DE2701884A1 - CURRENT OVERLOAD PROTECTION - Google Patents
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Description
β -L -M ·..β -L -M ..
B.PL..PMV.B.PL..PMV.
B.PL..PMV.B.PL..PMV.
HÖQER - STELLRECHT - GRISÜSBACH - HAECKER HÖQER - LEGAL RIGHTS - GRISÜSBACH - HAECKER
A 42 181 bA 42 181 b
U - 169U - 169
17. Januar 197717th January 1977
Delta Materials Research Limited Hadleigh Road, Ipswich, Suffolk
IP2 OEG
GroßbritannienDelta Materials Research Limited Hadleigh Road, Ipswich, Suffolk IP2 OEG
Great Britain
StromüberlastungsschutzCurrent overload protection
Die Erfindung betrifft einen Stromüberlastungsschutz für elektrische Schaltungen.The invention relates to a current overload protection for electrical Circuits.
Derartige Stromüberlastungsschutz-Vorrichtungen werden üblicherweise in elektrischen Schaltungen verwendet, um die damit verbundenen Einrichtungen gegen beschädigung infolge zu hoher Ströme zu schützen, beispielsweise durch hohe überströme oder durch Kurzschlußströme.Such current overload protection devices are commonly used Used in electrical circuits to protect the associated facilities against damage as a result of being too high To protect currents, for example by high overcurrents or by short-circuit currents.
Eine bekannte, bisher benutzte Überlastungs nchutz-Vorrichtuno verwendet eine Spule, in der beim Auftreten von Überströmen in der Schaltung ein großes Magnetfeld erzeugt wird, das einen in dem Überlastungsschutz eingebauten und diesem zugeordneten Schaltmechanismus betätigt und dabei die Schaltung unterbricht. Auf diese Weise werden mit der Schaltung verbundene Einrichtungen gegenüber den Überströmen isoliert.A known, previously used overload nchutz-Vorrichtuno is used a coil in which a large magnetic field is generated when overcurrents occur in the circuit, the one in the overload protection built-in and operated this associated switching mechanism and thereby interrupts the circuit. In this way, devices connected to the circuit are isolated from the overcurrents.
7 Π 9 R 7 Π / Π R Ί A7 Π 9 R 7 Π / Π R Ί A
A 42 181 bA 42 181 b
u- 169 27Π1884u- 169 27-1884
17. Januar 1977 - 2 - January 17, 1977 - 2 -
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromüberlastungsschutz vorzuschlagen, der einerseits so einfach wie möglich und andererseits in höchstem Maße zuverlässig arbeitet.The invention is based on the object of a current overload protection to propose that works as simply as possible on the one hand and extremely reliable on the other.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Schaltelement aus einem Material vorgesehen ist, das zugeführte Wärmeenergie in mechanische Energie umsetzt, wobei sich eine Formänderung des Schaltelementes ergibt, daß das Element seine Form dann ändert, wenn der Strom in der Schaltung bestimmte Werte übersteigt und eine damit verbundene Temperaturerhöhung des Elementes eintritt, und daß das Schaltelement durch seine Formänderung den Stromfluß durch die Schaltung unterbricht.This object is achieved in that a Switching element is provided from a material that converts the supplied thermal energy into mechanical energy, with a Change in shape of the switching element results in the element changing its shape when the current in the circuit determined Exceeds values and an associated temperature increase of the element occurs, and that the switching element through its Change in shape interrupts the flow of current through the circuit.
Es kann vorgesehen sein, daß das Element direkt von dem durch die Schaltung fließenden Strom durchflossen und erwärmbar ist.It can be provided that the current flowing through the circuit flows directly through the element and can be heated.
Dem Schaltelement kann aber auch eine in die Schaltung eingefügte Heizung zugeordnet sein, die beim Überschreiten eines bestimmten Maximalstromwertes in der Schaltung die Temperatur des Schaltelementes über die Übergangstemperatur erhöht und die Form des Schaltelementes dadurch derart verändert, daß der Strom in der Schaltung unterbrochen wird.The switching element can, however, also be assigned a heater inserted into the circuit, which when a certain maximum current value in the circuit increases the temperature of the switching element above the transition temperature and thereby changing the shape of the switching element in such a way that the current in the circuit is interrupted.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Schaltelement aus einem Material besteht, das in dem Temperaturbereich, in dem die Temperatur des Schaltelementes infolge der Erwärmung desselben durch durch die Schaltung fließende über- oder Kurzschlußströme liegt, einen Formgedächtniseffekt zeigt.It is particularly advantageous if the switching element consists of a material that is in the temperature range in which the temperature of the switching element as a result of its heating by overcurrent or short-circuit currents flowing through the circuit shows a shape memory effect.
Der Formgedächtniseffekt in Metallegierungen ist ein bekanntes Phänomen. Dabei können große mechanische Spannungen dadurch beseitigt werden, daß man die Temperatur der Legierung innerhalb bestimmter Grenzen erhöht, die für eine bestimmte LegierungThe shape memory effect in metal alloys is a well-known one Phenomenon. Large mechanical stresses can be eliminated by keeping the temperature of the alloy within certain limits increased for a given alloy
709829/08U709829 / 08U
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17. Januar 197717th January 1977
spezifisch sind, üblicherweise kann man den absoluten Temperaturbereich, in welchem der Formgedächtniseffekt auftritt, durch Variationen der Legierungszusammensetzung variieren. Die Legierungstemperatur kann dadurch variiert werden, daß man die Umgebungstemperatur ändert, man kann sie auch durch direkte elektrische Heizung erhöhen, indem man einen elektrischen Strom durch die Legierung selbst schickt. Ein Schaltelement aus einer solchen Legierung kann daher dazu verwendet werden, einen Schaltmechanismus in einer Stromüberlastungsschutz-Vorrichtung zu betätigen. Solche Überlastungsschutz-Vorrichtungen müssen innerhalb sehr kurzer Zeiten in der Größenordnung einiger Millisekunden reagieren, wenn zu hohe Ströme, beispielsweise überströme oder Kurzschlußströme in der Größenordnung von einigen Tausen Ampere, durch die zu schützende Schaltung fließen. Wenn man ein Schaltelement aus einer solchen Legierung verwendet, dann erhöht sich die Temperatur der Legierung infolge der hohen fließenden Ströme, beispielsweise beim Kurzschlußbetrieb; dabei werden die mechanischen Spannungen ausgeheilt, die vorher bei einer Temperatur eingeführt worden sind, die unterhalb dieser Temperatur liegen. Die dabei auftretende Formänderung der Legierung kann dann dazu verwendet werden, die Schaltung entweder direkt oder indirekt zu unterbrechen und dadurch mit der Schaltung verbundene Einrichtungen gegenüber einer Beschädigung durch zu hohe Ströme zu schützen.are specific, usually you can use the absolute temperature range, in which the shape memory effect occurs can vary by variations in the alloy composition. The alloy temperature can be varied by changing the ambient temperature; it can also be varied by direct Increase electric heating by sending an electric current through the alloy itself. A switching element from a such alloy can therefore be used to operate a switching mechanism in a current overload protection device. Such overload protection devices have to be within very short times on the order of a few milliseconds react when too high currents, for example overcurrents or short-circuit currents in the order of magnitude of a few Thousands of amps flow through the circuit to be protected. If a switching element made of such an alloy is used, then the temperature of the alloy increases as a result of the high currents flowing, for example during short-circuit operation; in the process, the mechanical stresses that were previously introduced at a temperature below that are healed at this temperature. The resulting change in shape of the alloy can then be used to change the circuit to interrupt either directly or indirectly and thereby prevent damage to devices connected to the circuit to protect against excessive currents.
Als Material für ein solches Schaltelement eignet sich beispielsweise eine Cu-Zn-Al Legierung, bei welcher der Formgedächtniseffekt in einem Temperaturbereich auftritt,in dem die Temperatur liegt, auf welche das Schaltelement infolge eines Überstromes in der Schaltung erwärmt wird, mit welcher die Stromüberlastungsschutz-Vorrichtung verbunden ist.A suitable material for such a switching element is, for example a Cu-Zn-Al alloy, in which the shape memory effect occurs in a temperature range in which the temperature is on which the switching element is heated as a result of an overcurrent in the circuit with which the current overload protection device connected is.
709829/08U709829 / 08U
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17. Januar 1977 - jr - Jan. 17, 1977 - Jr. -
Das Schaltelement ist mit der Vorrichtung vorzugsweise derart verbunden, daß es durch den überstrom direkt beheizt wird,wobei seine Temperatur Werte innerhalb des genannten Temperaturbereiches annimmt. Es kann aber auch ein mit der zu schützenden Schaltung verbundener äußerer Heizer vorgesehen sein, der die Temperatur des Schaltelementes beim Auftreten von überströmen oder Kurzschlußströmen auf eine Temperatur in dem genannten Bereich erhöht.The switching element is preferably connected to the device in such a way that it is heated directly by the overcurrent, with its temperature assumes values within the specified temperature range. But it can also be one with the one to be protected Circuit connected external heater may be provided, which overcurrent the temperature of the switching element when the occurrence of or short-circuit currents increased to a temperature in the range mentioned.
Das Schaltelement selbst kann verschiedene Formen aufweisen, beispielsweise kann es als Streifen, Spirale, verdrehtes Rohr oder Schubstab ausgebildet sein.The switching element itself can have various shapes, for example it can be a strip, spiral, twisted tube or push rod.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt.Advantageous further developments of the invention are the subject matter of the subclaims and are laid down in them.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:The following description of preferred embodiments the invention is used in connection with the drawing for a more detailed explanation. Show it:
Fig. 1 a) eine Seitenansicht eines unverformten Schaltelementes des erfindungsgemäßen Stromüberlastungsschutzes;Fig. 1 a) a side view of an undeformed switching element the current overload protection according to the invention;
Fig. 1 b) eine Draufsicht auf das Schaltelement der Fig. 1 a);FIG. 1 b) a top view of the switching element of FIG. 1 a);
Fig. 2 eine Ansicht ähnlich Fig. 1b) eines deformierten Schaltelementes;FIG. 2 shows a view similar to FIG. 1b) of a deformed switching element; FIG.
Fig. 3 eine Ansieht eines Schal telornentos ähnlich Fig. 2 mit zugeordnetem Schal tor und entsprechenden Anschlüssen undFIG. 3 shows a view of a scarf telornentos similar to FIG. 2 with assigned scarf tor and corresponding connections and
Fig. 4 (vin<· Ansicht, ähnlich Fig. 3 nut einem aus zwei Kontakten bcr.t.nhnmlen Schulter.Fig. 4 (vin <· view, similar to Fig. 3, only one of two contacts bcr.t.nhnmlen shoulder.
A 42 181 bA 42 181 b
u - 169u - 169
17. Januar 197717th January 1977
Fig. 1 a) zeigt eine Grundform eines Schaltelementes, das aus einem einfachen Streifen 10 einer geeigneten Legierung besteht, die den gewünschten Formgedächtniseffekt in einem Temperaturbereich aufweist, auf welchen das Schaltelement dann aufgeheizt wird, wenn hohe überströme oder Kurzschlußströme durch eine zu schützende Schaltung fließen, der die erfindungsgemäße Überlastungsschutz-Vorrichtung zugeordnet ist. Der Streifen 10 ist in der in Fig. 2 dargestellten Weise deformiert. Die Legierung des Streifens ist derart ausgewählt und die Verformung ist derart durchgeführt, daß das deformierte Schaltelement sich an die ursprüngliche, in Fig. 1 b) dargestellte Form "erinnert", d.h. daß es diese ursprüngliche Form im wesentlichen wieder annimmt, wenn man es auf eine Temperatur in dem genannten Temperaturbereich erwärmt. In einem praktischen Ausführungsbeispiel lassen sich folgende Abmessungen des Streifens verwirklichen: Fig. 1 a) shows a basic form of a switching element, which consists of a simple strip 10 of a suitable alloy, the desired shape memory effect in a temperature range has, to which the switching element is then heated when high overcurrents or short-circuit currents through a circuit to be protected flow to which the overload protection device according to the invention is assigned. The strip 10 is deformed as shown in FIG. The alloy of the strip is selected and the deformation is carried out in such a way that the deformed switching element "remembers" the original shape shown in Fig. 1 b), i.e. that it essentially assumes its original shape again when it is brought to a temperature within the aforesaid Temperature range heated. In a practical embodiment, the following dimensions of the strip can be realized:
Länge: 50 mm
Breite: 5 mm
Dicke: 1 mmLength: 50mm
Width: 5mm
Thickness: 1mm
Der Radius der Biegung, die sich beim Verformen des Streifens von seiner ursprünglichen Form in die in Fig. 2 dargestellte Form ergibt, beträgt 15 mm.The radius of the bend that changes as the strip deforms from its original shape to that shown in FIG Shape is 15 mm.
Stromüberlastschutz-Vorrichtungen gemäß der Erfindung können so ausgelegt werden, daß sie bei jeder Umgebungstemperatur innerhalb des Bereiches zwischen - 75° C und + 150° C funktionieren, indem man geeignete Legierungszusammensetzungen auswählt und dabei geeignete Übergangstemperaturen erhält. Beispiele geeigneter, den Formgedächtniseffekt zeigender Legierungen sind:Current overload protection devices according to the invention can be designed to operate at any ambient temperature within of the range between -75 ° C and + 150 ° C work by selecting suitable alloy compositions while maintaining suitable transition temperatures. Examples of suitable alloys showing the shape memory effect are:
Ni-Ti-Legierungen, Cu-Zn-X-Legierungen, wobei X Al, Sn oder Si sein kann, sowie Cu-Al-Y-Legierungen, wobei Y Fe, Mn oder NiNi-Ti alloys, Cu-Zn-X alloys, where X is Al, Sn or Si can be, as well as Cu-Al-Y alloys, where Y Fe, Mn or Ni
709829/08 1 U 709829/08 1 U
u - 169u - 169
17. Januar 1977 - Λ - January 17, 1977 - Λ -
'f.'f.
sein kann. Ein Beispiel einer spezifischen, zur Anwendung in der vorliegenden Erfindung geeigneten Zusammensetzung ist das Folgende: 70,1 Gew. % Cu, 4,0 Gew. % Al und 25,9 Gew. % Zn.can be. An example of a specific one for use in The composition suitable for the present invention is as follows: 70.1% by weight Cu, 4.0% by weight Al and 25.9% by weight Zn.
Bei der Verwendung der Stromüberlastungsschutz-Vorrichtung werden an beiden Enden des streifenformigen Schaltelementes Verbindungen 12, 14 mit der zu schützenden Schaltung angebracht, an einem Ende vorzugsweise über flexible Anschlüsse 16. Beim Auftreten einer überlastung oder eines Kurzschlusses in der Schaltung fließt ein großer Strom über die Verbindungen durch das Schaltelement und erwärmt dieses dabei auf eine Temperatur, bei welcher sich das Schaltelement an seine ursprüngliche Form "erinnert" und sich extrem schnell zu strecken beginnt. In der in Fig. 3 dargestellten Anordnung führt die Streckung des streifenformigen Schaltelementes zur Betätigung eines Druck-Mikroschalters 18, während in der in Fig. 4 dargestellten Anordnung durch das Strecken des Schaltelementes zwei Kontakte 20, 22 geöffnet werden. Durch die Betätigung des Mikroschalters 18 bzw. durch die Öffnung der Kontakte 20, 22 wird die zu schützende Schaltung unterbrochen.When using the current overload protection device, connections are made at both ends of the strip-shaped switching element 12, 14 attached to the circuit to be protected, at one end preferably via flexible connections 16. When If an overload or a short circuit occurs in the circuit, a large current flows through the connections the switching element and heats it to a temperature at which the switching element returns to its original shape "remembers" and begins to stretch extremely quickly. In the arrangement shown in Fig. 3, the stretching of the strip-shaped leads Switching element for actuating a pressure microswitch 18, while in the arrangement shown in FIG by stretching the switching element, two contacts 20, 22 are opened. By actuating the microswitch 18 resp. the circuit to be protected is interrupted by the opening of the contacts 20, 22.
Ein Beispiel der Geschwindigkeit, mit welcher die erfindungsgemäße Überlastungsstromschutz-Vorrichtung anspricht, ist in der untenstehenden Tabelle gegeben. Sie gibt den Wert des durch die Legierung fließenden Stromes sowie die zur Unterbrechung der Schaltung benötigte Ansprechzeit wider.An example of the speed at which the inventive Overload current protection device responds is given in the table below. She gives the value of the through Alloy flowing current and the response time required to interrupt the circuit.
Strom Ansprech- 2.Current response 2.
(Ampere) zeit(Ampere) time
100 200 835100 200 835
709829/081 U 709829/081 U - 7 - - 7 -
A 42 181 b 27Q1884A 42 181 b 27Q1884
u - 169u - 169
17. Januar 1977 -T- January 17th, 1977 -T-
'4ΰ''4ΰ'
Die dargestellten Anordnungen sind rein schematische Ausführungsbeispiele, die nur dazu dienen, das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Prinzip zu illustrieren, bei welchem eine Widerstandsheizung verwendet wird, um die Formänderung eines Elementes zu erreichen, das aus einem Material besteht, welches den sogenannten Formgedächtniseffekt zeigt und dabei die Form des Schaltelementes verändert. Diese Formänderung wird zur Unterbrechung eines zu schützenden Schaltkreises verwendet, mit dem das Schaltelement leitend verbunden ist. Wie oben beschrieben,kann das Schaltelement derart angeordnet sein, daß es entweder einen konventionellen, die zu schützende Schaltung unterbrechenden Schalter direkt betätigt,oder daß es in der in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Weise die Schaltung direkt unterbricht. Obwohl das Schaltelement in seiner einfachsten Form ein einfacher Materialstreifen ist, kann es auch viele andere Formen haben, es kann beispielsweise als Spirale, als verdrehtes Rohr oder als Schubstange oder -stab ausgebildet sein. Das Element kann durch den durch das Element hindurchfließenden Strom direkt auf eine Temperatur in dem Temperaturbereich aufgeheizt werden, in dem es sich an die ursprüngliche Form "erinnert", es kann jedoch auch indirekt geheizt werden, wenn man beispielsweise den durch die zu schützende Schaltung fließenden Strom durch einen externen, dem Schaltelement zugeordneten Heizer fließen läßt. Bei dieser Anordnung wirkt der Heizer dann, wenn der Strom einen bestimmten Wert übersteigt, beispielsweise wenn in der Schaltung hohe überströme oder Kurzschlußströme auftreten. Er heizt dann die Formgedächtnis-Legierung, aus welcher das Schaltelement besteht, auf, so daß sich das Element beim überschreiten einer Ubergangstemperatur an die ursprüngliche Form "erinnert" und in diese zurückkehrt, wobei die Schaltung unterbrochen wird.The arrangements shown are purely schematic exemplary embodiments which are only used for the purposes of the present invention to illustrate the underlying principle, in which a resistance heating is used to change the shape of a To achieve element that consists of a material that shows the so-called shape memory effect and thereby the shape of the switching element changed. This change in shape is used to interrupt a circuit to be protected to which the switching element is conductively connected. As described above, can the switching element can be arranged in such a way that it is either a conventional one that interrupts the circuit to be protected Switch actuated directly, or that it is the circuit directly in the manner described in the embodiments interrupts. Although the switching element in its simplest form is a simple strip of material, it can also be many have other shapes, for example, it can be designed as a spiral, a twisted tube or a push rod or rod be. The element can be raised to a temperature in the temperature range directly by the current flowing through the element be heated, in which it "remembers" the original shape, but it can also be heated indirectly, if, for example, the current flowing through the circuit to be protected is passed through an external device assigned to the switching element Let the heater flow. With this arrangement, the heater acts when the current exceeds a certain value, for example, if high overcurrents or short-circuit currents occur in the circuit. He then heats the shape memory alloy, from which the switching element consists, so that the element when a transition temperature is exceeded "remembers" and returns to the original shape, breaking the circuit.
709829/08U709829 / 08U
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