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Thermischer Überstrom- und Kurzschlußauslöser für Selbstschalter
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-Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Installationsgerät
mit thermischem Überstromauslöser, insbesondere Leitungsschutzschalter, dessen thermischer
Überstromauslöser ein den Ausschaltungsvorgang auslösendes Auslöseelement aus einer
Formgedächtnislegierung mit Zweiweg-Effekt besitzt.
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Konventionelle Schalter dieser Art enthalten als Auslöseelement einen
Bimetallstreifen, der sich als Folge der bei Stromdurchfluß entstehenden Jouleschen
Wärme auslenkt und bei Überschreitung eines vorher bestimmten Maximalstromwertes
die Schaltfunktion auslöst. Wie schon in der DE-OS 2 724 255 erläutert, sind Bimetallstreifen
zur Sicherung gegen stoßartig zunehmende Stromüberlastung, z.B. für Kurzschlußsicherungen,
meist nicht geeignet, so daß für eine
solche Schaltfunktion andere
stromdurchflossene Elemente, wie elektromagnetisch auslösbare Schalter oder Schmelzsicherungen,
nötig sind.
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Wie in der oben genannten DE-OS 2 724 255 ausgeführt, kann zur Sicherung
gegen stoßartig zunehmende Stromüberlastung auch anstelle des hier ungeeigneten
Bimetallstreifens ein Element aus Formgedächtnislegierung mit Zweiweg-Effekt verwendet
werden.
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Solch eine Legierung wird bei tiefen Temperaturen über eine kritische
Dehnungsgrenze irreversibel verformt ("gespannt").
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Bei Erwärmung über eine kritische Temperatur nimmt das Material sprungartig
wieder nahezu seine ursprüngliche Form an. Bei erneuter Abkühlung wird der verformte
Zustand teilweise zurückgewonnen. Bei nachfolsenden thermischen Zyklen durchläuft
der Verformungsgrad in Abhängigkeit von der Temperatur eine Hystereseschleife. Man
nimmt an, daß dieser bei verschiedenen Legierungen auftretender Effekt auf einer
bestimmten Art von Phasenumwandlung (Martensitumwandlung) beruht. Martensit wird
als Niedrigtemperaturphase angesehen, die durch Abkühlen einer Hochtemperaturphase
(Austenit) mittels eines Scherungsprozesses erzeugt wird.
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Der Wert der kritischen Temperatur läßt sich durch eine extern erzeugte
Verspannung des Materials heraufsetzen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Installaticnsgerät
der eingangs genannten Art insbesondere dahingehend zu verbessern, daß das thermische
Auslöseelement so ausgelegt ist, daß seine Wärmeentwicklung bei Dauerstrom so klein
wie möglich gehalten wird und daß eine gute Wärmeableitung gewährleistet wird, die
es erlaubt, einen hohen Dauerstrom zu führen, ohne daß es zum Ansprechen des Elements
kommt.
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Andererseits ist jedoch wegen der guten Kühlung ein relativ kleiner
Leiterquerschnitt des Elements möglich, der bei Überstrom- und Kurzschlußstrombelastung
zu einem schnellen Ansprechen des Elements führt und damit die Verwendung eines
weiteren, schnelleren Kurzschlußstromauslösers erübrigt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Auslöseelement,
das aus einer Formgedächtnislegierung mit Zweiweg-Effekt besteht, als einseitig
eingespannter Streifen mit mindestens einer Verengung in seinem mittleren Bereich
ausgebildet ist.
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Diese Verengung kann dadurch gebildet sein, daß sich am Auslöseelement
eine oder mehrere Ausnehmungen, Bohrungen oder Einkerbungen auf wenigstens einer
Seite befinden.
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Fließt durch das Auslöseelement ein Kurzschluß- oder Überstrom, so
erwärmt sich das Auslöseelement aufgrund des Jouleschen Gesetzes insbesondere im
Bereich der Verengung.
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Die Verengung des Auslöseelementes wird derart ausgelegt, daß bei
vorgegebenem Kurzschluß- oder Überstromwert die Temperatur im Bereich der Verengung
den martensitischen Umwandlungspunkt überschreitet. Dies führt zur Auslenkung des
Auslöseelementes, welches die Auslösung einer Schaltfunktion bewirkt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann darin bestehen, daßv!an
dem freien Ende des Auslöseelementes ein Metallstreifen großer Biegefestigkeit durch
Nieten, Klammerung, Schweissen, bimetallartig o.ä. befestigt ist, dessen freies
Ende das Auslöseelement überragt und zur Auslösung des Schaltvorganges dient, wobei
die kleine Verformung des Auslöseelementes den gewünschten Auslösehub am freien
Ende des Metallstreifens bewirkt.
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Dieser Metallstreifen kann außerdem eine einwandfreie Positionierung
des in unverformten Zustand relativ weichen Auslöseelementes gewährleisten.
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Die Umwandlungstemperatur der thermisch reversiblen Form-
gedächtnisänderung
kann mit Hilfe einer von außen einwirkenden Kraft in Richtung zu höheren Temperaturen
verschoben werden, wobei die erforderliche Kraft von der jeweils verwendeten Legierungszusammensetzung,
der thermischen und mechanischen Vorbehandlung bzw. den Abmessunaen des aus der
Formgedächtnislegierung hergestellten Auslöseselementes abhängt.
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Daher kann eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung darin bestehen,
daß das Auslöseelement durch eine Spannvorrichtung, insbesondere Zug-, Druck- oder
Blattfeder, so verspannt wird, daß damit eine geeignete Ansprechtemperatur des den
Schaltvorgang auslösenden Auslöseelementes festgelegt ist.
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Die Spannvorrichtung kann am Auslöseelement selbst oder an der mit
diesem verbundenen Metallstreifen angreifen.
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Sofern der Metallstreifen als vorgespannte Blattfeder ausgebildet
ist, dient er als Spannvorrichtung für das Auslöseelement und legt die Ansprechtemperatur
des Auslöseelementes fest.
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Als weitere vorteilhafte Ausgestaltung lassen sich die Stromzuleitungen
zum Auslöseelement so anordnen, daß die Auslenkung des beweglichen Teils des Auslöseelementes
infolge der elektromagnetischen Kraft eines Kurzschluß- oder Überstromes bei antiparallelem
Stromdurchfluß durch eine der Stromzuleitungen und durch das Auslöseelement unterstützt
wird. Diese Unterstützung der Auslenkung beschleunigt das Auslösen des Auslösemechanismus.
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Das mit der Erfindung verbesserte elektrische Installationsgerät hat
den Vorteil, daß seine Auslösekennlinie bis in den Kurzschlußstrombereich einen
sicherungsähnlichen Verlauf
zeigt. Damit wird insbesondere seine
Selektivität bei hintereinandergeschalteten Geräten erhöht.
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Die Auslösung kann, wie oben angeführt, bei hohen urzschlußströmcn
durch Anordnung eines dynamischen Stromrückleiters in der Nähe des Auslöseelementes
beschleunigt werden.
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Bei kleinen Uberströme!l wird wegen des kleinen beheizten Bereiches
be1 der Verengung nur eine geringe Wärmemenge produziert. Damit bleibt einerseits
die Beeinflußung des Auslöseverhaltens benachbarter Geräte klein, andererseits kann
die geringe Wärmemenge nach der Stromunterbrechung schnell abgefuhrt werden, so
daß das Auslöseelement nach Unterschreiten der Ansprechtemperatur sich rasch wieder
in seine Bereitschaftstellung zurückbewegt.
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Weitere Vorteile der Erfindung sind in der einfachen Form und dem
einfachen Aufbau des Auslöseelementes und in der Einstellbarkeit der Ansprechtemreratur
durch eine Spannvorrichtung zu sehen.
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Anhand der Zeichnung, in der mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung
gezeigt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und
Verbesserungen und weitere Vorteile näher erläutert und beschrieben werden.
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Es zeigt Fig. 1 eine Ansicht eines Leistungsschalters in ausgeschaltetem
Zustand mit der Anordnung der einzelnen Bauteile innerhalb des Schaltergehäuses,
Fig. 2 eine Ansicht des Auslöseelementes mit dahinterliegendem Metallstreifen, Fig.
3 eine weitere Ansicht gemäß Fig. 2,
Fig. 4 eine Seitenansicht
des Auslöseelementes mit parallel angeordnetem Metallstreifen und einer Spannvorrichtung
und Fig. 5 eine Seitenansicht des Auslöseelementes mit Stromzuführungen und parallel
zum Auslöseelement angeordnetem Metallstreifen.
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Die einzelnen Bauelemente des ieitungsschutzschalters sind entsprechend
Fig. 1 in einem kastenförmlgen Schaltergehäuse 11 angeordnet. In dem Strompfad sind
nacheinander eine erste Anschlußklernmplatte 12, ein ortsfestes Kontaktstück 13,
ein in geöffnetem Zustand dargestelltes bewegliches Kontaktstück 14, eine nicht
dargestellte elektrische Verbindungsleitung, ein elektromagnetischer Auslöser 15,
eine weitere elektrische Verbindungsleitung 16, eine Einspannung 17, ein Auslöseelement
18, eine flexible Anschlußleitung 19, eine Stromzuleitung 20 und eine zweite Anschlußklammplatte
21 angeordnet.
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Als Auslöseelement 18 wird ein Streifen einer Formgedächtnislegierung
mit Zweiweg-Effekt verwendet. Dieser ist zusammen mit einem Metallstreifen 22, der
mit dem Auslöselemnt 18 durch Nieten verbunden ist, in einer Einspannung 17 eingespannt.
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Erfindungsgemäß befindet sich im mittleren Bereich des Auslöseelementes
18 eine Verengung 23, die mit Einkerbungen 25, 26, wie in Fig. 3 dargestelit, ausgebildet
ist. Der Metallstreifen 22 ist mit einer korrespondierenden Verengung 24 versehen.
Der Metallstreifen 22 sorgt für eine einwandfreie Positionierung des Auslöseelementes
18 und übersetzt relativ kleine Deformationen an der Verengung 23 auf
den
gewünschten Auslösehub am Ort des Auslösehebels 27.
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Bei Überstrom oder Kurzschlußstrom erhöht sich die Temperatur des
Auslöseelementes 18 besoonders im Bereich der Verengung 23 durch Joulesche Wärme
und übersteigt den martensitischen Umwandlungspunkt, so daß das Auslöseelement 18
im Bereich der Verengung 23 zumindestens teilweise in den austenitischen Gedächtnisformzustand
übergeht und sich verformt, demzufolge eine Auslenkung des oberen Teils des Auslöseelementes
18 nach rechts eintritt. Die Auslenkung wird mit dem Metallstreifen 22 auf die Stellschraube
28 übertragen, welche sich gegen den Auslösehebel 27 zur Auslösung des Schaltwerkes
bewegt. Dies führt zur Trennung des beweglichen Kontaktstückes 14 vom ortsfesten
Kontaktstück 13 und damit zum Öffnen des Schalters.
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Nachdem das Auslöseelement 18 nicht mehr von dem Überstrom oder Kurzschlußstrom
durchflossen wird, kühlt es sich unter dem martensitischen Umwandlungspunkt ab und
nimmt die ursprüngliche Gestalt an. Die Stellschraube 28 wandert wieder nach links
in die ursprüngliche, in der Fig. 1 dargestellte Position und der Leitungsschutzschalter
kann wieder mit dem Kipphebel 29 manuell eingestellt werden.
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In Fig. 2und Fig. 3 ist ein Auslöseelement 18, 118 erkennbar, das
mit seinem einen Ende in der Einspannung 17 eingespannt ist und an dessem anderen
Ende eine nur teilweise dargestellte flexible elektrische Anschlußleitung 19 befestigt
ist. Über das Auslöseelement 18, 118 ragt im oberen Teil ein Teil des dahinterliegenden
Metallstreifens 22 mit der Stellschraube 28 hinaus. Sowohl das Auslöseelement 18,
118 als auch der Metallstreifen 22 enthalten korrespondierende Verengungen 23, 24,
123, 124, die der Fig. 2 zufolge als zwei Bohrungen 30, 31 und der Fig. 3 zufolge
als zwei halbkreisförmige
Einkerbungen 25, 26 ausgebildet sind.
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In Fig. 4 ist eine weitere Ausgestaltung der Erfindung dargestellt.
Im oberen Bereich des Metallstreifens 22, der mit dem Auslöseelement 18 verbunden
ist, ist das eine Ende einer Spannvorrichtung 32 befestigt. Das andere Ende der
Spannvorrichtung 32 ist mit einer ortsfesten Befestigung 33 verbunden.
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Diese Spannvorrichtung 32 dient der Festlegung der Schalttemperatur,
d.h. der Temperatur, bei der der martensitische Umwandlungspunkt im Bereich der
Verengung 23 des Auslöseelementes 18 durch Joulesche Wärme überschritten wird. Bei
Verwendung einer Zugfeder als Spannvorrichtung 32 kann die Schalttemperatur heraufgesetzt
werden.
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Die Fig. 5 zeigt eine Anordnung der Stromzuführung des Auslöseelementes
18, bei der die Auslenkung des beweglichen Teiles des Auslöseelementes 18 durch
elektromagnetische Stromkraft K unterstützt wird. Bei Stromdurchfluß greift dyn
an dem beweglichen Teil des Auslöseelementes 18 durch die antiparallele Strombahn
i, die durch das Auslöseelement 18 und die ortsfeste Stromzuleitung 120 gebildet
wird, eine nach rechts gerichtete elektrodynamische Stromkraft K an. Bei dyn hohen
Kurzschlußströmen wird die Auslenkbewegung des Auslöseelementes 18 durch die Stromkraft
Kdyn zusätzlich beschleunigt; dadurch verkürzt sich die Auslösezeit.