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Trenn- und Schutzschalter, insbesondere Fehlerstromschutzschalter
Es sind Schutzschalter für elektrische Anlagen und Motoren, insbesondere Fehlerstromschutzschalter,
bekannt, bei denen die Schaltelemente hauptsächlich aus einem Ringwandler und einem
Schaltschütz bestehen und bei denen diese Schaltelemente durch besondere Steuerelemente
betätigt bzw. ausgelöst werden. Derartige bekannte Schutzschalter sind insbesondere
durch die Verwendung des Ringwandlers verhältnismäßig teuer im Aufbau durch Material
und Montagekosten, und es ist sehr schwierig, wenn nicht durch den Aufbau bedingt
überhaupt unmöglich, sie derart auszubilden, daß sie in ihren Abmessungen in das
übliche Rastermaß von Schalttafeln hineinpassen.
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Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, diese Nachteile bisher
bekannter Schutzschalter zu vermeiden und einen Schutzschalter zu schaffen, der
in seinem Aufbau äußerst einfach, materialsparend und mit geringen Abmessungen ausgeführt
ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe hat der Erfinder einen Schutzschalter in
der Form eines elektromagnetischen Schützes ausgebildet und die bisher erforderlichen
Steuerelemente dadurch eingespart, daß er die einzelnen Bauteile des Schützes derart
ausbildete und formte, daß sie die Aufgabe der Steuerelemente übernehmen. Durch
die Erfindung werden also die bisher bei Schutzschaltern erforderlichen Steuerelemente
durch die besondere Ausbildung der ohnehin und unbedingt erforderlichen Schaltelemente
eingespart, und die beiden unbedingt erforderlichen Schaltelemente, nämlich das
Schütz und der Ringwandler, werden zu einem einzigen kombinierten Element zusammengefaßt.
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Nach der Erfindung ist ein Schutzschalter, insbesondere ein Fehlerstromschutzschalter,
dadurch gekennzeichnet, daß er, in Gestalt eines elektromagnetischen Schaltschützes
ausgebildet, aus einem Magnetjoch und einem ringförmigen Anker besteht, in dem Kontaktbrücken
als Leiter für sämtliche Wechselströme der zu schützenden Anlage angeordnet sind.
Dabei ist das Magnetjoch U- oder C--förmig ausgebildet, und der Anker ist als flacher
rechteckiger oder annähernd rechteckiger Ring ausgebildet, dessen Inneres mit Isoliermaterial
ausgekleidet ist und die federnden Kontaktbrücken trägt.
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Das Magnetjoch ist zweckmäßig mit Spulen versehen, die zur Magnetisierung
dienen, das Joch wird auch durch daran oder darin angeordnete Dauermagnete magnetisiert,
es kann auch aus permanentmagnetischem Material bestehen. Vorteilhaft besteht das
Joch aus weichmagnetischem Material mit hoher Koerzitivfeldstärke, und der ringförmige
Anker ist aus Bandmaterial gewickelt, das in vorteilhafter Weise eine hohe Anfangspermeabilität
hat.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die dem Joch zugewandte
Seite des Ankers durch eine Einlage aus diamagnetischem Material gegen die Kontaktbrükken
abgeschirmt. Ferner kann um den eigentlichen Ankerring ein zweiter Ring gelegt sein,
der gegen den Ankerring durch eine diamagnetische Zwischenlage magnetisch abgeschirmt
und mit ihm durch ein Rohrstück aus gut leitendem Material induktiv verbunden ist.
An der Jochseite des Ankerrings kann auch ein zweiter Ring aus weichmagnetischem
Material befestigt sein, der von diesem durch eine diamagnetische Abschirmung magnetisch
getrennt und mit ihm durch ein Rohrstück aus gut leitendem Material induktiv verbunden
ist. Nach einer Weiterbildung können die beiden Teile aus Stoffen mit verschiedenen
magnetischen Eigenschaften und unter Einsatz verschieden großer Stoffmengen hergestellt
sein. Der Anker ist vorteilhaft mit fünf Kontaktbrücken ausgestattet, von denen
die erste, dritte und fünfte für die drei Phasenleiter und die zweite und vierte
für den in zwei Bahnen aufgeteilten Mittelpunktleiter eines Drehstromnettes verwendet
wird. Das Isoliermaterial zur Auskleidung des Ankerinneren besteht zweckmäßig aus
mehreren ineinandergeschachtelten Teilen, und die Kontaktbrücken können mit je zwei
und mehr Windungen durch das Innere des Ankers geführt sein.
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Die mit Silberauflage oder Silbernieten versehenen Enden der Kontaktbrücken
liegen in Anzugstellung des Ankers auf Gegenkontakten, die mit den Anschlußklemmen
verbunden
sind. In der Abfallstellung des Ankers sind die Kontaktstellen unterbrochen.
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Die Wirkung des Schaltgerätes nach der Erfindung als Fehlerstromschutzschalter
beruht darauf, daß das Joch den Anker in der Einschaltstellung durch eine Magnetisierung
angezogen hält und dabei die Kontakte schließt, daß aber die Magnetisierung aufgehoben
wird und dadurch der Anker unter dem Druck von Federn abfällt und die Kontakte geöffnet
werden, sobald ein Wechselstrom ausreichender Stärke nur eine der Kontaktbrücken
als Fehlerstrom (Differenz der Wechselströme) durchfließt. Die Magnetisierung des
Magnetjochs kann durch in das Joch eingebaute Dauermagnete erfolgen oder durch Magnetspulen,
die auf den Schenkeln des Joches angebracht sind, oder durch gemeinsame Verwendung
beider Mittel. Bei der Magnetisierung durch Dauermagnete allein muß der Anker durch
die Betätigung einer Handhabe in die Einschaltstellung bewegt werden, während bei
der Verwendung von Magnetspulen diese zweckmäßig durch einen Gleichstromimpuls den
Anker in die Einschaltstellung ziehen. Der Anker kann danach durch Haftmagnetismus
(Remanenz), durch einen weiterfließenden schwächeren Gleichstrom oder durch die
erwähnten Dauermagnete in der Einschaltstellung gehalten werden. Die hierzu benötigten
elektrischen Schaltelemente und mechanischen Mittel sind bekannt.
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Ein Schutzschalter nach der Erfindung hat gegenüber den bisherigen
Schaltern folgende Vorteile: Außerordentlich geringer Aufwand an technischen Mitteln,
also an Lohn und Material; sehr einfacher und robuster Aufbau, daher geringer Raumbedarf
und geringe Störanfälligkeit; Unempfindlichkeit gegen Rost und ölverharzung, gegen
Blitz und Netzspannungsschwankungen; größte Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindungen,
da die starken Drähte entfallen, die sonst als Primärseite im Ringwandler zwischen
Anschlußklemmen und Schalterkontakten eingebaut werden müssen.
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Die Ausbildung von Magnetjoch und Anker richtet sich einerseits nach
der Größe der Ansprechempfindlichkeit, also des Fehlerstroms, der zur Auslösung
führen soll (Grenzfehlerstrom), andererseits nach der Erschütterungsfestigkeit,
die von dem Schalter gefordert wird. Ausführungsbeispiele von Schaltern nach der
Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen
zeigt Abb. 1 die Vorderansicht des Schalters mit U-förmigem Joch und fünf Kontaktbahnen
in einem Anker einfachster Farm unter Fortlassung der Anschlußklemmen, Abb.2 eine
Ansicht des gleichen Schalters von oben, Abb. 2 a eine der Abb. 2 entsprechende
Ansicht in der Ausführung als Motorschutzschalter oder überlastungsschutzschalter,
Abb. 3 eine Ansicht des Schalters nach Fig. 1 und 2 von der Seite, Abb. 4 ein E-förmiges
Joch mit einer Spule und zwei Dauermagneten, Abb. 5 einen Anker für drei Kontaktbahnen
mit Innen- und Außenring, Abb. 6 einen Anker für drei Kontaktbahnen mit zwei übereinanderliegenden
Ringen, Abb. 7 die Ansicht eines Teilausschnittes des Ankers nach Abb. 1, mit einer
Kontaktbrücke, die mit drei Windungen durch das Innere des Ankers geht, Abb.8 die
in Abb.7 eingebaute wendelförmige Kontaktbrücke seitlich auseinandergezogen und
in isometrischer Projektion.
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Das U-förmige Joch 1 in Abb.1 ist mit zwei Magnetspulen 11 versehen,
die von einem Gleichstrom durchflossen werden, der impulsartig zu einer einmaligen
Magnetisierung des Joches 1 dienen oder mit geringerer Stärke auch dauernd fließen
kann. Die Magnetisierung kann durch den Dauermagnet 10 unterstützt oder aufrechterhalten
werden. Der Anker 2 besteht im wesentlichen aus dem Ankerring 2a, der zum Erreichen
einer hohen Ansprechempfindlichkeit aus dünnem, weichmagnetischem Band mit hoher
Anfangspermeabilität gewickelt ist. Sein Inneres ist mit Isoliermaterial 3 ausgekleidet,
in dem die von den Federn 4 getragenen Kontaktbrücken 5 in senkrechter Richtung
beweglich liegen. Ihre Enden sind mit Silbernieten 6 oder Silberauflagen versehen,
die in der Einschaltstellung des Schalters gegen die in Abb. 2 und 3 gezeigten Kontaktstücke
7 an den Anschlußklemmen 8 drücken. Die das Abfallen des Ankers 2 unterstützenden
Federn 9 können mit einer Einstellvorrichtung versehen werden, z. B. in Form von
Druckschrauben im Querbalken des Joches 1, mit denen Ungleichmäßigkeiten der Federn
9 oder Unterschiede in den Feldstärken der Dauermagnete 10 ausgeglichen werden können.
Das Isoliermaterial 3 kann in den Ankerring 2 a eingepreßt oder eingespritzt werden.
Es kann aber auch aus mehreren Teilen bestehen, die ineinandergeschachtelt werden.
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Zur Vermeidung einer unerwünschten Entmagnetisierung empfiehlt es
sich bei einem Drehstromnetz mit Mittelpunktleiter, dessen Durchführung durch den
Anker in zwei Bahnen aufzuteilen, deren Kontaktstücke b und d zwischen
je zwei Kontaktstücken der drei Phasenleiter a, c und e liegen. Abb. 2 zeigt diese
Anordnung, bei der der aufgeteilte Mittelpunktleiter an die Anschlußklemmen 8 d
und 8 f zu legen ist. In einem Netz mit reinem Drehstrombetrieb ist diese Maßnahme
überflüssig. Dort genügen drei Kontaktbrücken, wie sie in den Abb. 5 und 6 dargestellt
sind.
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Damit ferner keine Entmagnetisierung des Ankerringes 2 a und dadurch
eine verminderte Haftung des Ankers 2 am Joch 1 schon durch starke mehrphasige Wechselströme
auch bei nicht fließendem Fehlerstrom eintreten kann, ist es zweckmäßig, die von
den Kontaktbrücken 5 ausgehende Induktion durch Anbringen eines Streifens 12 aus
diamagnetischem Material gegen die am Joch 1 anliegende Seite des Ankerringes 2a
abzuschirmen. Die magnetische Abschirmung wird noch wirksamer, wenn nach Abb. 5
der Ankerring 2a in einem äußeren Ring 13 liegt, von dem er durch eine diamagnetische
Abschirmung 15 getrennt ist. Die eigentlichen Netzströme heben sich dann innerhalb
des Ankerringes 2 a auf, solange kein Fehlerstrom fließt. Die Induktion eines Fehlerstromes
vom Ankerring 2a auf den äußeren Ring 13 erfolgt im wesentlichen durch ein Rohrstück
14 aus gut leitendem Material, das durch die Innenseiten der Ringe 2 a und 13 geht.
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Eine noch wirksamere magnetische Abschirmung wird durch eine Ausführung
nach Abb. 6 erzielt, bei der der Ankerring 2 a unter einem zweiten Ring 16
aus weichmagnetischem Material befestigt ist, von diesem durch die Abschirmung 18
magnetisch getrennt und mit ihm durch das Rohrstück 17 aus gut leitendem Material
induktiv verbunden. Die Ausführungen nach Abb. 5 und 6 ergeben ferner die Möglichkeit,
die beiden Ringe aus Weicheisenstoffen mit verschiedenen
magnetischen
Eigenschaften und unter Einsatz verschieden großer Stoffmassen anzufertigen, so
z. B. den eigentlichen Ankerring 2a aus Weicheisen mit hoher Anfangspermeabilität
und den Ring 13 oder 16 aus Weicheisen mit hoher Koerzitivfeldstärke.
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Das in Abb. 4 dargestellte E- -förmige Joch 1 a kann an Stelle des
in Abb. 1 gezeigten U-förmigen Joches 1 verwendet werden. Es wird dann zweckmäßigerweise
mir mit einer Magnetspule 11 a, aber mit zwei Dauermagneten 10 a ausgerüstet. Das
für das Joch 1 oder 1 a verwendete Weicheisen wird für die Wirkung des Schalters
am günstigsten sein, wenn es eine möglichst hohe Koerzitivfeldstärke hat.
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Zum Verbessern der Ansprechempfindlichkeit können die Kontaktbrücken
5 mit je zwei und mehr Windungen versehen sein, die als Primärleitungen eines Wandlers
durch das Innere des Ankers führen. Ein Ausführungsbeispiel einer Kontaktbrücke
mit drei Windungen ist in den Abb. 7 und 8 dargestellt. Abb. 7 zeigt die Ansicht
eines Teilausschnittes des Ankers 2 nach Abb. l . Die Kontaktbrücke 5 hat hier die
Form einer Wendel 19, die aus hochkant gewickeltem Kupferband hergestellt sein kann,
hier aber mit Rücksicht auf eine einfachere Fertigung aus drei Stanzteilen 20, 21
und 22 besteht, die durch Schrauben, Niete oder Schweißungen miteinander verbunden
sind. Die drei Windungen werden im Innern des Ankers 2 durch ein Isolierstück 23
geführt und voneinander und gegen die Feder 4 isoliert. Abb. 8 zeigt die in Abb.
7 eingebaute wendelförmige Kontaktbrücke seitlich auseinandergezogen und in isometrischer
Projektion.
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Das nicht beschriebene und nicht dargestellte Schaltergehäuse, das
zur Aufnahme des Joches 1, zur Führung des Ankers 2 und zur Aufnahme der Anschlußklemmen
8, der Betätigungshandhaben, einer Prüfeinrichtung und anderer Betriebsmittel bekannter
Art dient, kann in Anlehnung an bekannte Konstruktionen entsprechend der gewünschten
Schutzart und den gewünschten Ein- und Aufbaumöglichkeiten gestaltet werden.
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Ein Schalter nach der Erfindung kann auch für die verschiedensten
anderen Zwecke eingesetzt werden: Hierzu wird insbesondere auf Abb. 2 a Bezug genommen,
und zwar kann danach ein Schalter nach der Erfindung als Schutzschalter verwendet
werden, wenn entsprechend der Abb. 2 a mit den ausgezogenen Linien der Phasenleiter
a an den an beiden Seiten aus dem Ankerring 2 herausragenden Enden überbrückt wird
unter Zwischenschaltung eines geeigneten Schalters 25. Bei Ausbildung als Motorschutzschalter
wird für den Schalter 25 beispielsweise ein thermisches oder elektromagnetisches
Schütz verwendet, das eine der durch den Kontaktring führenden Kontaktbrükken überbrückt,
so daß das Gleichgewicht der Ströme durch den Ankerring gestört wird.
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Soll der Schalter nach der Erfindung und entsprechend der Abb. 2 a
als Überlastungsschutz dienen, so wird für den Schalter 25 ein Thermoschalter angeordnet,
der beispielsweise aus einem Bimetallstreifen besteht, der zwischen zwei Schaltkontakten
hin- und herpendelt entsprechend seiner Erwärmung bzw. entsprechend dem Stromdurchgang.
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Weiterhin läßt sich ein Schalter entsprechend der Abb. 2 a als Notschalter
ausbilden, indem nach den gestrichelt angedeuteten Linien ein überbrückungswiderstand
zwischen den Eingang eines Strompfades zu dem Ausgang eines anderen Strompfades
geschaltet wird. Zweckmäßig liegt dieser überbrückungswiderstand 26 in Reihe mit
einem Schalter oder Ausschaltknopf 25. Die Kontaktgabe kann auch durch die Prüftaste
am Fehlerstromschutzschalter erreicht werden.
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Als Endschalter läßt sich ein Schalter nach der Erfindung entsprechend
der Abb. 2 a derart ausbilden, daß, ebenfalls wie beim Notschalter, ein Überbrükkungswiderstand
26 mit einem Schalter 25 oder einem Schaltknopf verwendet wird. In diesem Falle
wird der Betätigungsknopf bzw. der Schalter 25 jedoch beispielsweise in der Endstellung
eines Aufzuges oder einer Maschine angeordnet. Bei der Ausbildung als Motorschutzschalter
kann der mit dem Widerstand 26 in Reihe geschaltete Schalter 25 durch ein Motorschutzrelais
betätigt werden. Bei der Ausbildung als Fehlerspannungsschutzschalter kann die Kontaktgabe
durch eine Auslösespule vorgenommen werden.
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Es ist ohne weiteres zu erkennen, daß bei diesen weiteren Ausführungsarten
bei Betätigung des Schalters 25 durch den Ankerring 2 bzw. 2a ein Differenzstrom
fließt, der die Magnetisierung des Ankerrings aufhebt und damit den Anker unter
dem Druck von Federn abfallen läßt und die Kontakte öffnet. Ein Schaltgerät nach
der Erfindung ist also mit nur ganz geringen Änderungen in außerordentlich großem
Umfang und für die verschiedensten Gebiete anwendbar.