieser besteht aus einem feststehenden Magnetkern, aus einem bewegbaren und von einer Rückstellfeder beaufschlagten Magnetanker und aus einer Antriebsspule. Ein Verbindungsteil dient der Bewegungsübertragung vom Magnetanker zum Kontaktbrückenhalter, sodass die Bewegungsachsen von Magnetanker, Verbindungsteil und Kontaktbrückenhalter zusammenfallen. Nach dem Auftreffen der Brückenkontaktstücke auf die Festkontaktstücke erfolgt beim Schließen des Luftspalts zwischen Magnetkern und Magnetanker noch eine abschließende Bewegung des Kontaktbrückenhalters entgegen der Wirkung der Kontaktdruckfedern. Infolge dieses so genannten Durchhubs wurde zum einen der Kontaktdruck weiter erhöht und zum andern mechanische Toleranzen sowie der Kontaktverschleiß zwischen den zusammenwirkenden Kontaktstücken ausgeglichen.
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Von den elektromagnetischen Schaltgeräten unterscheiden sich gattungsgemäße Schutzschalter u.a. dadurch, dass anstelle eines Magnetantriebs ein mechanischer Antriebsmechanismus, auch Schaltschloss genannt, vorgesehen ist. Als Beispiel sei hier ein Motorschutzschalter nach Druckschrift
DE 4318180 C2 genannt.
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Die eingangs genannten Schaltgeräte werden häufig zum Schalten von Elektromotoren verwendet. Bei modernen, energieeffizienten Elektromotoren, sogenannten 1E-I11/IV-Motoren, sind die Stromspitzen während des Anlaufs größer als bei herkömmlichen Motoren. Dabei kann es aufgrund der durch die höheren Einschaltströme bewirkten elektrodynamischen Kräfte zum Abheben der Kontaktbrücke von den Festkontaktträgern entgegen der Kraftwirkung der Kontaktdruckfedern kommen. Das Abheben der Kontaktbrücke, welches im Verlaufe eines Einschaltvorgangs auch mehrfach hintereinander erfolgen kann, führt in der Regel zu einer thermischen Überlastung oder sogar zu einem Verschweißen der Kontaktstücke. Der geschilderte Nachteil wird ebenso beim Schalten von Kondensatoren beobachtet, was in der Regel zur Zerstörung der vorgeschalteten Strombegrenzungswiderstände führt. Eine Möglichkeit zur Vermeidung des geschilderten Nachteils ist die generelle Erhöhung der Kontaktdruckkraft, was jedoch eine Anpassung des elektromagnetischen bzw. mechanischen Antriebs, d.h. eine Erhöhung der Antriebsleistung, bzw. eine umfassende Neukonstruktion des Schaltgerätes erfordert.
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Druckschrift
DE 10 2007 013 572 A1 beschreibt ein Kontaktsystem mit einer Kontaktbrücke und zwei Kontaktdruckfedern, die zueinander symmetrisch, teilweise senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kontaktbrückenhalters und schwenkbar zwischen Kontaktbrückenhalter und Kontaktbrücke gelagert sind. Damit wird erreicht, dass nach Auftreffen der Brückenkontaktstücke auf die Festkontaktstücke im Verlaufe des Durchhubs die Kontaktdruckkraft nicht weiter steigt und in Folge die erforderliche Betätigungskraft für den Kontaktbrückenhalter gesenkt wird. Ein derartiges Kontaktsystem ist jedoch ungünstig, um ein Abheben der Brückenkontaktstücke von den Festkontaktstücken infolge hoher Einschaltströme zu vermeiden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einem vorhandenen elektrischen Schaltgerät dessen Einschaltvermögen mit einfachen konstruktiven Mitteln zu erhöhen.
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Ausgehend von einem elektrischen Schaltgerät der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruches gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.
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Je Schaltpol ist statt einer üblichen Kontaktdruckfeder ein Federsystem vorgesehen, das aus wenigstens einer ersten Teilfeder und wenigstens einer zweiten Teilfeder zusammengesetzt ist. Beim Einschaltvorgang wird die Kontaktbrücke nach Kontaktgabe und einsetzendem Durchhub im Wesentlichen von der wenigstens ersten Teilfeder und im fortgeschrittenen Verlaufe zusätzlich von der wenigstens zweiten Teilfeder beaufschlagt. Die von dem Federsystem bewirkte Kontaktkraft steigt im Verlaufe des Einschaltvorgangs in erheblichem Maße an, bevor der Einschaltstrom seinen Spitzenwert erreichen kann. Ein Abheben der Brückenkontaktstücke von den Festkontaktstücken, d.h. eine Öffnungsbewegung der Kontaktbrücke infolge eines höheren Einschaltstroms, wird aufgrund der auf diese Weise erhöhten Kontaktdruckkraft verhindert.
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Das Einschaltvermögen des erfindungsgemäßen elektrischen Schaltgerätes ist also gegenüber einem herkömmlichen Schaltgerät erheblich erhöht worden. Hierzu wurde das herkömmliche Schaltgerät über einfache konstruktive Maßnahmen verbessert, indem ausgehend von den vorhandenen Baugruppen – insbesondere Kontaktantrieb, Kontaktbrückenhalter und Kontaktsystem – statt der üblichen Kontaktdruckfedern Federsysteme aus ersten und zweiten Teilfedern mit unterschiedlichen Schließpunkten eingesetzt wurden.
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Die Erfindung wirkt sich auch bei folgenden Anwendungen positiv aus: Zum einen wird beim Schalten von Kondensatoren ein Verschweißen bzw. Verpappen der Kontaktstücke infolge der kurzzeitigen Inrush-Ströme und die dadurch mögliche Zerstörung der vorgeschalteten Strombegrenzungswiderstände vermieden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass zur Steigerung des progressiven Anstiegs der Kontaktdruckkraft die wenigstens zweite Teilfeder mit einer höheren Federrate gegenüber der wenigstens ersten Teilfeder ausgestattet ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass als Federsystem eine ganzteilige Feder mit progressiver Kennlinie verwendet wird, d.h. die wenigstens erste Teilfeder und zweiten Teilfeder in einer einzigen Feder integriert sind.
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Eine andere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die erste Teilfeder vorgespannt zwischen Kontaktbrückenhalter und Kontaktbrücke und die zweite Teilfeder vorgespannt zwischen Kontaktbrückenhalter und einem im Kontaktbrückenhalter geführten, parallel zu diesem verschiebbaren Widerlager, das von der Kontaktbrücke bei getrennten Kontaktstücken beabstandet ist, lagert. Auch hier kommt die zweite Teilfeder erst im fortgeschrittenen Verlaufe des Einschaltvorgangs zur Wirkung.
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Eine wiederum andere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass zwischen Kontaktbrückenhalter und Kontaktbrücke die erste Teilfeder vorgespannt lagert und die zweite Teilfeder so lagert, dass sie die Kontaktbrücke erst bei fortschreitendem Verlaufe des Durchhubs beaufschlagt. Die bis nach Einsetzen des Durchhubs locker lagernde zweite Teilfeder, übt auch hier erst im Verlaufe des Durchhubs ihre Kraftwirkung auf die Kontaktbrücke aus. Vorteilhaft ist hier ein definiertes Spiel bezüglich der Längsachse der locker lagernden zweiten Teilfeder.
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Es ist zweckmäßig, die Teilfedern konzentrisch zueinander anzuordnen, entweder die erste Teilfeder innerhalb der ersten oder umgekehrt.
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Es ist weiterhin zweckmäßig, eine der Teilfedern mittels von an Kontaktbrückenhalter und Kontaktbrücke vorgesehenen Domen zu halten.
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Die Ausbildung der Teilfedern als schraubenförmige Druckfedern erleichtert die konstruktive Anpassung des Schaltgerätes an das Schaltverhalten.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispiel. Es zeigen
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1: eine Perspektivansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Schaltgerätes im ausgeschalteten Zustand;
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2: ähnlich 1, jedoch im Verlaufe des Einschaltvorgangs;
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3: ähnlich 3, jedoch im eingeschalteten Zustand;
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4: in Seitenansicht eine Detaildarstellung entsprechend 1;
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5: in Seitenansicht eine Detaildarstellung entsprechend 2;
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6: in Seitenansicht eine Detaildarstellung entsprechend 3;
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7: eine Einzelheit aus den 1 bis 6;
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8: eine Perspektivansicht einer zweiten Ausführungsform des Schaltgerätes im ausgeschalteten Zustand;
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9: ähnlich 8, jedoch im Verlaufe des Einschaltvorgangs;
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10: ähnlich 8, jedoch im eingeschalteten Zustand;
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11: eine Einzelheit aus 8;
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12: eine Perspektivansicht einer dritten Ausführungsform des Schaltgerätes im ausgeschalteten Zustand;
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13: ähnlich 12, jedoch im Verlaufe des Einschaltvorgangs;
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14: ähnlich 12, jedoch im eingeschalteten Zustand;
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15: eine Einzelheit aus 12.
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1 zeigt erfindungswesentliche Elemente der ersten Ausführungsform des elektrischen Schaltgeräts 1, hier beispielhaft als dreipoliges elektromagnetisches Schaltgerät dargestellt. Das Schaltgerät 1 enthält ein Kontaktsystem 3 und einen Kontaktantrieb 5 in Form eines Magnetantriebes. Kontaktsystem 3 und Kontaktantrieb 5 sind in einem nur teilweise dargestellten, mehrteiligen Formgehäuse 7 gelagert. Das Kontaktsystem 3 besteht aus einem Kontaktbrückenhalter 9, in diesem polweise nebeneinander und linear beweglich gelagerte Kontaktbrücken 11 und für jeden der zu schaltenden Pole zwei im nicht dargestellten Teil des Formgehäuses 7 feststehende Festkontaktträger 13. Im Kontaktbrückenhalter 9 sind die Kontaktbrücken 11 und Federsysteme 15 gelagert. Endseitig tragen die Kontaktbrücken 11 jeweils ein Brückenkontaktstück 19. Die Festkontaktträger 13 tragen ein Festkontaktstück 21. Durch lineare Verschiebung des Kontaktbrückenhalters 9 werden die von den Federsystemen 15 beaufschlagten Brückenkontaktstücke 19 mit den polweise zugeordneten Festkontaktstücken 21 in bzw. außer Kontakt gebracht, d.h. das Schaltgerät 1 ein- bzw. ausgeschaltet.
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Der Kontaktantrieb 5 besteht aus einem im Formgehäuse 7 festgelegten Magnetkern 23, einem Magnetanker 25 und einer in einem Wickelkörper 27 festgelegten Antriebsspule 29. Bei elektrischer Erregung bzw. Entregung der Antriebsspule 29 wird der Magnetanker 25 entgegen bzw. mit der Kraftwirkung einer zwischen Magnetanker 25 und Magnetkern 23 angeordneten Rückstellfeder (nicht sichtbar) vom Magnetkern 23 angezogen bzw. von diesem abgestoßen. Ein Verbindungsteil 31 überträgt hierbei die Bewegung des Magnetankers 25 auf den Kontaktbrückenträger 9.
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1 und 4 zeigen das Schaltgerät 1 im ausgeschalteten Zustand, bei dem die Antriebsspule 29 nicht erregt ist, ein zusammengesetzter Luftspalt A zwischen den stirnseitigen Enden des Magnetankers 25 und dem Magnetkern 23 besteht und die Kontaktbrücken 11 außer Kontakt von den Festkontaktträgern 13 sind. In dem aus Isolierstoff bestehenden Kontaktbrückenhalter 9 stützt sich an jeder Kontaktbrücke 11 das zugehörige Federsystem 15 ab. Im ausgeschalteten Zustand des Schaltgeräts 1 ist das Federsystem 15 mit definierter Kraft vorgespannt. 7 zeigt eines der Federsysteme 15 im Detail. Das als metallische schraubenförmige Druckfeder ausgebildete Federsystem 15 besteht ganzteilig aus zwei ersten Teilfedern 33 und einer zweiten Teilfeder 37. Die mittig zwischen den beiden endseitigen ersten Teilfedern 33 befindliche zweite Teilfeder 37 ist mit einer höheren Federrate gegenüber den ersten Teilfedern 33 ausgestattet. Das Federsystem 15 hat somit eine progressive Kennlinie mit deutlich höherer Endkraft zum Ende der der Kompression im Vergleich zur Anfangskraft zu Beginn der Kompression.
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2 und 5 zeigen das Schaltgerät 1 im Verlaufe des Einschaltvorgangs zu einem Zeitpunkt, bei dem der Magnetanker 25 soweit vom Magnetkern 23 angezogen worden ist, dass die Kontaktbrücken 11 die Festkontaktträger 13 bereits kontaktiert haben und der Durchhub schon eingesetzt hat. Zu diesem Zeitpunkt wird die Kontaktdruckkraft zwischen den Brückenkontaktstücken 19 und den Festkontaktstücken 21 im Wesentlichen noch allein von den ersten Teilfedern 33 des jeweiligen Federsystems 15 aufgebracht. Den zweiten Teilfedern 37 ist noch keine wesentliche Kompression anzusehen, während die ersten Teilfedern 33 nahezu auf ihre Blocklänge komprimiert sind. Der Luftspalt A hat sich gegenüber 1 verkleinert.
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Im weiteren Verlaufe des Einschaltvorgangs wird mit beginnender Kompression der zweiten Teilfeder 37 die jeweils zugehörige Kontaktbrücke 11 zusätzlich durch die Federkraft der zweiten Teilfeder 37 beaufschlagt. In dieser abschließenden Phase des Einschaltvorgangs wird der Durchhub vollendet. Da die Federrate der zweiten Teilfeder 37 spürbar höher als diejenige der ersten Teilfedern 33 ist, erfolgt der weitere Verlauf des Einschaltvorgangs mit erheblich höherer Kontaktdruckkraft. In 3 und 6 ist der beendete Zustand des Einschaltvorgangs dargestellt. Der Luftspalt A zwischen Magnetkern 23 und Magnetanker 25 ist geschlossen. Durch die addierten Federkräfte der komprimierten ersten Teilfedern 33 und zweiten Teilfedern 37 besteht ein sehr hoher Kontaktdruck zwischen den Brückenkontaktstücken 19 und den Festkontaktstücken 21, der elektrodynamischen Öffnungskräften infolge hoher Einschaltströme gut widersteht. Es liegt im fachmännischen Ermessen, die Kennlinie des Federsystems 15 durch konstruktive Auslegung der Teilfedern 33, 37 optimal an die Erfordernisse des Schaltgeräts 1 anzupassen. Dabei sind auch Ausführungen mit beispielsweise nur einer ersten Teilfeder und einer zweiten Teilfeder oder mit nur einer ersten Teilfeder und zwei zweiten Teilfedern möglich.
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Die in den 8 bis 11 gezeigte Ausführungsform des Schaltgeräts 1 gebraucht Federsysteme 16, die jeweils aus einer ersten Teilfeder 34 und aus einer zweiten Teilfeder 38 bestehen. Die Teilfedern 34, 38 sind als schraubenförmige Druckfedern ausgebildet. Die zweiten Teilfedern 38 sind mit einer deutlich höheren Federrate als die ersten Teilfedern 34 ausgelegt. 8 und 11 stellen den ausgeschalteten Zustand dar, bei dem die ersten Teilfedern 34 in Fenstern 41 des Kontaktbrückenhalters 9 zwischen den oberen Fensterbegrenzungen 43 und den Kontaktbrücken 11 vorgespannt lagern, währendem die zweiten Teilfedern 38 ohne Vorspannung, aber mit vorgegebenem Spiel bezüglich ihrer Längsausdehnung konzentrisch innerhalb der ersten Teilfedern 34 lagern. Zur geführten Lagerung der zweiten Teilfedern 38 ist jeweils ein Dom 45 an der oberen Fensterbegrenzung 43 und ein Dom 46 an der Oberseite der Kontaktbrücke 11 vorgesehen.
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9 zeigt das Schaltgerät 1 im Verlaufe des Einschaltvorgangs zu dem Zeitpunkt, nachdem durch die eingetretene Verkürzung des Abstandes zwischen der jeweiligen oberen Fensterbegrenzung 43 und der Oberseite der Kontaktbrücke 11 die zweiten Teilfedern 38 begonnen haben, Druck auf die Kontaktbrücken 11 auszuüben, und die Brückenkontaktstücke 19 die Festkontaktstücke 21 unter eingesetztem Durchhub bereits kontaktiert haben. Im weiteren Verlaufe des Einschaltvorgangs addiert sich die Federkraft der zweiten Teilfeder 38 zur Federkraft der ersten Teilfeder 34, was zu einem deutlichen Anstieg der Kontaktdruckkraft bei fortschreitender Einschaltbewegung des Kontaktbrückenhalters 9 führt. 10 zeigt das Schaltgerät 1 bei abgeschlossenem Einschaltvorgang, d.h. im eingeschalteten Zustand und mit vollendetem Durchhub der Kontaktbrücken 11.
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Die in den 12 bis 15 gezeigte Ausführungsform des Schaltgeräts 1 gebraucht Federsysteme 17, die jeweils aus einer ersten schraubenförmigen Teilfeder 35 und aus einer zweiten schraubenförmigen Teilfeder 39, die konzentrisch um die erste Teilfeder 35 lagert, bestehen. 12 und 15 stellen den ausgeschalteten Zustand dar. In diesem Zustand lagern die ersten Teilfedern 35 vorgespannt in den Fenstern 41 des Kontaktbrückenhalters 9 zwischen den oberen Fensterbegrenzungen 43 und den Kontaktbrücken 11, währendem die zweiten Teilfedern 39 vorgespannt zwischen den oberen Fensterbegrenzungen 43 und im Fenster 41 positionierten Widerlagern 47 lagern, welche sich in einem definierten Abstand zu den Kontaktbrücken 11 befinden. Die zweiten Teilfedern 39 können mit einer höheren Federrate als die ersten Teilfedern 35 ausgelegt sein. Die ersten Teilfedern 35 werden über Dome 45, 46 gehalten.
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13 zeigt das Schaltgerät 1 im Verlaufe des Einschaltvorgangs zu einem Zeitpunkt, bei dem durch die eingetretene Verkürzung des Abstandes zwischen dem jeweiligen Widerlager 47 und der Oberseite der Kontaktbrücke 11 die entsprechend zweite Teilfeder 39 auf die Kontaktbrücke 11 zu wirken beginnt, wobei die Brückenkontaktstücke 19 mit die Festkontaktstücken 21 bereits miteinander in Kontakt sind. Im weiteren Verlaufe des Einschaltvorgangs addiert sich die Federkraft der zweiten Teilfeder 39 zur Federkraft der ersten Teilfeder 35, was zu einem erheblichen Anstieg der Kontaktdruckkraft bei fortschreitender Einschaltbewegung des Kontaktbrückenhalters 9 führt. Die zweiten Teilfedern 39 wurden durch fortschreitende Bewegung der Kontaktbrücken 11 von den Widerlagern 47 abgehoben. 14 zeigt das Schaltgerät 1 bei abgeschlossenem Einschaltvorgang, d.h. im eingeschalteten Zustand und vollendetem Durchhub der Kontaktbrücken 11.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungsformen. So lässt sich die Erfindung beispielsweise dahingehend ausgestalten, dass bei der zuletzt beschriebenen Ausführungsform die konzentrische Anordnung zwischen den Teilfedern 34, 38 vertauscht ist. Weiterhin ist die Erfindung nicht auf Schaltgeräte mit elektromagnetischem Kontaktantrieb beschränkt, sondern umfasst auch Schaltgeräte mit mechanischem Antrieb in Form eines Schaltschlosses.
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Das erfindungsgemäße elektrische Schaltgerät 1 hebt sich dadurch hervor, dass sein Einschaltvermögen gegenüber einem herkömmlichen Schaltgerät wesentlich höher ist. Hierzu sind ausgehend von vorhandenen Baugruppen – insbesondere Kontaktantrieb 5, Kontaktbrückenhalter 9 und Kontaktsystem 3 – einfach zu realisierende Maßnahmen im Wesentlichen statt der üblichen Kontaktdruckfedern zusammengesetzte Federsysteme 15, 16 bzw. 17 aus zu unterschiedlichen Zeitpunkten wirksamen ersten Teilfedern 33, 34 bzw. 35 und zweiten Teilfedern 37, 38 bzw. 39 vorgesehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaltgerät
- 3
- Kontaktsystem
- 5
- Kontaktantrieb
- 7
- Formgehäuse
- 9
- Kontaktbrückenhalter
- 11
- Kontaktbrücken
- 13
- Festkontaktträger
- 15; 16; 17
- Federsystem
- 19
- Brückenkontaktstücke
- 21
- Festkontaktstück
- 23
- Magnetkern
- 25
- Magnetanker
- 27
- Wickelkörper
- 29
- Antriebsspule
- 31
- Verbindungsteil
- 33; 34; 35
- erste Teilfeder
- 37; 38; 39
- zweite Teilfeder
- 41
- Fenster
- 43
- Fensterbegrenzung
- 45; 46
- Dom
- 47
- Widerlager
- A
- Luftspalt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4318196 A1 [0002]
- DE 4318180 C2 [0003]
- DE 102007013572 A1 [0005]
