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Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Joch für einen Magnetauslöser sowie einen Magnetauslöser mit einem derartigen Joch und ein Schutzschaltgerät mit einem derartigen Magnetauslöser.
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In Schutzschaltgeräten, die zur strombezogenen Überwachung von Verbrauchern wie beispielsweise Motoren dienen, muss im Falle einer Überlastung der Stromkreis unterbrochen werden. Dies geschieht mittels einer durch ein Schaltschloss zu öffnenden Kontaktbrücke in der Strombahn. Die Auslösung bzw. Betätigung des Schaltschlosses kann dabei mittels eines Auslösers mit magnetischem Verriegelungsmechanismus erfolgen.
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Solche Magnetauslöser sind im Stand der Technik bereits bekannt. Beispielsweise offenbaren die
EP2446450B1 und die
US2006/0243938A1 A1 Magnetauslöser mit topf- oder haubenförmigem Joch und linear beweglichen Ankern. Aus der
DE102018215765A1 ist ein jochfreier Magnetauslöser mit linear beweglichem Anker bekannt. Die
DE102018215764A1 offenbart einen Magnetauslöser mit einem Anker, der im Auslösefall eine Rotationsbewegung ausführt. Aus der
DE102018216292A1 ist ein Magnetauslöser bekannt, bei dem sich der Anker parallel zur Ausrichtung der Spulenwindungen der Spule bewegt.
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Aus der
EP0031474A2 ist eine Anordnung mit einem C-förmigen Rückschlusseisen bekannt. Dieses Rückschlusseisen weist eine rechteckförmige Grundform auf. Die Enden des sind zum Anker gerichtet und beschreiben mit der durch den Anker 26 gebildeten Ebene einen spitzen Winkel.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Joch und einen verbesserten Magnetauslöser anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Joch für einen Magnetauslöser, welches im in den Magnetauslöser eingebauten Zustand zusammen mit einem Permanentmagneten und einem beweglichen Anker einen Magnetkreis bildet. Das Joch ist C-förmig ausgeführt und weist eine ankerseitige Jochfläche sowie eine dazu im Wesentlichen parallel verlaufende permanentmagnetseitige Jochfläche auf und ist frei von Biegungen mit Winkeln von 90° oder kleiner.
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Anders ausgedrückt treten entlang an jedem Punkt des Verlaufs des Jochs von einer der beiden Jochflächen zur anderen nur stumpfe Biegewinkel auf.
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In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist der Verlauf des Jochs zwischen der ankerseitigen Jochfläche und der permanentmagnetseitigen Jochfläche im wesentlichen zylindersegmentförmig, wobei sowohl Segmente von Kreiszylindern als auch Segmente von Zylindern mit elliptischer Leitkurve und auch Segmente von Zylinder mit beliebiger, im Bereich des Segments konvexer, Leitkurve infrage kommen.
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In einer alternativen Weiterbildung weist der Verlauf des Jochs zwischen der ankerseitigen Jochfläche und der permanentmagnetseitigen Jochfläche mindestens drei Biegestellen auf. Vorzugsweise sind vier Biegestellen vorgesehen, an denen die Biegewinkel jeweils zwischen 110° und 160° betragen, vorzugsweise jeweils annähernd 135°.
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Die Aufgabe wird ferner gelöst durch einen Magnetauslöser für elektrische Schaltgeräte, der zumindest eine Erregerspule und einen beweglich geführten Anker aufweise, wobei der Anker bei unbestromter Erregerspule durch die Magnetkraft eines Permanentmagneten in einer ersten Stellung gehalten wird und sich ansprechend auf eine zumindest kurzzeitige Bestromung der Erregerspule in eine zweite Stellung bewegt. Ferner weist der Magnetauslöser ein Joch der zuvor beschriebenen Art auf.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Schutzschaltgerät mit einem erfindungsgemäßen Magnetauslöser.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Einfluss äußerer Magnetfelder verringert wird, die beispielsweise durch benachbarte stromführende Leitungen oder Permanentmagnete hervorgerufen werden, indem in den maßgeblichen Bereichen des Antriebes des Magnetauslösers, insbesondere am Arbeitsluftspalt und im Anker, nachteilige Beeinflussungen der Magnetflussvektoren verhindert werden. Dies wird erreicht, indem möglichst wenige Eigenflussanteile kritische Raumrichtungen weisen. Dadurch wiederum ist es möglich, ein offenes, C-förmiges Joch zu verwenden, wodurch gegenüber den bekannten topf- oder kappenförmigen Jochen erhebliche Mengen an Material und damit Kosten sowie Gewicht eingespart werden können und die beweglichen Teile des Magnetauslösers auch im montierten Zustand des Magnetauslösers zugänglich(er) bleiben, beispielsweise für Sichtinspektionen und ähnliche Wartungsmaßnahmen, die von umschließenden Jochen verhindert werden.
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Ferner erleichtert ein offenes Joch die Montage bzw. Fertigung des Magnetauslösers, da entsprechenden Teile des Magnetauslösers einfach seitlich in das Joch eingesetzt bzw. dieses auf die entsprechenden Teile seitlich aufgesetzt werden kann. Toleranzkritische Fügungen wie insbesondere bei topf- oder kappenförmigen Jochen werden vermieden.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand einer Figur näher erläutert. Es sei darauf hingewiesen, dass sämtliche vorstehend und nachfolgend offenbarten Varianten, Ausgestaltungen und Ausführungsbeispiele uneingeschränkt miteinander kombinierbar sind.
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Die einzige Figur zeigt in schematischer Schnittdarstellung einen Magnetauslöser 100 eines elektrischen Schaltgeräts gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Der Magnetauslöser 100 weist eine Halterung 107 auf, in weleher ein beweglicher Anker 108 geführt wird. Die Bewegungsrichtung des Ankers ist dabei in seitlicher Richtung bezogen auf die in der Figur gewählte Orientierung. Der Anker 108 steht in mechanischer Wirkverbindung mit einem Entklinkungshebel 111. Der Entklinkungshebel 111 steht seinerseits mit dem eingangs genannten Schaltschloss (nicht dargestellt) in Verbindung und weist eine Betätigungsfläche auf, über welche ein Bediener mittels des Hebels 111 den Anker 108 des Magnetauslösers 100 in die in der Figur dargestellte erste Stellung bringen kann. Die erste Stellung sei dabei ohne Beschränkung der Allgemeinheit die Stellung, in welcher der vom Schaltschloss beeinflusste Stromkreis geschlossen ist, d.h. bezogen auf das Schaltgerät die „EIN“ Stellung.
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Der Anker 108 verharrt in dieser Stellung aufgrund der Magnetkraft eines Permanentmagneten 102 und ist dabei durch die Kraft einer Feder 106 vorgespannt, die vorzugsweise über Formschluss etwa in der Mitte des Ankers 108 auf diesen wirkt und bei Unterbrechung oder Abschwächung der Magnetkraftwirkung des Permanentmagneten 104 den Anker 108 zuverlässig in eine zweite Stellung bewegt. Bei dieser zweiten Stellung handelt es sich bezogen auf das Schaltgerät um die „AUS“ bzw. „AUSGELÖST“ Stellung, da durch die mechanische Wirkverbindung zwischen dem Anker 108 und dem Entklinkungshebel 111 mit dem Anker 108 auch der Entklinkungshebel 111 bewegt wird und seinerseits so in Wirkverbindung mit dem Schaltschloss steht, dass der vom Schaltgerät geschützte Stromkreis geöffnet wird.
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Der Anker 108 weist an seinem dem Entklinkungshebel 111 gegenüberliegenden Ende vorzugsweise einen größeren Querschnitt und im weiteren Verlauf einen geringeren Querschnitt auf, so dass nur der dem Entklinkungshebel abgewandte Endbereich des Ankers 108 formschlüssig in der Halterung 107 geführt wird, wodurch die Reibung zwischen Anker 108 und Halterung 107 vermindert wird. Am anderen, dem Entklinkungshebel 111 zugewandten Ende wird der Anker 108 durch einen Zentrierring 109 geführt. Der Zentrierring ist seinerseits zwischen der Halterung 107 und einem Hauptschlussblech bzw. Hauptjoch 10, 12 mit geringem axialem und/oder radialem Spiel gelagert und gleitet dabei vorzugsweise auf einer Dichtung 110.
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Die Halterung 107 und der Zentrierring 109 bestimmen somit die Ausrichtung des Ankers 108 und erlauben eine geringfügige Abweichung der Ausrichtung des Ankers von dessen streng axialer Ausrichtung. Auf diese Weise wird die Leichtgängigkeit des Ankers gewährleistet. Zentrierring 109 und das Formschlussmittel des Ankers 108, an welchem die Feder 106 auf den Anker 108 wirkt, bilden eine definierte Begrenzung für die Bewegung des Ankers in Richtung des Entklinkungshebels 111.
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Das Hauptschlussblech bzw. Hauptjoch 10, 12 weist eine Ankeröffnung 14 auf, die so bemessen ist, dass der Anker 108 in keiner der durch die Halterung 107 und den Zentrierring 109 definierten Ausrichtungen des Ankers 108 in seiner Bewegung behindert wird.
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Das Hauptschlussblech bzw. Joch 10 ist in Form eines offenen C ausgebildet und besteht vorzugsweise bestehend aus Stanz-Biegeteilen. Das Joch 10 umschließt den Anker 108 und den Permanentmagneten 102 sowie eine Zentrierhülse 104. Die Zentrierhülse 104 ist vorzugsweise starr in der Halterung 107 montiert, beispielsweise eingepresst, und weist eine plane Kontaktfläche auf, auf welcher der Anker 108 in der „EIN“ Stellung aufliegt. Die in Kontakt mit der Kontaktfläche der Zentrierhülse 104 stehende Fläche des Ankers 108 ist vorzugsweise leicht konvex, um trotz der von den Führungselementen des Ankers 108 (d.h. Halterung 107 und Zentrierring 109) ermöglichten Abweichungen gegenüber einer durch die Zentrierhülse 104 und den Anker 108 hindurch gedachten Längsachse stets eine definierte Kontaktfläche annähernd konstanter Grö-ße zwischen Zentrierhülse 104 und Anker 108 zu bilden, so dass unabhängig von einem „Kippeln“ des Ankers stets annähernd die gleiche Kontaktfläche und damit Magnetkraftübertragung zwischen diesen beiden Elementen vorliegt und gleichzeitig eine mechanische Überbestimmung der Lage des Ankers im Magnetauslöser vermieden wird. Anders ausgedrückt wird ein annähernd gleichbleibender Arbeitsluftspalt ermöglicht, was zu einem geringeren Kräftetoleranzband und einer stabileren und zuverlässigeren Konstruktion führt.
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Das Hauptschlussblech bzw. Hauptjoch 10, der Permanentmagnet 102, die Zentrierhülse 104 und der Anker 108 bilden einen Magnetkreis, der durch ein Nebenschlussblech bzw. kleines Joch 103 mit definiertem Luftspalt präzise einstellbar ist. Vorzugsweise erfolgt die Befestigung von Hauptschlussblech 10, Permanentmagnet 102 und Nebenschlussblech 103 an der in der Halterung 107 verpressten Zentrierhülse 104 mittels einer Schraube 101.
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Die Zentrierhülse 104 wird teilweise von einem Spulenkörper umschlossen, welcher zumindest eine Kompensations- oder Erregerspule 105 trägt. Dabei kann der Spulenkörper und die Spule so gestaltet sein, dass lediglich die Zentrierhülse zumindest teilweise von der Spule umschlossen wird. Alternativ können Spulenkörper und Spule so gestaltet sein, dass auch der Anker 108 teilweise von der Spule 105 umschlossen wird.
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Die Wicklung der Spule 105 wird dabei so gewählt, dass ein Stromfluss durch die Spule ein Magnetfeld erzeugt, das dem Magnetfeld des Permanentmagneten 104 entgegengerichtet ist und so zu einer zumindest teilweisen Aufhebung der Magnetkraft im Hauptmagnetkreis und insbesondere zwischen Zentrierhülse 104 und Anker 108 führt, woraufhin die Kraft der Feder 106 den Anker 108 aus der „EIN“ Stellung in die „AUS“ bzw. „AUSGELÖST“ Stellung verbringt.
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Vorzugsweise ist die Zentrierhülse 104 entlang der Führungsrichtung des Ankers zentriert, und die Verschraubung des Hauptschlussbleches 10, des Nebenschlussbleches 103, des Permanentmagneten 102 und der Zentrierhülse 104 erfolgt koaxial mit minimalen (und soweit vorhanden, definierten) Luftspalten. Dazu ist in der Zentrierhülse 104 ein Gewinde zur Aufnahme der Schraube 101 ausgebildet.
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Im Nebenschlussblech 103 ist ein Nebenluftspalt zwischen Hauptschlussblech und Nebenschlussblech vorgesehen. Dieser dient zur Feinjustage des Energieverhältnisses zwischen der freigesetzten mechanischen Energie und der notwendigen elektrischen Auslöseenergie, so dass eine schnelle, energiearme Teilkommutierung vom Hauptmagnetkreis zum Nebenmagnetkreis erfolgen kann.
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Das Hauptschlussblech bzw. Joch 10 weist, bezogen auf den montierten Zustand, eine ankerseitige Fläche 12 auf, in der sich die Ankeröffnung 14 befindet. Im Wesentlichen parallel zur ankerseitigen Fläche 12 weist das Joch 10 eine permanentmagnetseitige Fläche 11 auf. Diese weist im in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls eine Öffnung (ohne Bezugszeichen) auf, durch welche die Schraube 101 geführt ist.
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Zwischen den beiden Flächen 11, 12 des Jochs erstreckt sich der übrige Jochkörper, der entlang des Verlaufs so geformt ist, dass keine Biegungen mit einem Winkel von 90° oder geringer auftreten und so einen verbesserten Magnetfluss gegenüber rechtwinklig gebogenen Jochen bietet und zudem die Einstreuung von Fremdmagnetfeldern behindert. Anders ausgedrückt weist das Joch 10 nur stumpfe Biegewinkel 13, 14 auf.
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In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht der Jochkörper zwischen den beiden parallelen Flächen 11, 12 einem Zylindersegment, wobei Segmente von Kreiszylindern als auch Segmente von Zylindern mit elliptischer Leitkurve und auch Segmente von Zylinder mit beliebiger, im Bereich des Segments konvexer, Leitkurve infrage kommen. Dabei kann der Übergang zwischen dem Zylindersegment und einer oder beiden parallelen Flächen stetig verlaufen oder am Übergang zwischen paralleler Fläche und Zylindersegment, an den Enden 13 der parallelen Flächen 11, 12 eine markantere Biegung aufweisen.
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In dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Joch 10 wie folgt gestaltet: ausgehend von der permanentmagnetseitigen Fläche 11 folgt eine Biegung 13 um ca. 135° und anschließend ein im Wesentlichen gerades Stück. Darauf folgt eine Biegung 14 um weitere ca. 135° sowie ein weiteres im Wesentlichen gerades Stück. Daran schließt sich eine erneute Biegung 14 um ca. 135° und ein weiteres gerades Stück an, bevor das Joch 10 mit einer weiteren Biegung 13 in der ankerseitigen Fläche 12 mündet.
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Dabei können die Biegeradien an den Biegestellen 13, 14, wie in der Figur dargestellt, paarweise verschieden gewählt werden. Es ist aber auch möglich, einheitliche Biegeradien zu nutzen oder für jede der vier Biegungen verschiedene Radien vorzusehen.
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Im dargestellten Beispiel wurden alle vier Winkel 13, 14 ungefähr gleich gewählt und betragen ca. 135°. Natürlich ist es auch möglich, verschiedene Winkel zu verwenden. Dabei ist es vorteilhaft, Winkel zwischen ca. 110° und 160° zu wählen.
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Natürlich ist es ebenfalls möglich, zusätzliche Biegestellen vorzusehen. Dies erhöht den Fertigungsaufwand zwar nur geringfügig, muss aber gegen den zunehmend geringeren Gewinn hinsichtlich der Magnetflussführung abgewogen werden.
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Geometrisch betrachtet bildet das C-förmige Joch ein einseitig offenes n-Eck, bei dem die Winkel an der offenen Seite (in der Figur unten) rechte Winkel sind. Die Innenwinkelsumme der Biegewinkel 13, 14 lässt sich daher wie folgt bestimmen: die Innenwinkelsumme eines n-Ecks entspricht (n-2)*180°. Da auf die Innenwinkel an der offenen Seite 180° dieser Innenwinkelsumme entfallen, verbleiben für die Innenwinkelsumme der hier interessierenden Biegewinkel 13, 14 (n-3)*180°, wobei sinnvollerweise die beiden Ecken an der offenen Seite nicht mitgezählt werden, sondern nur die Zahl m der Biegestellen betrachtet wird, d.h. m=n-2. Damit ergibt sich, dass die Innenwinkelsumme der Biegestellen (m-1)*180° beträgt.
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Im in der Figur dargestellten Beispiel mit m=4 Biegestellen 13, 14 ergibt sich daher eine Innenwinkelsumme von 540°, die bei gleichmäßiger Verteilung vier Innen-/Biegewinkel 13, 14 von jeweils 135° ergibt oder beispielsweise als zwei Innen-/Biegewinkel zu 120° und zwei Innen-/Biegewinkel zu 150° ausgestaltet werden kann.
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In einen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel mit drei Biegestellen ergibt sich eine auf die drei Biegestellen zu verteilenden Innenwinkelsumme von 360°, die beispielsweise als drei Biegungen mit je 120° oder eine Biegung mit 100° und zwei Biegungen mit je 130° realisiert werden kann.
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Ebenso sind natürlich auch mehr als vier Biegestellen möglich, wobei sich die jeweiligen Biegewinkel entsprechend der vorstehenden Überlegungen ohne weiteres ermitteln lassen.
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Vorzugsweise sind die metallischen Teile 10, 101, 103, 104, 108 und der Permanentmagnet 102 ferromagnetisch beschichtet, so dass die Wirkung der unvermeidbaren parasitären Luftspalte minimiert wird und infolgedessen eine geringe Toleranzempfindlichkeit sowie eine geringe Streuung des magnetischen Flusses erreicht wird, wodurch eine geringere Auslöseenergie erforderlich ist.
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In besonderen Ausführungsbeispielen kann die Halterung 107 vom Spulenträger entkoppelt sein. In diesen Ausführungsbeispielen trägt die Halterung 107 insbesondere die den Magnetkreis bildenden sowie die beweglichen Elemente des Magnetauslösers 100, also insbesondere den Entklinkungshebel 111, den Dichtungsring 110, den Zentrierring 109, das Hauptschlussblech 10, den Anker 108 und die Zentrierhülse 104 sowie vorzugsweise eine Leiterplatte oder eine andere übergeordnete Halterung (nicht dargestellt). Der Spulenkörper hingegen steht mechanisch nicht in Kontakt mit der Halterung 107, der Spulenkörper und die Halterung 107 sind also montiert, ohne dass sie einander berühren (berührungsfrei). Anders ausgedrückt wird die Kompensationsspule 105 und/oder der Spulenkörper in diesen Ausführungsbeispielen nicht von der Halterung 107 getragen.
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Es sei darauf hingewiesen, dass hier nur ausgewählte Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, die sich die vorliegende Erfindung zunutze machen. Insbesondere ist es beispielsweise möglich, die beschriebenen Jochformen zu kombinieren, also anstelle der geraden Abschnitte zwischen den Biegestellen gebogene Verläufe, beispielsweise Zylindersegmente, vorzugsweise mit großen Radien, zu wählen.
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Ferner sei darauf hingewiesen, dass die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auf eine „EIN“ Stellung Bezug nehmen, in welcher der Auslöser im gespannten, d.h. auslösebereiten Zustand ist, und eine „AUS“ bzw. „AUSGELÖST“ Stellung, in welcher der Auslöser im ausgelösten Zustand ist. Je nach Anwendung kann das übergeordnete Schaltelement, d.h. beispielsweise das Schaltschloss, auch umgekehrt verschaltet sein, d.h. der auslösebereite Zustand repräsentiert einen „AUS“ Zustand der des gesteuerten Stromkreises und der ausgelöste Zustand einen „EIN“ Zustand des gesteuerten Stromkreises.
