DE2928799A1

DE2928799A1 - Elektrischer sicherungsautomat

Info

Publication number: DE2928799A1
Application number: DE19792928799
Authority: DE
Inventors: Raymond Bernard Sims
Original assignee: Delta Materials Research Ltd
Current assignee: Delta Memory Metal Ltd Ipswich Suffolk Gb
Priority date: 1978-07-21
Filing date: 1979-07-17
Publication date: 1980-01-31
Also published as: FR2431761A1; US4275370A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft elektrische Sicherungsautomaten oder Überlastschalter. Derartige Sicherungsautomaten werden zunehmend anstelle von Sicherungen eingesetzt, um elektrische Schaltkreise vor Überlastung zu sichern. Derartige Sicherungsautomaten müssen den gesicherten Stromkreis unterbrechen, wenn eine längere überlast relativ kleiner Amplitude, z.B. mit einem um 50% über dem Nennstrom liegenden Strom auftritt, und sie müssen bei Auftreten eines großen Überlaststromes, der z.B. den vier- bis neunfachen Nennwert des Stromes besitzt, sofort unterbrechen.

Bekannte Sicherungsautomaten oder Überlastschalter verwenden erstens einen Bimetallstreifen und zweitens eine Magnetspule, die beide in Serie zu den Kontakten des Überlastschalters liegen und beide bewirken, daß die Kontakte unterbrochen werden, wenn vorgegebene Bewegungen des Bimetallstreifens und des Spulenkolbens auftreten. Ein Sicherungsautomat soll möglichst wenig Platz beanspruchen und muß innerhalb seines eingeschlossenen Raums Einrichtungen zum Unterbrechen des Lichtbogens besitzen, der bei Kontaktunterbrechung auftritt. Der Schaltmechanismus - Bimetallstreifen und Magnetspule - benötigen einen wesentlichen Anteil des umschlossenen Raumes, und das zur Lichtbogeneinschnürung verfügbare Volumen begrenzt den Überlaststrom, den der Sicherungsautomat handhaben kann.

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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auf den Bimetallstreifen verzichtet und die Magnetspule besteht oder enthält eine Schraubenfeder aus einem Material mit Gestaltspeichereffekt, die mechanisch gegen den Spulenkolben arbeitet und den Spulenkolben in Schaltrichtung drückt, wenn die Schraubenfeder durch den durch die Feder hindurchfließenden Strom erhitzt wird. Die Feder aus Gestaltspeichereffekt-Material wirkt sowohl elektromagnetisch als auch .mechanisch auf den Spulenkolben oder -anker und übt dadurch sowohl die Funktion des Bimetallstreifens als auch der Magnetspule bekannter Sicherungsautomaten aus. Der Platz, den der Schaltmechanismus innerhalb des umschlossenen Raums des Sicherungsautomaten benötigt, wird dadurch verringert, so daß mehr Platz zur Lichtbogenlöschung verbleibt.

Unter dem Begriff "Gestaltspeichereffekt-Material" oder "SME (shape memory effect)-Material" wird ein Material verstanden, das einen Elastizitätsmodul besitzt, der sich innerhalb eines Übergangstemperaturbereichs beträchtlich in reversibler Art und Weise mit der Temperatur ändert. Derartige Materialien sind bekannt und enthalten eine geeignete Titan-Nickel-Legierung oder eine Cu-Zn-X-Legierung, wobei X Aluminium, Zinn oder Silizium sein kann, oder sie bestehen aus Cu-Al-Y Legierung, wobei Y Eisen, Mangan oder Nickel sein kann. Das bevorzugte Material stellt eine Kupfer-Zink-Aluminium-Legierung dar. Ein SME-Material ist in der Lage, eine beträchtliche Gestaltänderung oder Verschiebung durchzuführen, und eine starke Kraftwirkung auszuüben, wenn es innerhalb des Übergangstemperaturbereichs einer Temperaturänderung unterworfen wird.

Bevorzugt wird die Feder aus Gestaltspeichereffekt-Material unter Zugbeanspruchung verwendet, und die Feder zieht

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sich axial beim Ansteigen einer Temperatur innerhalb des Übergangstemperaturbereichs zusammen. Die elektromagnetische Anziehung zwischen den Windungen der Feder erhöht die auf den Spulenkolben aufgrund des Magnetfeldeffekts und des Gestaltspeichereffekts wirkenden Kräfte.

Bevorzugt wird der Spulenkolben durch eine zweite Feder vorgespannt, die keine Gestaltspeicherwirkungs-Eigenschaften aufweist und der Feder aus Gestaltspeichereffekt entgegenwirkt. Die Kombination aus einer Gestaltspeichereffekt-Feder und der zweiten, sogenannten Vorspannfeder, hat eine Hub/Temperatur-Kennlinie zur Folge, die eine kleinere Hysterese besitzt als wenn die Gestaltspeichereffekt-Feder allein verwendet würde. Darüber hinaus läßt sich die von der zweiten Feder ausgeübte Vorspannung einstellen, um diejenige Temperatur zu verändern, bei der der Schaltauslösemechanismus arbeitet.

Der Sicherungsautomat kann ferner zwei elektrische Kontakte enthalten, die zwischen der geschlossenen und der offenen Position relativ beweglich sind, er kann Federmittel zum Vorspannen der Kontakte in die offene Position, und Zurückhaltemittel zum Zurückhalten der Kontakte in die geschlossene Position gegen die Wirkung der Federmittel enthalten, wobei jedoch die Zurückhaltemittel durch den Schaltauslösemechanismus betätigbar sind, um die Kontakte freizugeben. Bei einer derartigen Anordnung ist es möglich, daß die Federmittel ständig in einer Richtung wirken, um die Kontakte zu öffnen, im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen, bei denen eine Feder zuerst zum Zurückhalten der Kontakte in der geschlossenen Stellung arbeitet und dann zweitens, wenn der SChaltvorgang ausgelöst wird, die Kontakte voneinander gedrückt werden. Durch diese erfindungsgemäße Ausführungsform des Siehe- ]

rungsautomaten wird eine sicherere und schnellere Wirkung | erzielt.

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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung Xv. anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Sicherungsautomaten; und

Fig. 2 die Gestaltspeichereffekt-Feder mit ihrer Anbringung, in vergrößertem Maßstab.

Fig. t zeigt die Kontakte des Sicherungsautomaten und den Schaltauslösemechanismus zum öffnen dieser Kontakte, wenn eine Oberlastbedingung auftritt. Der Rest des Sicherungsautomaten - das Gehäuse und die Lichtbogen-Löscheinrichtung - besitzen einen bekannten Aufbau und sind daher nicht dargestellt.

Ein schwenkbar angelenkter Hauptkontaktarm 1 trägt einen von zwei elektrischen Kontakten 2 und gegen ihn wirkt kontinuierlich ein Federmittel in Form einer Hauptdruckfeder 3, die den Arm 1 in eine die Kontakte 2 öffnende Richtung drückt. Der Kontaktarm 1 ist mit Zurückhaltemitteln in Form einer Gelenkhebel-Einrichtung 4, die den Kontakt 2 in der dargestellten Lage in geschlossener Stellung hält, verbunden. Ein Kipphebel 5 ist schwenkbar mit der Gelenkhebel-Einrichtung 4 verbunden, um die GelenkhebdrEinrichtung 4 in die in Fig. 1 dargestellte Normalstellung zu bringen.

Unter der Gelenkhebel-Einrichtung 4 befindet sich ein Überlast-Schaltauslösemechanismus aus einem magnetisch permeablen Weicheisenkäfig 6, der als magnetischer Kreis wirkt. Eine zentrale öffnung oben im Käfig ist normalerweise durch einen Spulenkolben 7 geschlossen, der von der Gelenkhebel-Einrichtung 4 mittels eines Schafts 4a gehalten wird, welcher durch die zentrale öffnung

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hindurchgeführt ist. Auf den Spulenkolben 7 wird gegensinnig von einer schraubenförmigen Zugfeder 8 aus Gestaltspeichereffekt-Material, und einer inneren Druckfeder 9 aus normalem Federstahl eingewirkt. Die Wirkung der Feder 8 aus Gestaltspeichereffekt-Material wird dadurch von der Feder 9 aus normalem Federstahl vorgespannt.

Innerhalb der inneren Feder 9 befindet sich ein Weicheisen-Tauchkolben 10, der einen Ansatz am Spulenkolben 7 aus Weicheisen darstellt. Ein Luftspalt 11 ist zwischen der Unterseite des Tauchkolbens 10 und einer Eisen-Eichschraube 12 ausgebildet, die in die Unterseite des Käfigs 6 eingeschraubt ist. Die vorspannende Feder 9 wirkt an ihrem unteren Ende gegen die Schraube 12, so daß deren Kompression einjustiert werden kann.

Das untere Ende der Feder 8 aus Gestaltspeichereffekt-Material wird in dem unteren Ende des Käfigs 6 dadurch gefangen gehalten, daß der Innenraum des Käfigs an der Stelle 20 am unteren Ende mit einem Gewinde versehen ist, welches die untersten Windungen der Feder aufnimmt, vgl. insbesondere Fig. 2. Das obere Ende der Feder aus Gestaltspeichereffekt-Material wird in ähnlicher Weise am Spulenkolben 7 befestigt, der mit äußeren Gängen 21 versehen ist, die die obersten Windungen der Feder 8 aufnehmen (vgl. Fig. 2). Die Druckfeder 9 aus normalem Federstahl (Material ohne Gestaltspeichereffekt), die auf den Spulenkolben 7 wirkt, spannt die Gestaltspeichereffekt-Feder 8 und vermittelt dieser Feder eine Zugkraft. Der zu schützende elektrische Kreis liegt in Serie mit den Anschlüssen 13 und 14, die über die geschlossenen Kontakte 2, den Kontaktarm 1, eine Leitung 15, die Feder 8 und eine weitere Leitung 16 miteinander verbunden sind; der Strom

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fließt somit durch die Feder 8 aus Gestaltspeichereffekt-Material, die zusammen mit dem Spulenkolben 7 als Magnetspule arbeitet.

Die Feder 8 besteht bevorzugt aus einer Kupfer-Zink-Aluminium-Legierung mit 70,1% Kupfer, 25,9% Zink und 4,0% Aluminium, und diese Legierung ist einer Wärmebehandlung unterzogen worden, um sie in den Gestaltspeicherzustand zu bringen. Die Legierung besitzt einen Übergangsbereich mit einer Mittentemperatur von etwa 4O⁰C, so daß sich der Elastizitätsmodul zunehmend erhöht, wenn die Temperatur der Feder 8 über die Umgebungstemperatur ansteigt. Die Feder wurde bei einer Temperatur, die unterhalb des Übergangstemperaturbereichs liegt, in den Zustand der Zugbeanspruchung gebracht.

Während normaler Betriebsströme, wenn die Gelenkhebel-Einrichtung in der dargestellten Lage sich befindet, wird die Gelenkhebel-Einrichtung durch die Wechselwirkung des Spulenkolbens 7 mit dem Käfig 6 und durch Wirkung der Hauptfeder 3 zurückgehalten. In diesem Zustand sind die Kontakte 2 geschlossen. Wenn ein überlastzustand zwischen dem 1,4 und 4-fachen Wert des Nennstroms auftritt, erhöht sich die Temperatur der Feder 8 aus Gestaltspeichereffekt-Material allmählich in den Übergangstemperaturbereich des Gestaltspeichereffekt-Materials hinein, und die zunehmende Steifheit der Feder hat zur Folge, daß sie sich axial gegen die Wirkung der Vorspannung der Feder 9 zusammenzieht, die aus einem Material ohne GestaltSpeichereffekt besteht. Wenn die Abwärtsbewegung des Spulenkolbens 7 sich genügend lange fortsetzt, wird die Gelenkhebel-Einrichtung 4 über/Totpunkt hinweg abwärts gezogen; wenn dies eintritt, drückt die Hauptfeder 3 die Kontakte 2 mit voller Kraft auseinander, so daß die Öffnungszeit der Kontakte minimal gehalten wird. Bei Strömen

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in dem angegebenen Bereich ist die Magnetfeldwirkung nicht ausreichend, um die Gelenkhebel-Einrichtung 4 auszulösen, und die Schaltauslösung wird durch eine verlängerte überlast ausreichender Dauer bewirkt, die zur Folge hat, daß sich die Temperatur der Feder 8 aus Gestaltspeichereffekt-Material durch den Überganastemperaturbereich hindurch erhöht.

Wenn eine große überlast von etwa dem 4- bis 9-fachen Wert des Nennstroms auftritt, erzeugt der hohe Strom in der Schraubenfeder 8 ein Magnetfeld im Käfig, das eine große magnetische Kraft im Spalt 11 zur Folge hat und bewirkt, daß der Spulenkolben und der Tauchkolben 10 schnell abwärts gezogen werden, um die Gelenkhebel-Einrichtung 4 zu betätigen und den Kontakt 2 sofort zu öffnen. Die Kontraktion der Feder 8 aufgrund des Gestaltspeichereffekts stellt einen langsameren Vorgang dar und hat an der Schaltauslösung nur einen geringen Anteil.

In allen Fällen erzeugt der Strom durch die Feder 8 eine magnetische Anziehung zwischen den Windungen der Feder, die bestrebt ist, die Feder axial zusammenzuziehen und den Spulenkolben in Auslöserichtung zu bewegen. Die Anziehung zwischen den Windungen der Feder erhöht die Magnetfeld- und Gestaltspeichereffekt-Kräfte, die auf den Spulenkolben wirken.

Der Sicherungsautomat läßt sich nach einer Überlastung von Hand durch Betätigung des Kipphebels 5 in die Normallage zurücksetzen, wobei der Kipphebel 5 die Gelenkhebel-Einrichtung 4 wieder über den Totpunkt anhebt.

Der Sicherungsautomat ist äußerst einfach aufgebaut und läßt sich sowohl einfach herstellen als auch zusammenbauen,

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da er nur aus einer begrenzten Zahl an Teilen besteht, und der Sicherungsautomat läßt sich daher relativ billig herstellen. Die Tatsache, daß die Hauptfeder 3 über den Arm 1 direkt auf die Kontakte 2 einwirkt, hat zur Folge, daß die Öffnungszeit der Kontakte sehr kurz ist, so daß der Sicherungsautomat auch für große überlastströme einsetzbar ist. Das von dem Schaltauslösemechanismus benötigte Raumvolumen ist relativ klein, so daß ein relativ großes Volumen innerhalb des umschlossenen Raums des Sicherungsautomaten für eine große Bogenlöschkammer bleibt, so daß auch daher der Sicherungsautomat ohne Störung große überlastströme verarbeiten kann. Da der Strompfad durch den Sicherungsautomaten, d.h. zwischen den Anschlüssen 13 und 14, kurz ist und in Material mit relativ kleinem spezifischen Widerstand geführt ist, lassen sich die Sicherungsautomaten für hohe Stromwerte, z.B. von 5 bis 80 Ampere Nennwert, ohne Überhitzung verwenden.

Claims

DELTA MATERIALS RESEARCH LIMITED, 1 Kingsway, London WC2B 6XF, England

Elektrischer Sicherungsautomat

Ansprüche

/1.1 Elektrischer Sicherungsautomat mit einem strom-TSfrtpfindlichen Schaltauslösemechanismus, der eine Magnetspule enthält, deren Spulenkolben bei seiner Bewegung eine Schaltauslösung hervorruft, wobei die Spule den Auslösestrom führt, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule eine Schraubenfeder (8) aus Gestaltspeichereffekt-Material ist oder enthält, die mechanisch gegen den Spulenkolben (7) arbeitet und den Spulenkolben (7) bei durch Stromfluß erfolgender Aufheizung der Feder (8) in Schaltauslöserichtung drückt, wobei der Spulenkolben (7) sowohl elektromagnetisch als auch mechanisch bei einem Stromfluß durch die Feder (8) in Schaltauslöserichtung bewegt wird.

WWR/il

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2. Elektrischer Sicherungsautomat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenfeder (8) aus Gestaltspeichereffekt als Zugfeder arbeitet, die sich bei einem Temperaturanstieg über den übergajigstemperaturbereich des Gestaltspeichereffekt-Materials hinaus in axialer Richtung zusammenzieht.
3. Elektrischer Sicherungsautomat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkolben (7) durch eine zweite Feder (9) vorgespannt ist, die keine wesentlichen Gestaltspeichereffekt-Eigenschaften besitzt und der Feder (8) aus Gestaltspeichereffekt-Material entgegenwirkt .
4. Elektrischer Sicherungsautomat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkolben (7) durch eine zweite Feder (9) vorbelastet ist, die unter Kompression auf dem Spulenkolben lastet und keine beachtlichen Gestaltspeichereffekt-Wirkungen aufweist.
5. Elektrischer Sicherungsautomat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die zweite Feder (9) ausgeübte Druckbelastung einstellbar ist.
6. Elektrischer Sicherungsautomat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkolben (7) und die Feder (8) aus Gestaltspeichereffekt-Material innerhalb eines Weicheisenkäfigs (6) angeordnet sind, und daß die Feder (8) aus Gestaltspeichereffekt-Material zwischen dem Spulenkolben (7) und dem Käfig (6) wirkt.
7. Elektrischer Sicherungsautomat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei

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COPY ORIGINAL

!NSPECTED

elektrische Kontakte (2) vorgesehen sind, die zwischen einer geschlossenen und einer offenen Position gegeneinander bewegbar sind, daß Federmittel (3) auf die Kontakte (2) wirken, daß die Federmittel (3) die Kontakte (2) in die offene Stellung vorspannen, daß Zurückhaltemittel (4) die Kontakte (2) in geschlossener Stellung gegen die Wirkung des Federmittels (3) halten, daß die Zurückhaltemittel (4) durch einen Schaltauslösemechanismus die Kontakte (2) zur Überführung in die offene Position freigeben.
8. Elektrischer Sicherungsautomat nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zurückhaltemittel (4) eine Gelenkhebel-Einrichtung (4) enthalten.

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