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Die
Erfindung betrifft einen Thermosicherungsschalter mit wenigstens
zwei unter Federdruck in Kontaktberührung stehenden Kontaktelementen für einen
Bremswiderstand eines Elektromotors, der die beim Umschalten des
Elektromotors von Motorbetrieb auf Generatorbetrieb entstehende
elektrische Energie in Wärme
umwandelt und abführt.
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Ein
Bremswiderstand der gattungsgemäßen Art
ist z. B. aus
DE 203
11 068 U1 bekannt.
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Bremswiderstände von
Elektromotoren mit Frequenzumformern (Chopperwiderstände) unterliegen
gewöhnlich
sehr unterschiedlichen Betriebsbedingungen. Durch diese Bremswiderstände können kurzzeitig
sehr hohe Ströme
fließen.
Es kommt aber auch vor, dass sie über längere Zeiträume mit nur sehr kleinen, elektrischen
Strömen
belastet sind.
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Es
ist deshalb schwierig, für
die unterschiedlichen Betriebsbedingungen die jeweils geeigneten Dimensionierungen
der Bremswiderstände
festzulegen, zumal bei zu hoher Belastung die Gefahr einer Überhitzung
mit Kurzschluß und
der Entstehung eines Brandes besteht.
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Es
ist deshalb erforderlich, diese Bremswiderstände durch geeignete Schaltvorrichtungen
zu schützen,
die bei Erreichen einer kritischen Betriebstemperatur unter allen
Betriebszuständen
bzw. Betriebsbedingungen die Stromzufuhr sicher und gefahrlos unterbrechen.
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Wie
praktische Versuche ergeben haben, sind herkömmliche Thermostate, Schmelzsicherungen
und Überstromschalter
für diesen
Zweck nicht geeignet, weil es sich bei den Zwischenkreisspannungen,
die bei Frequenzumformern entstehen können, um sehr hohe Gleichspannungen
handelt, die sehr starke elektrische Ströme zur Folge haben.
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Es
ist schon versucht worden, die Stromunterbrechung durch Schmelzdrahtsicherungen
zu bewerkstelligen, bei denen ein Widerstandsdraht verwendet wird,
der, wenn er von einem zu großen
elektrischen Strom durchflossen wird, durchbrennt und die Stromzufuhr
unterbricht. Da aber ein nur kurzzeitig auftretender hoher Strom
den Schmelzdraht zum Schmelzen bringen kann, ohne dass dabei die
Gefahr einer wirklichen Überhitzung
besteht, muß bei solchen Überlastschaltern
häufig
ein unbegründetes Abschalten
in Kauf genommen werden. Andererseits besteht bei derartigen Widerständen auch
die Gefahr eines Kurzschlusses innerhalb des Widerstandes, der zu
einem Brand führen
kann.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einfacher, flacher Bauart
einen Thermosicherungsschalter der eingangs genannten Art zu schaffen,
der auch bei hohen elektrischen Spannungen und Strömen bei
Erreichen einer kritischen Betriebstemperatur ein zuverlässiges Abschalten
des Stromkreises des Bremswiderstands mit gleichzeitiger Unterbrechung
entstehender Lichtbogen bewirkt.
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Gelöst wird
diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch,
dass zur Trennung und vollständigen,
Lichtbogen unterbindenden Abdeckung der Kontaktflächen der
Kontaktelemente, ein in deren Kontaktebene liegender, isolierenden
Trennschieber vorgesehen ist, dessen Schaltbewegung von einer Schaltfeder ausgeführt wird,
die mittels eines bei Erreichen einer der kritischen Betriebstemperatur
entsprechenden Schmelztemperatur frei werdenden Schmelzriegels aktiviert
wird.
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Im
Gegensatz zu den oben genannten Widerständen, deren Drähte bei
hoher Stromstärke "durchbrennen", hat die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung
den erheblichen Vorteil, dass sie weder stromabhängig noch spannungsabhängig, sondern allein
temperaturabhängig
reagiert, so dass nur kurzzeitig auftretende hohe Ströme nicht
zu einer Unterbrechung bzw. zu einem Ausfall des Bremswiderstandes
führen.
Andererseits ist zugleich sichergestellt, dass sich auch bei hohen
Spannungen keine stehenden Lichtbogen zwischen den Kontaktflächen bilden
können,
so dass eine sichere, gefahrlose Abschaltung des der Gefahr einer Überbelastung
ausgesetzten Bremswiderstandes gewährleistet ist.
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Während es
grundsätzlich
möglich
ist, jede beliebige Art von Schaltfedern für die Betätigung des Trennschiebers zu
verwenden, hat die Ausgestaltung der Erfindung gemäß 2 mit der Verwendung einer
Druckfeder den Vorteil, dass diese einfach herstellbar und handhabbar
und bezüglich
ihrer Federkraft in der erforderlichen Stärke, auch bei kleiner Bauweise,
leicht dimensionierbar ist. Der dabei verwendete Hohlkörper stellt
zudem ein gut geeignetes Mittel zur Übertragung der Federkraft auf
den Trennschieber dar, um dessen schnelle und kraftvolle Bewegung
zu bewirken.
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Während die
Ansprüche
3 bis 6 unterschiedliche Ausführungen
des Schmelzriegels betreffen, die in Kombination mit dem Hohlkörper in
vorteilhafter Weise verwendet werden können, wird durch die wichtige
Ausgestaltung gemäß Anspruch
7 sichergestellt, dass auch bei engen räumlichen Konstruktionsverhältnissen
und relativ geringen Abständen
der voneinander getrennten Kontaktelemente eine störende oder
gar schädliche
Lichtbogenbildung vermieden wird. Dabei ist es von besonderem Vorteil,
wenn gemäß 8 der Trennschieber aus
Keramik besteht.
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Da
die sich berührenden
Kontaktflächen
der Kontaktelemente hohe Ströme
und auch hohe Spannungen führen
können,
kommt es in der Praxis häufig vor,
dass dann, wenn die Kontaktelemente nur durch Federdruck aufeinander
liegen, ein Verschweißen der
sich berührenden
Kontaktflächen
erfolgt, so dass eine spätere
Trennung durch den Trennschieber nicht mehr gewährleistet werden kann. Es ist
deshalb von Vorteil, die Kontaktelemente gemäß Anspruch 9 mittels eines
Lotes miteinander zu verlöten,
dessen Schmelztemperatur entweder gleich hoch oder kleiner ist wie
die Schmelztemperatur des die Schaltfeder haltenden Schmelzriegels.
Die so miteinander verbundenen Kontakte können nicht zusammenschweißen.
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Eine
räumlich
besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Thermosicherungsschalters
ist Gegenstand des Anspruches 10.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es
zeigt:
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1 in isometrischer Darstellung
einen als Block ausgebildeten Bremswiderstand;
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2 in vergrößerter,
teilweise geschnittener isometrischer Darstellung, den Aufbau und
die Schaltelemente eines Thermosicherungsschalters;
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3 in isometrischer Darstellung
einen Bremswiderstand mit eingebautem Thermosicherungsschalter und
sichtbarer Widerstandswicklung;
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4 Bauteile des Bremswiderstandes
mit dem als Block dargestellten Thermosicherungsschalter ohne Widerstandswicklung;
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5 einen Längsschnitt
durch den fertigen Bremswiderstand gemäß 3 mit eingebautem Thermosi cherungsschalter
im geschlossenen Betriebszustand;
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6 als Längsschnitt eine etwas geänderte Ausführungsform
des Bremswiderstandes mit eingebautem Thermosicherungsschalter in
unterbrochenem Betriebszustand;
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7 in isometrischer Darstellung
die funktionsaktiven Einzelteile des Thermosicherungsschalters;
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8 im Schnitt einen zylindrischen
Hohlkörper
mit eingesetzter Schaltfeder und mit einem als Stift ausgebildeten
Schmelzriegel;
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9 eine Stirnansicht IX aus 8;
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10 einen Hohlkörper mit
einem eingelöteten
Metallstopfen als Schmelzriegel;
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11 eine Stirnansicht XI
aus 10;
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12 einen Hohlkörper mit
eingesetzter Schaltfeder und einem anderen Schmelzriegel;
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13 die Stirnansicht XIII
aus 12;
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14 den Schmelzriegel der 12 und 13 als Einzelteil in Stirnansicht;
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15 einen Schnitt XV – XV aus 12;
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16 einen anderen Hohlkörper mit
eingesetzter Schaltfeder und einem anderen Schmelzriegel;
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17 die Stirnansicht XVII
aus 16;
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18 in Stirnansicht ein Kühlrippengehäuse mit
eingesetztem Bremswiderstand.
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Bei
der in den Zeichnungsfiguren dargestellten bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Thermosicherungsschalters 1 ist
dieser in einem aus mehreren Isolierstoffplatten 10 gebildeten Block 1' untergebracht
und in den Wicklungsträger 2 eines
als blockartiger Körper 3 ausgebildeter
Bremswiderstandes räumlich
vollständig
integriert. In 7 sind
die funktionsaktiven Einzelteile des Thermosicherungsschalters 1 in
isometrischer Ansicht dargestellt. Dieser Thermosicherungsschalter 1 besteht aus
zwei Kontaktelementen 4 und 5, die federnd aufeinander
liegen. Das Kontaktelement 4 ist als flache, relativ schmale
Kontaktzunge mit einem nach oben abgekröpften Anschlußteil 6 ausgebildet
und ortsfest im Block 1' gelagert.
Das Kontaktelement 5 weist eine V-förmige Querschnittsform auf
und ist einstückiger
Bestandteil eines Federarmes 7, der seinerseits einstückiger Bestandteil
eines langgestreckten, flachen Armes 8 mit einem Anschlußstück 9 ist.
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Der
Arm 8 und das Kontaktelement 4 sind festsitzend
in dem aus mehreren übereinandergeschichteten
Isolierstoffplatten 10 bestehenden Block 1' eingebettet,
wobei sich der Federarm 7 mit dem Kontaktelement 5 in
einem Hohlraum 11 befindet, der eine vertikale Abhebbewegung
des Kontaktelementes 5 vom Kontaktelement 4 zuläßt.
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Auf
dem hinteren Endabschnitt 12 des flachen Kontaktelementes 4 liegt
ein, vorzugsweise aus Keramik bestehender, als flache Platte ausgebildeter Trennschieber 13 auf,
der in Längsrichtung
des flachen Kontaktelementes 4 beweglich im Block 1' gelagert ist.
Dieser Trennschieber 13 dient zur Trennung der beiden mit
einem gewissen Federdruck aufeinanderliegenden Kontaktelemente 4 und 5,
in dem er zwischen diese beiden in Richtung des Pfeiles 14 geschoben
wird. Es ist erkennbar, dass die Breite b des Trennschiebers 13 wesentlich
größer ist
als die Breite b1 des Kontaktelementes 4. Somit ist der
Trennschieber 13 auch breiter als die gemeinsame Kontaktfläche der
beiden Kontaktelemente 4 und 5. Auch die Länge s des
Trennschiebers 13 ist so gewählt, dass der Trennschieber
in seiner in 6 dargestellten
Schaltposition, in welcher er die beiden Kontaktelemente 4 und 5 voneinander
trennt, die Kontaktflächen
der beiden Kontaktelemente 4 und 5 in der Trennebene
nach allen Seiten überragt.
Dadurch ist sichergestellt, dass sich auch bei hohen Betriebsspannungen zwischen
den voneinander getrennten Kontaktelementen 4 und 5 keine
stehenden Lichtbogen bilden können.
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Zur
Betätigung
des Trennschiebers 13, d.h. zu seiner Verschiebung in Richtung
des Pfeiles 14, innerhalb eines dafür im Block 1' vorgesehenen Hohlraumes 15,
in dem er räumlich
geführt
ist, ist ein Hohlkörper 16 vorgesehen,
der bei den in den 8 bis 17 dargestellten unterschiedlichen
Ausführungen jeweils
als zylindrisches Rohr ausgebildet ist. Dieser Hohlkörper 16 weist
bei den Ausführungen
der 8 bis 15 jeweils auf der dem Trennschieber 13 zugewandten
und an diesem anliegenden Ende eine geschlossene Stirnwand 17 auf,
an der sich eine im Hohlraum 18 des Hohlkörpers 16 sitzende,
vorzugsweise als Druckfeder ausgebildete Schaltfeder 19, abstützt. Bei
der Ausführungsform
der 16 ist statt der
Stirnwand 17 lediglich ein nach innen gebördelter Flanschring 20 vorgesehen,
an dem sich die Schaltfeder 19 abstützt.
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Wie
aus den 2, 5 und 6 ersichtlich ist, liegt der Hohlkörper 16 lose
in einem Hohlraum 22 des Blocks 1'. Dieser Hohlraum 22 weist
eine Anschlagwand 23 auf, die diesem Hohlkörper 16 auf seiner
der Stirnwand 17 bzw. dem Flanschring 20 gegenüberliegenden
Stirnseite gegenübersteht.
Dieser Hohlraum 22 ist so eingerichtet, dass sich der Hohlkörper 16 in
ihm soweit bewegen kann, dass er bei seiner Bewegung in Richtung
des Pfeiles 14 den Trennschieber 13 zwischen die
beiden Kontaktelemente 4 und 5 schieben und diese
voneinander trennen kann.
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Diese
Schiebebewegung des Trennschiebers 13 wird von der Schaltfeder 19 bei
Erreichen einer bestimmten, nämlich
der kritischen Betriebstemperatur ausgeführt.
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Um
dies zu gewährleisten,
ist bei allen Ausführungsformen
der 8 bis 17 das der Stirnwand 17 bzw.
dem Flanschring 20 gegenüberliegende Ende des Hohlkörpers 16 durch
einen Schmelzriegel 25, an dem sich die Schaltfeder 19 mit
ihrem zweiten Ende 26 abstützt, verschlossen. Die Schaltfeder 19 ist
in diesem Zustand wirkungslos. Der Schmelzriegel 25 hat
bei allen Ausführungsformen
die besondere Eigenschaft, bei Erreichen einer bestimmten Betriebstemperatur,
die seiner Schmelztemperatur entspricht, das Federende 27 der
Schaltfeder 19 freizugeben, so dass sich dieses an der
Anschlagwand 23 abstützen
und die Schaltfeder 19 eine Bewegung des Hohlkörpers 16 und
des Trennschiebers 13 in Richtung des Pfeiles 14 bewirken
kann. Zu diesem Zweck liegt der Hohlkörper 16 mit der Stirnwand 17 bzw. dem
Ringflansch 20 an der hinteren Querkante 26 des
Trennschiebers 13 an. Die sich einer seits an der Stirnwand 17 bzw.
dem Ringflansch 20 und andererseits an der Anschlagwand 23 abstützende und
entspannende Schaltfeder 19 kann somit eine schnelle Bewegung
des Trennschiebers 13 zwischen die Kontaktelemente 4 und 5 und
somit ein schlagartiges, sicheres Unterbrechen der Kontaktverbindung
bewirken.
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Durch
die Größe und Materialbeschaffenheit des
Trennschiebers 13 wird dabei auch gewährleistet, dass keine stehenden
Lichtbogen zwischen den getrennten Kontaktelementen 4 und 5 entstehen
können,
auch wenn hohe Gleichspannungen herrschen.
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Wie
aus den 8 bis 17 ersichtlich ist, können unterschiedliche
Schmelzriegel 25 vorgesehen sein. Bei der Ausführungsform
der 8 und 9 besteht der Schmelzriegel 25 aus
einem in zwei koaxialen Querbohrungen 32 sitzenden Querstift 31 aus einem
Lot-Material, das einen der maximalen, d.h. kritischen, Betriebstemperatur
entsprechenden Schmelzpunkt aufweist. Wenn dieser Querstift 31 zum
Schmelzen gebracht wird, gibt er das Federende 27 der Schaltfeder 19 frei,
so dass sich diese an der Anschlagwand 23 abstützen und
die Axialbewegung des Hohlkörpers 26 in
Pfeilrichtung 14 ausführen kann.
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Bei
allen Ausführungsformen
hat der Schmelzriegel 25 die Aufgabe, die Schaltfeder 19 unwirksam
zu halten, d. h. am Austreten aus dem Hohlraum 18 und Anschlagen
an der Anschlagwand 23 solange zu hindern, bis die vorbestimmte,
kritische Betriebstemperatur erreicht ist. Der Schmelzriegel 25 gibt
dann das Federende 27 frei, um den Trennschieber 13 zwischen
die beiden Kontaktelemente 4 und 5 zu schieben.
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Bei
der Ausführungsform
der 10 und 11 besteht der Schmelzriegel 25 aus
einem in das offene Ende des Hohlkörpers 16 mit einem
Hartlot 33 bestimmter Schmelztemperatur eingelöteten Metallstopfen 34,
der, wenn das Hartlot 33 geschmolzen ist, von der Schaltfeder 19 aus
dem Hohlkörper 16 heraus
und gegen die Anschlagwand 23 gedrückt wird.
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Bei
der Ausführungsform
der 12 bis 15 besteht der Schmelzriegel 25 aus
einem flachen Anschlagelement 35, das mit zwei sich diametral
gegenüberliegenden
Radialfingern 36 und 37 in zwei an sich stirnseitig
offene Axialnuten 38 und 39 am offenen Ende des
Hohlkörpers 16 ragt
und dort mittels eines Hartlotes 40 befestigt ist. Wenn
dieses Hartlot 40 bei Erreichen der kritischen Betriebs temperatur schmilzt,
wird das Anschlagelement 35 frei und durch das Federende 27 aus
dem Hohlkörper 16 heraus gegen
die Anschlagwand 23 gedrückt.
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Beim
Ausführungsbeispiel
der 16 und 17 ist das Federende 27 der
Schaltfeder 19 unmittelbar mittels eines Hartlotpfropfens 41 mit
dem Endstück
des Hohlkörpers 16 verlötet, also
stoffschlüssig verbunden.
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Um
sicherzustellen, daß sich
an den beiden Kontaktelemente auch bei großen Kontaktströmen und/oder
-spannungen keine Schweißverbindungen bilden,
die vom Trennschieber 13 nicht mehr getrennt werden könnten, ist
es für
diesbezüglich
kritische Betriebsbedingungen empfehlenswert, die Kontaktelemente
mit einem metallischen Lot miteinander zu verlöten, das die gleich hohe oder
eine niedrigere Schmelztemperatur aufweist wie bzw. als der Schmelzriegel.
Die beiden Kontaktelemente lassen sich dann bei Erreichen der vorgesehenen
kritischen Betriebstemperatur durch den Trennschieber 13 sicher
trennen.
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Bei
der Ausführungsform
der 3, 4 und 5 ist
der den Thermosicherungsschalter 1 enthaltende Block 1' in den Wicklungsträger 2 integriert.
Dieser besteht aus zwei länglichen
Isolierstoffplatten 45 und 46, die den Block 1' zwischen sich
einschliessen und durch zwei quer verlaufende Endstücke 47 und 48 miteinander
verbunden sind. Die beiden Isolierstoffplatten 45 und 46 tragen
die Widerstandswicklung 49. Das eine Drahtende 50 der
Widerstandswicklung 49 ist mit dem Anschlußstück 9 des
Kontaktelementes 5 verschweißt, während das andere Ende 51 der Widerstandswicklung 49 mit
einem Anschlußdraht 52 verbunden
ist. Der zweite Anschlußdraht 53 ist
mit dem Anschlußteil 6 des
Kontaktelementes 4 verbunden, so dass die Kontaktelemente 4 und 5 des
Thermosicherungsschalters 1 mit der Widerstandswicklung 49 in
Reihe geschaltet sind.
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Bei
der Ausführungsform
der 3 und 5 ist die Widerstandswicklung 49 um
die beiden Isolierstoffplatten 45 und 46 gewickelt
und durch zusätzliche
Isolierstoffplatten 54 und 55 abgedeckt, die durch Nieten 56 mit
den Endstücken 47 und 48 verbunden sind.
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Wie
aus 5 ersichtlich ist,
ragen die beiden Isolierstoffplatten 45 und 46 jeweils
in Schlitzöffnungen 57 bzw. 58.
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Bei
der Ausführungsform
der 6 ist die Widerstandswicklung 49 unmittelbar
auf den Block 1' des
Thermosicherungsschalters 1 gewickelt und durch zwei Isolierstoffplatten 59 bzw. 60 abgedeckt. Die
Enden dieser Isolierstoffplatten 59 und 60 sind
jeweils durch Nieten 56 mit zwei aus Isolierstoff bestehenden
Endstücken 47' und 48' verbunden,
so dass insgesamt ein blockartiger Körper 3 gebildet ist,
der sowohl die Widerstandswicklung 49 als auch den erfindungsgemäßen Thermosicherungsschalter 1 enthält. Der
so gebildete Körper 3 kann
in der Ausführungsform
gemäß 3 und 5 oder in der Ausführungsform gemäß 6 in die passende Ausnehmung 61 eines
mit Kühlrippen 62 versehenen
Metallgehäuses 63,
das beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung besteht und im Strangpressverfahren hergestellt
ist, eingesetzt werden.
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Sofern
die kritische Betriebstemperatur und somit die Schmelztemperatur
des Schmelzriegels über
450° liegt,
ist Hartlot zu verwenden. Bei Schmelztemperaturen unter 450° spricht
man von Weichlot.