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Schaltmechanismus für einen aufschaltschweißsicheren Schalter In der
Kleinselbstschaltertechnik geht die Tendenz der Entwicklung dahin, möglichst aufschaltschweißsichere
Geräte zu bauen, damit die Schutzaufgaben, denen diese Schaltgeräte zugeordnet sind,
sicher erfüllt werden. Eine besondere Art der Kontaktverschweißungen sind die sogenannten
Aufschaltverschweißer, das sind Kontaktverschweißungen, die entstehen, wenn ein
durch Kurzschluß oder überstrom ausgelöstes Gerät wieder auf den noch vorhandenen
Kurzschluß oder auf den noch bestehenden überstrom aufgeschaltet wird.
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Diese Verschweißungen treten hauptsächlich dann auf, wenn bei der
Kontaktberührung infolge einer wenig vorgespannten Kontaktdruckfeder die Anfangskontaktkraft
kleiner ist als die bei einer Kurzschlußaufschaltung auftretenden, von den Kontakten
um die Berührungsstelle querfließenden Ströme verursachten dynamischen Abhebkräfte.
Zu dieser Erscheinung kommt erschwerend die Funktion »Zeit« hinzu, d. h., je länger
der Zwischenzustand von Kontaktberührung bis zur vollen Kontaktkraft andauert, desto
öfter kann ein dynamisches Abheben und Wiederzurückfallen der Kontakte stattfinden,
und um so sicherer tritt eine Verschweißung ein.
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Die meisten der heute gebauten Kleinselbstschalter werden mit einer
vom Bedienenden abhängigen Einschaltgeschwindigkeit betätigt. Durch ein entsprechend
langsames Einschalten können die Kontakte mit Sicherheit zum Verschweißen gebracht
werden.
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Ein typisches Kraft-Weg-Diagramm dieser Einschaltcharakteristik zeigt
in der A b b. 1 Kurve I. Der langsam aufsteigende Ast rührt von der Kontaktöffnungsfeder
her, die Kraftzunahme nach der Kontaktberührung von der Kontaktdruckfeder. Diese
Kräfte überschreiten, bedingt durch die Hebelstellungen der Schaltwerkhebel, einen
Höhepunkt und fallen dann bis zur beendeten Einschaltung auf Null zurück.
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Es wurde schon versucht, die Schweißneigung durch besonderes Kontaktmaterial,
wie z. B. Bleisilber- oder Graphitsilberlegierungen zu beseitigen bzw. herabzusetzen.
Diese Kontakte sind jedoch nur so lange schweißsicher, wie auch tatsächlich dieses
Kontaktmaterial vorhanden ist. Die Kontaktwerkstoffe sind sehr weich und werden
schon nach wenigen Kurzschlußabschaltungen weitgehend abgebrannt. Wird dagegen stärkeres
Kontaktmaterial verwendet, so ist nach wenigen Kurzschlußabschaltungen schon so
viel Material abgebrannt, daß die beweglichen Kontakte die festen Kontakte nicht
mehr voll erreichen.
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Es sind weiterhin Schalter bekannt, die eine Schnelleinschaltung,
also ein sogenanntes Sprung-Schaltwerk besitzen. Bei diesen Schaltern treten keine
Aufschaltverschweißungen mehr auf, da die Zeit von der Kontaktberührung bis zur
Einschaltstellung sehr kurz ist. Die Einschaltzeit muß möglichst kurz sein, damit
den dynamischen Kräften sofort die maximalen Kontaktdrücke entgegenstehen. Diese
Schalter besitzen allgemein den Nachteil, daß ihr Sprungschaltwerk ein
sehr aufwendiges Gebilde mit vielen Hebeln und Federn darstellt. Bei der
Kleinheit der heutigen Geräte, besonders der Leitungsschutzschalter, läßt sich ein
solcher Mechanismus nicht mehr in dem vorhandenen Raum unterbringen. A b b. 1, Kurve
II zeigt das Kraft-Weg-Diagramm für diese Art Einschaltung. Die Kurve steigt langsam
und hat ihren Kulminationspunkt an der Stelle der Kontaktberührung und fällt danach
wieder auf Null zurück.
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Eine weitere Variante der Einschaltung, wie sie auch in Kleinselbstschaltern
ausgeführt ist, zeigt die A b b. 1, Kurve III. Es handelt sich dabei um ein Kniehebelschaltwerk,
bei dem die Hebelstellung der Kniehebel so gewählt ist, daß im Anfang der Bewegung
große Reibungskräfte auftreten. Damit soll erreicht werden, daß nach Überwindung
der großen Anfangskraft die Hand des Bedienenden bis zum Einschaltpunkt »durchfällt«.
Es wird dann von einer sogenannten »Quasischnelleinschaltung« gesprochen, die jedoch
in der Praxis nie erreicht wird, weil bei der Kontaktberührung noch die zusätzliche
Kraft der Kontaktdruckfeder hinzukommt. Diese Gegenkraft bewirkt eine Hemmung der
Einschaltbewegung. Zum vollständigen Einschalten wird demnach eine weitere Kraftaufwendung
benötigt, d. h., bei der Kontaktberührung tritt der schon eingangs erwähnte Nachteil
auf, daß die Einschaltgeschwindigkeit wieder von der Hand des Bedienenden abhängt.
Es liegt zwar nahe, die Stellung der Kniehebel so zu legen, daß die Reibkräfte bei
Bewegungsbeginn größer als die Kräfte bei Kontaktberührung plus der Kontaktfedergegenkraft
sind.
Das läßt sich in der Praxis jedoch nicht erreichen, da einerseits zur Beherrschung
der Schaltleistung große Kontaktkräfte benötigt werden und andererseits bei der
Stellung der Kniehebel, bei der sehr große Kräfte entstehen, die Kniehebel durch
die normalen Fertigungstoleranzen leicht in den Bereich der Selbsthemmung oder sogar
in die Totpunktlage kommen, wodurch eine Einschaltung bzw. Wieder-Ausschaltung unmöglich
würde.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die aufgezeigten Mängel der bestehenden
Schaltsysteme zu beseitigen. Gegenstand der Erfindung ist ein Schaltmechanismus
für einen aufschaltschweißsicheren Schalter, insbesondere einen Installationsselbstschalter,
mit einem Kniehebelsystem und einem drehbar gelagerten Schalthebel, der einerseits
mit dem Kniehebelsystem gelenkig verbunden ist und dessen Gegenseite auf ein Schaltstück
einwirkt oder dieses trägt. Erfindungsgemäß wechselt der Drehpunkt des Schalthebels
beim Einschaltvorgang im Augenblick der Kontaktgabe von einer Lage zwischen dem
Anlenkpunkt des Kniehebels und dem des Schaltstückes auf den Anlenkpunkt mit dem
Schaltstück oder auf die Kontaktberührungsstelle, d. h., der Schalthebel wechselt
von einem zweiarmigen in einen einarmigen Hebel. Durch die erfindungsgemäße Anordnung
des Angriffspunktes einer Feder zwischen dem Anlenkpunkt des Kniehebels und dem
diesen am nächsten gelegenen Drehpunkt des Schalthebels wirkt die Feder sowohl als
Kontaktdruck- wie als Kontaktöffnungsfeder.
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Der dem Kniehebelanlenkpunkt am nächsten gelegene Drehpunkt kann von
.einem am Schalthebel angeordneten Bolzen gebildet sein, der zweckmäßigerweise in
einem Langloch der Platine gelagert ist und nach der Verlegung des Drehpunktes an
der Kante des Langloches geführt sein kann. Ist der Schalthebel mit einem geführten
Schaltstück gelenkig verbunden, so bedarf dieser Bolzen keiner Führung, und es kann
lediglich ein Anschlag an der Platine für diesen vorgesehen sein.
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Um der idealisierten Kurve IV nach F i g. 1 am nächsten zu kommen,
kann durch eine nah beieinanderliegende Anordnung der Drehpunkte und/oder des Bolzens
für die Feder und des Kniehebelanlenkpunktes eine Änderung des Hebelverhältnisses
bei einem Drehpunktwechsel klein gehalten werden.
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Die beim Einschalten des Schalters der Schalthebelbewegung entgegenarbeitende
Feder kann als Zug- oder als Druckfeder ausgebildet sein. Um einen steilen Kraftanstieg
zu Beginn des Schaltvorganges am Betätigungsglied zu erhalten, kann die Wirklinie
eines Zwischenhebels zu der des am Auslösehebel angeordneten Kniehebels in bekannter
Weise einen spitzen Winkel bilden, der sich während des Einschaltvorganges vergrößert.
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Die sich aus der Erfindung ergebenden Vorteile gegenüber den bekannten
Ausführungen sind, daß als Kontaktdruckfeder und Kontaktöffnungsfeder nur eine Feder
erforderlich ist. Diese Feder kann außerdem in der Einschaltphase bis zur Kontaktberührung
sehr stark gespannt werden, so daß das Abheben des Schaltstückes durch die im Kurzschlußfali
auftretenden dynamischen Kräfte bei der Kontaktberührung infolge der bereits hohen
Vorspannung unterdrückt wird, wodurch das Aufschaltschweißen weitgehend verhindert
wird. Durch den spitzen Winkel zwischen der Wirkungslinie eines Kniehebels und der
Verbindungslasche mit dem Betätigungsglied wird der für eine Momentschaltung günstige
steile Anstieg der Betätigungskraft erreicht. Hinzu kommt, daß durch den Drehpunktwechsel
des Schalthebels und durch eine günstige Gestaltung des Hebelverhältnisses ein zweiter
Anstieg der Betätigungskraft bei der Kontaktberührung auf ein Minimum beschränkt
wird, so daß das Sprungverhalten gewahrt bleibt und ein langsames Schalten praktisch
ausgeschlossen ist.
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Neben diesen die Einschaltung begünstigenden Eigenschaften ergeben
sich weitere bei der Kontaktöffnung sich auswirkende Vorteile. So können die Drehpunkte
derart zueinander angeordnet sein, daß durch die bei einer Entklinkung zur Kontaktöffnungsfeder
gewordene Kontaktdruckfeder das Kniehebelsystem stark beschleunigt wird, bevor der
Kontakt öffnet und durch die so aufgebaute kinetische Energie der Kontakt aufgerissen
wird, was günstige Abschaltverhältnisse ergibt.
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In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Es zeigt A b b. 1 die schon erwähnten Einschaltcharakteristiken der Selbstschalter
als Kraft-Weg-Diagramm, A b b. 2 die Ausschaltstellung, A b b. 3 die Stellung
bei der Kontaktberührung, A b b. 4 die Einschaltstellung, A b b: 5 die frei ausgelöste
Stellung des Schaltmechanismus und A b b. 6 eine weitere Variante der Erfindung.
Die Wirkungsweise des Schaltwerkes wird nachstehend erläutert: Zwischen zwei Metall-
oder Kunststoffplatinen 1 wird durch Fingerdruck ein Druckknopf 2, der mit Führungsnasen
3 in einer Führungsbahn 4 der Platinen 1 geführt wird, nach unten bewegt. In dem
Druckknopf 2 ist ein Bolzen 5 gelagert, an dem eine Verbindungslasche 6 angelenkt
ist. Diese bildet mit den Hebeln 7 und 8, die durch einen Bolzen gelenkig verbunden
sind, ein Kniehebelsystem. Mit dem Hebel 8 ist ein Auslösehebel 10 mittels eines
Bolzens 11 gelenkig verbunden. Dieser Auslösehebel 10 ist auf einer Festachse
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gelagert und stützt sich mit seinem freien Ende 13 an der Auslöseklinke
14 ab, die ihrerseits auf einer Festachse 15 gelagert ist. An dem anderen Hebel
7 des Kniehebelsystems ist ein Schalthebel 16 über einen Bolzen 17 angelenkt.
Der Schalthebel 16 ist mit einem Bolzen 28 in einem Langloch 18 der Platinen 1 gelagert.
Mit seinem anderen Ende 19 greift der Schalthebel 16 in ein bewegliches Schaltstück
20 ein und steuert dessen Bewegung. Das bewegliche Schaltstück 20 sitzt mit einem
Festkontakt 21 in einer Schaltkammer 22. Zwischen der Festachse 12 und einem Haltebolzen
23, der am Schalthebel 16 zwischen dem Anlenkpunkt 17 und dem Bolzen 28 befestigt
ist, ist eine Zugfeder 24 gespannt. Durch die Federkraft wird der Schalthebel
16 mit seinem Bolzen 28 gegen das eine Ende des Langloches 18 gezogen, und
der Bolzen 28 wird zum Drehpunkt des Schalthebels, solange das Ende 19 sich frei
bewegen kann.
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Bei Beginn der Einschaltung ist der aus der Lasche 6 und dem Kniehebel
8 gebildete Winkel a klein. Dadurch sind die Kräfte zur Überwindung der Lagerreibungen
sehr groß. Es findet ein Kraftanstieg nach Kurve IV der A b b. 1 statt. Bei der
weiteren Bewegung nähert sich das bewegliche Schaltstück 2(1
dem
Festkontakt 21, und bei der Kontaktberührung wird das untere Ende 19 des Schalthebels
16 zum Drehpunkt desselben. Es ändern sich also bei der Kontaktberührung die Hebelverhältnisse
am Schalthebe116. Vor der Kontaktberührung ist ein Bolzen 28 Drehpunkt des Schalthebels
16. Der Schalthebel 16 bildet also einen zweiarmigen Hebel, wobei die Kraft der
Feder 24 an dem Schalthebel 16 drehend wirkt und, bezogen auf dessen unteres Ende
19, das das bewegliche Schaltstück 20 steuert, auf diesen öffnend zu wirken sucht.
Im Moment der Kontaktgabe, d. h., wenn das untere Ende 19 durch die Kontaktgabe
in seiner Bewegung gehemmt wird, wird dieses untere Ende 19 zum Drehpunkt des Schalthebels
16, und dieser wird zum einarmigen Hebel.
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Die Kraft der Feder 24 wirkt jetzt an dem unteren Ende 19 des Schalthebels
16 nicht mehr drehend, sondern ziehend. Der Schalthebel wird zu einem belasteten
Träger auf zwei Stützen, von denen der Drehpunkt 19 die eine Stütze bildet. Dadurch
wird die Feder 24 jetzt zur Kontaktdruckfeder. Im Augenblick der Kontaktberührung
findet keine wesentliche Krafterhöhung am Einschaltdruckknopf statt, insbesondere
dann nicht, wenn die Drehpunkte 19, 28 bzw. der Haltebolzen 23 der Feder 24 und
der Anlenkpunkt 17 nahe beisammen liegen. Bei der weiteren Einschaltbewegung schiebt
sich der Bolzen 17 weiter in das Langloch 18, und zwar so weit, bis die Kniehebel
? und 8 über die Totpunktlage gebracht sind und das System sich hält. Das Maß für
die Totpunktlage der beiden Kniehebel ? und 8 ist die untere Kante 25 der Führungsbahn
4, auf der die Führungsnasen 3 anschlagen. Es ist jetzt die Einschaltstellung nach
A b b. 4 erreicht.
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Der Schaltmechanismus besitzt eine Freiauslösung nach A b b. 5. Ein
Ansprechen des nicht gezeichneten Überstrom- oder Kurzschlußauslösers bewirkt eine
Bewegung der Auslöseklinke 14 in Pfeilrichtung. Dadurch wird der Auslösehebe110
frei und bewegt sich in die gezeichnete Lage. Die jetzt als Kontaktöffnungsfeder
wirkende Feder 24 zieht das bewegliche Schaltstück in seine Ausgangsstellung zurück.
Eine nicht gezeichnete Rückholfeder schiebt das entlastete Kniehebelsystem einschließlich
Einschaltdruckknopf 2 zurück in die verrastete Ausstellung (A b b. 2).
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A b b. 6 zeigt eine Variante des Systems. An Stelle der Zugfeder 24
wird eine Druckfeder 26, die einerseits an dem Kontaktträgerhebel16, andererseits
an einem Festanschlag 27 gelagert ist, zur Erreichung der CSffnungs- und Kontaktkräfte
verwendet.