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Magnetauslöser
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Die Erfindung betrifft einen Magnetauslöser mit Magnetjoch, einem
Permanentmagneten zur Vormagnetisierung des Magnetjoches, einem auf Polflächen des
Magnetjoches aufliegenden beweglichen Anker, der im Ruhezustand unter der Einwirkung
des vom Permanentmagneten herrührenden Feldes an die Polflächen des Magnetjoches
angezogen wird und gegen die Wirkung wenigstens einer Feder festgehalten wird, sowie
mindestens einer Spule auf einem Schenkel des Magnetjoches.
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Solche Magnetauslöser werden insbesondere in Fehlerstromschutzschaltern
verwendet und sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt, z.B. durch die europäische
Patentanmeldung 6829. Bei solchen Auslösern liefert ein Permanentmagnet den nötlgen
FluE,um den Anker gegen die Wirkung einer Feder an das Joch zu fesseln.
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Eine Auslösespule, die mit der Sekundärwicklung eines im Fehlerstromschutzschalter
untergebrachten Summenstromwandlers verbunden ist, bewirkt einen Fluß, der - bei
Wechselstrom in jeder zweiten Halbwelle - dem Haltefluß des Permanentmagneten entgegen
gerichtet ist und die Haltekraft des Ankers vermindert. Sobald die
Kraft
der Feder größer wird als die Haltekraft, reißt der Anker vom Magnetjoch ab und
bewirkt die Auslösung des 1?fehler stromschutzschalters. Solche Auslöser sprechen
im wesentlichen nur auf Wechselfehlerströme exakt an.
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Im Hinblick darauf, daß im Laufe der Zeit immer mehr Geräte auf den
Markt kommen, bei denen Gleichstromanteile und damit auch Gleichfehlerströme auftreten,
sind derartige Auslöser nachteilig.
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Bei Fehlerströmen mit Gleichstomanteilen, zum Beispiel bei Fehlerströmen,
die aus Einweggleichrichtung stammen, ist der Sekundärstrom, der sich aus dem Summenstromwandler
ergibt und der über den Auslöser fließt, nicht mehr symmetrisch. Stark unterschiedliche
Strommaxima ergeben dann jedoch je nach Poluny des Auslösers beziehungsweise Stromrichtung
erheblich unterschiedliche Auslösewerte, bezogen auf den Fehler strom, der als Primärstrom
im Wandler fließt. Um solche Stromrichtungsabhängigkeit zu mildern, sind mindestens
zusätzliche Kondensatoren erforderlich, die wiederum aus Kostengründen eine Auslegung
der Auslöser mit sehr hohem Scheinwiderstand, das heißt Spulen mit hohen Windungszahlen,
also hohem Fertigungsaufwand, erfordern.
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Bei den sogenannten Sperrmagnetauslösern treten diese Nachteile nicht
auf, jedoch sind solche Auslöser in soweit aufwendig, als die Spulen durch Fenster
der Jochbleche hindurchgewickelt werden müssen, was nicht ohne weiteres erlaubt,
hochohmige Auslöser mit vielen Windungen dünnen Drahtes herzustellen, was häufig
sehr vorteilhaft sein kann. Derartige Sperrmagnetauslöser sind beispielsweise aus
der DE-PS 10 78 227 bekannt geworden.
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Ein anderer, auf beliebige Stromrichtung ansprechender Auslöser für
Fehlerstromschutzschalter, der nicht als sogenannter Sperr-
magnetauslöser
ausgebildet ist, sondern nach dem Kompensationsprinzip arbeitet, ist aus der DE-AS
21 63 402 bekannt geworden.
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Dieser bekannte Magnetauslöser besteht aus drei Auslöseelementen,
die in an sich üblicher Weise aufgebaut sind, wobei die Wicklungen der einzelnen
Auslöser so zusammengeschaltet sind, daß eine Steuerstromrichtungsabhängigkeit vermieden
wird. Die drei Auslöseelemeute kennen in geeigneter Form zu einer Feinheit zusammengeXaßt
werden; es ist jedoch ersichtlich, daß die bekannte Konstruktion recht aufwendig
ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Auslöser der eingangs genannten
Art zu schaffen, welcher steuerstromrichtungsunabhängig ist und im Vergleich zu
den bekannten Auslösern erheblich vereinfacht ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
des Patentanspruches 1 gelöst.
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Eine vorteilhafte, übersichtliche Anordnung des Magnetauslösers ist
dann gegeben, wenn die freien Schenkel der Jochteile gegen die jeweiligen Verbindungsschenkel
um 90" abgewinkelt, die Jochteile parallel zueinander ausgerichtet sind und die
freien Schenkel beider Jochteile in die gleiche Richtung weisen. Über jeweils einen
Schenkel eines Joch teiles wird je eine Spule angeordnet, und zwar entweder über
zwei benachbarte Schenkel verschiedener Jochteile je eine Spule, die entgegengesetzten
Wicklungssinn aufweisen oder über zwei diagonal gegenüberliegen de Schenkel verschiedener
Jochteile je eine Spule, die gleichen Wicklungssinn aufweisen. Bei jeder dieser
beiden Spulenanordnungen wird der infolge des Permanentmagneten in den Schenkeln
fließende
Magnetfluß bei Auftreten eines durch die beiden Spulen fließenden Stromes (z. B.
Fehlerstrom) in zwei benachbarten, gegenüberliegenden Schenkeln verschiedener Jochtil
geschwächt oder sogar aufgehoben und in den anderen beiden Schenkeln verstärkt.
Sobald die an den Polflächen zur Wirkung kommende Federkraftkomponente größer wird
als die Anzugs kraft zweier benachbarter Polflächen, wird der Anker von diesen beiden
Polflächen abgehoben und bewirkt die Auslösung des MacJnet.lleslis(rs.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Zuordnung des Permanentmdqneten zu
den Magnetjochteilen und der geeigneten Zusammenschaltung der Spule bzw. Wicklungen,
kann der Auslöser auf Wechselfehlerströme und auf Gleichfehlerströme jeder Art und
jeder Richtung ansprechen, sofern die Fehlerstromamplitude einen vorgegebenen Wert
überschreitet. Beim Auftreten eines Fehlerstromes wird die Anzugskraft an zwei Polflächen
verstärkt und an den anderen beiden Polflächen verringert.
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Die besonderen Vorteile dieser Anordnung sind darin zu sehen, daß
der magnetische Widerstand in den Auslösekreisen niedrig ist, so daß eine hohe Auslöseempfindlichkeit
erreicht wird, daß eine relativ geringe Dauermagnet-Energie notwendig ist, da der
Dauermagnetkreis keinen Nebenschluß enthält, daß alle vier Auflageflächen zwischen
Joch und Anker, durch die ein Kompensationsfluß treten kann, durch die vom Gleichfluß
erzeugte Kraft zusammen gehalten werden und daß Schwankungen der magnetischen Widerstände
der Luftspalte zwischen Joch und Anker einen geringeren Einfluß auf die Funktionsweise
des Magnetauslösers haben, als dies bei Versuchen mit bekannten Magnetauslösern
nachgewiesen werden konnte.
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Bei der Auslegung der Jochteile des Magnetauslösers ist es vorteilhaft,
den Abstand zwischen zwei Schenkeln eines U-föririgen Jochteiles größer als den
Abstand zwischen zwei benachbarten Schenkeln unterschiedlicher Jochteile zu wählen.
Dieses Verhältnis kann zum Beispiel etwa zwei zu eins betragen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteranspriiclaen zu
entnehmen.
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Anhand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele der erfindung
dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere Vorteile und Ausgestaltungen
näher erläutert und beschrieben werden.
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Es zeigt: Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Magnetauslöser bestehend
aus Anker,Wippkeil und zwei Magnetjochteilen mit Permanentmagnet in perspektivischer,
schematisierter Explosionsdarstellung, Fig. 2 zwei Magnetjochteile mit drehbarem
Permanentmagneten in perspektivischer, schematisierter Darstellung, Fig. 3 zwei
Magnetjochteile mit verschiebbarem Permanentmagneten in perspektivischer, schematisierter
Darstellung und Fig. 4 ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Magnetauslösers.
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Der erfindungsgemäße Magnetauslöser gemäß Fig. 1 besitzt einen Anker
10, einen Wippkeil 11 und zwei zueinander parallel angeordnete U-förmigen Jochteile
12, 131 zwischen deren Verbindungsschenkeln 14, 15 ein Permanentmagnet 16 angeordnet
ist.
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Die Polarisierung des Permanentmagnetes 16 verläuft längs der Verbindungsrichtung
zwischen den beiden Jochteilen 12, 13. Auf zwei benachbarten Schenkeln 17, 18 ist
je eine Spule 19, 20, die als je eine Einfachwicklung dargestellt sind, aufgebracht.
Die beiden Spulen 19, 20 sind durch eine Verbindungsleitung 21 zusammengeschaltet.
Der Wicklungssinn der beiden Spulen 19, 20 ist entgegengesetzt.
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(Zu dieser konkreten Ausführuny ist auch eine nicht dargestellte Variante
denkbar. Da es lediglich darauf ankommt, daß die von den Spulen 19, 20 erzeugten
magnetischen Felder in zwei sich gegenüberliegenden Schenkeln 17, 18 oder 36, 37
verschiedener Jochteile 12, 13 entgegengesetzte Richtungen haben, können die beiden
Spulen 19, 20 auch bei entgegengesetztem Wicklungssinn
parallel
geschaltet werden, was einen niederohmigen Ausloser bei sonst gleichen Eigenschaften
zur Folge hat).
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Die beiden Zuleitungen 22, 23 zu den beiden Spulen 19, 20 sind mit
der nicht dargestellten Sekundarwicklung eines Summenstromwandlers verbunden. Die
vier Schenkelenden 24, 25,26,27 sind plangeschliffen und bilden die Polflächen zur
Auf lage des Ankers 10.
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Oberhalb der Magnetjochteile 12, 13 ist in der Fig. 1 der prismatisch
ausgebildete Wippkeil 11 dargestellt, welcher an seiner Oberseite eine Schneide
28 aufweist und auf dessen Unterseite sich zwei Ausnehmungen 29 befinden, in die
je eine Druckfeder 30 eingeführt ist. Die freien Enden der Druckfedern 30 stützen
sich bei einem montierten Magnetauslöser auf den Verbindungsschenkeln 14, 15 der
Jochteile 12, 13 ab.
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Oberhalb des Wippteils 11 ist in der Fig. 1 der Anker 10 darge -stellt,
der im wesentlichen als flache rechteckige Platte ausgebildet ist. In den Eckpunkten
treten aus der Unterseite 31 dieser Platte je ein rechteckiger Vorsprung 32 aus,
deren Enden plangeschliffen sind und die Polflächen zur Auflage auf den Schenkelenden
24, 25, 26, 27 der beiden Jochteile 12, 13 bilden. Auf der Unterseite 31 des Ankers
10 ist parallel zu einer Seitenfläche 33 des Ankers 10 in der Symmetrieebene des
Ankers 10 eine Kerbe 34 eingelassen. Der Kerbwinkel ist größer als der Schneidenwinkel
des Wippkeils 11. Auf der Oberseite des Ankers 10 ist in der Mitte der Ankerfläche
ein Auslösestift 35 befestigt, der in der Fig. 1 teilweise zu sehen ist.
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Bei zusammengebautem Magnetauslöser liegen die vier Polflächen der
Vorsprünge 32 des Ankers 10 auf den vier Polflächen der Schenkelenden 24, 25, 26,
27 der beiden Jochteile 12, 13 auf.
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Durch den Magnetfluß, der ausgehend von einem Pol des Permanentmagneten
16 durch die beiden Schenkel 17, 36 des einen Jochteils 12, den Anker 10 und die
beiden Schenkel 18, 37 des anderen Jochteils 13 in den anderen Pol des Permanentmagneten
16 i'ießt, ziclicn sich die Polflächen des Ankers, 10 und die der Jochteile 12,
13 an, so daß der Anker 10 auf den Schenkelenden 24, 25, 26, 27 der Jochteile 12,
13 "haftet".
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Die Schneide 28 des Wippkeils 11 liegt in der Kerbe 34 des Ankers
10. Die Druckfedern 30 drücken die Schneide 28 in die Kerbe 34. Die Druckkraft reicht
jedoch nicht aus, den Anker 10 gegen die magnetische Anziehungskraft von den Polflächen
der Jochteile 12, 13 abzuheben.
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Fließt durch die Spulen 19, 20 ein Strom,8ildet sich in jedem der
beiden Jochbleche 12 beziehungsweise 13 ein eigener, zusätzlicher Magnetfluß aus,
der jeweils über eine Seite des Ankers verläuft, und der in je einem der Pole eines
Jochbleches den Fluß schacht, so daß die magnetische Anzugskraft in zwei der vier
Polflächen geschwächt wird, und zwar je nach Stromrichtung in den Polflächen der
beiden Schenkel 17, 18, die die Spulen 19, 20 tragen, oder in den Polflächen der
beiden anderen Schenkel 36, 37. Sobald die magnetische Anzugskraft in zwei Polflächen
soweit reduziert ist, daß die Kraft der Druckfedern 30 überwiegt, wird der Anker
10 von diesen beiden Polflächen abgehoben, obwohl er noch an den anderen beiden
Polflächen angezoyen wird. Der Auslösestift 35 führt dabei eine Relativbewegung
nach oben aus und wirkt auf einen nicht dargestellten Auslösemechanismus ein, wodurch
eine Schaltfunktion ausgelöst wird.
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In Fig. 2 sind entsprechend dem unteren Teil der Fig. 1 zwei U-förmige
Jochteile 12, 13 dargestellt, zwischen deren Verbindungsschenkeln 38, 39 ein Permanentmagnet
40 angeordnet ist.
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Der Permanentmagnet 40 ist als runde Scheibe, deren Rundung an zwei
gegenüberliegenden Seiten 41 abgeflacht ist, ausgebil-
det. Er
ist in Längsrichtung polarisiert, so daß sich er Nordpol N und der Südpol S im Bereich
der Rundung befinden. Die beiden Verbindungsschenkel 38, 39 sind kreisförmig ausgeschlagen,
so daß sich die Rundung des Permanentmagneten 40 spaltlos an die Verbindungsschenkel
38, 39 anlegt.
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Der Permanentmagnet 40 läßt sich mittels eines Schlitzes (Schraubendreher)
relativ zu den beiden Jochteilen 12, 1 3 verdrehel1.
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Durch eine solche Verdrehung läßt sich der magnetische Fluß, der durch
die Jochteile 12, 13 und den Anker 10 gemäß Fig. 1 fließt, verändern. Es ist somit
möglich, die Auslösestromstärke des Magnetauslösers innerhalb bestimmter Grenzen
einzustellen.
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Eine weitere Mögliqhkeit den magnetischen Fluß im Magnetkreis zu variieren,
ergibt sich aus der Fig. 3. Auch hier sind zwei U-förmige Jochteile 42, 43 dargestellt.
Die Verbindungsschenkel 44, 45 der Jochteile 42, 43 weisen auf ihrer den freien
Schenkeln abgewandten Seite je eine Erhöhung 46, 47 aufs deren Oberflächen 48, 49
plangeschliffen sind. Auf diesen Oberflächen 48, 49 liegt ein Permanentmagnet 50
auf, der sich in pfeilrichtungen P verschieben läßt. Durch solch eine Verschiebung
ändert sich die Auflagefläche des Permanentmagneten 50 und somit der magnetische
Widerstand zwischen Permanentmagnet 50 und den Jochteilen 42, 43.
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Der Fig. 4 ist ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Magnetauslösers
zu entnehmen. Der Permanentmagnet GM liegt mit seinem magnetischen Widerstand RMI
zwischen den vier Schenkeln A1' A2' 3, 4 zweier Jochteile. Mit RSL1 bis R5L4 sind
die magnetischen Widerstände der Schenkel A1, A2, A3, A4 sowie die jeweiligen Ubergangswiderstände
zwischen den einzelnen Schenkeln und dem Anker bezeichnet. Die Schenkelenden A5,
A6, A7 A8 sind über
magnetische Widerstände des Ankers RA miteinander
verbunden.
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Über die beiden Schenkel A1 und A2 ist je eine Spule Sl, S2 angeordnet.
Die beiden Spulen Sl und S2 sind gemeinsam mit der Sekundärwicklung des Summenstromwandlers
eines Fehlerstromschalters, der als Fehlerstromgenerator FFS dargestellt ist, in
Reihe zusammengeschaltet. Es ist auch möglich, den tehlerstromgenerator GFS mit
den beiden Spulen Sl, S2 parallel zu schalten (siehe oben).
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Gemäß Fig. 4 ergeben sich vier magnetische Kreise: -zwei Gleichflußkreise
GK, die strichliert gezeichnet sind und zwei Auslösekreise AK (Kompensationskreise)
die strichpunktiert gezeichnet sind.
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Der Permanentmagnet GM liefert den magnetischen Gleichfluß für die
Gleichflußkreise. Die Flußrichtung ist durch Pfeile GK dargestellt. Der Fehlerstromgenerator
GFS erzeugt mittels der Spulen S1, S2 in den Schenkeln A1, A2 eine magnetische Feldstärke
H, deren Richtung durch die Pfeile H angedeutet ist.
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Die magnetische Feldstärke H treibt durch den jeweiligen Auslösekreis
einen entsprechenden magnetischen Fluß, der durch Pfeile AK charakterisiert ist.
Bei der in Fig. 4 angeriolmenen Stromrichtung in den Spulen S1 und S2 wird in den
Schenkeln A1 und A2, wie ersichtlich, der magnetische Gleichfluß GK durch den magnetischen
Auslösefluß AK verstärkt. In den Schenkeln A3 und A4 hingegen wird der magnetische
Gleichfluß GK durch den magnetischen Auslösefluß AK geschwächt.
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Wenn der magnetische Gleichfluß GK durch den Auslösefluß AK soweit
geschwächt wird, daß die sich aus dem resultierenden Fluß ergebendeAnziehungskraft
zwischen den Schenkeln A3, A4 und dem Anker kleiner wird als die entgegenwirkende
Federkraftkomponente, reißt der Anker von beiden Schenkelenden A31 A4 ab.
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Dies fahrt, wie weiter oben beschrieben wurde, zur Auslösung
des
Magnetauslösers. Es ist ersichtlich, daß bei umgekehrter Richtung des Spulenstromes
der Gleichfluß GK in den Schenkeln A1, A2 durch den Auslösefluß AK geschwächt wird.
In diesem Fall reißt sich der Anker von den Schenkelenden A1, A2 los.
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