DE2414884A1 - Thermischer mikroschalter - Google Patents

Description

DR.-ING. DIPL.-ING. M. SC. DIH PHiS. DR. DIPU-MHYS. HÖGER - STELLRECHT - GRIE3SBACH - HAECKER PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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1974

Firma GROSSAG GmbH

7170 Schwäbisch Hall

und

Herr Dieter Hacker

71 Heilbronn-Leingarten

Thermischer Mikroschalter

Die Erfindung bezieht sich auf einen thermischen Mikroschalter mit unter Wärmeeinfluß bewegbarem Bimetallschaltelement.

Es ist bekannt, Schaltvorgänge durch Bimetallschalter einzuleiten, beispielsweise, wenn es in zu schützenden Netzen zu überströmen durch Kurzschluß od.dgl. kommt. Das direkt von dem Strom durchflossene Bimetallelement, das jedoch auch auf eine Veränderung lediglich der Umgebungstemperatur ansprechen kann, wie die beispielsweise durch eine besondere Zusatzwärmequelle verursacht ist, führt als Folge der Erwärmung oder Abkühlung eine Schaltbewegung durch, so daß man Verbrauchergruppen von stromversorgenden Anlagen trennen kann.

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Es ist auch bekannt, Bimetallelemente so auszubilden, daß man in etwa eine Momentumschaltung erreicht, d.h. man verwendet in diesem Falle bevorzugt sogenannte Bimetallsprungscheiben, die durch eine besondere Formgebung in einer bestimmten Lage vorgespannt sind und die bei entsprechender Erwärmung erst dann in eine andere Lage umspringen können, wenn ein bestimmter Spannungspunkt im Bimetallelement überschritten ist. Dieses Umspringen erfolgt ruckhaft und wird zum Lösen von Kontakten bei Ausschaltern benutzt. Nachteilig ist allerdings, daß man unter Verwendung solcher Bimetallsprungscheiben zwar zu einem schnellen Umspringen gelangen kann, es kann jedoch dabei zu einem vorherigen Abbau des Kontaktdruckes kommen, bevor der eigentliche Snrung eingeleitet und ausgeführt wird. Dadurch können sich Öffnungsfunken bilden, die schließlich bei hHufigen Schaltungen zu Kontaktschädigungen führen können. Auch ergeben sich beim Wiedereinschalten möglicherweise Kontaktnrellungen, die ebenfalls schwierig zu beherrschen sind und zu Funkstörungen führen können.

Weiterhin sind unter mechanischer Einwirkung stehende Mikroschalter schon bekannt, bei denen die eigentliche Kontaktbewegung über ein federndes, eine Schnappcharakteristik herbeiführendes Zwischenglied hervorgerufen wird. Solche bekannten, mechanisch arbeitenden Mikroschalter sind auch als Umschalter bekannt; bei mehrpoligen Schaltern ist jedoch eine synchrone Umschaltung bei diesen Schaltern nicht realisierbar.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen thermischen Mikroschalter mit Bimetallschaltelement zu schaffen, der bei konstantem Kontaktdruck eine blitzschnelle, praktisch prellfreie Momentschaltung erlaubt.

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Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von dem eingangs genannten thermischen Mikroschalter und besteht erfindungsgemäß darin, daß zwischen dem Bimetallschaltelement und einem in zumindest annähernd der gleichen Erstreckungsrichtung sich anschließenden oder parallel dazu angeordneten, quer zu dieser Richtung bewegbaren Schaltarm, ein in dieser Richtung federndes Zwischenglied angeordnet ist.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel· dient ein solcher Mikroschalter zur Herbeiführung einer Umschaltung, wobei beiderseits der möglichen Bewegungsbahn des Kontaktstückes jedes Schaltarms ein ruhendes Kontaktstück an einem stationären Kontaktstückträger vorgesehen ist.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausfuhrungsform ist dann schließlich das Bimetallschaltelement noch in Form einer ovalen Scheibe als Schnappfederelement ausgebildet.

Wesentlich ist bei einem Umschaltvorgang, daß der notwendige Anpreßdruck nach beiden Seiten gleichmäßig und konstant wirkt, auch nachdem der Schaltarm seine endgültige stationäre Schaltposition erreicht hat.

Es bestände zwar die Möglichkeit, eine Bimetallsprungscheibe so zu dimensionieren, daß man zu einer schnellen Kontaktlösung auf einer Seite gelangen könnte, ohne daß a^zu große änderungen des Anpreßdrucks in Kauf genommen werden müssen, es ist jedoch nicht möglich, auf diese Weise eine Umschaltung herbeizuführen, da, wie leicht einzusehen, eine solche Dimensionierung notwendigerweise asymmetrisch sein muß. Dem wesentlichsten Erfordernis . der Erfindung, eine mehrpolige Umschaltung in beiden endgültigen

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Schaltpositionen als schlagartige Momentumschaltung ohne Prellen und bei konstantem Anpreßdruck; vorzunehmen, kann daher nur die erfindungsgemäße Ausbildung gerecht v/erden. Das federnde Zwischenglied garantiert konstanten Anpreßdruck und prellfreie Einschaltung bzw. Umschaltung, weil das Zwischenglied die Kontakte am Schaltarm unter ständigem Druck auf die Gegenkontakte preßt, und zwar so lange, bis das zugeordnete Bimetallschaltelement, bevorzugt eine Bimetallsprungscheibe, effektiv umspringt und einen mechanischen Weg zurücklegt. Das Zwischenglied spricht also auf veränderte Spannungsbedingungen im Bimetallschaltelement in keiner Weise an und hält den erforderlichen Kontaktdruck aufrecht, bis zu dem Moment, an welchem die jeweils eine Schaltarmposition definierende Stellung des Bimetallschaltelementcs sich durch rberschreiten einer Totpunktlage so ändert, daß das federnde Zwischenglied die in ihm gespeicherte Federkraft zur schlagartigen Umschaltung ausnutzen kann.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt.

Im folgenden werden Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren im einzelnen näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1a ein erstes Ausführungsbeispiel eines thermischen Mikroschalters in einer Seitenansicht,

Figur 1b das Ausführungsbeispiel der Figur 1 in einer Aufsicht,

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Figur 2

Figur 3

Figuren 4a und 4b

zeigt in schematischer Darstellung einen möglichen, von dem Mikroschalter durchzuführenden Umschaltvorgang,

zeigt ein v/eiteres Ausführungsbeispiel eines Mikroschalters mit Feder und Zwischenglied in Form einer von einem Führungsstift gehaltenen .Schraubendruckfeder,
die

sind weitere Ausführunqsbeispiele
bei verkürzter Baulänge.

In Figur 1a und 1b ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines thermischen Mikroschalters dargestellt, wobei das Bimetallschaltelement entweder als Bimetallsprungscheibe 1 ausgebildet ist, oder auch lediglich nur ein langgestrecktes Bimetallstück 1' sein kann, wie dies in der Darstellung der Figur 1b in gestrichelten Linien angedeutet ist. In beiden Fällen ergibt sich ein etwa gleiches Schaltverhalten, wobei das Bimetallstück 1' lediglich einseitig an einem Halter 2 des Basisteils 4 des Mikroschalters befestigt zu sein braucht, um, wie weiter unten noch zu beschreiben, eine Schaltbewegung einleiten zu können, während die Bimetallsprungscheibe 1 in sich vorgespannt ist und aufgrund ihrer Form in der Lage ist, zwei definierte Ruhepositionen einzunehmen, wobei die eine Ruheposition in Figur 1a mit durchgezogenen Linien dargestellt ist, die andere Ruheposition ist strichpunktiert.

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Das längliche Bimetallstück 1 ' wird bevorzugt z'*m Schalten kleinerer Lastströme verwendet, während die Bimetallsprungscheibe 1 auch zum einwandfreien Umschalten bei sehr großen Lastströme eingesetzt v/erden kann.

Dabei ändert das längliche Bimetallstück 1' in Abhängigkeit zu seiner Erwärmung seine Position am nicht eingespannten Ende allmählich, während die Bimetallscheibe 1 so arbeitet, daß sie bei einer Temperaturänderung zunächst für einen vorgegebenen Zeitraum in einer gegebenen Lage verharrt, sich in ihr jedoch in der Weise Spannungsänderungen ergeben, daß bei Überschreiten eines bestimmten Temperaturpunktes ein ruckhaftes und schlagartiges Umspringen in die andere Position erfolgt.

Zunächst sei auf die Ausführungsform mit der Bimetallscheibe im folgenden genauer eingegangen. Wie aus der Darstellung der Figur 1b ersichtlich, ist die Bimetallscheibe in etwa als ovale Scheibe ausgebildet und weist in Längsrichtung verlaufende Erstreckungen 1a und 1b auf, dabei ist die den Schaltarmen und Kontaktstückträgern abgewandte Seite in dem Halter 2 des Mikroschalters fest eingespannt. Der Halter kann in beliebiger geeigneter Weise am Basisteil 4 des Mikroschalters befestigt sein.

In ihrer Mitte ist die Bimetallsprungscheibe von einem weiteren, als Zapfen 5 ausgebildeten Halter in ihrer Höhe ortsfest gehalten, der Zapfen 5 ist am Basisteil 4 höhenverstellbar angeordnet, um so den richtigen Schaltzeitpunkt einstellen zu können. Zu diesem Zweck weist der Zapfen 5 in seinem Unterbereich ein Außengewinde auf und kann in seiner Position durch mehr oder weniger tiefes Einschrauben in eine Hülse 6 am Basisteil 4 verändert werden.

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Am anderen Ende 1b der Bimetallscheibe 1 ist dann das federnde Zwischenglied 7 gelenkig in der Weise befestigt, daß eine entsprechend ausgebildete Erstreckung 8 am äußersten Ende der Bimetallscheibe in eine längliche Öffnung 9 des Zwischengliedes 7 eingreift, wodurch die gelenkige Lagerung bewirkt wird. Das Zwischenglied 7 ist beim Ausführungsbeispiel der Figuren 1a und 1b als U-förmige Biegefeder ausgebildet, das andere Ende der U-förmigen Biegefeder ist an einem Querelement oder Querbügel 10 befestigt, dessen Enden in Wirkverbindung mit dem oder den Schaltarmen 11 und 11' stehen.

Das Querelement 10 ist . zu den Schaltarmen, den Kontaktstückträgern und den Kontaktstücken isoliert ausgebildet, besteht bevorzugt selbst aus Isoliermaterial und sichert eine synchrone Umschaltung. Die Verbindung der U-förnigen Biegefeder mit dem Querelement 10 ist in der schon erwähnten Weise ebenfalls gelenkig ausgebildet. Wie ersichtlich, ist die Biegefeder 7 zwischen der Bimetallscheibe 1 bzw. dem länglichen, einseitig eingespannten Bimetallstück 1' und dem Querelemcnt 10 so eingespannt, daß ein beträchtlicher, auch einen nach oben und unten gerichtete Querkomponente aufweisender Druck ausgeübt wird. Es kommt auf diese Weise zu einem Pressen der Kontaktstücke 12 und 12' am Schaltarm 11, 11' in jeder Position an die entsprechenden Gegenkontaktstücke 13, 13', 15, 15' an den Kontaktstückträgern 14, 14', 16, 16', wobei die Kontaktstückträger nicht federn und fest in einem weiteren Halter 17 in Form eines Isolierblocks am Basisteil 4 eingespannt sind. Der feste Anpreßdruck zwischen den jeweiligen Kontaktstücken wird so lange aufrechterhalten, wie sich der Befestigungspunkt der Biegefeder an der Bimetallscheibe 1 oder am Bimetallstück 1 des Befestigungspunktes der

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Biegefeder am Querelement 10 befindet. Auch kleine Änderungen in der jeweiligen Vertikalposition des Endes 1b der Bimetallscheibe bzw. des länglichen Bimetallstückls 1 ' ändern an dem zwischen den Kontaktstücken herrschenden Kontaktdruck nichts, da dieser im wesentlichen lediglich von der Federkraft der Biegefeder, die aus einem entsprechend federndem Material hergestellt ist, herrührt. Erst wenn sich das Ende 1b der Bimetallscheibe ruckartig in die zweite, strichpunktiert dargestellte Position bewegt bzw. das entsprechende Ende des Bimetallstücks 1' die jeweilige übertotpunktstellung überwunden hat, erfolgt' eine synchrone und blitzschnelle Momenturnschaltung unter Ausnutzung der Schnappcharakteristik, so daß sich nunmehr die Kontaktstück 12, 12' am Schaltarm unter dem gleichen starken Kontaktdruck und im wesentlichen ohne jegliches Prellen an die Kontaktstücke der anderen Seite anlegen. Man erzielt auf diese Weise eine eine echte Momentschaltung darstellende Umschaltung mit Hilfe eines Bimetallelementes, was bisher als nicht erreichbar angesehen wurde, eben weil der notwendige Kontaktdruck nicht für jeden Zeitpunkt vor der tatsächlichen Schaltbewegung gesichert werden konnte. Weiterhin ist vorteilhaft, daß bei der hier angestrebten mehrpoligen Umschaltung durch die in der Mitte des Querelements 10 angreifende Federkraft der Biegefeder 7 eine absolut synchrone Schaltbewegung der beiden Schaltarme 11 und 11' erreicht wird.

Wie weiter vorn schon erwähnt, sind zwei Schaltarme vorgesehen, die federnd im Halter17 eingespannt sind und an ihren äußersten

verwindungssteif Endpunkten über das Querelement 10^iteinander verbunden sind; das gleichmäßige Aufliegen des Querelementes auf diesen beiden Schaltarmen 11 und 11' verhindert eine Verdrehung derselben und bewirkt die synchrone Schaltbewegung.

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Auch die Kontaktstückträger sind in dem Halter 17 gelagert_r die Kontaktstückträger 14, 14' und 16, 16 * sind gegeneinander und gegen die Schaltarme 11, 11' isoliert und festgespannt. Das die beiden federnden Schaltarme 11 und 11' beim doppelpoligen Umschalten verbindende Querelement besteht, wie schon erwähnt, bevorzugt aus isolierendem Material, dabei ist jedoch die Verbindung zwischen Querelement und Biegefeder metallisch ausgebildet.

Die Erwärmung des Bimetallschaltelementes 1,1' kann über Heizwiderstände 13 und 18* erfolgen, die unterhalb oder doch im Bereich des Bimetallelementes angeordnet sind, eine Erwärmung kann jedoch auch von einer externen Wärmequelle herrühren.

In Fig. 2 ist der elektrische Stromlauf dargestellt, welcher unter Verwendung des erfindungsgemäHen rtikroschalters nach Fig. la und Ib zusammen mit einem Verbraucher entsteht. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß sich auf die Doppelpoligkeit beziehende Bauelemente jeweils mit einfach gestrichenen Bezugszeichen bezeichnet sind. Bei der einen Schaltposition fliegt ein Strom von Plus entlang dem Pfeil 19 durch den Widerstand 18, durch den Verbraucher 20 und zurück zum Minuspol, bei der anderen Schaltnosition fliegt der Strom entlang dem Pfeil 21 unter Umgehung des Widerstandes 18 in Gegenrichtung durch den Verbraucher; wie ersichtlich, weist eine solche Schaltung ein Schwingverhalten auf und kehrt periodisch in eine Anfangsposition zurück. Ein solches Schwingverhalten kann in geeigneter Weise ausgenutzt werden.

Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines thermischen Mikroschalters, wobei nur die zum Verständnis v/esentlichen Teile

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im einzelnen dargestellt sind. Das Bimetallschaltelement 1 oder 1' wirkt über ein kleineres Zwischenteil 22 auf einen Gelenkpunkt 23 ein, an welchem eine von einem Führungsstift 24 geführte und diesen umgebende Schraubendruckfeder 25 und der Schaltarm 11 bzw. ein Teilbereich desselben angreift. Der Schaltarm ist im Halter 17 gelagert und ist mit dem am Gelenkpunkt angreifenden Schaltarrrtteil 27 bei 26 gelenkig verbunden.

Bei der Figur 3 dargestellten Position van Schraubendruckfeder und Gelenkpunkt 23 wird im Gelenk 26 eine nach unten wirkende Kraft in Pfeilrichtung und damit eine Äbbiegung des elastischen Schaltarmes 11 nach unten erreicht, überschreitet der Gelenk— punkt 23 die strichpunktiert angegebene Position der Figur 3 und kippt dann schlagartig in die untere gestrichelte Position um, dann wird auf den Gelenkpunkt 26 am Schaltarm Π eine nach oben gerichtete Preßkraft ausgeübt. Der Fnhrungsstift gleitet dabei in einen Halter 28 am Basisblock 4.

Die Figuren 4a und 4b zeigen schließlich noch im wesentlichen in ihrer Wirkungsweise mit den Figuren la und Ib identische weitere Ausführungsbeispiele _r wobei allerdings die Schaltarnie und die Kontaktstückträger auf der gMchen Seite wie das Bimetallschal telement angeordnet sind,, Jedoch außerhalb desselben,: so daß der Ilikroschalter für besondere Änwencfangsfalle zwar etwas breiter, jedoch beträchtlich kurzer baut. Bei den Ausführungsbeispielen der Figuren 4a und 4b sind gleiche Teile wie in den Figuren 1a und Ib mit gleichen Bezugszeichen versehen, die Einspannung erfolgt dabei in einem gemeinsamen, als Isolierblock ausgebildeten Halter 29.

Es gelingt mit dem erfindungsgemäßen thermischen f-Tikroschalter also das Hauptproblem solcher automatisch arbeitender Sehalter

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zu. lösen, nämlich in beiden Schaltstellungen bei einem Umschalter einen notv/endigen und vorgegebenen, einheitlichen Kontaktdruck zu erreichen, der sich präzise erst im Moment des Umschaltens durch das Exmetallschaltelement ändert und wobei in den jev7eiligen .Arbeitspositionen des oder der Gehaltarme ein fester Kontaktdruck ausgeübt v/ird, so daß auch im Moment des Umschaltens,das gleichzeitig auch immer einen Einschaltvorgang beinhaltet, Prellungen vermieden werden.

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Claims (11)

Λ 40 -374 m a - 123 18.MHrz 1974 Patentansprüche

1./Thermischer Mikroschalter mit unter Wärmeeinfluß reversibel verformbarem Bimetallschaltelement, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem riimetallschaltelement (1, 1') und einem in zumindest annähernd der gleichen Erstreckungsrichtung sich anschließenden, oder parallel dazu angeordneten, quer zu dieser Richtung bewegbaren Schaltern (11, 11') ein in dieser Richtung federndes Zwischenglied (7) angeordnet ist.

2. Mikroschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umschaltung beiderseits der Bewegungsbahn der Kontaktstücke (12, 12') jedes vorhandenen Schaltarms (11, 11') ruhende Kontaktstücke (13, 13"; 15,15') vorgesehen sind.

3. Mikroschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ruhenden Kontaktstücke (13, 13', 15,15') jeweils an einem zungenförmigen Kontaktstückträger (14, 14', 16, 16') angeordnet sind, der in einem am Basisteil (4) des Mikroschalters befestigten Halter (17) eingespannt ist.

4. Mikroschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das federnde Zwischenglied (7) als U-förmige Biegefeder ausgebildet ist.

5. Mikroschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei parallele Schaltarme (11, 11'< vorgesehen sind, die mit einem Querelement (10) verv/indungssteif verbunden sind, an dem das federnde Zwischenelement (7) gelenkig befestigt ist.

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6. Mikroschalter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die U-förmige Biegefeder an ihren Enden Durchbrüche (9) oder Schlitze aufweist, in die mit geringem Spiel zungeförmige Fortsätze (8) des Bimetallschaltelementes (1, 1¹) bzw. des Schaltarmes (11, 11') oder der an diesen befestigten. Querelements (10) eingreifen.

7. Mikroschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das federnde Zwischenglied (7) als Schraubendruckfeder ausgebildet ist, die vorzugsweise auf einem in ihrem Inneren angeordneten Führungsstift (24) geführt ist.

8. Mikroschalter nach einem oder mehreren der .Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Bimetallschaltelement als längliches Bimetallstück (1¹) oder als ovale Scheibe (1) ausgebildet ist, die in ihrer Mitte von einem ersten Halter (5) in der Hohe ortsfest gehalten ist, der an einem Basisteil (4) angeordnet ist und deren vom federnden Zwischenglied (7) entferntes Ende (1a) an einem ebenfalls an dem Basisteil (4) angeordneten zweiten Halter (2) eingespannt ist.

9. Mikroschalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Höhenverstellung des ersten Halters (5) dieser mit einem Schraubengewinde versehen ist und in einer Hülse (6) mit Muttergewinde am Basisteil· (4) befestigt ist.

10. Mikroschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Bimetallschaltelement (1, 1¹) durch räumliche Verformung vorgespannt und damit als Schnappfederelement ausgebildet ist.

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11. Mikroschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, da ^ in unmittelbarer
Nachbarschaft des Bimetallschaltelementes (1, I¹) mindestens eine Wärmequelle (18, 18¹J angeordnet ist, die je nach der Schaltstellung des "tikros cha lter s ein- oder ausgeschaltet ist.

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