DE1083385B - Schalter, insbesondere Hebel- oder Drehschalter, fuer Umpolung grosser Stroeme - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf Schalter, insbesondere auf Hebel- oder Drehschalter, für Umpolung großer Ströme und ist aus den betrieblichen Erfordernissen von Werkstätten erwachsen, die mit Elektrolyse-Bädern arbeiten, also Hartverchromungsbetrieben, Galvanisierbetrieben u. dgl. Für diese Betriebe ist der neue Schalter in erster Linie bestimmt, jedoch ist er darüber hinaus ganz allgemein überall dort anwendbar, wo elektrische Ströme großer Stromstärke umgepolt werden müssen.

Der für die genannten Betriebszwecke benötigte Gleichstrom großer Stärke wurde früher aus dem Energieversorgungsnetz mittels umlaufender Umformer erzeugt. Hierbei bereitete es keine Schwierigkeiten, in den auftretenden Bedarfsfällen die Richtung des Gleichstromes umzukehren. Diese Notwendigkeit besteht beispielsweise beim Hartverchromen, und zwar wird das mit dem Überzug zu versehende Stahlstück zunächst kurzzeitig (also mit entgegengesetzter Stromrichtung) behandelt, um die Oberfläche des Werkstückes vorzubereiten. Auch beim galvanischen Überziehen von Körpern mit Kupfer ergibt sich die Notwendigkeit des Umpolens. Es bilden sich nämlich sogenannte »Ausblühungen«. Auch hier hilft eine kürzzeitige Umkehrung der Stromrichtung, die die genannten Vorsprünge wieder abträgt.

Nun sind aber in letzter Zeit die umlaufenden Umformer in ständig steigendem Maße durch Gleichrichter verdrängt worden, die über einen Transformator an das Wechselstromnetz angeschlossen werden. Bei einer solchen Anlage ist eine Umkehr der Stromrichtung nur mittels eines dem Gleichrichter nachgeschalteten Umschalters möglich. An sich gibt es schon Umschalter, die für diesen Zweck geeignet sind, jedoch sind diese sehr groß, kompliziert und teuer. Infolgedessen helfen sich die meisten Betriebe auf irgendeine andere Weise, beispielsweise so, daß sie für die Vornahme einer Stromrichtungsänderung den Transformator primärseitig abschalten und alsdann die Gleichstromänschlüsse umklemmen.' Es liegt aber auf der Hand, daß ein solches Verfahren äußerst unzweckmäßig ist, jedoch blieb insbesondere kleineren Betrieben keine andere Wahl, weil die Aufwendung für einen der gebräuchlichen Umschalter untragbar hoch sind. ' -

Die Erfindung ist nun von der Aufgabe ausgegangen, eine wirtschaftlich vertretbare Lösung zu finden und einen Schalter für .Umpolung großer Ströme zu schaffen, der einfach aufgebaut und daher billig ist, trotzdem aber die erforderliche Betriebssicherheit und Lebensdauer besitzt.. Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von bekannten Schalterkonstruktionen aus, bei denen starre, großflächige, feststehende und bewegliche Kontakte in sich decken-Schalter,

insbesondere Hebel- oder Drehschalter,
für Umpolung großer Ströme

Anmelder:
Harald Wirth,
Seeheim (a. d. Bergstraße),
Friedrich-Ebert-Str. 64 '

Harald Wirth, Seeheim (a. d. Bergstraße),
ist als Erfinder genannt worden

den Kreisringflächen angeordnet sind, wobei die beweglichen Kontakte, durch eine drehbare Isolierscheibe getragen werden. In Fortentwicklung dieser bekannten Ausführungsformen ist der Schalter gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Festkontakte des ankommenden Stromschienenpaares auf der einen Seite des Drehpunktes der Isolierscheibe liegen und diejenigen des abgehenden Stromschienenpaares auf gleicher Ebene jenen gegenüber, wobei die beweglichen Kontaktpaare durch entsprechende an bzw. in der drehbaren Isolierscheibe angeordnete Leiter miteinander verbunden und durch eine vorzugsweise an der Drehachse der Scheibe angreifende, mittels einer Handhabe vor dem Umschalten lösbare Anpreßvorrichtung gegen die Festkontaktflächen andrückbar sind.

Der Vorgang der-Stromrichtungsumkehr spielt.sich hierbei in folgenden Stufen ab: Zuerst wird -der Transformator primärseitig abgeschaltet. Alsdann wird die Anpreßvorrichtung gelöst. Hiernach wird der bewegliche Kontaktsatz umgeschaltet, wobei also die Flächen seiner Kontakte .sich seitlich in Richtung ihrer Ebene verschieben, und zwar vorzugsweise gleitend auf den Flächen der Festkontakte. Hat der bewegliche Kontaktsatz dann die andere Betriebsstellung erreicht, so wird die Anpreßvorrichtung betätigt, und durch deren senkrecht zur Kontaktebene gerichtete Kraft werden die Stirnflächen .der nunmehr einander gegenüberstehenden Kontakte fest zusammengepreßt, so daß sie sich also nicht etwa nur punkt- und linienweise berühren, sondern mit ihrer gesamten Fläche, die dadurch für den Durchgang der großen Stromstärke in voller Größe nutzbar gemacht

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wird. Wenn auf diese Weise die satte Berührung der Kontaktflächen erreicht ist, wird der Transformator primärseitig wieder an das Netz geschaltet.

Wesentlich für den erfindungsgemäßen Schalter sind also mehrere Merkmale in Kombination miteinander. Zunächst einmal ist die großflächige, ebene Ausbildung der Kontaktflächen wichtig, die sämtlich in sich deckenden Kreisringflächen angeordnet sind. Durch diese Anordnung ist die Möglichkeit einer sehr genauen Bearbeitung gegeben, beispielsweise durch Hobeln, Drehen und sogar Schleifen. Eine solche genau ebenflächige Bearbeitung der Kontaktflächen der beiden zusammenwirkenden Kontaktsätze ist deshalb wichtig, weil hierdurch eine kontaktgebende Berührung auf großem Stromdurchgangsquerschnitt möglich gemacht wird.

Von entscheidender Bedeutung ist weiterhin die lösbare Anpreßvorrichtung, die dazu dient, in der Arbeitsstellung eine senkrecht zu den Kontaktflächen gerichtete starke Kraft zu erzeugen. An sich kann diese Kraft unmittelbar oder mittelbar mit Hilfe von Elektromagneten, Federn, pneumatisch, hydraulisch oder sonst auf irgendeine Weise erzeugt werden. Bevorzugt kommen jedoch Gewindespindeln mit Schraubenmuttern, Kniehebelgelenke und auch Exzenterhebel in Frage, weil mit Hilfe solcher unmittelbar mechanisch wirkenden Vorrichtungen auf einfache und billige Weise sehr hohe Drücke zuverlässig erzeugt werden können. Diese hohen Drücke bewirken die gewünschte satte Berührung der Flächen beider Kontaktsätze miteinander, so daß tatsächlich der gesamte Kontaktflächenquerschnitt für den Stromdurchgang nutzbar gemacht wird, was sehr wichtig ist.

Aus der Tatsache, daß hohe Anpreßdrücke benutzt werden sollen, ergibt sich andererseits, daß die Anpreßvorrichtung lösbar sein muß, denn unter einem derart hohen Anpreß druck können die beiden Kontaktsätze ja doch nicht gegeneinander verschoben werden, bzw. es wäre dieses nur unter Aufwendung großer Kräfte und unter starkem Verschleiß möglich. Es kommt also nicht in Frage, die beiden Kontaktsätze unter ständiger Einwirkung einer sie zusammendrückenden, auch beim Umschalten wirkenden Kraft zu belassen, wie es an sich bei den gebräuchlichen Schaltern für kleine Stromstärken der Fall ist. Bei diesen gebräuchlichen Schaltern ist ein dauerndes Andrücken der Kontakte, beispielsweise mit Hilfe von Federn, durchaus möglich, da es sich dort ja doch nur um eine punktweise oder linienhafte Kontaktgabe unter verhältnismäßig geringem Kontaktdruck handelt. Wegen dieser Kontaktgabe nur in einem Punkt oder bestenfalls in einer Linie ist die Belastbarkeit der genannten vorbekannten Konstruktionen sehr begrenzt. Schalter dieser Art kommen daher für Stromstärken der hier interessierenden Größenordnung auch nicht entfernt in Betracht.

Zur Veranschaulichung des Erfindungsgedankens sind in der Zeichnung zwei Ausführungsbeispiele dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf das erste Ausführungsbeispiel;

Fig. 2 stellt hiervon die Stromschienen mit ihren Festkontakten dar;

Fig. 3 zeigt in entsprechender Weise den abgenommenen beweglichen Kontaktsatz;

Fig. 4 und 5 schließlich veranschaulicht in vereinfachter Form der Darstellung den Strom verlauf in den beiden Schaltstellungen.

Bei der in Fig. 1 gegebenen Gesamtdarstellung der bevorzugten Ausführungsform seien die vom Gleichrichter kommenden Stromschienen auf der rechten Seite angenommen, und zwar die positive Schiene 1 und die negative Schiene 2. Diese beiden Schienen können zu den links weiterführenden Schienen 3 und 4 entweder geradlinig durchgeschaltet werden oder aber über Kreuz, wobei im zweiten Falle die Schiene 3 negativ und die Schiene 4 positiv gepolt ist. Die beweglichen Kontakte befinden sich auf der rückwärtigen Fläche einer drehbaren Scheibe 5 und sind daher nicht sichtbar. An der Scheibe 5 ist ein Handgriff 6 befestigt, mit dessen Hilfe man die Scheibe aus der gezeichneten Betriebsstellung in die andere Betriebsstellung drehen kann, in der dieser Griff die durch gestrichelte Linien 6' angedeutete Lage einnimmt. Zum Anpressen der Scheibe 5 dient ein Handrad 7, dessen Nabe 8 als Mutter ausgebildet und auf eine Gewindespindel 9 aufgeschraubt ist.

Auf der Grundplatte 10 des Schalters ist ein Primärkreisschalter 11 angebracht. Dieser dient dazu, den Primärkreis des Transformators zu unterbrechen und wieder einzuschalten. Es kann dieser Schalter so ausgebildet und angeordnet werden, daß er bei Betätigung des Umpolschalters, beispielsweise seiner Anpreßvorrichtung, selbsttätig bedient wird und den Strom vor Verschieben der Wendekontakte unterbricht, um ihn nach Beendigung der Umpolung wieder einzuschalten. Um Irrtümer zu vermeiden, die von schweren Folgen sein können, wird der jeweilige Schaltzustand deutlich erkennbar gemacht. Dieses geschieht beispielsweise durch eine Lampe 12 (grünes Licht), die bei normaler Stromrichtung aufleuchtet und somit den richtigen Betriebszustand erkennbar macht. Bei Umschaltung der Anschlüsse auf die andere Stromrichtung, die nur kurzzeitig beibehalten werden darf, wenn das Werkstück nicht zerstört werden soll, wird die Lampe 12 ausgeschaltet, und es leuchtet an ihrer Stelle eine Warnlampe 13 (beispielsweise rotes Licht) auf. Dieser Warnlampe 13 kann ein akustisches Warnsignal parallel geschaltet sein, beispielsweise ein Summer 14. Alle diese Anzeigevorgänge können durch den jeweiligen elektrischen Zustand der ruhenden Kontakte gesteuert werden.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Schalter sind die Anschluß schienen 1 bis 4 an ihren Enden mit Löchern 15 versehen, die für Anschlußverbindungen bestimmt sind. So kann der dargestellte Schalter einfach in vorhandene Anlagen eingeschaltet werden, indem aus den verlegten Stromschienen ein kurzes Stück herausgeschnitten und der Schalter mit Hilfe von Schraubbolzen zwischengeschaltet wird. Somit erübrigt sich in der Regel eine besondere Befestigung des Schalters an einer Wand oder, einem Gestell, da er mittels der Stromschienen ausreichend sicher gehaltert werden kann.

Fig. 2 zeigt von dem gleichen Schalter die vier Anschlußschienen 1 bis 4 mit ihren Kontakten 20 bis 23. Diese ruhenden Kontakte haben die Form von Kreisringabschnitten und sind auf die Enden der Schienen aufgesetzt. Sie können aus Kupfer, aus versilbertem leitendem Material oder auch massiv aus Silber bestehen. Die Enden der Stromschienen 1 bis 4 sind mit Hilfe von Bolzenschrauben 24 auf einer Kreisplatte 25 aus Isoliermaterial befestigt, die ihrerseits wieder mit Hilfe von Bolzenschrauben 26 auf einer gleichen kreisförmigen Platte aus Stahl befestigt ist. Auf diese Weise hat die ganze Anordnung die erforderliche Festigkeit unter elektrischer Isolierung der vier Schienen gegeneinander.

Fig. 3 stellt die Scheibe mit dem beweglichen Kontaktsatz dar, und zwar ist die Scheibe nicht in Blick-

richtung auf ihre untere Fläche gezeichnet, wie man sie bei Besichtigung des Modells praktisch betrachten würde, sondern der Übersichtlichkeit wegen sind die einzelnen Kontakte so dargestellt, wie man sie sehen würde, wenn die Kreisscheibe durchsichtig wäre. Das Zusammenwirken der beiden Kontaktsätze kann man sich also veranschaulichen, indem man Fig. 3 einfach auf Fig. 2 überträgt.

Diese Fig. 3 läßt erkennen, daß die gesamte Kreisfläche in einen mittleren Teil 30 und einen Kreisring aufgeteilt ist, der seinerseits wieder symmetrisch in acht Kreisringabschnitte 31 bis 38 unterteilt ist. Die benachbarten Kontakte 31 und 32, ferner 33, 34 und 35 sowie schließlich 36 und 37 sind je miteinander leitend verbunden, d. h., diese drei Gruppen können gegebenenfalls je aus einer durchgehenden Metallplatte bestehen. Nur der Kontakt 38 ist nach beiden Seiten durch Isolierleisten getrennt. Die Isolierleiste 39 möge hierbei aus der Ebene der Kontaktflächen hervorragen. Sie greift in den Zwischenraum zwischen den beiden Schienenkontakten 20 und 21 (Fig. 2) hinein und dient als Anschlag, der in Zusammenwirken mit den beiden ihm zugewandten radialen Grenzkanten dieser Kontakte 20 und 21 die beiden Betriebsstellungen bestimmt.

Außer den genannten leitenden Verbindungen zwischen benachbarten Kontakten bestehen aber auch noch andere.

So ist der Kontakt 38 mit den ihm gegenüberliegenden Kontakten 33, 34 und 35 verbunden, und zwar über den mittleren Teil 30 hinweg. Diese vier Kontakte können also zusammen mit dem Verbindungsstück 30 als einzige ebene Platte gefertigt werden. Diese Platte ist auf einer Kreisscheibe aus Isolierstoff, deren Umfang sich mit dem dargestellten Kreis deckt, befestigt.

In entsprechender Weise stehen weiterhin die Kontaktpaare 31, 32 und 36, 37 miteinander in leitender Verbindung, wie es durch eine Verbindungsleitung 43 angedeutet ist. Diese leitende Verbindung verläuft auf der den Kontakten abgewandten Fläche der Scheibe, und zwar ist diese abgewandte Fläche als metallische Kreisscheibe (ebenfalls gleichen Durchmessers) ausgebildet, mit der die genannten Kontaktpaare 31, 32 und 36, 37 eine bauliche Einheit bilden. Im Bereich dieser Kontaktpaare ist die isolierende Zwischenscheibe also entsprechend ausgespart.

Die Schaltvorgänge seien an Hand von Fig. 4 und 5 in vereinfachter Form der Darstellung veranschaulicht. Es sind zu diesem Zweck die ruhenden Schienenkontakte durch Kreisbögen dargestellt, und zwar sind diese Schienenkontakte nach außen auf einen äußeren Kreis versetzt, während der drehbare Kontaktsatz durch den mittleren Teil der beiden Figuren wiedergegeben ist.

Es ist ersichtlich, daß in der gezeichneten Betriebsstellung die ankommende positive Schiene 1 über ihren Kontakt 21 mit dem Scheibenkontakt 37 in Berührung steht, so daß über die leitende Verbindung 43 (metallische Grundplatte der Scheibe) die Leitungsführung sich über den Scheibenkontakt 31 zum Kontakt 20 der Schiene 3 fortsetzt. In entsprechender Weise steht die ankommende negative Stromschiene 2 über ihren Schienenkontakt 22 und die anschließende Kontaktgruppe 35-34-33 mit dem Kontakt 23 der Schiene 4 in Verbindung. Beide Stromschienen 1 und 2 sind somit geradlinig durchgeschaltet.

Wird die drehbare Kontaktplatte aber in die andere Grenzstellung geschwenkt, die in Fig. 5 dargestellt ist, so ergeben sich folgende Verbindungen: Die positive Leitung verläuft von der ankommenden Schiene 1 über den Kontakt 21 dieser Schiene, den Plattenkontakt 38, das metallische Mittelstück 30 und den Plattenkontakt 34 zum ruhenden Kontakt 23 der Schiene 4. In entsprechender Weise führt der negative Leistungszug von der ankommenden Schiene 2 über deren Kontakt 22, den Plattenkontakt 36, die metallische Grundscheibe 43 der schwenkbaren Platte und den Plattenkontakt 32 zum ruhenden Kontakt 20 der Schiene 3. Die beiden Leitungen überkreuzen sich also, und in den beiden weiterführenden Schienen 3 und 4 ist jetzt die Polarität umgekehrt.

Aus vorstehenden Erläuterungen geht hervor, daß es für den Grundgedanken der Erfindung wichtig ist, die für die großen Stromstärken notwendigen großen Kontaktflächen genau ebenflächig bearbeiten zu können und zwecks Erzielung einer satten, vollflächigen Kontaktgabe einen starken Anpreßdruck ausüben zu können, wobei die Anpreßvorrichtung vor dem Umschalten lösbar ist. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß die großen Kontaktquerschnitte wirklich gleichmäßig belastet werden, so daß man bei einem solchen Schalter sehr große Stromstärken zulassen kann. Da diese sich nämlich über die gesamte große Berührungsfläche gleichmäßig verteilen, ergibt sich eine geringe spezifische Flächenbelastung. Eine solche ist bei den gebräuchlichen Ausführungsformen niemals zu erreichen, weil bei letzteren die Berührungen praktisch nur punkt- oder linienförmig erfolgen, so daß der Stromdurchgang sich auf diese Berührungszonen sehr geringen Durchgangsquerschnitts konzentriert.

Von entscheidender Bedeutung ist die vorteilhafte Tatsache, daß die bei jedem Umpolungsschalter vorhandene Kreuzverbindung im beweglichen Teil untergebracht ist, nämlich in der drehbaren Scheibe, während sie bei allen bisher bekannten Ausführungsformen im ruhenden Teil liegt, wodurch sich komplizierte, teure und raumbeanspruchende Leitungsführungen ergeben. Demgegenüber kann der Schalter gemäß der Erfindung einfach in zwei parallele Stromschienen, die zu diesem Zweck an der betreffenden Stelle nur aufgetrennt zu werden brauchen, eingefügt werden.

Zur Veranschaulichung der Größenverhältnisse sei ein praktisch ausgeführter und durch Dauerversuche erprobter Schalter gemäß der Erfindung beschrieben. Bei diesem beträgt der Querschnitt der Stromschienen 700 qmm, während die Fläche jedes der acht Kreisringabschnitte etwa 2300 qmm groß ist. Wird die Stromschiene mit 2 Amp./qmm belastet, so ergibt sich für die Kontaktfläche eine Belastung von etwa 0,6 Amp./qmm. Diese Belastung ist derart niedrig, daß ein solcher Schalter eine sehr große Lebensdauer besitzt.

Was den konstruktiven Aufbau des Schalters anbelangt, seien zwei Lösungen angeführt. So können die metallischen Kontaktplatten mit Hilfe von festen Isolierplatten zusammengefügt werden. Ein anderer Weg, der einfacher, schneller und billiger ist, besteht darin, die metallischen Elemente unter dem erforderlichen Abstand voneinander in eine Gießform einzubringen und die Zwischenräume mit einem verflüssigten Isoliermittel auszugießen.

Schließlich ist an das Isoliermittel die Anforderung zu stellen, daß es nicht zu starr und spröde ist, andererseits jedoch den Anpreßdruck ohne eine wesentliche elastische Verformung aufnehmen kann, so daß z. B. bei zentral wirksamem Anpreßdruck ein trichterförmiges Durchbiegen der Isolierscheibe vermieden wird.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Schalter, insbesondere Hebel- oder Drehschalter, für Umpolung großer Ströme mit in sich deckenden Kreisringflächen angeordneten starren, großflächigen, feststehenden und beweglichen Kontakten, dessen bewegliche Kontakte durch eine drelibare Isolierscheibe getragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkontakte (21, 22) des ankommenden Stromschienenpaares auf der einen Seite des Drehpunktes der Isolierscheibe (5) liegen und diejenigen (20, 23) des abgehenden Stromschienenpaares auf gleicher Ebene jenen (21, 22) gegenüber, wobei die beweglichen Kontaktpaare (31, 36 und 34, 38) durch entsprechende an bzw. in der drehbaren Isolierscheibe angeordnete Leiter miteinander verbunden und durch eine vorzugsweise an der Drehachse (9) der Scheibe (5) angreifende, mittels einer Handhabe (7) vor dem Umschalten lösbare Anpreßvorrichtung gegen die Festkontaktflächen andrückbar sind.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich kreuzenden Verbindungen zwischen den einzelnen beweglichen Kontakten teils als T-förmige Kontaktplatte (30) auf der Kontaktseite der Isolierscheibe (5) liegen, während die Verbindungen des anderen Kontaktpaares (31, 32; 36, 37) auf der den Festkontakten abgewandten Seite der Isolierscheibe (5) angeordnet sind.

3. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktverbindungen, die auf der den Festkontaktflächen abgewandten Seite der Isolierscheibe (5) angeordnet sind, die Form einer leitenden Platte besitzen, die die durch sie verbundenen Kontakte trägt,

4. Schalter nach Anspruch 1 mit Anpreßvorrichtung in Form einer Gewindespindel mit auf- und niederschraubbarer Gewindemutter, dadurch gekennzeichnet, daß die am Grundteil befestigte Drehachse (9) der drehbaren Kontaktscheibe (5) zugleich als Gewindespindel ausgebildet ist und die mit Bedienungshandhabe (7) ausgestattete Gewindemutter (8) trägt.

"5. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpreßvorrichtung als Exzenter mit Handhebel ausgebildet ist.

6. Schalter nach Anspruch 1 mit primärseitig wirkendem Hilfsschalter, gekennzeichnet durch eine solche Anbringung des Hilfsschalters, daß er bei Betätigung des Umpolschalters, beispielsweise seiner Anpreßvorrichtung, zwangläufig den Strom vor Verschieben der Wendekontakte unterbricht, um ihn nach Beendigung des Wendevorganges wieder einzuschalten.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 319 619, 474 419;
österreichische Patentschrift Nr. 175 636;
britische Patentschrift Nr. 645 168;
USA.-Patentschriften Nr. 1361937, 1486744,
744 1872 249.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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