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HINTERGRUND
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Schutzschalter und insbesondere thermo-magnetische Schutzschalter-Auslöseeinheiten und -verfahren.
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Schutzschalter beinhalten üblicherweise einen oder mehrere elektrische Kontakte und bieten Schutz vor langanhaltenden Überstromzuständen und Kurzschlusszuständen. Bei vielen Schutzschaltern beinhaltet eine thermo-magnetische Auslöseeinheit einen thermischen Auslöseabschnitt, der den Schutzschalter bei langanhaltenden Überstromzuständen auslöst, und einen magnetischen Auslöseabschnitt, der den Schutzschalter bei Kurzschlusszuständen auslöst. Existierende thermo-magnetische Auslöseeinheiten beinhalten üblicherweise einen einzelnen Auslösesteg, der einen Auslösemechanismus freigibt, um den Schutzschalter auszulösen und die elektrischen Kontakte zu öffnen, um den Stromfluss in der geschützten Schaltung zu unterbrechen.
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Existierende thermo-magnetische Auslöseeinheiten isolieren jedoch üblicherweise nicht thermische Auslöseereignisse von magnetischen Auslöseereignissen.
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KURZDARSTELLUNG
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In einem ersten Aspekt wird eine Auslöseeinheit für einen Schutzschalter bereitgestellt, der elektrische Kontakte, einen Auslösemechanismus, einen Bimetallstreifen und einen Anker beinhaltet. Die Auslöseeinheit beinhaltet einen ersten Auslösesteg, der mit dem Auslösemechanismus gekoppelt und um einen Drehpunkt angeordnet ist, und einen zweiten Auslösesteg, der mit dem ersten Auslösesteg gekoppelt und um den Drehpunkt angeordnet ist. In einem ersten Betriebszustand dreht sich der erste Auslösesteg im Wesentlichen unabhängig vom zweiten Auslösesteg um den Drehpunkt und aktiviert den Auslösemechanismus, um die elektrischen Kontakte zu öffnen. In einem zweiten Betriebszustand dreht sich der zweite Auslösesteg um den Drehpunkt, was bewirkt, dass sich der erste Auslösesteg um den Drehpunkt dreht und den Auslösemechanismus aktiviert, um die elektrischen Kontakte zu öffnen.
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In einem zweiten Aspekt wird ein Schutzschalter bereitgestellt, der elektrische Kontakte, einen Auslösemechanismus, einen Bimetallstreifen, einen Anker und eine Auslöseeinheit beinhaltet. Die Auslöseeinheit beinhaltet einen ersten Auslösesteg, der mit dem Auslösemechanismus gekoppelt und um einen Drehpunkt angeordnet ist, und einen zweiten Auslösesteg, der mit dem ersten Auslösesteg gekoppelt und um den Drehpunkt angeordnet ist. In einem ersten Betriebszustand dreht sich der erste Auslösesteg im Wesentlichen unabhängig vom zweiten Auslösesteg um den Drehpunkt und aktiviert den Auslösemechanismus, um die elektrischen Kontakte zu öffnen. In einem zweiten Betriebszustand dreht sich der zweite Auslösesteg um den Drehpunkt, was bewirkt, dass sich der erste Auslösesteg um den Drehpunkt dreht und den Auslösemechanismus aktiviert, um die elektrischen Kontakte zu öffnen.
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In einem dritten Aspekt wird ein Auslöseverfahren zur Verwendung mit einem Schutzschalter bereitgestellt, der elektrische Kontakte, einen Auslösemechanismus, einen Bimetallstreifen und einen Anker beinhaltet. Das Auslöseverfahren beinhaltet das Bereitstellen eines ersten Auslösestegs, der mit dem Auslösemechanismus gekoppelt und um einen Drehpunkt angeordnet ist, und das Bereitstellen eines zweiten Auslösestegs, der mit dem ersten Auslösesteg gekoppelt und um den Drehpunkt angeordnet ist. Das Auslöseverfahren beinhaltet ferner in einem ersten Betriebszustand das Drehen des ersten Auslösestegs im Wesentlichen unabhängig vom zweiten Auslösesteg um den Drehpunkt und das Aktivieren des Auslösemechanismus, um die elektrischen Kontakte zu öffnen, und in einem zweiten Betriebszustand das Drehen des zweiten Auslösestegs um den Drehpunkt, was bewirkt, dass sich der erste Auslösesteg um den Drehpunkt dreht und den Auslösemechanismus aktiviert, um die elektrischen Kontakte zu öffnen. Es werden zahlreiche andere Aspekte bereitgestellt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen klarer verständlich, in denen die gleichen Bezugszeichen konsequent die gleichen Elemente bezeichnen. Es zeigen:
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1A eine Seitenansicht einer beispielhaften thermo-magnetischen Auslöseeinheit gemäß dieser Erfindung,
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1B eine Vorderansicht der beispielhaften thermo-magnetischen Auslöseeinheit von 1A,
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1C eine Seitenansicht des beispielhaften thermischen Auslösesteges von 1A,
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1D eine Vorderansicht des beispielhaften thermischen Auslösesteges von 1C,
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1E eine Seitenansicht des beispielhaften magnetischen Auslösesteges von 1A,
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1F eine Vorderansicht des beispielhaften magnetischen Auslösesteges 1E,
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2A eine weitere Seitenansicht einer beispielhaften thermo-magnetischen Auslöseeinheit gemäß dieser Erfindung,
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2B eine Vorderansicht eines beispielhaften gefederten Betätigers, der in 2A dargestellt ist,
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2C eine Seitenansicht der beispielhaften thermo-magnetischen Auslöseeinheit von 2A in einem Überstrom-Betriebszustand und
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2D eine Seitenansicht der beispielhaften thermo-magnetischen Auslöseeinheit von 2A in einem Kurzschluss-Betriebszustand.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die vorliegende Erfindung stellt thermo-magnetische Auslöseeinheiten und -verfahren bereit, die separate thermische und magnetische Auslösestege beinhalten, die verwendet werden können, um thermische Auslöseereignisse von magnetischen Auslöseereignissen zu isolieren.
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In Bezug auf 1A–1F wird eine beispielhafte thermo-magnetische Auslöseeinheit gemäß dieser Erfindung beschrieben. Die thermo-magnetische Auslöseeinheit 100 beinhaltet einen ersten Auslösesteg 110, der um einen Drehpunkt 112 angeordnet ist, und einen zweiten Auslösesteg 210, der ebenfalls um den Drehpunkt 112 angeordnet ist. Wie im Weiteren ausführlicher beschrieben wird, dreht sich in einem ersten Betriebszustand (z. B. ein Überstrom- oder thermischer Auslösezustand) der erste Auslösesteg 110 um den Drehpunkt 112 und aktiviert einen Auslösemechanismus (nicht gezeigt), um elektrische Kontakte (nicht gezeigt) eines Schutzschalters zu öffnen. In dieser Hinsicht wird der erste Auslösesteg 110 hierin auch als „thermischer Auslösesteg 110” bezeichnet.
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Wie im Weiteren ausführlicher beschrieben wird, dreht sich außerdem in einem zweiten Betriebszustand (z. B. ein Kurzschluss- oder magnetischer Auslösezustand) der zweite Auslösesteg 210 um den Drehpunkt 112, was bewirkt, dass sich der erste Auslösesteg 110 um den Drehpunkt 112 dreht und den Auslösemechanismus aktiviert, um die elektrischen Kontakte des Schutzschalters zu öffnen. In dieser Hinsicht wird der zweite Auslösesteg 210 hierin auch als „magnetischer Auslösesteg 210” bezeichnet.
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Wie im Weiteren ausführlicher beschrieben wird, dreht sich in dem Überstrom-Betriebszustand der thermische Auslösesteg 110 im Wesentlichen unabhängig vom zweiten Auslösesteg 210 um den Drehpunkt 112. In einem Kurzschlusszustand hingegen drehen sich sowohl der thermische Auslösesteg 110 als auch der magnetische Auslösesteg 210 zusammen um den Drehpunkt 112. Wie im Weiteren ausführlicher beschrieben wird, kann die Isolierung des thermischen Auslösestegs 110 und des magnetischen Auslösestegs 210 genutzt werden, um ein Kurzschluss-Auslöseereignis in einem thermo-magnetischen Schutzschalter zu erkennen.
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Wie in 1C–1D gezeigt, beinhaltet der thermische Auslösesteg 110 zylindrische Auflageelemente 114a–114d, einen Rastmechanismus 116 und Bimetall-Kopplungsstellen 118a–118c. Die zylindrischen Auflageelemente 114a–114d stützen den thermischen Auslösesteg 110 um den Drehpunkt 112. Zum Beispiel kann jedes zylindrische Auflageelement 114a–114d eine zylindrische Bohrung 120 beinhalten, die konzentrisch entlang einer gemeinsamen Achse 113 ausgerichtet ist. Obwohl der thermische Auslösesteg 110 vier zylindrische Auflageelemente 114a–114d beinhaltet, wird der Durchschnittsfachmann verstehen, dass thermische Auslösestege gemäß dieser Erfindung mehr oder weniger als vier zylindrische Auflageelemente 114a–114d beinhalten können. Außerdem wird der Durchschnittsfachmann verstehen, dass die Auflageelemente 114a–114d andere Formen als zylindrische Formen aufweisen können.
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Der Rastmechanismus 116 ragt aus einer ersten Oberfläche 124 des thermischen Auslösestegs 110 hervor und beinhaltet eine Rastnase 126. Im dargestellten Beispiel ragt der Rastmechanismus 116 in einem Winkel nach unten aus der ersten Oberfläche 124 hervor. Der Durchschnittsfachmann wird verstehen, dass der Rastmechanismus in anderen Winkeln hervorragen kann als dem in 1C dargestellten. Wie im Weiteren ausführlicher beschrieben wird, ist der Rastmechanismus 116 dafür eingerichtet, einen gefederten Betätiger (in 1A–1F nicht gezeigt) während des normalen Betriebs des Schutzschalters zu sichern, und ist dafür eingerichtet, den gefederten Betätiger freizugeben, um den Schutzschalter in Reaktion auf ein thermisches Auslöseereignis oder ein magnetisches Auslöseereignis auszulösen.
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In dem in 1C–1D dargestellten Beispiel beinhaltet der thermische Auslösesteg 110 drei Bimetall-Kopplungsstellen 118a–118c mit einer Bimetall-Kopplungsstelle für jeden elektrischen Pol eines dreipoligen Schutzschalters. Der Durchschnittsfachmann wird verstehen, dass thermische Auslösestege gemäß dieser Erfindung mehr oder weniger als drei Bimetall-Kopplungsstellen 118a–118c beinhalten kann, zur Verwendung bei Schutzschaltern, die mehr oder weniger als drei elektrische Pole beinhalten. Zum Beispiel kann bei einem einpoligen Schutzschalter eine einzige Bimetall-Kopplungsstelle verwendet werden. Ebenso können vier Bimetall-Kopplungsstellen bei einem vierpoligen Schutzschalter verwendet werden.
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Nun in Bezug auf 1E–1F beinhaltet der magnetische Auslösesteg 210 zylindrische Auflageelemente 214a–214c, eine Öffnung 216 und Anker-Kopplungsstellen 218a–218c. Die zylindrischen Auflageelemente 214a–214c stützen den magnetischen Auslösesteg 210 um den Drehpunkt 112. Zum Beispiel kann jedes zylindrische Auflageelement 214a–214c eine zylindrische Bohrung 220 beinhalten, die konzentrisch entlang einer gemeinsamen Achse 115 ausgerichtet ist. Obwohl der magnetische Auslösesteg 210 drei zylindrische Auflageelemente 214a–214c beinhaltet, wird der Durchschnittsfachmann verstehen, dass magnetische Auslösestege gemäß dieser Erfindung mehr oder weniger als drei zylindrische Auflageelemente 214a–214c beinhalten können. Außerdem wird der Durchschnittsfachmann verstehen, dass die Auflageelemente 214a–214c andere Formen als zylindrische Formen aufweisen können.
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In dem in 1E–1F dargestellten Beispiel beinhaltet der magnetische Auslösesteg 210 drei Anker-Kopplungsstellen 218a–218c mit einer Anker-Kopplungsstelle für jeden elektrischen Pol eines dreipoligen Schutzschalters. Der Durchschnittsfachmann wird verstehen, dass magnetische Auslösestege gemäß dieser Erfindung mehr oder weniger als drei Anker-Kopplungsstellen 218a–218c beinhalten können, zur Verwendung bei Schutzschaltern, die mehr oder weniger als drei elektrische Pole beinhalten. Zum Beispiel kann bei einem einpoligen Schutzschalter eine einzige Anker-Kopplungsstelle verwendet werden. Ebenso können vier Anker-Kopplungsstellen bei einem vierpoligen Schutzschalter verwendet werden.
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Der magnetische Auslösesteg 210 kann optional eine erste Erweiterung 221 und eine zweite Erweiterung 222 beinhalten, die jeweils mit Zusatzteilen (nicht gezeigt) in dem Schutzschalter gekoppelt sein können. In dem dargestellten Beispiel ragt die zweite Erweiterung 222 horizontal aus einer zweiten Oberfläche 224 des magnetischen Auslösestegs 210 hervor und die erste Erweiterung 221 ragt vertikal aus einer dritten Oberfläche 223 des magnetischen Auslösestegs 210 hervor. Wie in 1F dargestellt, sind die erste Erweiterung 221 und die zweite Erweiterung 222 (z. B. entlang einer gedachten x-Achse) am magnetischen Auslösesteg 210 ausgerichtet. Der Durchschnittsfachmann wird verstehen, dass magnetische Auslösestege gemäß dieser Erfindung mehr oder weniger als zwei Erweiterungen beinhalten können und dass sich Erweiterungen an anderen Positionen am magnetischen Auslösesteg 210 befinden können.
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Der thermische Auslösesteg 110 kann aus einem oder mehreren der Folgenden bestehen: einem Kunststoff, einem Metall, einem Polymer, einem Harz oder einem anderen geeigneten Material. Der thermische Auslösesteg 110 kann eine Länge zwischen etwa 150 mm und etwa 200 mm, eine Höhe zwischen etwa 20 mm und etwa 30 mm und eine Dicke zwischen etwa 10 mm und etwa 20 mm aufweisen. Es können auch andere Abmessungen verwendet werden.
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Der magnetische Auslösesteg 210 kann aus einem oder mehreren der Folgenden bestehen: einem Kunststoff, einem Metall, einem Polymer, einem Harz oder einem anderen geeigneten Material. Der magnetische Auslösesteg 210 kann eine Länge zwischen etwa 150 mm und etwa 200 mm, eine Höhe zwischen etwa 20 mm und etwa 30 mm und eine Dicke zwischen etwa 10 mm und etwa 20 mm aufweisen. Es können auch andere Abmessungen verwendet werden.
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Wie in 1A–1B dargestellt, können sowohl der thermische Auslösesteg 110 als auch der magnetische Auslösesteg 210 an einer zylindrischen Stange 122 mit einer Mittelachse 112', die am Drehpunkt 112 ausgerichtet ist, montiert sein. Insbesondere können die zylindrischen Bohrungen 120 des thermischen Auslösestegs 110 und die zylindrischen Bohrungen 220 des magnetischen Auslösestegs 210 jeweils dafür eingerichtet sein, die zylindrische Stange 122 aufzunehmen. Ferner können sich der thermische Auslösesteg 110 und der magnetische Auslösesteg 210 jeweils frei um die zylindrische Stange 122 drehen. In dieser Hinsicht sind sowohl der thermische Auslösesteg 110 als auch der magnetische Auslösesteg 210 um den Drehpunkt 112 angeordnet.
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1A–1B stellen den thermischen Auslösesteg 110 an der zylindrischen Stange 122 in einer Anfangsposition angeordnet und den magnetischen Auslösesteg 210 an der zylindrischen Stange 122 in einer Anfangsposition angeordnet dar, wobei die erste Oberfläche 124 des thermischen Auslösestegs 110 an die zweite Oberfläche 224 des magnetischen Auslösestegs 210 angrenzt. Außerdem erstreckt sich in der Anfangsposition der Rastmechanismus 116 des thermischen Auslösestegs 110 durch die Öffnung 216 des magnetischen Auslösestegs 210. Nun wird in Bezug auf 2A–2D ein beispielhafter Betrieb der thermo-magnetischen Auslöseeinheit 100 gemäß dieser Erfindung beschrieben. Die thermo-magnetische Auslöseeinheit 100 kann mit einem gefederten Betätiger 300, einem Bimetallelement 400 und einer magnetischen Anordnung 500 einer Schutzschalter-Magnetstruktur, wie etwa einem Verlagerungsmagnetsystem, gekoppelt sein. Der gefederte Betätiger 300 beinhaltet zylindrische Auflageelemente 310, eine Rastoberfläche 320, eine Feder 330 und eine Erweiterung 340. Das Bimetallelement 400 beinhaltet einen Bimetallstreifen 410 und eine Kontaktoberfläche 420. Die Magnetanordnung 500 beinhaltet eine Ankeranordnung 510 und eine Gleitschiene 520. Der Durchschnittsfachmann wird verstehen, dass thermo-magnetische Auslöseeinheiten gemäß dieser Erfindung mit einem anderen Betätiger und anderen thermischen und magnetischen Erkennungsvorrichtungen verwendet werden können.
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2A stellt die Konfiguration der thermo-magnetischen Auslöseeinheit 100, des gefederten Betätigers 300, des Bimetallelements 400 und der Magnetanordnung 500 in einem nicht ausgelösten Anfangszustand dar. Der gefederte Betätiger 300 dreht sich an den zylindrischen Auflageelementen 310 und die Feder 330 spannt den gefederten Betätiger 300 tendenziell so vor, dass die Rastoberfläche 320 und die Erweiterung 340 nach oben und weg von der thermo-magnetischen Auslöseeinheit 100 schwenken. In der Konfiguration von 2A sind der Rastmechanismus 116 des thermischen Auslösestegs 110 und der gefederte Betätiger 300 zusammenwirkend gekoppelt, um ein derartiges Schwenken zu verhindern.
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Insbesondere steht die Rastnase 126 des Rastmechanismus 116 mit der Rastoberfläche 320 des gefederten Betätigers 300 in Eingriff. In dieser Anfangskonfiguration befinden sich der thermische Auslösesteg 110 und der magnetische Auslösesteg 210 in ihren Anfangspositionen, der Auslösemechanismus des Schutzschalters ist nicht aktiviert und die elektrischen Kontakte des Schutzschalters bleiben geschlossen. Der Bimetallstreifen 410 und die Ankeranordnung 510 befinden sich jeweils in ihren Anfangspositionen.
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Nun wird in Bezug auf 2C der Betrieb der thermo-magnetischen Auslöseeinheit 100 in einem ersten Betriebszustand (z. B. einem Überstrom- oder thermischen Auslösezustand) beschrieben. Tritt ein Überstromzustand auf, so erhöht sich die Temperatur des Bimetallelements 400 und der Bimetallstreifen 410 beginnt, sich aus der Anfangsposition herauszubiegen. Wenn sich die Temperatur des Bimetallelements 400 ausreichend erhöht, aufgrund dessen, dass der gezogene Strom eine festgelegte Höhe überschreitet, kommt die Kontaktoberfläche 420 mit der Bimetall-Kopplungsstelle 118c des thermischen Auslösestegs 110 in Eingriff. Infolgedessen dreht sich der thermische Auslösesteg 110 im Uhrzeigersinn um den Drehpunkt 112 aus seiner Anfangsposition in eine zweite, ausgelöste Position.
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In der ausgelösten Position löst die Rastnase 126 den Eingriff mit der Rastoberfläche 320 des gefederten Betätigers 300 und die Erweiterung 340 schwenkt nach oben und weg von der thermo-magnetischen Auslöseeinheit 100, um einen Auslösemechanismus (nicht gezeigt) zu aktivieren und elektrische Kontakte (nicht gezeigt) des Schutzschalters zu öffnen. Wie in 2C gezeigt, dreht sich im Überstromzustand zwar der thermische Auslösesteg 110 um den Drehpunkt 112 aus seiner Anfangsposition in die ausgelöste Position, doch der magnetische Auslösesteg 210 bleibt in seiner Anfangsposition. In dieser Hinsicht dreht sich in einem Überstrom-Betriebszustand der thermische Auslösesteg 110 im Wesentlichen unabhängig vom magnetischen Auslösesteg 210 um den Drehpunkt 112.
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Nun wird in Bezug auf 2D der Betrieb der thermo-magnetischen Auslöseeinheit 100 in einem zweiten Betriebszustand (z. B. einem Kurzschluss- oder magnetischen Auslösezustand) beschrieben. Der Schutzschalter beinhaltet einen Elektromagneten (nicht gezeigt), der ein Magnetfeld im Verhältnis zur Stromstärke erzeugt. Tritt ein Kurzschlusszustand auf, so ist das Magnetfeld ausreichend stark, um zu bewirken, dass sich die Ankeranordnung 510 aus ihrer Anfangsposition an der Laufschiene 520 nach unten bewegt. Infolgedessen kommt die Ankeranordnung 510 mit der Anker-Kopplungsstelle 218c des magnetischen Auslösestegs 210 in Eingriff, was bewirkt, dass sich der magnetische Auslösesteg 210 im Uhrzeigersinn um den Drehpunkt 112 dreht. Außerdem kommt die zweite Oberfläche 224 des magnetischen Auslösestegs 210 mit der ersten Oberfläche 124 des thermischen Auslösestegs 110 in Eingriff, was bewirkt, dass sich der thermische Auslösesteg 110 im Uhrzeigersinn um den Drehpunkt 112 aus seiner Anfangsposition in die zweite, ausgelöste Position dreht.
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In der ausgelösten Position löst die Rastnase 126 den Eingriff mit der Rastoberfläche 320 des gefederten Betätigers 300 und die Erweiterung 340 schwenkt nach oben und weg von der thermo-magnetischen Auslöseeinheit 100, um den Auslösemechanismus zu aktivieren und elektrische Kontakte des Schutzschalters zu öffnen. Wie in 2D gezeigt, drehen sich im Kurzschlusszustand sowohl der thermische Auslösesteg 110 als auch der magnetische Auslösesteg 210 um den Drehpunkt 112 aus ihren Anfangspositionen in die ausgelöste Position.
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Wie vorstehend beschrieben, kann der magnetische Auslösesteg 210 optional eine erste Erweiterung 220 und eine zweite Erweiterung 222 beinhalten, die jeweils mit Zusatzteilen (nicht gezeigt) im Schutzschalter gekoppelt sein können. Da in einem Überstromzustand der magnetische Auslösesteg 210 in seiner Anfangsposition verbleibt, verbleiben die erste Erweiterung 220 und die zweite Erweiterung 222 jeweils in ihren Anfangspositionen. Somit war, wenn der Schutzschalter auslöst, doch die erste Erweiterung 220 und die zweite Erweiterung 222 in ihren Anfangspositionen verbleiben, die Ursache für das Auslösen ein Überstromzustand.
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In einem Kurzschlusszustand hingegen dreht sich der magnetische Auslösesteg 210 aus seiner Anfangsposition in eine ausgelöste Position und die erste Erweiterung 220 und die zweite Erweiterung 222 drehen sich ebenfalls aus ihren Anfangspositionen in ausgelöste Positionen. In dieser Hinsicht können die erste Erweiterung 220 und die zweite Erweiterung 222, wenn der Schutzschalter auslöst, verwendet werden, um zu erkennen, dass die Ursache des Auslösens ein Kurzschluss-Auslösezustand war.
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In der oben beschriebenen beispielhaften thermo-magnetischen Auslöseeinheit 100 wird, da die Bimetall-Kopplungsstellen 118a–118c an einem gemeinsamen thermischen Auslösesteg 110 angeordnet sind und die Anker-Kopplungsstellen 218a–218c an einem gemeinsamen magnetischen Auslösesteg 110 angeordnet sind, ein Überstromzustand oder ein Kurzschluss an einem beliebigen Pol des Schutzschalters den Auslösemechanismus aktivieren und elektrische Kontakte des Schutzschalters für alle Pole des Schutzschalters öffnen.
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Das Vorangegangene veranschaulicht lediglich die Prinzipien der vorliegenden Erfindung, und es können verschiedene Modifikationen vom Durchschnittsfachmann vorgenommen werden, ohne von Geltungsumfang und Geist der Erfindung abzuweichen.
