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Auslöser für FehlerstrOmschutzschalter"
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Die Erfindung betrifft einen Auslöser für Fehlerstromschutzschalter,
mit einem U-förmigen Magnetjoch, einem Dauermagneten, der eine Vormagnetisierung
des Magnetjoches bewirkt, mit einer Spule, deren Wicklung mit der Sekundärwicklung
des Summenstromwandlers des Fehlerstromschutzschalters verbunden ist, ferner mit
einem auf den Polflächen des Magnetjoches aufliegenden Anker, der im Ruhezustand
gegen die Polflächen angezogen, im Falle eines Fehlerstromes von einer Feder zumindest
von einer Polfläche abgedrückt bzw. abgezogen wird.
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Derartige Auslöser sind bekanntgeworden beispielsweise in der DE-OS
24 30 288. Die Wicklung der Spule des Auslösers ist
mit der Sekundärwicklung
des im Fehlerstromschutzschalter untergebrachten Summenstromwandlers verbunden,
und eine in der Sekundärwicklung auftretende Spannung bei einem Fehlerstrom erzeugt
in dem Magnetjoch des Auslösers ein Magnetfeld, welches dem vom Permanentmagneten
erzeugten Magnetfeld überlagert wird. Je nach Stromrichtung wird die den Anker anziehende
Kraft verstärkt oder verringert. Nur dann, wenn die Anzugskraft verringert wird,
kann der Druck der Feder den Magnetanker, der im allgemeinen als Klappanker ausgebildet
ist, in die Stellung offen" verbringen und eine Auslösung bewirken. Dies bedeutet,
daß die oben erwähnten, bekannten Auslöser im wesentlichen auf Wechselfehlerstrom
und auf in bestimmter Richtung fließende Gleichströme ansprechen können. Dies bedeutet,
daß solche Auslöser nur in einer Halbwelle des Wechselstromes ansprechen.
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Hieraus ergeben sich zwei Nachteile: erstens kann eine ungünstige
Phasenlage des Stron4Jeginns eine Verzögerung von über einer halben Periodendauer,
also 10 ms, bis zum Ansprechen des Auslösers ergeben. Ein zweiter Nachteil tritt
auf, wenn der Fehlerstrom kein Sinus-Wechselstrom ist. Für diesen Fall sollen jedoch
Fehlerstromschutzschalter zunehmend ausgelegt werden, da mit dem Auftreten von Gleichstromanteilen,
insbesondere von gleichgerichteten Wechselströmen als Fehlerströmen, gerechnet wird.
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Bei solchen Fehlerströmen, deren Unsymmetrie unterschiedlich sein
kann, tritt im Sekundärkreis des Wandlers zwar auch ein Wechselstrom auf; jedoch
besitzt dieser unterschiedliche Amplitudenwerte. Damit ergibt sich bei Fehlerstromschutzschaltern
mit derartigen Auslösern eine unterschiedliche Auslöse-Empfindlichkeit, die von
der Richtung des Fehlerstromes abhängt.
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Auslöser, die auf Ströme beliebiger Stromrichtung ansprechen, also
in jeder Halbwelle eines Wechselstromes, sind hunter dem Namen "Sperrmagnetauslöser"
bekannt. Ein solcher Sperrmagnetauslöser ist zum Beispiel in der DE-PS 11 02 225
bekanntgeworden. Bei diesem Auslöser wird die Auslösespule jeweils
durch
Fenster der Jochbleche gewickelt, wie dies beispielsweise bei den Auslösern der
Fall ist, die in der DE-OS 24 30 288 beschrieben worden sind. Diese komplizierte
Art der Bewicklung ist nötig, weil beim Sperrmagnetauslöser aufgrund seines Prinzips
die Spulenwicklung vom Material des Jochbleches ganz umschlossen sein muß, d.h.,
weil zwischen Spule und Anker ein Steg liegen muß bzw. zwei Engstellen liegen müssen,
der bzw.
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die durch den Strom in der Spule in magnetische Sättigung kommtbzw.
kommen und den Fluß des Magneten sperrt bzw. sperren, und zwar in jeder Stromrichtung
der Spule.
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Ein anderer Auslöser nach dem Sperrmagnetprinzip (AT-PS 278 954) besitzt
einen Steg, der die Spulenwicklung einseitig umschließt1 so daß auch bei diesem
Auslöser die Spule durch das Fenster in den Blechen des fertig montierten Jochpaketes
gewickelt werden muß. Diese Wickelmethode ist ebenfalls sehr aufwendig und läßt
bei maschinellei Bewicklung eine günstige Ausnutzung des Wickelfensters/zu. Ferner
ist es schwierig, relativ viele dünne Wicklungen vorzusehen, damit der Auslöser
einen hohen Scheinwiderstand erhält, was erwünscht ist, wenn ein solcher Auslöser
in Kompensationsschaltungen mit Kondensatoren benutzt werden soll.
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Aufgabe der Erfindung war es daher, einen Auslöser zu schaffen, der
einerseits die Charakteristik des " Sperrmagnetauslösers " hat, also durch Ansprechströme
beliebiger Stromrichtung bzw. in jeder Stromhalbwelle bei Wechselstrom zur Auslösung
gebracht werden kann, der aber andererseits einen vereinfachten Aufbau bei vereinfachtem
Herstellungsverfahren besitzt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß außer den Schenkeln
wenigstens ein magnetischer Mittelsteg vorgesehen ist, der mit dem Jochsteg in magnetischer
Verbindung steht und von der Spule umfaßt ist.
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Bei dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann die Spule vor der
Montage bzw. dem Zusammenbau des Auslösers fertig gewickelt werden, was eine erhebliche
Kostenverringerung mit sich bringt.
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Zwar ist ein Sperrmagnetauslöser bekanntgeworden (DE-PS 11 57 294),
bei der die Wicklung schon vorher gewickelt werden kann; da für den Zusammenbau
bzw. dafür, daß die Wicklung vollständig von den Jochblechen umschlossen sein muß,
mehrere E-förmig ausgebildete und sich gegenüberliegende Jochbleche (insgesamt mindestens
vier) erforderlich werden, ist mit dem Vorteil der vorherigen Bewicklung der Spule
nichts gewonnen, vielmehr ist der Auslöser insgesamt trotzdem sehr aufwendig.
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Ein Auslöser, der die gleiche Aufgabe löst wie der erfindungsgemäße
Auslöser, ist in der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung P (Mp.-Nr. 667/79
) beschrieben worden. Hierbei jedoch sind zwei Spulen erforderlich, von denen je
eine einen Schenkel umfaßt. Durch die vorliegende Erfindung ist ein vereinfachter
Auslöser geschaffen worden.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung ist folgende: der
Hauptmagnetfluß, der den Anker am Joch festhält, geht über die zwei außenliegenden'
Jochschenkel und zwar bezogen auf den Anker, in entgegengesetzter Richtung und er
schließt sich vollständig über den Anker. Der Anker und der Permanentmagnet sind
in an sich bekannter Weise angeordnet, wie zum Beispiel bei dem Auslöser nach der
DE-OS 24 30 288, bei dem aber nur eine Auslösung in einer Halbwelle des die Spule
durchfließenden Stromes erfolgt.
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Wesentlich für die Erzielung der Eigenschaft zur Auslösung in beiden
Stromrichtungen ist die Anordnung des Mittelsteges und die Anbringung der Spule
auf diesem. Erst dadurch wird es möglich, bei jeder Stromrichtung in jeweils einem
der beiden Schenkel den Magnetfluß zu vermindern, weil in dem Mittelsteg ein zusätzlicher
Fluß erzeugt wird, der sich im Anker und Jochsteg jeweils verzweigt bzw. in zwei
etwa gleiche Teilflüsse aufteilt,
von denen natürlicherweise der
eine verstärkend und der andere schwächend wirkt.
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Wenn nun in der Spule ein Stromimpuls in bestimmter Richtung fließt
und wie angegeben einen Zusatzmagnetfluß im Mittelsteg erzeugt, der in einem Schenkel
den Magnetfluß und damit die Haltekraft schwächt (und im anderen verstärkt), so
führt das zur Veränderung und Verlagerung der Haltekräfte am Anker.
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Während der Anker ohne Strom in der Spule an den beiden außenliegenden
Schenkeln festgehalten ist (Ruhestromprinzip), wird durch einen Spulenstrom ein
Schenkelpol an Haltekraft verlieren, jedoch am Mittelsteg eine Haltekraft entstehen.
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Dieser Wechsel der Anzugskräfte von einem Pol auf einen anderen läßt
sich sehr wohl zum Abfallen des Ankers ausnutzen, indem die Anordnung der Pole entsprechend
getroffen wird. Dies geschieht in erfindungsgemäßer Weise dadurch, daß die Abreißfeder,
die den Haltekräften auf den Anker entgegenwirkt, in Bezug auf die außenliegenden
Schenkel mittig (oder jedenfalls ungefähr mittig und jedenfalls mit genau gleichem
Abstand von jedem) angeordnet wird, während der Mittelsteg einseitig neben der Feder
angeordnet ist. Dadurch wird erreicht, daß auch die Anziehung des Ankers an einem
Seitensteg und dem Mittelsteg nicht zum Halten des Ankers ausreicht, weil die Feder
eine Hebelwirkung ausübt. Während nämlich die Verbindungslinie der beiden Schenkel
durch den Federangriffspunkt geht, verläuft die Verbindungslinie von jedem Außenpol
zum Mittelpol bzw. vom Außenschenkel zum Mittelschenkel gerade nicht über den Federangriffspunkt
sondern in erheblichem Abstand zu diesen. Damit wirkt auf den Anker ein Kippmoment,
wobei durch die Änderung des Kippmomentes (Änderung des Abstandes bzw. der Abstände)
eine Empfindlichkeits-Einstellung ermöglicht wird. Die Empfindlichkeit eines solchen
Auslösers läßt sich in Weiterbildung der Erfindung dadurch steigern, daß die Ausdehnung
der Polflächen in Richtung zum Federangriffspunkt möglichst klein ausgeführt ist.
Dadurch wird das Verhältnis Abreinhebelarm zu
Haltekrafthebelarm
größer und günstiger.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung kann zum Kennzeichen haben,
daß der von dem Dauermagneten erzeugte magnetische Fluß in sich innerhalb des Magnetsystems
geschlossen ist, wobei dieNord-Süd-Richtung des Dauermagneten parallel zum Jochsteg
verläuft.
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Für die zweckmäßige Ausbildung des Auslösers ist es günstig, den Mittelsteg
einstückig aus dem Jochteil herzustellen. Damit wird ein sehr kleiner Magnetwiderstand
erreicht, der eine Voraussetzung zur Erreichung einer hohen Auslöseempfindlichkeit
ist. Die einstückige Herstellung aller drei Polschenkel ergibt außerdem die Möglichkeit,
die drei Berührungsstellen mit dem Anker auf einer sehr plan herstellbaren Ebene
zu bearbeiten.
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Anhand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt sind, und der Unteransprüche, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen und Verbesserungen und Vorteile der Erfindung näher erläutert und
beschrieben werden.
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Es zeigt: Fig. 1 bis 3 eine schematische Darstellung der Anordnung
bzw. Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Auslösers, Fig. 4 und 5 eine konkrete Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Auslösers, Fig. 6 und 7 das Magnetjoch dieses Auslösers, Fig.
8 eine optimale Flächenanordnung der Polflächen und Fig. 9 eine besondere Ausgestaltung
der Spulenanbringung an einem Joch mit drei Schenkeln.
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Der Magnetauslöser gemäß den Figuren 1 bis 3 besteht im wesentlichen
aus einem U-förmigen Magnetjoch 10 mit zwei Jochschenkeln 12 und 14 sowie einem
die Schenkel 12 und 14 miteinander verbindenden Jochsteg 16. An der aunenliegenden
Jochstegfläche ist ein Dauermagnet 18 angebracht, dessen Nord-Süd-Richtung parallel
zu der Jochstegrichtung verläuft.
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Die Schenkel enden in Polflächen 20 und 22, auf denen ein Anker 24
aufliegt, der von einer Druckfeder 26 in Richtung "öffnen" beaufschlagt wird.
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In der Mitte zwischen den beiden Schenkeln 12 und 14 ist ein Mittelsteg
28, hier beispielsweise in Form eines Rohres vorgesehen, welcher aus magnetischem
Material besteht, wobei am oberen Ende des Rohres 28 eine Polfläche vorgesehen ist.
Die Feder 26 befindet sich im Inneren des Rohres 28 und um das Rohr herum ist eine
Spule 32 angeordnet, die mit der Sekundärwicklung des Fehlerstromschutzschalters
(nicht weiter dargestellt) in elektrisch-galvanischer Verbindung steht.
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In der Figur 1 ist der Ruhezustand des Auslösers dargestellt, bei
dem kein Fehlerstrom auftritt. Man erkennt strichliert den magnetischen Fluß 34,
der im Magnetsystem Magnetjoch-Anker-Dauermagnet in einer Richtung (Pfeilrichtung
F) verläuft.
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Dieser magnetische Fluß zieht den Anker 24 entgegen der Kraft der
Feder 26 gegen die Polflächen 20 und 22 an.
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In dem Falle, wenn ein Fehlerstrom in einer ersten Richtung auftritt,
erhält man im Mittelsteg 28 einen vom Fehlerstrom herrührenden magnetischen Fluß,
welcher sich aufteilt in einen Teilfluß 36, der über den Schenkel 14, und in einen
anderen Teilfluß 38, der über den Schenkel 12 verläuft. Die Richtung, in der der
Fehlerstrom die Spule bzw. die Wicklung 32 durchfiießt, ist durch die Kreuze 40
und die Punkte 42 in den Querschnittsflächen der Wicklungsdrähte dargestellt. Dementsprechend
ist in
Figur 2 der in dem Mittelsteg bzw. in dem Rohr 28 gerichtete
Magnetfluß zum Jochsteg 16 hingerichtet. Dort teilt sich der Fluß auf in den Teilbereich
36 bzw. 38 durch den Schenkel 14 und den Schenkel 12 derart, daß sich der Magnetfluß
36 zum Magnetfluß 34 hinzuaddiert und der Magnetfluß 38 dem Magnetfluß 34 entgegengesetzt
gerichtet ist. Auf diese Weise erhöht sich zwar an der Polfläche 22 die Anzugskraft
auf den Anker 24, hingegen verringert sie sich an der Polfläche 20 so weit, daß
die Feder 26 den Anker um die Polfläche 22 als Auflager und Drehpunkt entgegen dem
Uhrzeigersinn in Pfeilrichtung Ul verdreht und öffnet.
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In der Anordnung nach der Figur 3 fließt der Strom in entgegengesetzter
Richtung durch die Spule, so daß sich die Kreuze 40 und die Punkte 42 jeweils auf
der entgegengesetzten Seite befinden. In diesem Fall ist der Magnetfluß 36 dem Magnetfluß
34 im Schenkel 14 entgegengerichtet, wogegen der Magnetfluß 38 im Schenkel 12 in
die gleiche Richtung gerichtet ist wie der Magnetfluß 34. Damit verringert sich
die Anzugskraft im Bereich der Polfläche 22, wogegen sie sich im Bereich der Polfläche
20 verstärkt, und der Anker dreht sich nun im Uhrzeigersinn in Pfeilrichtung U2
um den Drehpunkt Pol fläche 20 aufgrund der Kraft der Feder 26 in die Stellung "offen".
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In den Figuren 4 und 5 ist eine konkrete Ausgestaltung des Magnetauslösers
dargestellt. Es zeigt die Figur 4 einen Querschnitt durch eine Anordnung im Bereich
der Mittelebene. Man erkennt das U-förmige Magnetjoch 51 mit den Schenkeln 52 und
54 und mit dem Jochsteg 56, an dem der Dauermagnet 58 befestigt ist. Im Inneren
des Magnetjoches 51, also zwischen den beiden Schenkeln 52 und 54, befinden sich
die Spule 74, in deren Innern der Mittelsteg 78 sowie ein ebenfalls aus dem Jochsteg
56 hochgebogener Steg 79, der aber zusammen mit dem Mittelsteg 78 nur zur Fixierung
von Spule 74 und eines zur Führung Rohres 60 aus nicht magnetischem Stoff/einer
Druckfeder 61 dient, die den Anker 62 in Richtung "öffnen" beaufschlagtt
Im Inneren der Feder befindet sich ein Stößel 63, der sowohl den
Anker 62 als auch den Dauermagneten 58 überragt, wobei im Anker 62 eine Öffnung
64, im Jochsteg 56 eine Öffnung 66 und im Dauermagneten eine Öffnung 68 vorgesehen
ist. Der Stößel 63 besitzt an seinem Ende eine Erweiterung 72 und einen Ansatz 65.der
bei Auslösung des Ankers die Kraft der Feder 61 auf das Schaltschloß.des Schalters
überträgt.
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Im Falle eines Fehlerstromes wird, wie in den Figuren 1 bis 3 dargestellt,
der Anker aufgrund der Kraft der Feder 61 entweder in Pfeilrichtung U1 oder Uz verschwenkt,
wobei der Anker 62 über die Erweiterung 72 den Stößel 63 mitnimmt.
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In der Figur 5 ist eine Aufsicht auf die Anordnung gemäß der Figur
4 dargestellt, wobei der Magnetanker weggelassen ist. Man erkennt die Spule 74,
das Federführungsrohr 60 sowie das Magnetjoch 51 mit den beiden Schenkeln 52 und
54, deren Polflächen 76 und 77 schraffiert sind. Aus den Figuren 6 und 7 kann man
erkennen, daß der Mittelsteg 78 durch einen weiteren, an dem Magnetjoch 51 angeformten
Schenkel gebildet wird. Der weitere Schenkel 79 dient zur Fixierung der Spule 74.
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Das freie Ende des Schenkels 78 liegt in der durch die beiden Polflächen
76 und 77 gebildeten Ebene und dient so einer Dreipunktauflage des Ankers (vgl.
schraffierte Fläche 80 des Schenkels 78 in Fig. 6).
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Die Funktionsweise der Anordnung gemäß den Figuren 4 bis 7 ist folgende:
bei Fehlen eines Fehlerstromes in der Spule wird der Anker nur über die beiden Außenpole
(Polschenkel 52 und 54)gehalten7. Der Mittelsteg 78,der quer zum Magnetpfad liegt,
hat keinen nennenswerten Magnetfluß.
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Bei einem Strom in der Spule wird jeweils ein zusätzlicher Magnetfluß
über den Mittelsteg (oder -pol) erzeugt, der sich nach den beiden Außenpolen hin
verzweigt, wie aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich ist. Damit wird der Magnetfluß
im einen Aunenpol geschwächt und der im anderen verstärkt,
wobei
am Mittelpol 78 bzw. an der Polfläche 80 ebenfalls durch den Magnetfluß eine gewisse
Anzugskraft entsteht. Da aber die Verbindungslinie zwischen dem Außen- und dem Mittelpol
außerhalb des Federangriffspunktes verläuft, erfolgt ein Abreißen des Ankers, sobald
das Drehmoment der Feder (bezogen auf die Verbindungslinie) größer ist als das sich
aus der Polflächenbreite quer zur Verbindungslinie ergebende Moment der Haltekräfte.
Je geringer die Breite der Außenpole ausgeführt wird, um so eher und sicherer wird
die Auslösung bzw.
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die Verschwenkung des Ankers erreicht. Man erkennt aus der Figur 6
und 7, daß die beiden Schenkel 54 und 52 im Vergleich zur Breite des Steges 56 schmal
sind.
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Man erkennt ferner aus den Figuren 5 bis 7, dan die Schenkel 52 und
54 ebenso wie der Mittelpol bzw. die Rückführung 78 und der Schenkel 79 einstückig
aus einem Material hergestellt sind. Dadurch ergibt sich neben einer einfacheren
Montage auch eine günstigere Herstellung.
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Figur 8 zeigt eine Polflächengestaltung, die optimal zur Erzielung
höchster Empfindlichkeit ist. Hierbei ist die Breite der Polflächen it,53,55 und
81 senkrecht zur Verbindungslinie 91 bzw. 92 zwischen den Polen 55,53 und dem Mittelpol
81 ein Minimum.
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Die Polfläche ### ######### 81 wird bei solcher Optimierung der Polflächen
allerdings mit etwas größerer Breite, wie mit Umrißlinie 93 gedeutet, auszubilden
sein, wenn eine Feder mit relativ großer Kraft verwendet wird, die zum Abreinen
des Ankers ausreicht, wenn der Magnetfluß in einem Seitenpol nur wenig nachlänt.
Der Federangriffspunkt 94 liegt günstigerweise auf der Verbindungslinie der Mittelpunkte
der Polflächen 55,53 (Wirkungslinie 95). Da dementsprechend der Magnetfluß im Mittelpol
(Pol###### ##) relativ klein ist, kann dessen Fläche bzw.
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Breite größer gestaltet werden als bei den Seitenpolen.
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In der Figur 9 ist eine weitere Ausgestaltung der Erfindung im Schnitt
dargestellt, die einen gröneren Jochstegquerschnitt ermöglicht.
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Das Magnetjoch ist ähnlich wie in der Ausgestaltung nach der Figur
6 U-förmig ausgebildet; es besitzt einen dem Mittelsteg 78 entsprechenden Mittelsteg
102, wogegen der Schenkel 79 der Ausgestaltung nach den Figuren 6 und 7 weggelassen
ist, wodurch der Jochstegquerschnitt vergrönert wird. Aufgrund fertigungstechnischer
Erfordernisse mun der Bereich des Jochsteges beidseitig unmittelbar neben dem Mittelsteg
um ein geringes Maß ausgeschnitten sein. Diese Ausschnitte fallen hier weg. Im Gegensatz
zu der Ausführung nach Figur 6 ist der Mittelsteg 102 flach ausgebildet; er kann
selbstverständlich auch leicht gekrümmt sein. Der Spulenkörper der Figur 9, der
die Bezugsziffer 104 besitzt, weist einen annähernd hufeisenartigen Durchbruch 106
auf, dessen gerades Teilstück 108 an dem Mittelsteg 102 anliegt und dessen geboqene
Bereich 110 die Feder 112 führt und umfaßt. Dadurch befindet sich die Feder 112
zwischen dem Mittelsteg 102 und dem bogenartigen Bereich 110. Die beiden Bereiche
108 und 110 sind wie ein Rohr ausgebildet, an deren Enden Spulenflansche angeformt
sind; in der Figur 9 erkennt man lediqlich den unten liegenden Spulenflansch 116.
Das aus den beiden Bereichen 108 und 110 gebildete Spulenrohr 114 ist umwickelt
von einer Wicklung, deren Lage innerhalb der Strichpunktlinie 117 markiert ist.
Der untere Spulenflansch 104 besitzt zwei sich gegenüberliegende Nasen 118 und 120,
die hinter die Schenkel 122 und 124 auf der dem Mittelsteg 102 abgewan(sten Seite
greifen, so daß der Spulenkörper 104 durch den Mittelsteg 102 sowie die beiden Schenkel
122 und 124 über die Nasen 118 und 120 fixiert ist.
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