DE10329223B9

DE10329223B9 - Kurzschlußstromsensor

Info

Publication number: DE10329223B9
Application number: DE2003129223
Authority: DE
Inventors: Gerhard Babiel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-06-28
Filing date: 2003-06-28
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2023-06-29
Also published as: DE10329223B4; DE10329223A1

Abstract

Kurzschlußstromsensor, der die Kraft des Magnetfeldes eines Kurzschlußstroms nutzt, um einen Reedkontakt zu schließen, der derart auf einer Leiterplatte oder Isolationsplatte montiert ist, dass dieser durch eine Drehung zwischen 0° und 90° auf einen bestimmten Auslösestrom einstellbar ist.

Description

Kurzschlußstromsensoren werden vielfältig in der Technik eingesetzt. Zum Beispiel befinden sich in den Sicherungsautomaten für die Hausanschlußtechnik elektromagnetische Kurzschlußstromsensoren.

Zur Signalisierung von Kurzschlüssen werden auch Reedkontakte eingesetzt wie in DE 199 30 089 A1 beschrieben: Ein Schutzrohrkontakt signalisiert die Schalterstellung eines Hochstromkontaktes bzw. die Auslösung eines Hochstromschalters.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen möglichst kleinen und auf eine Stromschwelle einstellbaren Kurzschlußstromsensor zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus den Ansprüchen 2 bis 6 hervor.

Dabei wird ein Reedkontakt in die Nähe eines zu überwachenden stromdurchflossenen elektrischen Leiters gebracht. Dieser wird durch seinen Abstand vom Leiter und durch seine Ausrichtung zur Leiterachse auf eine Stromstärke eingestellbar. Insbesondere die mechanische Drehbarkeit des Sensor macht ihn, bei einem konstant gewählten Abstand vom elektrischen Leiter, auf eine Stromschwelle einstellbar.

Ein Reedkontakt ist ein magnetischer Schalter. Er besteht aus zwei ferromagnetischen Metallzungen, die sich in einem gasdichten Glasröhrchen befinden.
Werden die Kontakte von einem Magnetfeld H durchsetzt, schließen die Kontakte, wenn die Kraft aus dem Magnetfeld größer ist als die Federkraft der Metallzungen.
Die Kraft aus dem Magnetfeld F_m berechnet sich aus der Änderung der magnetischen Feldenergie ΔW_m im Luftspalt der Länge Δs zwischen den Metallzungen, also:
Die Änderung der magnetischen Feldenergie ΔW_m im Luftspalt berechnet sich aus der Differenz der magnetischen Energie im Luftspalt zu der magnetischen Energie ohne Luftspalt (Ohne Luftspalt bedeutet nur Feldlininien in den ferromagnetischen Metallzungen).
Die magn. Energie im Luftspalt beträgt:
Mit

H: = Betrag der magnetischen Feldstärke
B: = Betrag der magnetischen Induktion
V: = Volumen des Luftspalts

Für die magnetische Induktion B gilt: B = μ0μrH (Glg. 3)mit

μ₀: = magnetische Permeabilität im Vakuum
μ_r: = relative magnetische Permeabilität

Damit wird aus Glg. 2 unter der Annahme, dass in Luft gilt μ_r = 1:
und für W_m ohne Luftspalt gilt:
und damit für die Energiedifferenz ΔW_m:
in ferromagnetischen Stoffen ist μ_r in der Größenordnung von 1000 und damit wird aus Glg. 6 näherungsweise:
Der Betrag der magnetischen Feldstärke H ist bei einem einzelnen stromdurchflossenen Leiter direkt proportional zur Stromstärke I und umgekehrt proportional zum Abstand r:
Damit läßt sich die Kraft F_m, mit der die Metallzungen zusammengezogen werden, relativ genau berechnen (Glg. 8 in Glg. 7 und in Glg. 1 eingesetzt):
Mit

A: = Fläche des Luftspalts
A: = V/Δs

Glg. 9 gilt allerdings nur, wenn der Schalter wie oben dargestellt parallel zu den Feldlinien orientiert ist. Liegt eine andere Orientierung vor – der Winkel zwischen der Längsachse der Metallzungen und des Magnetfeldes H betrage φ – so wirkt nur der vektorielle Anteil von H in Richtung der Metallzungen, also:
Diese Eigenschaft wird für die vorliegende Patentidee genutzt, um einen durch Drehung einstellbaren Kurzschlußstromsensor darzustellen:
3 zeigt einen Reedkontakt (1) über einem vom elektr. Strom I durchflossenen Leiter (2), der so orientiert ist, dass die Kraft des Magnetfeldes bei gegebenem Abstand zum Leiter maximal ist (φ = 0 bzw. cosφ = 1)
4 zeigt einen Reedkontakt (3) über einem vom elektr. Strom I durchflossenen Leiter (4), der so orientiert ist, dass die Kraft des Magnetfeldes bei gegebenem Abstand zum Leiter minimal ist (φ = 90 bzw. cosφ = 0)
Um die Idee praktisch zu nutzen, wird der Reedkontakt auf einer kreisrunden Leiterplatte montiert, die sich wiederum im kreisrunden Loch einer anderen Leiterplatte befindet. Die drehbare kreisrunde Leiterplatte mit Reedkontakt ist über Schleifkontakte oder Lötbrücken mit der anderen Leiterplatte verbunden.
5 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform für eine solche Leiterplatte (1). In diesem Beispiel sind in einem gewissen Winkelraster Lötaugen (4) für Lötbrücken (2) vorhanden, die für den elektrischen Anschluß des Reedkontakt (3) vorgesehen sind.
Ist es gewünscht, den Sensor wiederholt variabel einstellbar zu machen, muß man die inneren kreisförmigen Leiterbahnen auf einer getrennten Leiterplatte anbringen (6), so dass diese um 90° drehbar werden. Dabei sind dann auch Schleifkontakte (4) erforderlich, die den elektrischen Kontakt zwischen den inneren (5) und äußeren (6) ringförmigen Leiterbahnen herstellen, sowie eine mechanische Drehachse (7) für innere kreisrunde Leiterplatten.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Abschirmung des Sensors gegen äußere Magnetfelder. Diese wird durch einen geschlossenen ferromagnetischen Mantel sichergestellt. Dieser Mantel besteht im einfachsten Fall aus einem zylinderförmigen Eisenblech, welches den zu überwachenden elektrischen Leiter sowie den Sensor umschließt (7) 7 zeigt ein Schnittbild durch einen zu überwachenden elektrischen Leiter (1) mit Kabelisolation (2) sowie dem in unmittelbarer Nähe angebrachten Reedkontakt (3) auf einer Leiterplatte (4), die ferromagnetische Abschirmung (5) und die magnetischen Flußlinien (6) eines äußeren magnetischen Feldes.
Die Kabelisolation hat keinen Einfluß auf die Wirkung des Sensors, solange die relative magnetische Permeabilität des Isolationswerkstoffes μ_r ungefähr gleich eins ist, wie es für nahezu alle Kabelisolationswerkstoffe üblich ist.
8 zeigt eine Ausführungsform im Gehäuse mit einem außenliegenden Drehkopf (8), der mit der drehbaren kreisförmigen Leiterplatte (6) im Mittelpunkt (6,(7)) auf einer Achse verbunden ist. Auf dem Gehäuse ist eine Skala mit der Einheit in Ampere für den Auslösestrom aufgebracht.
Auf Basis von Glg. 10 ist auch ein Sensor machbar, der aus paramagnetischen Zungen besteht. Damit der Sensor schließt, muß die Federkraft klein oder der Kurzschlußstrombereich sehr hoch gewählt werden. Eine kleine Federkraft erreicht man durch sehr dünne Zungen, wie man sie heute in der Nanotechnologie herstellen kann.
Ebenso könnte man einen öffnenden Schalter konstruieren, wenn die Zungen aus diamagnetischem Material bestehen, weil dann die Energiedifferenz ΔW_m negativ und auch die resultierende Kraft negativ – abstoßend- wird.

Claims

Kurzschlußstromsensor, der die Kraft des Magnetfeldes eines Kurzschlußstroms nutzt, um einen Reedkontakt zu schließen, der derart auf einer Leiterplatte oder Isolationsplatte montiert ist, dass dieser durch eine Drehung zwischen 0° und 90° auf einen bestimmten Auslösestrom einstellbar ist.
Kurzschlußstromsensor nach Anspruch 1, der in einem ferromagnetischen Gehäuse untergebracht ist, so dass magnetische Fremdfelder keinen Einfluß auf die Betätigung des Sensors haben.
Kurzschlußstromsensor nach Anspruch 1 oder 2, der eine Ampereskala (8) auf dem Gehäuse oder der Leiterplatte aufweist.
Kurzschlußstromsensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der einen Drehknopf (8(8)) oder eine ähnliche Drehvorrichtung aufweist.
Kurzschlußstromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Reedkontakt ein mikro oder nanomechanischer Reedkontakt ist, der durch einen Spalt getrennte ferromagnetische Zungen aufweist, die durch das Magnetfeld eines Kurzschlußstroms geschlossen werden.
Kurzschlußstromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Reedkontakt ein mikro oder nanomechanischer Reedkontakt ist, der sich berührende diamagnetische Zungen aufweist, die durch das Magnetfeld des Kurzschlussstroms getrennt werden.