DE102014117035A1

DE102014117035A1 - Leitungsschutzschalter mit passiv beheiztem und auf einem Eisenrückschluss eines elektromagnetischen Auslösers wirkendem Bimetall-Element

Info

Publication number: DE102014117035A1
Application number: DE102014117035.0A
Authority: DE
Inventors: Matthias Katzensteiner
Original assignee: Eaton Industries Austria GmbH
Current assignee: Eaton Industries Austria GmbH
Priority date: 2014-11-20
Filing date: 2014-11-20
Publication date: 2016-05-25
Also published as: US20180358196A1; EP3221880B1; CN107210170B; CN107210170A; EP3221880A1; WO2016079318A1

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. Darüber hinaus wirkt das Bimetall-Element (4) indirekt über einen Eisenkreis beziehungsweise Eisenrückschluss des elektromagnetischen Auslösers (2) auf den Schaltkontakt (1).

Description

TECHNISCHES GEBIET
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.
STAND DER TECHNIK
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.
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.
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.
Generell können der elektromagnetische Auslöser beziehungsweise das Bimetall-Element direkt oder indirekt auf den Schaltkontakt wirken. In letzterem Fall können der elektromagnetische Auslöser/das Bimetall-Element insbesondere auf ein mit dem Schaltkontakt verbundenes Hebelsystem wirken.
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.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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.
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 und
– das Bimetall-Element indirekt über einen Eisenkreis beziehungsweise Eisenrückschluss des elektromagnetischen Auslöser auf den Schaltkontakt wirkt.

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.
Darüber eignet sich die offenbarte Anordnung besonders für den Einsatz in bestehenden Systemen. Der Schaltkontakt beziehungsweise das Hebelsystem brauchen dazu ja nicht verändert werden, da das Bimetall-Element indirekt über den einen Eisenkreis beziehungsweise Eisenrückschluss des elektromagnetischen Auslösers auf den Schaltkontakt/das Hebelsystem wirkt. Aus Sicht des Schaltkontakts/Hebelsystems ändert sich bei Einsatz eines solchen Auslösemechanismus nichts.
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.
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.
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.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung in Zusammenschau mit den Figuren.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Eine vorteilhafte Bauform des Leitungsschutzschalters ergibt sich weiterhin, wenn das Bimetall-Element direkt oder indirekt auf dem Schlaganker/Stößel des elektromagnetischen Auslösers auf den Schaltkontakt oder ein damit verbundenes Hebelsystem wirkt. Dadurch kann noch stärker Einfluss auf den elektromagnetischen Auslöser genommen werden.
Vorteilhaft ist es dabei, wenn der Leitungsschutzschalter eine quer zur Bewegungsrichtung des Schlagankers/Stößels angeordnete und auf den Schlaganker/Stößel wirkende Blattfeder umfasst, welche an einem Ende gegenüber dem elektromagnetischen Auslöser fix gelagert und am anderen Ende mit dem Bimetall-Element verbunden ist, insbesondere gelenkig gelagert und/oder verbunden.
Günstig ist es, wenn die Blattfeder auf jenes Ende des Schlagankers/Stößels wirkt, dass dem Schaltkontakt beziehungsweise dem Hebelsystem abgewandt ist. Dadurch kann die Schnittstelle zwischen dem Schlagankers/Stößel und dem Schaltkontakt beziehungsweise dem Hebelsystem einfach gehalten werden. Darüber hinaus kann eine solche Anordnung auch für bestehende Systeme eingesetzt werden, da die besagte Schnittstelle dazu nicht geändert werden braucht.
Günstig ist es zudem, wenn die Blattfeder auf dem Schlaganker/Stößel lediglich aufliegt. Dadurch ergibt sich eine einfache Bauweise des Leitungsschutzschalters.
Günstig ist es darüber hinaus, wenn die Blattfeder mit dem Schlaganker/Stößel verbunden/verhakt ist. Dadurch können sowohl Zug- als auch Druckkräfte zwischen dem der Blattfeder und dem Schlaganker/Stößel übertragen werden.
Vorteilhaft ist es, wenn die die Blattfeder / das Bimetall-Element gabelförmige Enden aufweist, in welche eine Einkerbung im Bimetall-Element / in der Blattfeder eingreift. Dadurch kann auf einfache Weise ein Drehgelenk zwischen der Blattfeder und dem Bimetall-Element realisiert werden.
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Blattfeder / der Stößel eine Ausnehmung aufweist, in welche eine Einkerbung im Stößel / in der Blattfeder eingreift. Dadurch kann auf einfache Weise ein Drehgelenk zwischen der Blattfeder und dem Stößel realisiert werden.
Vorteilhaft ist es, wenn sich das Bimetall-Element bei Erwärmung vom elektromagnetischen Auslöser weg biegt. In Kombination mit einer Blattfeder ergibt sich dadurch degressiver Verlauf der auf den Stößel wirkenden Kraft. Ebenso ergibt sich dabei ein progressiver Verlauf des vom Stößel zurückgelegten Wegs bezogen auf den Weg, der von dem freien Ende des Bimetall-Elements zurückgelegt wird.
Vorteilhaft ist es aber auch, wenn sich das Bimetall-Element bei Erwärmung zum elektromagnetischen Auslöser hin biegt. Dadurch kann das Bimetall-Element direkt auf den Stößel des elektromagnetischen Auslösers drücken. Bei Kombination mit einer Blattfeder ergibt sich darüber hinaus ein progressiver Verlauf der auf den Stößel wirkenden Kraft. Ebenso ergibt sich dabei ein degressiver Verlauf des vom Stößel zurückgelegten Wegs bezogen auf den Weg, der von dem freien Ende des Bimetall-Elements zurückgelegt wird.
Günstig ist es, wenn auf den Schlaganker/Stößel eine Druckfeder wirkt, deren Kraft vom Schaltkontakt beziehungsweise dem Hebelsystem weg gerichtet ist. Dadurch wird der Schlaganker/Stößel unabhängig von der Blattfeder vom Schaltkontakt beziehungsweise dem Hebelsystem weg gezogen. Diese Variante ist insbesondere von Vorteil, wenn die Blattfeder nur auf dem Schlaganker/Stößel aufliegt aber nicht mit diesem verbunden/verhakt ist.
Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn das Bimetall-Element indirekt über den Eisenkreis beziehungsweise Eisenrückschluss des elektromagnetischen Auslösers auf den Schaltkontakt wirkt. Dadurch können Rückwirkungen auf das Bimetall-Element, wo wie sie entstehen können, wenn das Bimetall-Element auf den Stößel des elektromagnetischen Auslösers wirkt, vermieden oder zumindest verringert werden.
Vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn das zumindest eine Bimetall-Element derart in einen Eisenkreis beziehungsweise Eisenrückschluss des elektromagnetischen Auslösers eingefügt ist, dass ein magnetischer Fluss durch den Eisenkreis/Eisenrückschluss in einer ersten Stellung des zumindest einen Bimetall-Elements bei einer ersten Temperatur kleiner ist als der magnetische Fluss durch den Eisenkreis/Eisenrückschluss in einer zweiten Stellung des zumindest einen Bimetall-Elements bei einer zweiten Temperatur. Vorteilhaft kann so der magnetische Fluss im Eisenkreis beziehungsweise Eisenrückschluss und damit die erzeugte elektromagnetische Kraft auf einen Stößel des elektromagnetischen Auslösers beeinflusst werden. Damit nimmt das Bimetall-Element Einfluss indirekt über den elektromagnetischen Auslöser Einfluss auf den Schaltkontakt. Vorteilhaft ist die Kraft, die das Bimetall-Element aufbringen muss, sehr gering, da dieses im Wesentlichen als Schalter wirkt. Das Bimetall-Element kann daher sehr klein gehalten werden.
Günstig ist es dabei, wenn die erste Temperatur kleiner ist als die zweite Temperatur. Dadurch sind der magnetische Fluss und damit die auf einen Stößel des elektromagnetischen Auslösers wirkende Kraft bei der höheren Temperatur größer.
Eine Zunahme des Stroms bewirkt daher stets eine Erhöhung der genannten Kraft, egal ob dies durch den Strom durch die Spule des elektromagnetischen Auslösers oder durch einen Wechsel des Bimetall-Elements von der ersten in die zweite Stellung aufgrund des erhöhten Stroms erfolgt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Leitungsschutzschalter einen in Abhängigkeit der Temperatur des zumindest einen Bimetall-Elements veränderlichen Luftspalt im Eisenkreis/Eisenrückschluss umfasst. Dadurch kann der magentische Fluss im Eisenkreis/Eisenrückschluss des elektromagnetischen Auslösers relativ stark beeinflusst werden, da der durch den Luftspalt gebildete magnetische Widerstand linear von der Größe des Luftspalts abhängt.
Günstig ist es weiterhin, wenn genau ein Luftspalt je Bimetall-Element im Eisenkreis/Eisenrückschluss in Abhängigkeit der Temperatur des genannten Bimetall-Elements veränderlich ist. Dadurch ergibt sich ein vergleichsweise einfacher Aufbau des elektromagnetischen Auslösers, da ein Ende des Bimetall-Elements mit dem Eisenkreis/Eisenrückschluss fix verbunden werden kann.
Günstig ist es aber auch, wenn genau zwei Luftspalte je Bimetall-Element im Eisenkreis/Eisenrückschluss in Abhängigkeit der Temperatur des genannten Bimetall-Elements veränderlich sind. Auf diese Weise kann der Einfluss des Bimetall-Elements verstärkt werden.
Vorteilhaft ist es, wenn ein bei der ersten Temperatur vorhandener Luftspalt bei der zweiten Temperatur geschlossen ist. Auf diese Weise ist der Einfluss des Bimetall-Elements auf den Eisenkreis/Eisenrückschluss des elektromagnetischen Auslösers besonders groß.
Günstig ist es, wenn genau ein Bimetall-Element in den Eisenkreis/Eisenrückschluss eingefügt ist. Dadurch ergibt sich ein vergleichsweise einfacher Aufbau des elektromagnetischen Auslösers.
Günstig ist es aber auch, wenn genau zwei Bimetall-Elemente in den Eisenkreis/Eisenrückschluss eingefügt sind. Bei entsprechender Auslegung kann dadurch eine Notfunktion des elektromagnetischen Auslösers auch dann aufrecht erhalten werden, wenn ein Bimetall-Element aus irgendeinem Grund ausfallen sollte.
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn das zumindest eine Bimetall-Element parallel zu einer Bewegungsrichtung eines Stößels des elektromagnetischen Auslösers angeordnet ist. Dadurch ergibt sich eine besonders kompakte Bauweise des Leitungsschutzschalters.
Günstig ist es schließlich, wenn der Leitungsschutzschalter ein zwischen einem Innenschenkel des Eisenkreises/Eisenrückschlusses und der Spule des elektromagnetischen Auslösers angeordnetes Kunststoff-Rohr aufweist. Bei entsprechender Wahl des Kunststoffs kann die Reibung zwischen dem Kunststoff-Rohr und dem Innenschenkel, der im Kunststoff-Rohr insbesondere auch verschiebbar gelagert sein kann, gering gehalten werden. Zudem wird auch der magnetische Fluss auf den genannten Innenschenkel konzentriert.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung lassen sich auf beliebige Art und Weise kombinieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
1 ein erstes Beispiel für einen Auslösemechanismus eines Leitungsschutzschalters und;
2 ein zweites Beispiel für einen Auslösemechanismus eines Leitungsschutzschalters mit größerem Querschnitt eines Spulendrahts;
3 ein Beispiel für einen Auslösemechanismus, bei dem ein Bimetall-Element indirekt über eine Blattfeder auf einen Stößel eines elektromagnetischen Auslösers wirkt;
4 die in 3 dargestellte Anordnung in einem Auslösezustand;
5 ein weiteres Beispiel für einen Auslösemechanismus, bei dem ein Bimetall-Element indirekt über eine Blattfeder auf einen Stößel eines elektromagnetischen Auslösers wirkt;
6 eine beispielhafte Blattfeder in Draufsicht;
7 ein beispielhaftes Bimetall-Element in Draufsicht und
8 ein Beispiel für einen Auslösemechanismus, bei dem ein Bimetall-Element den Eisenkreis beziehungsweise Eisenrückschluss eines elektromagnetischen Auslösers beeinflusst.
DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt ein erstes Beispiel für einen Auslösemechanismus eines Leitungsschutzschalters. Generell umfasst ein Leitungsschutzschalter zumindest zwei Anschlusskontakte, die innerhalb des Leitungsschutzschalters über einen Schaltkontakt 1 elektrisch verbunden sind. Weiterhin umfasst der Leitungsschutzschalter respektive sein Auslösemechanismus 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.
Konkret umfasst der elektromagnetische Auslöser 2 neben der Spule 3 auch ein Joch 5 sowie einen in der 1 nicht sichtbaren weil eingezogenen Schlaganker respektive Stößel. Das Bimetall-Element 4 ist an einem Bimetall-Träger 6 befestigt und kann mit einer Schraube 7, welche durch eine gehäusefeste Mutter 8 geführt ist, in seiner Lage (in der 1 vertikal) eingestellt werden. Der Bimetall-Träger 6 stützt sich am (in der 1 nur ausschnittsweise dargestellten) Gehäuse 10 des Leitungsschutzschalters 1 ab, und wird solcherart gegen Verdrehen gesichert.
Auf diese Weise kann der Schaltpunkt beziehungsweise der Auslösepunkt des Bimetall-Elements 4 justiert werden. Weiterhin kann der Abstand des Bimetall-Elements 4 zum elektromagnetischen Auslöser 2 an verschieden große Spulen 3 angepasst werden. Obwohl für unterschiedliche Stromstärken unterschiedlich große Drahtquerschnitte der Spulen 3 benötigt werden und die Spulen 3 auch ansonsten unterschiedliche Abmessungen aufweisen können, können dadurch Leitungsschutzschalter für unterschiedliche Ströme im Wesentlichen gleich aufgebaut sein.
Der Schaltkontakt 1 umfasst einen feststehenden Festkontakt 11 sowie ein bewegliches Schaltstück 12, das gleichzeitig Teil eines Hebelsystems 13 ist. Das Schaltstück 12 ist aus Gründen der besseren Verständlichkeit mit kleinen Ringen gekennzeichnet, um die Funktion des Hebelsystems 13 nachfolgend besser erläutern zu können. Das Hebelsystem 13 umfasst weiterhin einen Schaltstück-Träger 14, der um eine gehäusefeste Achse 15 drehbar gelagert ist und mit Punkten gekennzeichnet ist. Das Schaltstück 12 ist um die auf dem Schaltstück-Träger 14 angeordnete Achse 16 drehbar gelagert. Weiterhin umfasst das Hebelsystem 13 eine Klinke 17, die um eine auf dem Schaltstück-Träger 14 angeordnete Achse 18 drehbar gelagert ist und ebenfalls mit Punkten gekennzeichnet ist. Darüber hinaus umfasst das Hebelsystem 13 eine Klinkenauflage 19, die um die Achse 15 drehbar gelagert ist und mit kleinen Kreuzen gekennzeichnet ist. Schließlich umfasst das Hebelsystem 13 eine Torsionsfeder 20, welche die Klinke 17 und die Klinkenauflage 19 gegeneinander drückt, sowie eine Zugfeder 21, deren Kraft auf das Schaltstück 12 wirkt.
In der 1 sind schließlich noch Anschlussdrähte 22 und 23 dargestellt, welche den elektromagnetischen Auslöser 2 beziehungsweise das Schaltstück 12 mit den nach außen geführten Anschlusskontakten des Leitungsschutzschalters verbinden. Dagegen ist die elektrische Verbindung zwischen den zumindest zwei Anschlusskontakten am Bimetall-Element 4 vorbei geführt. Zuletzt zeigt 1 noch einen Bügel 24, welcher die Klinke 17 mit einem Schalthebel des Leitungsschutzschalters verbindet.
Die Funktion des in der 1 dargestellten Auslösemechanismus ist nun wie folgt:
In einer EIN-Stellung ist das Bimetall-Element 4 gerade, sodass die Torsionsfeder 20 die Klinkenauflage 19 auf die Klinke 17 drückt und sich die Klinke 17 mit ihrem Fortsatz in der Klinkenauflage 19 verhakt. Dadurch können der Schaltstück-Träger 14, die Klinke 17 und die Klinkenauflage 19 nur gemeinsam bewegt, das heißt um die gehäusefeste Achse 15 gedreht werden. Die Feder 21 zieht das Schaltstück 12 im Uhrzeigersinn um die Achse 16, wodurch der Schaltkontakt 1 in der EIN-Stellung geschlossen bleibt. Wird der Schalthebel des Leitungsschalters nun in die AUS-Stellung bewegt, so zieht der Bügel 24 den Schaltstück-Träger 14, die Klinke 17 und die Klinkenauflage 19, die ineinander verhakt sind, gegen den Uhrzeigersinn und bewirkt damit, dass die Achse 16 nach rechts bewegt wird wodurch in Folge der Schaltkontakts 1 geöffnet wird.
Als weitere Möglichkeit kann die Auslösung des Leitungsschutzschalters durch den elektromagnetischen Auslöser 2 bewirkt werden. Bei zu hohem Strom drückt der Schlaganker auf die Klinkenauflage 19, sodass die Verriegelung zwischen der Klinke 17 und der Klinkenauflage 19 aufgehoben wird. Die Klinkenauflage 19 und die Klinke 17 befinden sich dann in der in 1 dargestellten Position. Durch die Zugfeder 21 wird der Schaltstück-Träger 14 nun um die Achse 15 gegen den Uhrzeigersinn gedreht, wobei die Klinke 17 nach oben ausweicht und dabei eine Drehung im Uhrzeigersinn vollführt. Dadurch wandert die auf dem Schaltstück-Träger 14 angeordnete Achse 16 nach rechts, wodurch der Schaltkontakt 1 geöffnet wird.
In ähnlicher Weise erfolgt die Auslösung des Leitungsschutzschalters mit Hilfe des Bimetall-Elements 4. Dieses drückt bei starker Erwärmung auf einen Vorsprung der Klinkenauflage 19, wodurch diese wiederum um die Achse 15 gegen den Uhrzeigersinn gedreht und damit die Verriegelung zwischen der Klinke 17 und der Klinkenauflage 19 aufgehoben wird. Diese Situation ist in der 1 dargestellt. Der weitere Bewegungsablauf ist völlig analog zu jenem, der bei der Auslösung durch den elektromagnetischen Auslöser ausgeführt wird.
Die Auslösung durch den elektromagnetischen Auslöser 2 und das Bimetall-Element 4 sind also im Wesentlichen gleichwirkend. Lediglich die Angriffspunkte, die Richtungen sowie gegebenenfalls die Größe der vom elektromagnetischen Auslöser 2 respektive dem Bimetall-Element 4 auf die Klinkenauflage 19 aufgebrachten Kräfte sind unterschiedlich. In beiden Fällen wird jedoch eine Drehung der Klinkenauflage 19 um die Achse 15 gegen den Uhrzeigersinn bewirkt.
Durch die Anordnung des Bimetall-Elements 4 in unmittelbarer Nähe des elektromagnetischen Auslösers 2 wird das Bimetall-Element 4 durch die Abwärme des elektromagnetischen Auslösers 2 erwärmt. Der elektromagnetische Auslöser 2, dessen Hauptfunktion das Detektieren von Kurzschlussströmen und das Öffnen des Schaltkontakts 1 bei Überstrom ist, wirkt also gleichzeitig als Heizwicklung. Dadurch ergibt sich eine Doppelnutzung des elektromagnetischen Auslösers 2.
Der in der 1 dargestellte Auslösemechanismus des Leitungsschutzschalters weist noch folgende weitere Merkmale auf:
Im vorliegenden Beispiel ist das Bimetall-Element 4 beabstandet zum elektromagnetischen Auslöser 2, insbesondere beabstandet zur Spule 3, angeordnet. Dadurch kann eine gute elektrische Isolation zwischen dem elektromagnetischen Auslöser 2, insbesondere dessen Spule 3, und dem Bimetall-Element 4 erzielt werden. Ein Kurzschluss der Spule 3 durch das Bimetall-Element 4 wird somit auch dann vermieden, wenn die Isolation der Spule 4 aus irgendeinem Grund defekt sein sollte. Je näher das Bimetall-Element 4 am elektromagnetischen Auslöser 2 angeordnet ist, umso besser ist jedoch die Wärmeübertragung vom elektromagnetischen Auslöser 2 an das Bimetall-Element 4.
Weiterhin sind das Bimetall-Element 4 und der elektromagnetische Auslöser 2, insbesondere dessen Spule 3, im Leitungsschutzschalter direkt benachbart angeordnet. Auf diese Weise kann das Bimetall-Element 4 gut durch thermische Strahlung erwärmt werden, denn zwischen dem elektromagnetischen Auslöser 2, insbesondere dessen Spule 3, und dem Bimetall-Element 4 erfolgt in der für die Wärmeübertragung durch Strahlung relevanten Zone keine nennenswerte Abschirmung durch andere Bauteile. Bevorzugt trifft wenigstens 90% der vom elektromagnetischen Auslöser 2, insbesondere dessen Spule 3, in der relevanten Übertragungszone ausgehenden Strahlung ungehindert auf das Bimetall-Element 4. In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn das Bimetall-Element 4 so ausgerichtet, dass die Wärmeübertragung auf einer möglichst großen Fläche stattfindet.
Von Vorteil ist es in diesem Zusammenhang auch, wenn das Bimetall-Element 4 wenigstens im Bereich der thermischen Kopplung mit dem elektromagnetischen Auslöser 2 und/oder der elektromagnetische Auslöser 2 wenigstens im Bereich der thermischen Kopplung mit dem Bimetall-Element 4 mit einer Beschichtung versehen ist/sind, welche wenigstens 90% der Infrarotstrahlung absorbiert. Auf diese Weise gelingt die Wärmeübertragung durch Strahlung vom elektromagnetischen Auslöser 2 auf das Bimetall-Element 4 besonders gut.
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn das Bimetall-Element 4 wie in der 1 dargestellt oberhalb des elektromagnetischen Auslösers 2, insbesondere oberhalb der Spule 3, angeordnet ist. Auf diese Weise wird das Bimetall-Element 4 nicht nur durch Strahlung sondern auch durch Konvektion in Form von warmer Luft, die vom elektromagnetischen Auslöser 2 aufsteigt und um das Bimetall-Element 4 streicht, erwärmt. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Leitvorrichtung zum Leiten heißer Luft vom elektromagnetischen Auslöser 2 auf das Bimetall-Element 4 vorgesehen sein.
Obwohl die in der 1 dargestellte Variante des Auslösemechanismus eines Leitungsschutzschalters von Vorteil ist, sind auch andere Ausführungsformen denkbar. Generell ist es möglich, zwischen dem Bimetall-Element 4 und dem elektromagnetischen Auslöser 2 ein Zwischenelement beziehungsweise eine Zwischenschicht (z.B. Teflon, Glasseide) vorzusehen. Beispielsweise kann das Bimetall-Element 4 den elektromagnetischen Auslöser 2, insbesondere dessen Spule 3, auch berühren, wodurch das Bimetall-Element 4 gut durch Wärmeleitung erwärmt wird.
Von Vorteil ist es auch, wenn das Bimetall-Element 4 wenigstens einen Teil des Jochs 5 des elektromagnetischen Auslösers 2 bildet. Beispielsweise kann das Joch 5 dazu oben an der Spule 3 vorbeigeführt werden. Dadurch wird das Bimetall-Element 4 einerseits durch Wirbelströme erwärmt, andererseits bildet es einen Teil des Jochs 5 des elektromagnetischen Auslösers 2, wodurch sich ein besonders starker synergetischer Effekt ergibt. Diese Variante der Erfindung funktioniert dann besonders gut, wenn das Bimetall-Element 4 einen vergleichsweise hohen Eisenanteil aufweist. Eine Schicht eines Bimetall-Elements 4 ist oft ohnehin aus magnetischem Stahl und kann dann gleichzeitig als Teil des Eisenrückschlusses beziehungsweise Jochs 5 des elektromagnetischen Auslösers 2 dienen. Bei dieser Variante sollte die magnetische Kraft auf das Bimetall-Element 4 bei Kurzschlussströmen berücksichtigt werden, und auch dass Wirbelströme bei einer Frequenz von 50 Hz einen vergleichsweise kleinen Anteil zu Erwärmung des Bimetall-Elements 4 beitragen.
Die 2 zeigt nun eine Variante eines Auslösemechanismus eines Leitungsschutzschalters, welcher der in der 1 dargestellten Variante sehr ähnlich ist. Im Unterschied dazu weist die Spule 3 des elektromagnetischen Auslösers 2 jedoch einen wesentlich größeren Querschnitt auf als die in der 1 gezeigten Spule 3 und ist daher für einen höheren Nennstrom geeignet. Zudem ist das Bimetall-Element 4 im vorderen Bereich nach unten gekröpft. Im Wesentlichen ist die Funktionsweise des in der 2 dargestellten Auslösemechanismus aber gleich wie für den in der 1 dargestellten Auslösemechanismus.
Von Vorteil ist es, wenn die Spulen 3 mehrerer unterschiedlicher Leitungsschutzschalter einer Baureihe von Leitungsschutzschaltern wie in den 1 und 2 dargestellt im Wesentlichen denselben Durchmesser (hier Innendurchmesser) aufweisen. Dadurch kann eine Baureihe von Leitungsschutzschaltern mit relativ wenigen unterschiedlichen Bauformen seiner Bestandteile aufgebaut werden. Im Idealfall brauchen überhaupt keine unterschiedlichen Bauformen der Bestandteile der Leitungsschutzschalter vorgesehen sein.
Vorteilhaft ist es zudem, wenn der Abstand zwischen den Bimetall-Elementen 4 und den elektromagnetischen Auslöser 2, insbesondere deren Spulen 3, bei mehreren unterschiedlichen Leitungsschutzschaltern einer Baureihe von Leitungsschutzschaltern im Wesentlichen gleich groß ist, so wie dies in den 1 und 2 dargestellt ist. Dadurch ist der Wärmeübergang vom elektromagnetischen Auslöser 2 auf das Bimetall-Element 4 innerhalb einer Baureihe von Leitungsschutzschaltern mit unterschiedlich dickem Spulendraht im Wesentlichen gleich.
Bei der in den 1 und 2 dargestellten Baureihe von unterschiedlichen Leitungsschutzschaltern weisen die Spulen 3 im Wesentlichen denselben Innendurchmesser auf. Dies ist jedoch keineswegs zwingend. Denkbar wäre beispielsweise auch, dass die Spulen 3 alle im Wesentlichen denselben Außendurchmesser aufweisen. Dadurch ist der Wärmeübergang vom elektromagnetischen Auslöser 2 auf das Bimetall-Element 4 innerhalb einer Baureihe von Leitungsschutzschaltern mit unterschiedlich dickem Spulendraht auch ohne Anpassung des Abstands des Bimetall-Elements 4 mit Hilfe der Schraube 7 im Wesentlichen gleich groß. Dazu können die unterschiedlich dicken Spulendrähte auf Spulenhülsen mit unterschiedlichem Durchmesser gewickelt werden, sodass sich innerhalb der Baureihe von Leitungsschutzschaltern Spulen 3 mit im Wesentlichen demselben Außendurchmesser ergeben.
Eine weitere Möglichkeit, den Auslösemechanismus an verschieden große Spulen 3 anzupassen, ist auch dadurch gegeben, dass ein austauschbares Übertragungsstück vorgesehen werden kann, über welches das Bimetall-Element 4 auf der Klinkenauflage 19 angreift. Alternativ kann auch eine unterschiedlich lange Kröpfung (vergleiche 2) zu diesem Zweck vorgesehen sein.
In den dargestellten Beispielen krümmt sich das Bimetall-Element 4 bei Erwärmung zur Spule 3 hin. Der Auslösemechanismus kann aber auch so aufgebaut sein, dass sich das Bimetall-Element 4 bei Erwärmung von der Spule 3 weg biegt. Beispielsweise könnte das Bimetall-Element 4 in den 1 und 2 unter der Spule 3 angeordnet sein und beispielsweise an einem Vorsprung der Klinkenauflage 19 angreifen. Vorteilhaft liegt das Bimetall-Element 4 in seiner (unerwärmten) Anfangslage sehr nahe an der Spule 3. Biegt sich das Bimetall-Element 4 bei Erwärmung dann nach unten, so wird die Klinkenauflage 19 gegen den Uhrzeigersinn bewegt, wodurch der Auslösemechanismus in der bereits weiter oben beschriebenen Weise ausgelöst wird.
Das Bimetall-Element 4 kann, so wie dies in den 1 und 2 dargestellt ist, aktiv eine thermoelastisch bedingte Kraft zum Entklinken eines Auslösemechanismus aufbringen. Alternativ wäre aber auch möglich, dass das Bimetall-Element 4 vorgespannt ist und den Auslösemechanismus im EIN-Zustand hält. Geht diese Kraft bei Erwärmung des Bimetall-Elements 4 zurück, so wird der Auslösemechanismus ausgelöst, das heißt der Schaltkontakt 1 getrennt.
Die 3 und 4 zeigen nun eine Ausführungsform eines Auslösemechanismus eines Leitungsschutzschalters, bei dem das Bimetall-Element 4 indirekt über den elektromagnetischen Auslöser 2 auf den Schaltkontakt 1 respektive auf ein mit dem Schaltkontakt verbundenes Hebelsystem wirkt. In den 3 und 4 ist nur der elektromagnetischen Auslöser 2 inklusive des darauf wirkenden Bimetall-Elements 4 sowie der Festkontakt 11 dargestellt. Das Hebelsystem mit dem Schaltstück, das so ausgestaltet sein kann wie das in den 1 und 2 dargestellte, ist jedoch nicht gezeigt.
Konkret umfasst der elektromagnetische Auslöser 2 einen beweglich gelagerten Schlaganker 25 respektive Stößel, auf den das Bimetall-Element 4 indirekt über eine quer zur Bewegungsrichtung des Schlagankers/Stößels 25 angeordnete Blattfeder 26 wirkt. Die Blattfeder 26 ist an einem Ende gegenüber dem elektromagnetischen Auslöser 2 fix gelagert und am anderen Ende mit dem Bimetall-Element 4 verbunden. Insbesondere ist die Blattfeder 26 an einem Ende über ein fixes Drehgelenk gelagert und am anderen Ende gelenkig mit dem Bimetall-Element 4 verbunden.
Weiterhin umfasst der elektromagnetische Auslöser 2 eine erste und zweite Hülse 27 und 28 des Magnetkreises, welche insbesondere aus ferromagnetischem Material gefertigt sind. Der vorzugsweise aus Kunststoff gefertigte Schlaganker/Stößel 25 ist in der ersten Hülse 27 verschiebbar gelagert und wird mit Hilfe einer Druckfeder 29 in Richtung der Blattfeder 26 und damit unabhängig von der Blattfeder 26 vom Hebelsystem weggezogen. Der Schlaganker/Stößel 25 ist weiterhin in der zweiten Hülse 28 gelagert, die ihrerseits in der Hülse 30, welche vorzugsweise aus Kunststoff gefertigt ist, verschiebbar gelagert ist. Weiterhin umfasst der elektromagnetische Auslöser 2 eine Befestigungsschraube 31 zum Befestigen des Bimetall-Elements 4.
Die Funktion des in den 3 und 4 dargestellten Auslösemechanismus ist nun wie folgt, wobei die 3 den Auslösemechanismus in einem Ruhezustand, die 4 im ausgelösten Zustand zeigt:
In dem in 3 dargestellten Zustand ist der über den Leitungsschutzschalter geführte Strom innerhalb des zulässigen Bereichs, sodass der Schlaganker/Stößel 25 durch die Druckfeder 29 eingezogen wird. Steigt nun der über den Leitungsschutzschalter und damit über die Spule 3 geführte Strom an, so werden einerseits die beiden Hülsen 27 und 28 durch die elektromagnetische Kraft angezogen, andererseits wird auch das Bimetall-Element 4 erwärmt und biegt sich zusehends nach außen. Steigt der Strom (in kurzer Zeit) über den Auslösewert, so werden die beiden Hülsen 27 und 28 durch die elektromagnetische Kraft so stark gegen die Kraft der Druckfeder 29 aneinander gezogen, dass der Schlaganker/Stößel 25 das nicht dargestellte Hebelsystem auslöst und damit der Schaltkontakt getrennt wird. Unterstützend wirkt dabei, dass der Luftspalt zwischen den beiden Hülsen 27 und 28 dabei immer enger und damit der magnetische Fluss beziehungsweise die elektromagnetische Kraft immer größer werden.
Der Strom durch die Spule 3 führt aber auch zu einer Erwärmung des Bimetall-Elements 4, das sich gegen die Kraft der Blattfeder 26 und gegen die Kraft der Druckfeder 29 nach außen biegt. Dadurch wird die Blattfeder 26 in eine mehr oder minder gestreckte Form gezogen und drückt damit den Schlaganker/Stößel 25 gegen das nicht dargestellte Hebelsystem. Auch in diesem Fall führt der stetig enger werdende Luftspalt zwischen den beiden Hülsen 27 und 28 zu einer Zunahme der elektromagnetischen Kraft.
Die Auslösung des Leitungsschutzschalters hängt damit sowohl von der Temperatur des Bimetall-Elements 4 als auch dem aktuellen Strom durch die Spule 3 ab. Die Temperatur des Bimetall-Elements 4 stellt dabei gleichsam ein zeitliches Integral des Stroms durch die Spule 3 dar, weswegen der Einfluss des Bimetall-Elements 4 bei Strömen überwiegt, welche zwar lang andauernden aber nur wenig über einem zulässigen Wert liegen. Steigt der Strom aber sehr rasch und sehr weit über einen zulässigen Wert, dann überwiegt der Einfluss der elektromagnetischen Kraft auf den Schlaganker/Stößel 25.
Generell weist die in den 3 und 4 dargestellte Anordnung noch folgende Merkmale auf: Die Blattfeder 26 wirkt in diesem Beispiel auf jenes Ende des Schlagankers/Stößels 25, das dem Schaltkontakt 1 beziehungsweise dem Hebelsystem 13 abgewandt ist. Dadurch kann die Schnittstelle zwischen dem Schlaganker/Stößel 25 und dem Schaltkontakt 1 beziehungsweise dem Hebelsystem 13 einfach gehalten werden. Darüber hinaus kann eine solche Anordnung auch für bestehende Systeme eingesetzt werden, da die besagte Schnittstelle dazu nicht geändert werden braucht.
Weiterhin liegt die Blattfeder 16 auf dem Schlaganker/Stößel 25 lediglich auf, wodurch sich eine einfache Bauweise des Leitungsschutzschalters ergibt. Vorteilhaft kann die die Blattfeder 26 auch gabelförmige Enden aufweisen, in welche eine Einkerbung im Bimetall-Element 4 eingreift (vergleiche auch 6 und 7). Dadurch kann auf einfache Weise ein Drehgelenk zwischen der Blattfeder 26 und dem Bimetall-Element 4 realisiert werden. Für denselben Zweck ist natürlich auch denkbar, dass das Bimetall-Element 4 gabelförmige Enden aufweist, in welche eine Einkerbung in der Blattfeder 26 eingreift.
In diesem Beispiel biegt sich das Bimetall-Element 4 bei Erwärmung zum elektromagnetischen Auslöser 2 hin. Durch die Kombination mit der Blattfeder 26 ergibt sich ein progressiver Verlauf der auf den Stößel 25 wirkenden Kraft. Ebenso ergibt sich dabei ein degressiver Verlauf des vom Stößel 25 zurückgelegten Wegs bezogen auf den Weg, der von dem freien Ende (beziehungsweise von dem auf die Blattfeder 26 wirkenden Ende) des Bimetall-Elements 4 zurückgelegt wird.
Die 5 zeigt nun eine Ausführungsform, welche der in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsform ähnlich ist. Allerdings ist nun das Bimetall-Element 4 im Ausgangszustand nach oben gebogen (durchgezogen gezeichnet) und biegt sich bei Erwärmung nach unten (strichliert gezeichnet). Demzufolge wird die Blattfeder 26 bei Erwärmung des Bimetall-Elements 4 nach vorne gekrümmt und schiebt den Schlaganker/Stößel 25 in Richtung des lediglich schematisch dargestellten Hebelsystems 13. In diesem Beispiel wird der Schlaganker/Stößel 25 bei niedrigem Strom allein durch die Blattfeder 26 vom Hebelsystem 13 weg gezogen, bis der Schlaganker/Stößel 25 auf einer Gehäusewand 10 aufliegt. Eine weitere Druckfeder ist nicht vorgesehen, der Einsatz derselben ist jedoch nicht ausgeschlossen. Der Schlaganker/Stößel 25 ist im vorderen Bereich im Joch 5, im hinteren Teil in der Kunststoffhülse 30 gelagert. Zusätzlich umfasst die dargestellte Anordnung noch eine Isolation 32.
Die Funktion des in 5 gezeigten Auslösemechanismus ist ähnlich zu der Funktionsweise der in den 3 und 4 dargestellten Anordnung. Auch hier hängt die Auslösung des Leitungsschutzschalters sowohl von der Temperatur des Bimetall-Elements 4 als auch dem aktuellen Strom durch die Spule 3 ab. Die Temperatur des Bimetall-Elements 4 stellt wiederum ein zeitliches Integral des Stroms durch die Spule 3 dar, weswegen der Einfluss des Bimetall-Elements 4 bei Strömen überwiegt, welche zwar lang andauernden aber nur wenig über einem zulässigen Wert liegen. Steigt der Strom aber sehr rasch und sehr weit über einen zulässigen Wert, dann überwiegt der Einfluss der elektromagnetischen Kraft auf den Schlaganker/Stößel 25, welche diesen in Richtung des Jochs 5 respektive in Richtung des Hebelsystems 13 zieht.
Die 6 zeigt die Blattfeder 26, die 7 das Bimetall-Element 4 nun im Detail in Draufsicht. Gut zu erkennen sind die Ausnehmungen, mit denen die beiden Teile ineinander verhakt werden. Dabei greifen die gabelartigen Fortsätze der Blattfeder 26 in die Einkerbungen des Bimetall-Elements 4 ein, wodurch eine Art gelenkige Verbindung entsteht. In ähnlicher Weise ist die Blattfeder 26 im unteren Bereich im Joch 5 gelagert. Für denselben Zweck ist natürlich auch denkbar, dass das Bimetall-Element 4 gabelförmige Enden aufweist, in welche eine Einkerbung in der Blattfeder 26 eingreift. Die gezeigte Anordnung ist natürlich nicht nur auf den in 5 dargestellten Auslösemechanismus anwendbar, sondern kann auch bei dem in den 3 und 4 dargestellten Auslösemechanismus eingesetzt werden.
Generell weist die in der 5 dargestellte Anordnung noch folgende Merkmale auf: Die Blattfeder 26 wirkt in diesem Beispiel wiederum auf jenes Ende des Schlagankers/Stößels 25, das dem Schaltkontakt 1 beziehungsweise dem Hebelsystem 13 abgewandt ist. Dadurch kann die Schnittstelle zwischen dem Schlaganker/Stößel 24 und dem Schaltkontakt 1 beziehungsweise dem Hebelsystem 13 wiederum einfach gehalten beziehungsweise auch für bestehende Systeme eingesetzt werden.
In diesem Beispiel ist die Blattfeder 26 mit dem Schlaganker/Stößel 25 darüber hinaus verbunden/verhakt. Dadurch können sowohl Zug- als auch Druckkräfte zwischen der Blattfeder 26 und dem Schlaganker/Stößel 25 übertragen werden.
Bei der in 5 gezeigten Ausführungsvariante biegt sich das Bimetall-Element 4 bei Erwärmung darüber hinaus zum elektromagnetischen Auslöser 2 hin. Durch Kombination mit der Blattfeder 26 ergibt sich damit ein progressiver Verlauf der auf den Stößel 25 wirkenden Kraft. Ebenso ergibt sich dabei ein degressiver Verlauf des vom Stößel 25 zurückgelegten Wegs bezogen auf den Weg, der von dem freien Ende (beziehungsweise von dem auf die Blattfeder 26 wirkenden Ende) des Bimetall-Elements 4 zurückgelegt wird.
Die 8 zeigt nun ein weiteres Beispiel für einen Auslösemechanismus, bei dem das Bimetall-Element 4 indirekt über den elektromagnetischen Auslöser 2 auf einen Schaltkontakt respektive auf ein mit dem Schaltkontakt verbundenes Hebelsystem (hier nur symbolisch dargestellt) des Leitungsschutzschalters wirkt. Im Unterschied zu den zuvor gezeigten Varianten sind nun aber zwei Bimetall-Elemente 4 derart in den Eisenkreis beziehungsweise Eisenrückschluss 5 des elektromagnetischen Auslösers 2 eingefügt, dass ein magnetischer Fluss durch den Eisenkreis/Eisenrückschluss in einer ersten Stellung (durchgezogen gezeichnet) des zumindest einen Bimetall-Elements 4 bei einer ersten Temperatur kleiner ist als der magnetische Fluss durch den Eisenkreis/Eisenrückschluss in einer zweiten Stellung (strichliert gezeichnet) des zumindest einen Bimetall-Elements 4 bei einer zweiten Temperatur.
Konkret umfasst der elektromagnetische Auslöser 2 neben einer Spule 3 und einer zentrisch angeordneten und vorzugsweise aus Kunststoff gefertigten Hülse 30 zwei Hülsen 27 und 28, eine vordere Scheibe 33 und eine hintere Scheibe 24 welche Teile des Eisenkreises/Eisenrückschlusses bilden. Zudem bilden auch die Bimetall-Elemente 4 Teile des Eisenkreises/Eisenrückschlusses.
Im vorliegenden Beispiel sind genau zwei Bimetall-Elemente 4 in den Eisenkreis/Eisenrückschluss eingefügt. Denkbar wäre aber auch, dass lediglich ein Bimetall-Element 4 oder noch mehr Bimetall-Elemente 4 in den Eisenkreis/Eisenrückschluss eingefügt ist/sind. Die Bimetall-Elemente 4 sind in diesem Beispiel parallel zu einer Bewegungsrichtung des Stößels 15 des elektromagnetischen Auslösers 2 angeordnet. Dadurch ergibt sich eine besonders kompakte Bauweise des Leitungsschutzschalters.
Die Funktion des in der 8 dargestellten Auslösemechanismus ist nun wie folgt:
In einem Ruhezustand sind die Bimetall-Elemente 4 in diesem Beispiel mehr oder weniger gerade, wodurch sich im Eisenkreises/Eisenrückschlusses Luftspalte ergeben, welche an die Bimetall-Elemente 4 angrenzen. Bei zunehmender Erwärmung krümmen sich die Bimetall-Elemente 4 zur Spule 3 hin, wodurch die Luftspalte kleiner werden. Der gezeigte elektromagnetische Auslöser 2 weist also Luftspalte im Eisenkreis/Eisenrückschluss auf, welche veränderlich in Abhängigkeit der Temperatur des Bimetall-Elements 4 sind. Ab einer bestimmten Temperatur sind die Bimetall-Elemente 4 so stark gekrümmt, dass die Luftspalte geschlossen sind.
Vorteilhaft kann so der magnetische Fluss im Eisenkreis beziehungsweise Eisenrückschluss und damit die erzeugte elektromagnetische Kraft auf einen Stößel 25 des elektromagnetischen Auslösers 2 beeinflusst werden. Damit nimmt das Bimetall-Element 4 indirekt über den elektromagnetischen Auslöser 2 Einfluss auf den Schaltkontakt respektive das mit diesem zusammenwirkende Hebelsystem 13. Vorteilhaft ist an dieser Anordnung, dass die Kraft, die das Bimetall-Element 4 aufbringen muss, sehr gering ist, da dieses im Wesentlichen als Schalter wirkt. Die Bimetall-Elemente 4 können daher sehr klein gehalten werden.
Im vorliegenden Beispiel sind genau zwei Luftspalte je Bimetall-Element 4 im Eisenkreis/Eisenrückschluss vorgesehen, welche in Abhängigkeit der Temperatur des genannten Bimetall-Elements 4 veränderlich sind. Denkbar wäre aber auch, dass genau ein Luftspalt je Bimetall-Element 4 im Eisenkreis/Eisenrückschluss in Abhängigkeit der Temperatur des genannten Bimetall-Elements 4 veränderlich ist. Beispielsweise könnte je ein Ende je eines Bimetall-Elements 4 fix mit der Scheibe 33 oder der Scheibe 34 verbunden sein.
Durch einen Strom durch die Spule 3 wird eine elektromagnetische Kraft auf die Hülse 28 und damit auf den Stößel 25 erzeugt, welche diesen gegen die Kraft der Druckfeder 29 in Richtung des Hebelsystems 13 zieht. Durch den stetig enger werdenden Luftspalt wird die elektromagnetische Kraft ebenfalls immer größer. Der magnetische Fluss und damit die elektromagnetische Kraft werden aber auch durch die Luftspalte beeinflusst, welche an die Bimetall-Elemente 4 angrenzen. Bei kleineren Luftspalten sind auch der magnetische Fluss und damit die elektromagnetische Kraft größer, bei größeren Luftspalten dementsprechend kleiner. Daher nimmt auch die Temperatur der Bimetall-Elemente 4 Einfluss auf die Kraft, die auf den Schlaganker/Stößel 25 wirkt.
Auch bei dem in 8 gezeigten Auslösemechanismus hängt die Auslösung des Leitungsschutzschalters damit sowohl von der Temperatur des Bimetall-Elements 4 als auch dem aktuellen Strom durch die Spule 3 ab. Die Temperatur des Bimetall-Elements 4 stellt wiederum ein zeitliches Integral des Stroms durch die Spule 3 dar, weswegen der Einfluss des Bimetall-Elements 4 bei Strömen überwiegt, welche zwar lang andauernden aber nur wenig über einem zulässigen Wert liegen. Steigt der Strom aber sehr rasch und sehr weit über einen zulässigen Wert, dann überwiegt der Einfluss der elektromagnetischen Kraft auf den Schlaganker/Stößel 25, welche diesen in Richtung des Jochs 5 respektive in Richtung des Hebelsystems 13 zieht.
Vorzugsweise ist die erste Temperatur, welche einem größeren Luftspalt zugeordnet ist, kleiner ist als die zweite Temperatur, welche einem kleineren Luftspalt zugeordnet ist. Dadurch sind der magnetische Fluss und in Folge die auf den Stößel 4 des elektromagnetischen Auslösers 2 wirkende Kraft bei der höheren Temperatur größer. Eine Zunahme des Stroms bewirkt daher stets eine Erhöhung der genannten Kraft, egal ob dies durch den Strom durch die Spule 3 des elektromagnetischen Auslösers 2 oder durch einen Wechsel des Bimetall-Elements 4 von der ersten in die zweite Stellung aufgrund des erhöhten Stroms begründet ist.
Generell eignen sich Auslösemechanismen, bei dem das Bimetall-Element 4 indirekt über den elektromagnetischen Auslöser 2 auf einen Schaltkontakt respektive auf ein mit dem Schaltkontakt verbundenes Hebelsystem 13 des Leitungsschutzschalters wirkt (siehe insbesondere die 3 bis 8), besonders für den Einsatz in bestehenden Systemen. Das Hebelsystem 13 braucht dazu ja nicht verändert werden, da das Bimetall-Element 4 wie oben gezeigt wurde indirekt über den Stößel 4 auf das Hebelsystem 13 wirkt. Aus Sicht des Hebelsystems 13 ändert sich bei Einsatz eines solchen Auslösemechanismus nichts.
Weiterhin wird angemerkt, dass die zu den in den 1 und 2 dargestellten Auslösemechanismen Varianten sinngemäß auch auf die in den 3 bis 8 dargestellten Auslösemechanismen anwendbar sind. Beispielsweise kann das Bimetall-Element 4 beabstandet zum elektromagnetischen Auslöser 2 angeordnet sein. Das Bimetall-Element 4 und der elektromagnetische Auslöser 2 können im Leitungsschutzschalter auch direkt benachbart angeordnet sein. Zudem ist denkbar, dass das Bimetall-Element 4 wenigstens im Bereich der thermischen Kopplung mit dem elektromagnetischen Auslöser 2 und/oder der elektromagnetische Auslöser 2 wenigstens im Bereich der thermischen Kopplung mit dem Bimetall-Element 4 mit einer Beschichtung versehen ist/sind, welche wenigstens 90% der Infrarotstrahlung absorbiert. Möglich ist auch, dass das Bimetall-Element 4 oberhalb des elektromagnetischen Auslösers 2 angeordnet ist oder eine Leitvorrichtung zum Leiten heißer Luft vom elektromagnetischen Auslöser 2 auf das Bimetall-Element 4 vorgesehen ist. In den in 3 bis 5 dargestellten Varianten ist zudem vorstellbar, dass das Bimetall-Element 4 einen Teil des Jochs 5 des elektromagnetischen Auslösers 2 bildet. Schließlich ist es auch mit den in den 3 bis 8 gezeigten Ausführungsformen möglich, eine Baureihe von mehreren Leitungsschutzschaltern zu bilden, bei denen die Spulen 3 aus unterschiedlich dickem Draht gefertigt sind und im Wesentlichen denselben Durchmesser, insbesondere Außendurchmesser, aufweisen (vergleiche dazu die 1 und 2). Insbesondere kann der Abstand zwischen dem Bimetall-Element 4 und dem elektromagnetischen Auslöser 2 bei mehreren Leitungsschutzschaltern im Wesentlichen gleich groß sein.
Abschließend wird angemerkt, dass die Auslösevorrichtung nicht notwendigerweise maßstäblich dargestellt ist und daher auch andere Proportionen aufweisen kann. 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 2 und das Bimetall-Element 4 anstatt wie dargestellt horizontal auch vertikal ausgerichtet sein. Schließlich wird angemerkt, dass sich die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung auf beliebige Art und Weise kombinieren lassen.

Claims

Leitungsschutzschalter, umfassend – zumindest zwei Anschlusskontakte, die innerhalb des Leitungsschutzschalters über einen Schaltkontakt (1) elektrisch verbunden sind, – einen auf den Schaltkontakt (1) respektive auf ein mit dem Schaltkontakt (1) verbundenes Hebelsystem (13) wirkenden elektromagnetischen Auslöser (2), dessen Spule (3) zwischen die zumindest zwei Anschlusskontakte geschaltet ist und – zumindest ein auf den Schaltkontakt (1) respektive auf ein mit dem Schaltkontakt (1) verbundenes Hebelsystem (13) wirkendes Bimetall-Element (4), dadurch gekennzeichnet, dass – die elektrische Verbindung zwischen den zumindest zwei Anschlusskontakten am Bimetall-Element (4) vorbei geführt ist und das Bimetall-Element (4) mit dem genannten elektromagnetischen Auslöser (2) thermisch gekoppelt ist und – das Bimetall-Element (4) indirekt über einen Eisenkreis beziehungsweise Eisenrückschluss des elektromagnetischen Auslöser (2) auf den Schaltkontakt (1) wirkt.
Leitungsschutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Bimetall-Element (4) derart in einen Eisenkreis beziehungsweise Eisenrückschluss des elektromagnetischen Auslösers (2) eingefügt ist, dass ein magnetischer Fluss durch den Eisenkreis/Eisenrückschluss in einer ersten Stellung des zumindest einen Bimetall-Elements (4) bei einer ersten Temperatur kleiner ist als der magnetische Fluss durch den Eisenkreis/Eisenrückschluss in einer zweiten Stellung des zumindest einen Bimetall-Elements (4) bei einer zweiten Temperatur.
Leitungsschutzschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperatur kleiner ist als die zweite Temperatur.
Leitungsschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen in Abhängigkeit der Temperatur des zumindest einen Bimetall-Elements (4) veränderlichen Luftspalt im Eisenkreis/Eisenrückschluss.
Leitungsschutzschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass genau ein Luftspalt je Bimetall-Element (4) im Eisenkreis/Eisenrückschluss in Abhängigkeit der Temperatur des genannten Bimetall-Elements (4) veränderlich ist.
Leitungsschutzschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass genau zwei Luftspalte je Bimetall-Element (4) im Eisenkreis/Eisenrückschluss in Abhängigkeit der Temperatur des genannten Bimetall-Elements (4) veränderlich sind.
Leitungsschutzschalter nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein bei der ersten Temperatur vorhandener Luftspalt bei der zweiten Temperatur geschlossen ist.
Leitungsschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass genau ein Bimetall-Element (4) in den Eisenkreis/Eisenrückschluss eingefügt ist.
Leitungsschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass genau zwei Bimetall-Elemente (4) in den Eisenkreis/Eisenrückschluss eingefügt sind.
Leitungsschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Bimetall-Element (4) parallel zu einer Bewegungsrichtung eines Stößels (25) des elektromagnetischen Auslösers (2) angeordnet ist.