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Die Erfindung bezieht sich auf eine
thermische Auslösevorrichtung
gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
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Derartige Auslösevorrichtungen werden bevorzugt
als thermischer Überlastungsschutz
in Schaltvorrichtungen wie beispielsweise Leitungsschutzschaltern
eingesetzt. 1 zeigt
ein Funktionsblockschaltbild eines Leitungsschutzschalters mit einer
thermischen und einer elektromagnetischen Auslösevorrichtung, wobei der Strompfad
durch eine durchgehenden Linie und die Auslösepfade durch gestrichelt dargestellte
Pfeile gekennzeichnet sind.
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Die elektromagnetische Auslösevorrichtung dient
zum Auslösen
eines Abschaltvorgangs eines Schalters 1, wenn der durch
die Schaltvorrichtung fließende
Strom eine vorbestimmte Stromhöhe überschreitet.
Die elektromagnetische Auslösevorrichtung
wird im vorliegenden Fall durch eine elektromagnetische Spule 3 mit
Kern (Solenoid) gebildet, wobei der Schalter 1 beim Überschreiten
der vorbestimmten Stromhöhe
aufgrund der Magnetfeldwirkung betätigt wird, um einen Abschaltvorgang
auszulösen.
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Die thermische Auslösevorrichtung
wird vorzugsweise durch ein Bimetallelement 2 gebildet,
das sich in Abhängigkeit
des durch das Bimetallelement 2 fließenden zu schaltenden Stroms
erwärmt
und erwärmungsabhängig verformt,
wobei der Schaltvorganc des Schalters 1 beim Vorliegen
eines vorbestimmten Erwärmuncsgrads
verformungsbedingt ausgelöst
wird. Das Bimetallelement 2 dient als zusätzlicher
thermischer Überlastungsschutz
beim Fließen
eines die für
das elektromagnetische Auslösen erforderliche vorbestimmte
Stromhöhe
nicht überschreitenden
Stroms während
einer längeren
Zeitdauer.
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In den 3a und 3b sind bekannte thermische
Auslösevorrichtungen
dargestellt.
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3a zeigt
eine thermische Auslösevorrichtung
mit einem aus zwei Metallschichten mit verschiedener spezifischer
thermischer Ausdehnung bestehenden Bimetallelement 7. Das
Bimetallelement ist mit einem Ende an einem Halterungselement 6 befestigt,
wobei das Halterungselement an einem Gehäuse der Schaltvorrichtung befestigt
ist. Ferner sind Zuführleitungen 51, 52 zum
Zuführen
des zu schaltende Stroms zu dem Bimetallelement 7 vorgesehen,
wobei die Zuführleitungen 51, 52 unvorzugsweise
aus einer Drahtlitze gebildet sind und über Lötstellen 4 an dem
Bimetallelement 7 befestigt sind.
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Bei der bekannten Auslösevorrichtung
gemäß 3a fließt der zu schaltende Strom
ausgehend von einem nicht gezeigten Anschlußkontakt der Schaltvorrichtung über eine
anschlußseitige
Zuführleitung 52 und
das Bimetallelement 7 zu einer schalterseitigen Zuführleitung 52.
Der durch das Bimetallelement 7 fließende Strom führt zu einer
Erwärmung des
Bimetallelements 7, die vom Widerstand des Bimetallelements 7 abhängig ist.
Aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der
das Bimetallelement 7 bildende Metalle ergibt sich eine
wärmeabhängige Ausbiegung
des Bimetallelements 7. Bei einem vorbestimmten Erwärmungsgrad
erreicht die Ausbiegung ein vorbestimmtes Ausmaß, bei dem ein Schaltvorgang
des Schalters 1 ausgelöst
wird. Dabei kann einer der Schaltkontakte des Schalters 1 direkt
oder über
eine Hebelmechanik mit dem beweglichen Ende des Bimetallelements 7 verbunden
sein.
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Bei der thermischen Auslösevorrichtung
gemäß 3a führt der im allgemeinen relativ
hohe zu schaltende Strom zu einer starken Erwärmung des Bimetallelements 7,
was zu einer unerwünscht
hohen Wärmeentwicklung
in der Schaltvorrichtung führt.
Die da mit verbundene thermischen Belastung führt zudem zu einer verringerten
Lebensdauer des Bimetallelements 7.
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Darüber hinaus ist die Charakteristik
des Bimetallelements 7 Exemplarstreuungen unterworfen, wodurch
die Reproduzierbarkeit der Auslösevorrichtung
verringert und der Kalibrieraufwand erhöht ist.
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Eine weitere bekannte thermische
Auslösevorrichtung
ist in 3b dargestellt,
wobei die mit der 3a übereinstimmenden
Bestandteile durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet sind.
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Bei der bekannten thermischen Auslösevorrichtung
gemäß 3b sind die Zuführleitungen 51 und 52 nicht
direkt mit dem Bimetallelement 7 kontaktiert, sondern um
das Bimetallelement 7 gewickelt und gegenüber diesem
beispielsweise durch eine nicht gezeigte Isolierschicht isoliert.
Somit fließt
der zu schaltende Strom von der anschlußseitigen Zuführleitung 52 über einen
aus mehreren Wicklungen 5 bestehenden Wicklungsteil zu
der schalterseitigen Zuführleitung 51,
wobei das Bimetallelement 7 von keinem Strom durchflossen
wird und durch den Wärmeübergang
von den durch den zu schaltende Strom erwärmten Wicklungen 5 indirekt
erwärmt
wird. Somit kann die Wärmeentwicklung
und thermische Belastung des Bimetallelements 7 verringert
werden.
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Des weiteren führt die indirekte Erwärmung zu
einer Verbesserung der Reproduzierbarkeit, da der elektrische Widerstand
des Bimetallelements 7 keinen Einfluß auf den durch den spezifischen
Widerstand der Wicklungen 5 bestimmten Erwärmungsgrad
hat.
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Aufgrund der Wicklungsanordnung erfordert die
thermische Auslösevorrichtung
gemäß 3b jedoch einen erhöhten Herstellungsaufwand
auf, um eine möglichst
hohe Reproduzierbarkeit zu erzielen.
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Aus der
DE 44 45 170 A1 ist eine
thermische Auslösevorrichtung
bekannt, bei der die Stromzuführung
zu einem Bimetallelement mittig am Bimetallelement und der Abgriff
an beiden Enden über
zwei Drahtlitzen erfolgt. Damit wird das Bimetallelement quasi in
sich elektrisch parallel geschaltet, wobei die Aufteilung der Teilwiderstände der
beiden Bimetallelementbereiche etwa gleich groß ist. Beide Zweige der Parallelschaltung
werden somit durch das Bimetallelement gebildet.
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Die CH 360 724 offenbart eine thermische Auslösevorrichtung
der eingangs genannten Art. Dabei ist dem Bimetallelement ein Heizelement
parallel geschaltet, um das Erwärmungsverhalten
einer Wicklung und eines Eisens eines Elektromotors elekrisch nachzubilden.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine thermische Auslösevorrichtung
mit verringerter Wärmeentwicklung
und verbesserter Reproduzierbarkeit bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
eine thermische Auslösevorrichtung
gemäß Patentanspruch
1.
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Erfindungsgemäß wird also ein verringerter Teil
des zu schaltenden Stroms durch das Bimetallelement geführt, so
daß sich
die Erwärmung
des Bimetallelements und damit der Schaltvorrichtung im Grenzstrombereich
verringert. Dies führt
zu einer geringeren Temperaturbelastung des Bimetallelements und
damit zu einer höheren
Lebensdauer, da das Bimetallelement für einen geringeren Auslösestrom ausgelegt
werden kann.
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Ferner haben Exemplarstreuungen des
Bimetallelements geringere Auswirkungen auf den Auslösestrom,
da der den Exemplarstreuungen unterliegende und den vorbestimmten
Erwärmungsgrad
des Bimetallelements hervorrufende Strom lediglich ein geringer
Teil des Auslösestroms
ist.
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Der andere Zweig der Parallelschaltung kann
vorzugsweise durch eine Drahtlitze gebildet sein, das einen wesentlich
geringeren Widerstand als das Bimetallelement aufweist. Somit ist
eine einfache Herstellung und hohe Reproduzierbarkeit möglich.
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Weiterhin können die Zuführleitung
und der andere Zweig der Parallelschaltung aus einer gemeinsamen
einstöckigen
Drahtlitze gebildet sein, wobei die Drahtlitze an zwei Stellen des
Bimetallelements angelötet
sein kann, so daß der
zwischen den Lötstellen
befindliche Abschnitt der Drahtlitze den anderen Zweig der Parallelschaltung
bildet. Dies führt zu
einer weiteren Vereinfachung der Herstellung. Ferner kann der Auslösestrom
auf einfache Weise durch Festlegen des Abstands der Lötpunkte
eingestellt werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind
in den Unteransprüchen
angegeben.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand
eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein
Funktionsblockschaltbild einer Schaltvorrichtung mit thermischer
Auslösevorrichtung;
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2 eine
thermische Auslösevorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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3a eine
bekannte thermische Auslösevorrichtung;
und
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3b eine
weitere bekannte thermische Auslösevorrichtung.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen thermischen
Auslösevorrichtung.
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Abweichend von den bekannten thermischen
Auslösevorrichtungen
gemäß den 3a und 3b weist die erfindungsgemäße thermische
Auslösevorrichtung
gemäß 2 ein Leitungsstück 53 auf, das
parallel zu dem Bimetallelement 7 angeschlossen ist, so
daß sich
der von der anschlußseitigen
Zuführleitung 52 zugeführte zu
schaltende Strom in einen durch das Bimetallelemente 7 fließenden Teilstrom
und einen durch das Leitungsstück 53 fließenden Teilstrom
aufteilt. Das Leitungsstück 53 und
das Bimetallelement 7 bilden somit eine Parallelschaltung,
wobei die jeweiligen Teilströme
durch das Verhältnis
der elektrischen Leitwerte des Bimetallelements 7 und des
Leitungsstücks 53 bestimmt
werden.
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Gemäß der bekannten Formel zur
Bestimmung des Gesamtwiderstands einer Parallelschaltung ergibt
sich der dem zu schaltende Strom entgegengesetzte Gesamtwiderstand
der durch das Leitungsstück 53 und
das Bimetallelement 7 gebildeten Parallelschaltung aus
der nachfolgenden Gleichung (1): RG = RB × RD/(RB + RD), (1) wobei
RG den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung,
RB den wirksamen Widerstand des Bimetallelements
und RD den Drahtwiderstand des Leitungsstücks 53 kennzeichnet.
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Die vorgenannte Gleichung (1) kann
durch Dividieren des Zählers
und des Nenners jeweils durch RB wie folgt
umgeschrieben werden: RG = RD/(1 + RD/RB) (2)
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Aus Gleichung (2) wird ersichtlich,
daß der Gesamtwiderstand
RG im wesentlichen durch den Drahtwiderstand
RD des parallel geschalteten Leitungsstücks 53 bestimmt
wird, sofern der Widerstand RD des parallel
geschalteten Leitungsstücks 53 deutlich
geringer ist als der Widerstand des Bimetallelements 7.
In diesem Fall ist nämlich
der Term RD/RB des
Nenners vernachlässigbar
klein und hat einen geringen Einfluß auf den Wert des Gesamtwiderstands
RG.
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Aufgrund des verringerten Gesamtwiderstands
RG ergibt sich eine geringere Wärmeentwicklung
in der Schaltvorrichtung. Darüber
hinaus haben Materialstreuungen des Bimetallelements 7,
die aufgrund eines veränderten
Widerstands RB zu einem veränderten
für die
Auslösung
erforderlichen Teilstrom durch das Bimetallelement 7 führen, einen
geringeren Einfluß auf
den zu schaltende Gesamtstrom durch die Schaltvorrichtung. Die zur
thermischen Auslösung
führende
Hohe des Gesamtstroms ist damit geringeren Schwankungen unterworfen.
Damit ist die Reproduzierbarkeit der thermischen Auslösevorrichtung
erhöht.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 sind die Zuführleitungen 51 und 52 und
das Leitungsstück 53 über Lötpunkte 4 mit
dem Bimetallelement 7 verbunden. Dies ermöglicht eine
einstückige
Ausbildung der Zuführleitungen 51 und 52 und
des Leitungsstücks 53 in
Form einer einzelnen an den beiden Lötpunkten 4 befestigten
Leitung wie beispielsweise einer Drahtlitze.
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Selbstverständlich sind auch andere Befestigungs-
und Kontaktierungsarten der Zuführleitungen 51 und 52 und
des Leitungsstücks 53 denkbar,
sofern eine Aufteilung des zu schaltende Stroms in einen durch das
Bimetallelement 7 fließenden
Teilstrom und einen durch das Leitungsstück 53 fließenden Teilstrom
gewährleistet
ist. Ferner kann das Leitungsstück 53 auch
durch einen diskreten Widerstand ersetzt werden, sofern dessen Widerstandswert
geringer ist als der Widerstandswert des das Bimetallelement 7 enthaltenden
Zweigs.
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Die Aufteilung des Stromes kann auch
an einer anderen Stelle erfolgen, solange das Bimetallelement 7 in
einem Parallelzweig einer Parallelschaltung angeordnet ist, so daß die erforderliche
Stromaufteilung gegeben ist.
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Zusammenfassend wird eine thermische Auslösevorrichtung
für eine
Schaltvorrichtung offenbart mit einem Bimetallelement und einer
Zuführleitung,
wobei das Bimetallelement in einem Zweig einer Parallelschaltung
angeordnet ist, und der zu schaltende Strom den Gesamtstrom der
Parallelschaltung bildet. Der andere Zweig der Parallelschaltung
wird vorzugsweise durch ein Leitungsstück mit einem geringen Widerstand
gebildet, so daß lediglich ein
geringer Teil des zu schaltenden Stroms durch das Bimetallelement
fließt.
Aufgrund des verringerten durch das Bimetallelement fließenden Stroms
ist die Wärmeentwicklung
in der Schaltvorrichtung verringert. Darüber hinaus haben Exemplarstreuungen
des Bimetallelements eine geringere Auswirkung auf den zu schaltenden
Gesamtstrom, so daß eine
höhere Reproduzierbarkeit
und ein geringerer Kalibrieraufwand erreicht werden.