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Sohaltgerät, insbesondere Schütz mit permanenten Magneten zur Erzeugung
des Blasfeldes.
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Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden amerikanischen
Patentanmeldung Serial No. 463, 912 vom 22.10.54 beansprucht. Die Erfindung betrifft
elektrische Schalter oder Schütze mit permanentmagnetischer Blaseinrichtung für
die Lichtbogenlöschung.
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Es sind bereits zahlreiche Einrichtungen zum Löschen des Lichtbogens
bekannt, der bei der Trennung der beweglichen Kontakte von. den feststehenden Kontakten
eines Schalters entsteht. Man kann diese Einrichtungen in zwei Kategorien einteilen
bei der ersten wird der Lichtbogen durch Verzerrung des Lichtbogenmagnetfeldes zwischen
Eisenplatten (Löschbleche) in der Nhe des Lichtbogenmagnetfeldes gelenkt und gelöscht,
bei der zweiten wird ein Fremdmagnetfeld, das mit dem Lichtbogenmagnetfeld gekuppelt
ist, verwendet, um den Lichtbogen zu verdrängen und seine Löschung zu beschleunigen.
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Bei der zweiten der obengenannten Kategorien sind Mittel zur. Erzeugung
eines Magnetfeldes erforderlich. Viele bekannte Anordnungen
benutzen
z. B. eine Blasspule, die in Abhängigkeit von dem Lichtbogenstrom erregt werden
kann, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das seitlich von dem Lichtbogen verläuft, und
eine zweite Anordnung benutzt Dauermagnete aus Metall als Ersatz für die Blasspule.
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Jedes dieser Hilfsmittel vergrößert den Umfang und die Kompliziertheit
der Anordnung.
| -er oder Draht |
| Die meisten SchUtZe verwenden eine mit Flachkupfer oder Draht |
gewickelte Blasspule je Unterbrechungskontakt. Der Strom durchfließt die Blasspule,
die von den Lichtbogenhörnern und den Klemmen isoliert sein muß. Die Spulen bestehen
im allgemeinen aus einem Eisenkern, dessen Enden mit eisernen Feldplatten (Blasblechen)
in Berührung stehen, von denen letztere benutzt werden, um den Lichtbogen durch
das magnetische Blasfeld aus dem Spalt zwischen den Kontakten heraus in die Lichtbogenkammer
zu treiben.
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Da die wirksame Isolierung zwischen der Blasspule und den Eisenteilen
verhältnismäßig klein ist, ist es im allgemeinen erforderlich, reichlichen Zwischenraum
oder kräftige Isolierungen zwischen Kontaktteilen entgegengesetzter Polarität vorzusehen,
um der Möglichkeit eines Versagens des Schalters nach kurzer Betriebszeit vorzubeugen.
Blasspulenwicklungen sind häufig die stärkste Wärmequelle in einem Schütz und tragen
oft zu einer Überhitzung der Kontakte bei. Infolge dieser hohen Betriebstemperatur
ist es notwendig, alle Punkte in der Blasspulenkonstruktion hart zu löten, um eine
gute elektrische Leitfähigkeit an diesen Punkten zu erzielen und eine Überhitzung
der Verbindungsstellen auf ein Mindestmaß zu verringern. Bei Anordnungen der eben
beschriebenen Art, die Kontakte mit einer einzigen Unterbrechungsstelle verwenden,
benutzt man im allgemeinen eine biegsame Verbindung zwischen dem beweglichen Kontakt
und einer der Schalterklemmen. Diese biegsamen Verbindungen sind häufig eine Quelle
mechanischer Störungen. Aus Gründen der Vereinfachung werden sie im allgemeinen
mit dem Magnetanker und dem Rahmen des SchUtzes verbunden. Diese Anordnungen machen
es sehr schwierig, das Schütz auf irgend etwas anderem als auf einer Isolierplatte
zu montieren.
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Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, Anordnungen der beschriebenen
Art zu verbessern und zu vereinfachen und gleichzeitig ein Schaltgerät (Schütz)
zu schaffen, das für den Betrieb
mit Wechselstrom oder Gleichstrom
geeignet ist.
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Dementsprechend ist es auch ein allgemeiner Zweck der Erfindung einen
verbesserten Schalter zu schaffen, der bezüglich seiner Nennleistung klein und billig
ist.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsformen des Schütze nach der
Erfindung beispielsweise dargestellt.
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Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Schützes nach der Erfindung,
teilweise im Schnitt, Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungform,
teilweise im Schnitt ; die Figuren 3 und 4 zeigen in jeweils perspektivischer Ansicht
Bestandteile der Unterbrechungseinrichtungen nach den Figuren 1 und 2.
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In den Figuren 1 und 3 ist ein Schütz nach der Erfindung mit horizontaler
Kontaktanordnung und mit zwei Unterbrechungsstellen, den Kontaktstücken 3 bzw. 5
und mit einer beweglichen Kontaktbrücke 1 dargestellt. Die Kontaktbrücke ist in
ihrem mittleren Teil mit einander gegenüberliegenden Schlitzen versehen, die die
Schenkel eines Joches 7 aufnehmen, das seinerseits auf einem Streifen 9 angeordnet
ist, der von einer beweglichen Stütze 11 getragen wird, die in irgendeiner geeigneten
Weise betätigt werden kann. Die Stütze 11 kann z. B. aus Isolierstoff hergestellt
und auf dem Anker eines Elektromagneten befestigt sein, dessen magnetisches Feld
zur Betätigung des Ankers dient. Der Anker steht unter Federspannung, um ihm bei
Entregung des Elektromagneten eine positive Vorspannung zu einer gegebenen Stellung
zu geben. Die bewegliche Kontaktbrücke steht unter der Spannung einer Druckfeder
14, welche die Kontaktbrücke gegen Anschläge am Ende des Joches drückt.
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Die Kontaktstücke 3 und 5 der beweglichen Kontaktbrücke sind gegenüber
einem Paar horizontal nebeneinander liegender, feststehender Kontakte 13 und 15
angeordnet. Diese feststehenden Kontakte sind an den nicht abgestützten Enden eines
Paares bandförmiger Leiter 17 und 19 befestigt, die im allgemeinen J-förmige Gestalt
haben.
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Diese Leiter sind an dem senkrechten Schenkel 21 einer L-förmigen
Grundplatte 23 aus elektrisch isolierendem Material befestigt.
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Die senkrechten Schenkel der J-förmigen Leiter reichen zu einem Punkt
neben dem oberen Ende des senkrechten Schenkels 21 der
Grundplatte
und haben bohrungen 25 zur Herstellung elektrischer Verbindungen. Mit dieser Anordnung
wird eine doppelte Unterbrechung im Stromkreis zwischen den J-förmigen Leitern an
den jeweiligen Paaren der zusammenwirkenden Kontakte 3, 13 und 5, 15 vorgesehen,
so daß die Notwendigkeit für biegsame Verbindungen oder andere gleichwertige Hilfsmittel
entfällt, wie sie bei Anordnungen erforderlich sind, die Kontaktkonstruktionen mit
nur einer Unterbrechungsstelle haben. Zu der Grundplatte 23 gehört eine mittlere
isolierende Sperrwand 27, die mit dem senkrechten Schenkel 21 und dem horizontalen
Schenkel 29 aus einem Stück hergestellt sein kann und die zwischen den jeweiligen
feststehenden Kontakten und den mit ihnen verbundenen bandförmigen Leitern angeordnet
ist, um zwischen diesen eine elektrisch isolierende Sperre zu schaffen.
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In das Schaltgerät ist eine Lichtbogenkammer 31 eingebaut, die aus
irgendeinem kaltgepreten Isolierstoff (Kunststoff) oder aus keramischem Werkstoff
bestehen kann ; in diese sind Dauermagnete 33 und 35 eingelegt, die aus Fig. 3 zu
ersehen sind. Diese Einsatzstücke können innerhalb oder außerhalb der Seitenwände
der Lichtbogenkammer angebracht sein. Sie sind entweder aus dem üblichen metallischen
Dauermagnetwerkstoff hergestellt oder auch aus elektrisch isolierendem, keramischem
Dauermagnetwerkstoff. Letzterer kann eine magnetische Oxydmischverbindung aus der
Gruppe
| Ba0. 6Fe203' PbO. 6Fe203 und SnO. 6Fe203 sein. Diese magnetischen |
Binsatzstücke schaffen ein sehr gleichförmiges und starkes Magnetfeld, um den Lichtbogen
auszublasen, der entsteht, wenn die Kontakte getrennt werden.
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Da kein Platz für eine Blasspule benötigt wird, so kann der vorhandene
Raum wirksam ausgenutzt werden, um die Länge der Lichtbogenhörner zu vergrößern,
in diesem Fall, der J-förmigen Bandleiter. Diese Lichtbogenhörner sind bei der Lichtbogenunterbrechung
viel wirkungsvoller als die üblichen L-förmigen Anordnungen, weil der untere Bogen
der J-förmigen Leiter derart gestaltet sein kann, daß der Lichtbogen ungefähr 50
bis 75% weiter gestreckt wird als mit den üblichen rmigen Anordnungen. Der Fortfall
der Blasspule macht es also möglich, den Raum wirtschaftlicher auszunutzen.
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Keramische Dauermagnetplatten besitzen einen. elektrischen Isolationswideratand
von etwa 10 Ohm je Kubikzentimeter und benötigen
keine zusätzliche
Isolierung zwischen den Klemmen und anderen unter Spannung stehenden Teilen. Diese
Magnete können leicht in geeignete Öffnungen oder Vertiefungen im Lichtbogenkasten
mit üblichen keramischen Kitten eingekittet werden. Die Kosten der keramischen Dauermagnete
sind um ein Vielfaches geringer als die eines vergleichbaren Magneten aus Metall,
beispielsweise aus einer Legierung von Aluminium, Nickel und Kobalt. Eine weitere
gute Eigenschaft dieses Materials ist seine hohe Hitzebestähdigkeit, die es ermöglicht,
die Dauermagnetplatten aus diesem Werkstoff in unmittelbarer Nähe der Kontaktstücke
anzuordnen ; dadurch wird das Magnetfeld wirkungsvoller zusammengezogen, die Lichtbögen
wirkungsvoller abgelenkt und deren Löschung erleichtert.
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Das Gerät besitzt ferner eine tassenförmige Lichtbogenkammer 37, die
unterhalb der feststehenden und der beweglichen Kontakte angeordnet ist und über
sie hinweggreift. Die feststehenden Kontakte und die bewegliche Kontaktbrücke liegen
innerhalb dieser Kammer in entsprechenden Abständen von deren Seiten und deren Boden.
Die Kammer ist aus magnetischem Material hergestellt und dient dazu, einen Lichtbogen
einzugrenzen und zu beschränken, der durch das Magnetfeld dorthin gelenkt wird ;
durch ihre Wirkung schwächt sie das Magnetfeld des Lichtbogens, im Bereich der Kammer,
so daß sich der Lichtbogen nicht aus der Kammer herausbewegen kann. Die Wirkung
einer solchen Lichtbogenkammer ist insoweit bekannt, als sie bewirkt, daß der Lichtbogen
in Teillichtbögen zerlegt wird, wobei der erste zwischen der beweglichen Kontaktbrücke
und dem Boden der Kammer und der zweite zwischen dem Boden der Kammer und den feststehenden
Kontakten und/oder dem Lichtbogenhorn an dieser Stelle brennt. Diese Aufteilung
des Lichtbogens hat eine Vielzahl von Lichtbogenfußpunkten zur Folge,, die eine
höhere Spannung zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens erfordern und infolgedessen
seine Löschung beschleunigen. Weiterhin bietet die Kammer zusätzliche Kühlflächen,
wodurch das Gerät kühler bleibt und die Lichtbogenlöschung beschleunigt wird.
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Die keramischen Dauermagnetplatten 33 und 35 sind reihenmäBig in magnetischer
Beziehung so gepolt, daß sie ein magnetisches Feld gleicher Richtung zwischen sich
erzeugen ; dieses ist von dem einen Ende der beweglichen Kontaktbrucke quer über
die beiden
Kontaktstellen zum anderen Ende der Kontaktbrücke gerichtet.
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Ist der Bandleiter 17 positiv und der Bandleiter 19 negativ, so fließt
der Strom im Lichtbogen, der bei der Trennung der Kontakte gezogen wird, von dem
feststehenden Kontakt 13 zu dem beweglichen Kontakt 3 durch die bewegliche Kontaktbrücke
von links nach rechts und dann von Kontakt 5 zu dem feststehenden Kontakt 15 und
zu dem Bandleiter 19. Unter der Annahme, daß das magnetische Feld infolge der Dauermagnetplatten
von links nach rechts gerichtet ist, wird der Lichtbogen, der zwischen den Kontakten
3 und 13 auftritt, in die Lichtbogenkammer hinein nach oben geblasen, während der
Lichtbogen, der zwischen den Kontakten 5 und 15 gezogen wird, nach unten gerichtet
ist und in die Lichtbogenkammer hineinschlägt. Der zwischen den Kontakten 3 und
13 gezogene Lichtbogen, der infolge des darauf wirkenden Magnetfeldes nach oben
gezogen wird, wird auch noch nach hinten über den J-förmigen Bandleiter 17 geblasen
und ist dabei bestrebt, sich nach oben zu bewegen und zwar entlang dem senkrechten
Schenkel des Bandleiters. Eine Öffnung 39 in der oberen Fläche der Lichtbogenkammer
neben den Bändern 17 und 19 dient dem Abzug der Lichtbogengase und einer Bewegung
des Lichtbogens längs dieser Teile der Bandleiter nach oben.
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Der nach unten abgelenkte Lichtbogen zwischen den Kontakten 5 und
15 wird erst nach unten gezogen und dann nach hinten unterhalb des J-formigen Leiters
19, was seine Löschung beschleunigt. Die Länge des Lichtbogens längs der unteren
Stirnfläche des Bandleiters 19 wird wesentlich vergrößert durch Entgasungslöcher
41, die das Entweichen von Lichtbogengasen gestatten und den Druck darunter möglichst
verringern. Bin ähnlicher Satz von Löchern ist in dem Bandleiter 19 vorgesehen.
Wird die Polarität der Bandleiter lungekehrt, so wird der zwischen den Kontakten
5 und 15 gezogene Lichtbogen in die Lichtbogenkammer hinein nach oben geblasen,
während der zwischen den Kontakten 3 und 13 gezogene Lichtbogen nach unten in die
Lichtbogenkammer geblasen wird. Im Hinblick auf diese Symmetrie ist der Schalter
auch für Wechselstrombetrieb gut geeignet, weil die Lichtbogenform bei der Trennung
der Kontakte von der augenblicklichen Polarität der Leiter im Augenblick der Trennung
der Kontakte abhängt.
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Die Gestaltung des Gehäuses kann z. B. die übliche sein ; das Gehäuse
kann mit Schlitzen versehen sein, z. B. dem Schlitz 43, der
durch
seine oberen und vorderen Flächen geht, um den Gasdruck, der durch die Lichtbögen
entsteht, in die Außenluft abzulassen. Das Gehäuse ist in geeigneten Nuten 45 geführt,
die im waagerechten Teil 29 der Grundplatte 23 vorgesehen sind und die die unteren
Seitenkanten aufnehmen. Das hintere Ende des Gehäuses ist für Entgasungszwecke offen
gelassen und die Seiten des Gehäuses umgreifen den senkrechten Schenkel 21 der Grundplatte.
Die in den Figuren 2 und 4 dargestellte Ausführungsform des Schalters nach der Erfindung
ist eine vereinfachte Bauart bei Verwendung des gleichen Löschprinzips. Teile in
Fig. 2, die denen in Fig. 1 entsprechen, tragen die gleichen Bezugsziffern. Bei
der Ausführungsform nach Fig. 2 ist nur ein Dauermagnet 47 für das Blasfeld angewendet
und die Kammer 37 nach Fig. 1 ist hier nicht erforderlich. Dies kann folgendermaßen
erklärt werden : Bei den zwei Magneten in den Figuren 1 und 3 ist das Feld zwischen
den Magneten gleichmäßig und die Plualinion gerade. Das Feld ist ziemlich stark
und bei einer gedrängten Schalterkonstruktion steht nicht viel Raum für Lichtbogen
zur Verfügung, die abwärts getrieben werden. Infolgedessen hilft bei einer solchen
Anordnung die tassenförmige Stahlblechkammer 37 den Lichtbogen zu steuern. Bei nur
einem Magneten hat das Feld eine andere Form. Bs verläuft in der gleichen allgemeinen
Richtung wie bei zwei Magneten, geht aber von einem Magnetpol im Bogen herum zum
anderen. Ist der Magnet daher zu hoch oder zu weit entfernt, von den feststehenden
Kontakten angesetzt, so ist die Feldrichtung umgekehrt zu der gevünschten Richtung.
Bei der gezeigten Anordnung ist die untere Kante des Magneten bezüglich der feststehenden
Kontakte in die günstigste Lage gestellt, um die beste Steuerung des unteren Lichtbogens
zu schaffen. Aus diesem Grunde kann die Stahlblechkammer fortgelassen werden und
der größere Teil der Abschaltung wird von dem aufwärts getriebenen Lichtbogen ausgeführt.
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Außer der Verringerung der Zahl der Teile bei der Anordnung nach Fig.
2 kann auch die Größe des Schalters verringert werden.
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Bei der in Fig. 1 veranschaulichten Ausführungsform müssen die einzelnen
Dauermagnete immer in Reihe geschaltet werden, d. h. Nord an Süd usw. Wird dies
nicht getan, so sind die Magnete einander
| entgegengesetzt und beide Lichtbogen gehen entweder nach oben
oder |
| nach unten, je nach der magnetischen Polarität. Wegen des ther- |
mischen Ansteigens der heißen Gase und der Entgasung der Lichtbogenkammer
31 ist es allgemein erwünscht, einen der Lichtbögen nach oben zu lenken. Bei der
in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform macht es keinen Unterschied, wie der Magnet
bezüglich seiner Polarität in der Grundplatte 23 angeordnet ist. Wie gezeigt, ist
der Dauermagnet 47 in einer Aussparung untergebracht, die in der Sperrwand 27a vorgesehen
ist, und zwischen die jeweiligen Bandleiter 17 und 19 gestellt. Wird die sichtbare
Stirnfläche des Magneten der Fig. 2, die mit"N"bezeichnet ist, als Nordpol angesehen,
dann ist das Magnetfeld von links nach rechts gerichtet ; ist der Bandleiter 17
positiv und der Bandleiter 19 negativ, so ergibt sich eine Lichtbogenablenkung,
die den Lichtbogen zwischen den Kontakten 13 und 3 nach oben bläst und jenen zwischen
den Kontakten 5 und 15 nach unten, wie bei den in Fig. 1 beschriebenen Magnetpolaritäten.
Ist der Magnet 47 jedoch in seiner Polarität umgekehrt, so würde das Magnetfeld
für die augenblickliche Polarität der Bandleiter 17 und 19, die oben beschrieben
ist, umgekehrt sein. Wegen dieser symmetrischen Anordnung des Schalters macht es
keinen Unterschied, welcher Lichtbogen nach oben geht und welcher nach unten. Daher
ist es vom Standpunkt des Schalterbetriebes ohne Bedeutung, wie die Polarität des
Magneten zufällig ist, wenn er in den Schalter eingebaut wird.
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Obwohl bei dieser Ausführungsform ein Dauermagnet aus magnetischer
Keramik, entsprechend irgendeiner der oben erwähnten Gruppen, vorgesehen ist, der
die thermischen und elektrischen Isolierungsprobleme, die bei Schaltern üblicher
Konstruktion vorhanden sind, aufs äußerste vereinfacht, ist es klar, da3 bei dieser
Ausführungsform auch ein geeignet isolierter Magnet aus Metall verwendet werden
kann.
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Die Abmessungen eines Schützes nach Fig. 2 für 50 Amp. sind etwa folgende
: Breite 50 mm, Höhe 50 mm, Länge 58 mm. Dies sind beträchtlich kleinere Abmessungen
als bei vergleichbaren 50 Amp.
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Schützen der bisher bekannten Bauart. Außer der Verringerung der Abmessungen
sind auch noch die äußeren Überschlagaabstände zu Teilen der entgegengesetzten Polarität
auf ungefähr 25% derjenigen verringert worden, die für ein übliches Gleichstromschütz
mit
einer einzigen Unterbrechung erforderlich sind.
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Die folgende Tabelle gibt die Abschaltleistungen eines nach
| Fig. 2 gebauten Schützes wieder |
| Volt 60 Hz = 1 Sek. |
| GS 10 250.... 0, 20 |
| WS od. GS AM |
| GS 10 250 0920 |
| GS 50 250-pos 50 |
| GS 250 250-0, 55 |
| GS 350 250-oft 45 |
| GS 500 250-0, 60 bis 0, 90 |
| WS1 80 235 0, 66 0, 30 |
| WS 310 235 0, 52 0, 30 |
| WS 510 235 0, 51 0, 40 |
| W$ 635 235 0, 52 0, 35 |
| In Pig. 1 ist eine Ausführungsform mit Dauermagneteinsätzen
aus |
| keramischem Dauermagnetmaterialwiedergegeben. Gemäß einem weite- |
ren Erfindungsgedanken, kann aber auch die ganze Lichtbogenkammer aus diesem Material
hergestellt sein. Bei einer solchen Konstruktion ist eine Seite der Lichtbogenkammer
als Südpol magnetisiert und die andere Seite der Lichtbogenkammer als Nordpol, um
ein quer verlaufendes magnetisches Feld zu erzeugen wie bei der Ausführungsform
nach Fig. 1.
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Das keramische Dauermagnetmaterial kann ohne Schaden für seinen Bestand
mit einem glasartigen oder feuerfesten. Email überzogen und dann gebrannt werden.
Nachdem alle Arbeiten an dem Magneten fertig sind, kann er wie jeder andere Dauermagnet
magnetisiert werden.
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Der Widerstand des Magneten gegen den unmittelbaren Einfluß eines
Lichtbogens wird durch diese Behandlung noch verbessert.
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Das Schaltgerät nach der Erfindung erfüllt als Gleichstromgerät die
Aufgaben eines mit einer Blasspule ausgestatteten Schalters oder Schützes, beseitigt
aber die Raum-, Kosten-und Materialerfordernisse einer solchen Spule. Darüber hinaus
werden Überhitzungen verringert, weil die Blasspule wegfällt. Außerdem gibt es keine
Isolationsprobleme und raumvergeudende Isolationstrennungen und Sperren in der geerdeten
Spule und in den Eisenteilen um
diese herum. Ferner wird der mit
einer Blasspule verbundene Nachteil einer Blasfeldstärke, die sich direkt mit dem
Strom ändert, vermieden. Bei einer Blasspule ist die Stromunterbrechung bei niedrigen
Strömen gewohnlich sehr schlecht, da das Feld sehr schwach ist. Bei dem Schaltgerät
nach der Erfindung ist die Stärke des Blasfeldes unabhängig von dem Strom, was den
erwähnten Nachteil beseitigt.
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Von ganz besonderem Vorteil ist es aber, da das neue Gerät in gleicher
Weise für den Betrieb mit Wechselstrom oder Gleichstrom geeignet ist, ohne daß irgend
eine bauliche Änderung beim Übergang von der einen Stromart auf die andere vorgenommen
werden