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Beschreibung:
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Die Erfindung geht aus von einem Schaltelement mit den im Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Beim Aufbau von Niederspannungs-Schaltanlagen,
überwiegend bei Energieverteilern, Schaltanlagen und Steuerungen werden zum betriebsmäßigen
Ein- und Ausschalten von Nennströmen und Uberlastströmen, z.B. von Transformatoren,
Motoren, Kondensatoren usw. Lasttrennschalter verwendet, welche entweder in offenen
Gerüsten oder in Gehäuse eingekapselt eingebaut werden. Bekannte Niederspannungs-Lasttrennschalter
verwenden als Schaltbrücke zwischen fest angeordneten elektrischen Anschlußstücken
üblicherweise parallel geführte Doppeltrennmesser, welche an einem der elektrischen
Anschlußstücke verschwenkbar angelenkt sind. Die bekannten Konstruktionen sind verhältnismäßig
raumgreifend und bestehen aus zahlreichen Einzelteilen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein insbesondere zur Verwendung
als Lasttrenner im Niederspannungsbereich verwendbares Schaltelement zu schaffen,
welches sich durch geringen Platzbedarf und eine geringe Anzahl von Einzelteilen
auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Schaltelement mit den im Patentanspruch
1 angegebenen Merkmalen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Schaltelement sind die elektrischen Anschlußstücke
zwei stabförmige Elektroden, welche einander koaxial gegenüberliegen und durch einen
dazwischen koaxial angeordneten Isolator miteinander verbunden sind. Die beiden
Elektroden und der Isolator bilden gemeinsam eine kompakte konstruktive Einheit,
welche als tragendes Element des Schaltelements einsetzbar ist. Der Isolator wird
überbrückt durch wenigstens einen elektrisch leitenden Schaltsteg, dessen beide
Enden durch die Kraft von Federn gegen die beiden Elektroden gedrückt werden. Die
Federn können ihr Widerlager am Schieber finden, welcher zum Betätigen des Schaltstegs
vorgesehen ist; sind jedoch mehrere Schaltstege um die Elektroden herum angeordnet,
dann kann man die Schaltstege gemeinsam durch Federringe umschließen, durch welche
die Schaltstege radial gegen die Elektroden gedrückt werden. Es trägt zum einfachen
und kompakten Aufbau des Schaltelements bei, dass der jeweilige Schaltsteg nicht
an einer der Elektroden angelenkt, sondern lose im Zwischenraum zwischen den Elektroden
und dem Schieber angeordnet ist, wobei die nötige Halterung und Führung des Schaltsteges
durch das räumliche Zusammenwirken der Elektroden mit dem Schieber und den darin
angeordneten Federn bewirkt wird, wozu der Schieber zweckmäßigerweise Führungsteile
besitzt, zwischen denen der lose eingelegte Schaltsteg beidseits geführt und parallel
zur Längsrichtung der Elektroden orientiert ist. Diese Führungsteile müssen nicht
auf voller Länge des Schaltsteges beidseits neben diesem angeordnet sein, vialmehr
genügt
es, wenn die Führung auf einem Teil der Länge des Schaltsteges erfolgt, vorzugsweise
an den beiden Enden eines jeden Schaltsteges.
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Die Betätigung des wenigstens einen Schaltsteges erfolgt durch Axialverschiebung
des Schiebers, welcher mit Mitnehmern auf die beiden Enden eines jeden Schaltstegs
einwirkt. Durch die Verschiebung in Achsrichtung der Elektroden gleitet der jeweilige
Schaltsteg auf den Elektroden entlang, wobei sich das eine Ende des Schaltsteges
vom Isolator entfernt und das andere Ende des Schaltsteges sich auf den Isolator
zubewegt, bis er sich im Nahbereich des Isolators von der ersten Elektrode löst
und dadurch den vorher geschlossenen Strompfad unterbricht. Durch das Abheben des
einen Endes des Schaltsteges vom Mantel der ersten Elektrode wird ein Trennabstand
zwischen den Schaltpolen hergestellt, welcher das Schaltelement zum Einsatz in Trennschaltern
geeignet macht. Der Trennabstand zwischen den Schaltpolen wird zum einen durch die
Länge des Isolators und den Verschiebeweg des Schiebers bestimmt , andererseits
durch einen Nocken, welcher unter dem Schaltsteg auf dem Isolator angeordnet ist
und eine Schrägfläche aufweist, welche dem einen, die Kontakttrennung vollführenden
Ende des Schaltsteges zugewandt ist. Auf diese Schrägfläche läuft der Schaltsteg
nahe seinem die Kontakttrennung ausführenden Ende auf, wodurch wird dieses Ende
von der ersten Elektrode abgehoben/und dadurch eine raschere und günstigere Kontakttrennung
erfolgt, als wenn der Schaltsteg lediglich ohne eine Abhebebewegung zu vollführen
auf einen gleich dick wie die Elektroden ausge-
führten Isolator
aufgleiten würde. Na-türlich darf der Nocken selbst keine elektrisch leitende Brücke
zwischen den beiden Elektroden bilden. Der jeweilige Schaltsteg überbrückt nicht
nur den Isolator, sondern auch den Nocken und ist deshalb in seinem Mittelteil entsprechend
bogenförmig ausgebildet, sodaß der Nocken unter dem Schaltsteg Platz findet.
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Das erfindungsgemäße Schaltelement besteht im einfachsten Fall also
nur aus den folgenden wenigen Teilen: Zwei Elektroden, ein dazwischen eingefügter
Isolator, ein Nocken, der im einfachsten Fall ein Stück des Isolators sein kann,
sowie wenigstens ein Schaltsteg mit den zugehörigen Federn. Hierdurch ergibt sich
ein geringer Platzbedarf sowie ein vereinfachter Antrieb für das Schaltelement.
In der bevorzugten Verwendung für Lasttrennschalter lassen sich durch den erfindungsgemäßen
Aufbau die Herstellkosten im Vergleich zu bekannten Lasttrennschaltern drastisch
senken. Werden solche Lasttrennschalter in Verbindung mit Sicherungen eingesetzt,
dann ermöglicht es der geringe Platzbedarf des neuen Lasttrennschalters, diesen
auf gleicher Höhe wie die Sicherungselemente anzuordnen, sodaß die bislang üblichen
Ausgleichsschienen zwischen den Sicherungen und Lasttrennschaltern entfallen können.
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Der Schieber ist zwischen zwei Schaltstellungen hin- und her verschieblich.
In der ersten Schaltstellung liegt der jeweilige Schaltsteg mit seinen beiden Enden
der Mantelfläche der beiden Elektroden auf, sodaß der Strompfad
zwischen
den beiden Elektroden geschlossen ist. In seiner zweiten Schaltstellung ist das
eine Ende des jeweiligen Schaltsteges durch Aufschieben des Schaltsteges auf die
Schrägfläche des Nockens von der einen (ersten) Elektrode getrennt und dadurch der
Strompfad unterbrochen. Das gegenüberliegende Ende des Schaltsteges kann grundsätzlich
auf der anderen (zweiten) Elektrode verbleiben. In Fällen, in denen es auf eine
besonders hohe Spannungsfestigkeit des Schaltelementes ankommt, ist es jedoch auch
möglich, zwischen dem bereits erwähnten Nocken und dem zweiten Ende des Schaltsteges
einen weiteren Nocken unter dem Schaltsteg vorzusehen, der ebenfalls eine Schrägfläche
aufweist, die demselben Ende des Schaltsteges zugewandt ist wie die Schrägfläche
des ersten Nockens und bei einer Verschiebung des Schiebers zum Öffnen des Schaltelements
bewirkt, dass der jeweilige Schaltsteg auch an seinem zweiten Ende von der zweiten
Elektrode abhebt, sodaß in der offenen Schaltstellung der,Schaltsteg von beiden
Elektroden abgehoben hat.
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Eine weitere Möglichkeit, die Spannungsfestigkeit des Schaltelements
zu erhöhen, ist dadurch gekennzeichnet, dass die andere (hier auch als "zweite Elektrode"
bezeichnete) Elektrode in einem Abstand von dem zwischen den beiden Elektroden eingefügten
Isolator einen elektrisch isolierenden Oberflächenbereich aufweist, auf welchem
der Schaltsteg mit seinem auf dieser zweiten Elektrode Kontakt machenden Ende in
der zweiten Schaltstellung aufliegt, und zwar ist der Abstand zwischen dem Isolator
und dem isolierenden Oberflächenbereicil der zweiten
Elektrode
so groß gewählt, daß der Schaltsteg im Verlauf der Verschiebebewegung des Schiebers
zum Öffnen des Schaltelements mit dem isolierenden Oberflächenbereich erst Kontakt
macht, nachdem der Schaltsteg von der ersten Elektrode abgehoben hat. Auf diese
Weise ist ein jeder Schaltsteg in der zweiten Schaltstellung (Schalter "offen")
von beiden Elektroden elektrisch isoliert, wobei auf ein Abheben des Schaltstegs
von der zweiten Elektrode verzichtet wird , da sichergestellt ist, daß der Ein-
und Ausschaltvorgang auf der ersten Elektrode stattfindet, während auf der zweiten
Elektrode stets nur ohne Last geschaltet wird. Die hierdurch erzielte höhere Spannungsfestigkeit
ist in vielen Fällen erwünscht, da es im Bereich der ersten Elektrode durch die
Lichtbogeneinwirkungen u.U. zu einer Verrußung kommen kann, welche unerwünschte
Kriechströme ermöglicht.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Elektrode abschnittweise aus unterschiedlichen, elektrisch leitfähigen
Werkstoffen besteht oder mit ihnen beschichtet ist, und zwar in einem ersten, an
den Isolator angrenzenden Abschnitt aus einem Werkstoff, welcher sich unter der
Einwirkung eines elektrischen Schaltlichtbogens günstig verhält, und in einem an
den ersten Abschnitt angrenzenden zweiten Abschnitt, welchem der Schaltsteg in der
ersten Schaltstellung aufliegt, aus einem Werkstoff, welcher sich bei Dauerstrombelastung
günstig verhält, insbesondere Sicherheit gegen Verschweißen bietet. Auf diese Weise
ist es
möglich, einerseits für die Dauerstrombelastung und andererseits
für den Ausschaltvorgang jeweils optimale Kontaktwerkstoffe auszuwählen. Für den
ersten Elektrodenabschnitt,auf welchem beim Öffnen des Schaltelements der Schaltlichtbogen
brennt, wählt man mit Vorteil Werkstoffe wie CuW oder AgW, während man für den zweiten
Elektrodenabschnitt mit Vorteil Werkstoffe wie AgC, AgCdO, Ag02, AgSnO2 In203, AgSnO2WO3
oder dergleichen wählt. Den Einschaltvorgang des Schaltelements bewirkt man vorzugsweise
nicht auf dem ersten, sondern auf dem zweiten Elektrodenabschnitt; man erreicht
dies mit Vorteil dadurch, daß die Länge des Verschiebeweyes des Schiebers, die Länge
des ersten, an den Isolator angrenzenden Abschnitts der ersten Elektrode sowie die
Länge des den Nocken überspannenden Abschnitts des Schaltstegs derart aufeinander
abgestimmt sind, daß das zum Abheben von der ersten Elektrode bestimmte, am einen
Ende des Schaltstegs befestigte Kontaktstück in der ersten Schaltstellung (Fig.
4; Schalter "Ein") auf dem zweiten Abschnitt der ersten Elektrode aufliegt, in der
zweiten Schaltstellung (Fig. 6; Schalter "Aus") von der ersten Elektrode abgehoben
hat, und in einer Zwischenstellung auf dem ersten Abschnitt der ersten Elektrode
aufliegt.
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Auf diese Weise wird der erste Elektrodenabschnitt nur beim Ausschaltvorgang,
der zweite Elektrodenabschnitt hingegen beim Einschaltvorgang und durch Dauerstrom
belastet.
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Die koaxiale Anordnung der Elektroden und ihre Verbindung
mittels
des zwischengefügten Isolators ermöglicht es den Schieber unmittelbar an den Elektroden
anzubringen und während seiner Verschiebebewegung durch die Elektroden zu führen.
Eine derartige Anordnung trägt maßgeblich zum kompakten Aufbau des Schaltelements
bei.
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Bei dem neuen Schaltelement lassen sich Maßnahmen zur Lichtbogenlöschung,
wie sie bei Lasttrennschaltern, die zum Stand der Technik gehören, bekannt sind,
in entsprechender Weise verwirklichen; so könnte man nach Bedarf eine Löschkammer
mit Löschblechen vorsehen, in welche der beim Öffnen des Schaltelements entstehende
Lichtbogen durch ein magnetisches Blasfeld oder mit selbsterzeugter oder fremderzeugter
Druckluft hineingetrieben wird. Vorzugsweise bildet man jedoch den Schieber selbst
als Schaltkammer und zugleich als Löschkammer aus.
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Dies ist deshalb von besonderem Vorteil, weil der Schieber ohnehin
die Schaltstege aufnehmen u-nd führen muss, sodaß seine Weiterbildung zu einer geschlossenen
oder weitgehend geschlossenen Kammer leicht getan ist.
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Insbesondere im Hinblick auf diese Ausbildung des Schiebers als Schalt-
und Löschkammer sowie im Hinblick darauf, dass man zweckmäßigerweise die Elektroden
selbst zur Führung des Schiebers verwndet, empfiehlt es sich, den Schieber so auszubilden,
dass er die Elektroden umschließt. Die Schalt- und Löschkammer kann man in an sich
bekannter Weise mit einem als Löschmittel wirkenden elektronegativen Gas (z.B. SF6)
füllen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Kammerwände aus einem Material
herzustellen, welches unter Lichtbogeneinwirkung
Löschgase abgibt,
wie es z.B. aus sogenannten Hartgasschaltern bekannt ist. Um einen Austritt der
Löschgase aus der Schalt- und Löschkammer zu ermöglichen, ist diese vorzugsweise
perforiert.
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Die Betätigung des Schaltelements durch Verschiebung des Schiebers
in Achsrichtung der Elektroden ermöglicht es ferner, durch Schlitze, welche man
an jenem Ende des Schiebers, insbesondere des als Kammer ausgebildeten Schiebers
vorsieht, welches dem abhebenden Ende des Schaltstegs benachbart ist, eines oder
mehrere Löschbleche in axialer Richtung zwischen der einen Elektrode und dem von
ihr abgehobenen Ende des Schaltsteges einzuführen und dadurch einen entstandenen
Lichtbogen zu löschen. Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit, zur Lichtbogenlöschung
beizutragen, besteht darin, daß man jenen Mitnehmer des Schiebers, welcher auf das
abhebende Ende des Schaltstegs einwirkt, in der zweiten (offenen) Schaltstellung
am isolierenden Nocken anschlagen läßt; auf diese Weise wird der zwischen dem abgehobenen
Ende des Schaltsteges und der Elektrode gezogene Lichtbogen zwischen dem Nocken
und dem an ihm anschlagenden Mitnehmer des Schiebers eingeschnürt und schließlich
abgeschnitten. Auch in diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der Schieber
als Schaltkammer ausgebildet ist, weil dann der Lichtbogen gehindert ist, über den
Schieber hinweg erneut überzuschlagen auf jene Elektrode, von welcher der jeweilige
Schaltkontakt abgehoben hat.
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Die beiden Schaltstellungen des Schaltelements werden zweckmäßigerweise
dadurch definiert, dass der Schieber jeweils mittelbar oder unmittelbar am Nocken,
welcher zwischen den Elektroden angeordnet ist, anschlägt. In der Schaltstellung
"offen" löst man dies zweckmäßigerweise - wie erwähnt - so, dass der Schieber mit
seinem Mitnehmer, welcher das abhebende Ende des Schaltsteges mitnimmt, am Nocken
anschlägt. In der Schaltstellung "geschlossen" löst man dies zweckmäßigerweise dadurch,
dass man den Schaltsteg am gegenüberliegenden Ende des Nockens anschlagen läßt;
dadurch wird auch der Verschiebeweg des Schiebers begrenzt, weil dieser wiederum
am Schaltsteg anschlägt.
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Um eine gewisse Arretierung des Schaltelements in seiner offenen Schaltstellung
zu bewirken, versieht man den Nocken vorzugsweise mit einer zweiten Schrägfläche,
welche nicht jenem Ende. des Schaltsteges zugekehrt ist, welchem auch die erste
Schrägfläche zugekehrt ist, sondern welche dem gegenüberliegenden Ende des Schaltsteges
zugekehrt ist.
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Diese zweite Schrägfläche soll zusammen mit der ersten Schrägfläche
ein im Längsschnitt satteldachförmiges Gebilde darstellen, dessen Spitze so angeordnet
ist, dass der Schaltsteg in der offenen Schaltstellung mit einem Vorsprung an seiner
Unterseite über die Spitze hinweg gewandert ist und nun der zweiten Schrägfläche
aufliegt.
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Die Steigungen der beiden Schrägflächen und das Krümmungsmaß im Übergangsbereich
zwischen den beiden Schrägflächen bestimmt sich nach den vorgebbaren Schalt- und
Stell-
kräften. Der erwähnte Vorsprung an der Unterseite des Schaltsteges
ist vorzugsweise jenes Teil, mit welchem der Schaltsteg auch auf der ersten Schrägfläche
des Nockens entlanggleitet, sodaß jenes Ende des Schaltsteges, welches von der einen
Elektrode abhebt, nach dem Abheben vollständig in Luft bleibt.
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Anstelle einer zweiten Schrägfläche könnte man an der Spitze des Nockens
auch eine flache Mulde vorsehen, in welche der Schaltsteg in der offenen Schaltstellung
mit einem an seiner Unterseite vorgesehenen Vorsprung einrastet.
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Das erfindungsgemäße Schaltelement eignet sich besonders für mehrpolige
Ausführungen und enthält dann mehrere achsparallel nebeneinander angeordnete Schaltstege,
welche durch ein- und -denselben Schieber verschoben werden. Dabei könnten die Schaltstege
grundsätzlich nebeneinander in einer Ebene angeordnet werden und dabei zwei entsprechend
breit ausgebildeten, flachen Elektroden aufliegen; vorzugsweise werden jedoch die
mehreren Schaltstege kranzartig um die Elektroden herum angeordnet, und zwar insbesondere
in einer Anordnung, welche in bezug auf die Achse der Elektroden symmetrisch ist.
Den Schieber bildet man in diesem Fall zweckmäßigerweise als Hülse aus, welche die
Elektroden konzentrisch umgibt und sämtliche Schaltstege umfaßt. Diese hülse kann
an ihren Enden offen oder unter Bildung einer Schaltkammer
geschlossen
oder überwiegend geschlossen sein, was zu den weiter oben bereits erwähnten Vorteilen
führt. Bei einer solchen kranzartigen, insbesondere konzentrischen Anordnung der
Schaltstege um die Elektroden herum kann man radial wirkende Federringe zum Andrücken
der Schaltstege an die Elektroden verwenden, und zwar zweckmäßigerweise zwei Federringe,
von denen der eine die Schaltstege mit ihren einen Enden und der andere die Schaltstege
mit ihren anderen Enden gegen die Elektroden preßt.
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Um das Öffnen des Schaltelements nicht zu stark zu behindern, sollten
keine metallische Federringe verwendet werden, sondern solche aus elastomerem Werkstoff,
deren Rückstellkraft beim Abheben der Schaltstege von der Elektrodenoberfläche nur
mäßig anwächst. Alternativ könnte man auch radial angeordnete Wendelfedern verwenden,
welche sich mit ihrem einen Ende auf der Oberseite der Schaltstege und mit ihrem
anderen Ende an der gegenüberliegenden Wand des als Hülse ausgebildeten Schiebers
abstützen und seitlich zwischen sich radial in der Hülse erstreckenden Führungswänden
geführt sind. An der Aufsetzstelle der Wendelfedern besitzen die Schaltstege zweckmäßigerweise
radial abstehende Vorsprünge, welche in die Wendelfedern eintauchen und verhindern,
dass diese auf den Schaltstegen verrutschen.
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Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung der nötigen Kontaktschließkraft
besteht darin, daß man für jeden Schaltsteg eine Blattfeder vorsieht, welche in
radialer Richtung auf das abhebende Ende des Schaltsteges einwirkt.
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Ist ein Kranz von Schaltstegen vorgesehen, sieht man entsprechend
auch einen Kranz von Blattfedern vor. Vorzugsweise ordnet man die eine oder mehrere
Blattfeder(n) unverschieblich an, indem man sie mit ihrem einen Ende auf jener Elektrode
festlegt, gegen welche ihr anderes Ende den jeweiligen Schaltsteg andrückt; dieses
andere Ende der Blattfeder ist zweckmäßigerweise derart abgebogen, daß es schräg
von der Elektrode fortweist - bei einem Kranz von Blattfedern erhält dieser dadurch
eine sich tulpenförmig erweiternde Gestalt - und man läßt die Blattfeder(n) vor
dem Nocken in solcher Lage enden, daß sie den jeweiligen Schaltsteg während der
Öffnungsbewegung des Schaltelements freigeben, bevor er durch das Aufgleiten auf
den Nocken von der Elektrode abhebt; auf diese Weise wird das Abheben des Schaltstegs
durch die Blattfeder nicht behindert, gleichwohl aber eine hinreichende Kontaktschließkraft
gewährleistet. Der Schieber kann dabei zur Führung und Stützung der Blattfeder(n)
herangezogen werden, wobei die Gestalt der Blattfeder(n) zusätzlich so auf den Schieber
abgestimmt sein kann, daß bei der Öffnungsbewegung des Schaltelements der Schleber
die Blattfeder(n) anhebt und dadurch den jeweiligen Schaltsteg entlastet.
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Bei Verwendung mehrerer, die Elektroden kranzförmig umgebender Schaltstege
bildet man den Nocken zweckmäßigerweise als Ring aus, welcher den Isolator umgibt
oder Teil des Isolators ist.
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Die Anordnung mehrerer Schaltstege im erfindungsgemäßen Schaltelement
ermöglicht nicht nur eine Aufteilung der zu schaltenden Ströme auf mehrere parallele
Strompfade, sondern ermöglicht es auch, mehrere parallel führende Stromwege gleichzeitig
zu trennen oder in einem Stromweg eine Mehrfachtrennung vorzunehmen. Zu diesem Zweck
unterteilt man die Elektroden in axial verlaufende,gegeneinander isolierte Segmente,
die den Schaltstegen nebeneinander liegende Oberflächenbereiche darbieten. Wenn
man die beiden Elektroden in gleicher Weise unterteilt und so orientiert, dass die
Segmente paarweise miteinander fluchten, und wenn man auf jedem solchen Paar miteinander
fluchtender Segmente wenigstens einen Schaltsteg anordnet, dann hat man einen Mehrphasenschalter,
bei Unterteilung in je drei Segmente z.B. einen Dreiphasenschalter. Wenn man hingegen
z.B. in dieser Weise dreifach unterteilte Elektroden so orientiert, dass die Mittellinien
der Segmente der einen Elektrode mit den Trennflächen zwischen den Segmenten der
anderen Elektrode fluchten, und wenn man auf einer solchen Anordnung insgesamt fünf
Schaltstege in der Weise anordnet, dass zwei von einem Segment der einen Elektrode
ausgehende Schaltstege auf zwei benachbarten Segmenten der gegenüberliegenden Elektrode
enden, dann erhält man einen mäanderförmig zwischen den Elektroden hin und her führenden
Strompfad mit fünf hintereinander liegenden Unterbrechungsstellen.
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Die Anordnung mehrerer Schaltstege kranzförmig um die Elektroden herum
hat den weiteren Vorteil, dass man ein Bündel paralleler Strompfade erhält, welches
bei übereinstimmender Stromrichtung infolge der elektrodynamischen Stromkräfte zu
einer Kontaktdruckerhöhung führt, weil sich parallele elektrische Leiter, die in
gleicher Richtung stromdurchflossen sind, gegenseitig anziehen. Dieser Effekt kann
verstärkt werden, wenn man unter dem Kranz aus Schaltstegen einen ferromagnetischen
Ring, insbesondere aus Weicheisen, und diesem gegenüberliegend über jedem Schaltsteg
ein im Querschnitt U-förmiges, ferromagnetisches Teil anordnet, dessen beide Schenkel
beidseits des jeweiligen Schaltstegs liegend gegen den Ring gerichtet sind. Die
dadurch bewirkte magnetische Verstärkung der Kontaktschließkraft verringert die
Prellneigung der Kontakte beim Schließen und ist geeignet, ein elektromagnetisches
Abheben der Kontakte bei Kurzschlußströmen zu verhindern.
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Das erfindungsgemäße Schaltelement ermöglicht auf einfache Weise die
Anordnung von Vor- und Hauptkontakten, was für seine Verwendung in Lasttrennschaltern
von Vorteil ist. Dazu geht man aus von einer Anordnung mit mehreren nebeneinander
angeordneten Schaltstegen und stimmt diese in Gestalt und Anordnung auf die Mitnehmer
am Schieber und auf den Nocken derart ab, dass beim Verschieben des Schiebers zum
Öffnen des Schaltelements
wenigstens einer der Schaltstege später
von der einen Elektrode abhebt als die anderen; beim Schließen des Schaltelements
schließt dieser Schaltsteg vor den übrigen Schaltstegen. Das an diesem Schaltsteg
angebrachte, abhebende Kontaktstück kann man als Vorkontakt verwenden und aus entsprechend
abbrandfestem Werkstoff herstellen. Das Nacheilen eines Schaltsteges beim Öffnen
des Schalters kann man z.B. dadurch erreichen, dass man den Bereich des Schaltsteges,
der auf die Schrägfläche des Nockens hinaufgleiten soll, in etwas größerer Entfernung
von der Schrägfläche des Nockens anordnet als bei den übrigen Schaltstegen, sodass
er beim Öffnen des Schalters die Schrägfläche des Nockens später erreicht als die
übrigen Schaltstege.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen
schematisch dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
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Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Schaltelement in geschlossenem
Zustand, Figur 2 zeigt dasselbe Schaltelement im Längsschnitt, jedoch in geöffneter
Schaltstellung, Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch das Schaltelement in geschlossener
Schaltstellung gemäß Schnittlinie III-III in Fig. 1
Figur 4 zeigt
einen Längsschnitt entsprechend Fig.
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1 durch ein abgewandeltes Schaltelement, Figur 5 zeigt einen Längsschnitt
durch das Schaltelement aus Fig. 4, jedoch in einer Zwischenstellung des Schiebers,
und Figur 6 zeigt einen Längsschnitt entsprechend Fig. 2 durch das abgewandelte
Schaltelement.
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3 Das in Fig. 1 bis/dargestellte Schaltelement eignet sich inbesondere
zur Verwendung als Lasttrenner in Niederspannungsschaltgeräten. Es besteht aus zwei
zylindrischen Elektroden 1 und 2 von übereinstimmendem Durchmesser, die durch einen
zylindrischen Isolator 3 von etwas geringerem Durchmesser starr miteinander verbunden
sind.
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Auf dem Isolator ist ein Ring 4 angeordnet, der an seiner Peripherie
zwei Schrägflächen 4a und 4b aufweist, von denen die eine Schrägfläche 4a der ersten
Elektrode 1 und die andere Schrägfläche 4b der zweiten Elektrode 2 zugewandt ist.
Im Bereich seiner größten Ausdehnung besitzt der Ring 4, der ebenfalls aus isolierendem
Werkstoff besteht, einen Durchmesser,der ungefähr doppelt so groß ist wie der Durchmesser
der Elektroden 1 und 2.
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Die Anordnung aus den Elektroden 1 und 2, dem Isolator 3 und dem Ring
4 ist umgeben von einem Kranz aus vier Schaltstegen 5, welche untereinander gleich
ausgebildet sind, in gleichen Abständen am Umfang der Elektroden 1
und
2 verteilt sind und nahe ihren beiden Enden 5a und 5b jeweils ein Kontaktstück 6a
bzw. 6b tragen.
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Die Kontaktstücke 6a und 6b liegen bei geschlossenem Schalter der
Mantelfläche beider Elektroden 1 und 2 an (Fig. 1).
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Die Schaltstege 5 besitzen in ihrem mittleren Bereich eine Ausbuchtung
5c, unter welcher der Ring 4 angeordnet ist. Die Anlage der Schaltstege 5an den
Elektroden 1 und 2 wird gewährleistet durch zwei Schlauchringe 7 und 8 aus elastomerem
Werkstoff, welche den Kranz aus Schaltstegen 5 an zwei verschiedenen Stellen umschließen,
und zwar in der Nähe der Kontaktstücke 6a und 6b, und mit radialer Kraft auf die
Schaltstege 5 einwirken. Der eine Schlauchring 7 befindet sich auf achsparallelen
Abschnitten der Schaltstege 5 und bedarf dort keiner weiteren Stützung, der andere
Schlauchring 8 dagegen befindet sich auf schräg zur Achsrichtung verlaufenden, über
der Schrägfläche 4a des Rings 4 liegenden Abschnitten der Schaltstege 5 und ist
deshalb durch Vorsprünge 9 auf ihrer Oberseite unterstützt, welche verhindern, dass
der Ring 8 über die schrägen Abschnitteder Schaltstege 5 hinabrutscht.
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Auf den Elektroden 1 und 2 ist eine Hülse 10 axial verschieblich angeordnet.
Diese Hülse 10 umschließt den Kranz aus den vier Schaltstegen 5 und besitzt am Umfang
verteilt, und zwar in 90°-Stellung zuein-
ander entsprechend der
Anordnung der Schaltstege 5, achsparallele Wände 11 und 12, welche paarweise mit
Abstand zueinander angeordnet sind und die einzelnen Schaltstege 5 an deren beiden
Enden 5a und 5b mit wenig seitlichem Spiel zwischen sich aufnehmen und dadurch während
der Schaltbewegung führen und auch sonst in Längsrichtung der Elektroden 1 und 2
orientiert halten.
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Die quer zur Achsrichtung verlaufenden Endflächen der Wände 11 und
12 dienen ferner als Mitnehmer für den Schlauchring 8 während der öffnungsbewegung
bzw. für den Schlauchring 7 während der Schließbewegung des Schaltelements. Zweckmäßigerweise
ist der Mantel der Hülse 10 in Bezug auf die Längsachse der Elektroden 1 und 2 rotationssymmetrisch
aufgebaut.
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Bei einer Verschiebung der Hülse 10 nimmt diese die Stege 5 mit. Der
Mitnehmer für das eine Ende 5a der Schaltstege wird gebildet durch eine im Innern
der Hülse 10 ausgebildete, sich darin nahe dem Ende der Hülse radial und axial erstreckende
Wand 13; der Mitnehmer für das gegenüberliegende Ende 5b der Schaltstege wird gebildet
durch die gegenüberliegende Endwand 14 der Hülse.
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Beim Öffnen des Schaltelements verschiebt man die Hülse 10 in Richtung
des Pfeils 15. Die Mitnehmer 13 der Hülse 10 wirken dabei auf die Enden 5a der Schaltstege
ein und nehmen diese mit. An der Unterseite der Schaltstege 5 angeordnete gerundete
Vorsprünge 16, welche
sich nahe bei den Vorsprüngen 9 befinden,
treffen bei dieser Verschiebebewegung auf die Schrägfläche 4a des Ringes 4 auf und
gleiten an dieser Schrägfläche 4a entlang, wodurch die Kontaktstücke 6a an den Enden
5a der Schaltstege gezwungen werden, von der ersten Elektrode 1 abzuheben. Der Ring
4 hat demnach die Aufgabe eines Abhebenockens für die vier Schaltstege 5. Bei fortwährendem
Verschieben der Hülse 10 in Richtung des Pfeils 15 erreicht der Vorsprung 16 jene
Stelle 4c des Ringes 4, wo deren Durchmesser am größten ist. Der Vorsprung 16 überschreitet
diese Stelle 4c und gleitet ein kleines Stück weit an der anschließenden Schrägfläche
4b abwärts, bis die Bewegung durch das Anschlagen des Mitnehmers 13 an einer ihm
entgegengerichteten Bundfläche 17 des Nockens, welche sich über die Peripherie der
ersten Elektrode 1 erhebt, endet. Diese Stellung ist in Fig. 2 dargestellt. In ihr
sind die Schaltstege 5 infolge des Überschreitens der Stelle 4c des Rings 4 mit
dem größten Durchmesser durch die Vorsprünge 16 in der "offen"-Stellung arretiert
und zugleich ist der Endabschnitt der ersten Elektrode 1 durch das Anschlagen des
Mitnehmers 13 am Ring 4 abgedeckt und damit ein Lichtbogen, welcher zwischen dem
Kontaktstück 6a am Ende 5a eines jeden Steges und der ersten Elektrode 1 brennen
konnte, abgeschnürt und zum Erlöschen gezwungen; ein Uberspringen des Lichtbogens
auf einen anderen Bereich der ersten Elektrode 1 ist ausgeschlossen, weil die Hülse
10 als geschlossene Schaltkammer ausgebildet ist.
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Zum Schließen des Schaltelements wird dessen Hülse 10 entgegen der
Richtung des Pfeils 15 verschoben, wobei sich die Vorsprünge 16 der Schaltstege
5 erneut über die Stelle 4c des Ringes 4 mit dem größten Durchmesser hinwegbewegen
und an dessen Schrägfläche 4a hinabgleiten, bis die Kontaktstücke 6 an den Enden
5a der Schaltstege wieder Kontakt mit der ersten Elektrode 1 machen. Die Verschiebebewegung
endet, wenn die Schaltstege 5 an der zweiten Schrägfläche 4b des Ringes 4 anschlagen.
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Die Hülse 10 stattet man vorzugsweise in jenem Bereich, in welchem
die abhebenden Kontaktstücke 6a angeordnet sind, mit Wänden aus einem Material aus,
welches unter Lichtbogeneinwirkung lichtbogenlöschende Gase abzuspalten vermag.
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Figur 3 zeigt, daß am Schieber 10 ein Befestigungsflansch mit Bohrungen
22 angeformt ist, mit welchen sich das Schaltelement an einer Montageplatte befestigen
läßt.
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Das in den Fig. 4 bis 6 dargestellte Ausführungsbeispiel stimmt weitgehend
mit dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bis 3 überein. Deshalb sind in beiden
Ausführungsbeispielen gleiche oder einander entsprechende Teile mit übereinstimmenden
Bezugszahlen bezeichnet.
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Der Querschnitt durch das Schaltelement entlang Linie III-III ist
für beide Ausführungsbeispiele gleich, sodaß Fig. 3 für beide gültig ist.
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Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten darin,
daß der Ring 4 auf dem Isolator 3 in Richtung der Längsachse der Elektroden 1 und
2 verschiebbar angeordnet ist. Zu diesem Zweck ist er mit einer zentralen Bohrung
versehen, welche sich in einen Abschnitt 21 mit größerem, mit dem Durchmesser des
ersten, dem Isolator 3 benachbarten Abschnitt 18 der ersten Elektrode 1 übereinstimmenden
Durchmesser und in einen zweiten Abschnitt mit geringerem, mit dem Durchmesser des
lsolators 3 übereinstimmenden Durchmesser unterteilt. Die Differenz der Länge des
Isolators 3 und der kleineren Länge des engeren Abschnitts der Bohrung des Rings
4 ist dessen maximaler Verschiebeweg.
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Die Länge des Abschnitts 21 der Bohrung des Rings 4 stimmt überein
mit der Länge des ersten Abschnitts 18 der ersten Elektrode 1, in welchem sich ein
unter Lichtbogeneinwirkung günstig verhaltender Werkstoff wie AgW oder CuW befindet.
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Zum Öffnen des Schaltelements verschiet man die Hülse 10 in Richtung
des Pfeils 15. Die Mitnehmer 13 der Hülse wirken dabei auf die Enden 5a der Schaltstege
ein und nehmen diese mit. An der Unterseite der Schaltste-
ge 5
angeordnete gerundete Vorsprünge 16, welche sich nahe bei den Vorsprüngen 9 befinden,
treffen bei dieser Verschiebebewegung - ausgehend von der in Fig. 4 gezeichneten
Schaltstellung "Ein" - auf die Schrägfläche 4a des Ringes 4 auf. Sie gleiten jedoch
zunächst nicht auf der Schrägfläche 4a aufwärts, sondern verschieben zuerst den
Ring 4, bis dieser an eine als Anschlag dienende Bundfläche 19 am Ende der zweiten
Elektrode 2 anschlägt. Bei dieser Verschiebebewegung legt der Ring 4 den Abschnitt
18 der ersten Elektrode 1 frei, welcher an den Isolator 3 anschließt und aus einem
sich unter Lichtbogeneinwirkung günstig verhaltenden elektrischen Kontaktwerkstoff
besteht.
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Ist der Ring 4 jedoch am Anschlag 19 angelangt (Fig. 5), gleiten die
Vorsprünge 9 der Schaltstege 5 anschließend an der Schrägfläche 4a entlang, wodurch
die Kontaktstücke 6a an den Enden 5a der Schaltstege gezwungen werden, von der ersten
Elektrode 1 abzuheben. Der Vorsprung 16 überschreitet diese Stelle 4c und gleitet
ein kleines Stück weit an der anschließenden Schrägfläche 4b abwärts, bis die Bewegung
durch das Anschlagen des Mitnehmers 13 an einer ihm entgegengerichteten Bundfläche
17 des Nockens 4, welche sich über die Peripherie der ersten Elektrode 1 erhebt,
endet. Diese Stellung ist in Fig. 6 dargestellt. In ihr sind die Schaltstege 5 infolge
des Überschreitens der Stelle 4c des Rings 4 mit dem größten Durchmesser durch die
Vorsprünge 16 in der "Offen"-Stellung arretiert und zugleich ist der
Endabschnitt
18 der ersten Elektrode 1 durch das Anschlagen des Milnehniers 13 am Ring 4 abgedeckt
und damit ein Lichtbogen, welcher zwischen dem Kontaktstück 6a am Ende 5a eines
jeden SLeges und der ersten Elektrode 1 brennen könnte, abgeschnürt und zum Erlöschen
gezwungen; ein Überspringen des Lichtbogens auf einen anderen Bereich der ersten
Elektrode 1 ist ausgeschlossen, weil die Hülse 10 als geschlossene Schaltkammer
ausgebildet ist.
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Zum Schließen des Schaltelements wird dessen Hülse 10 entgegen der
Richtung des Pfeils 15 verschoben, wobei die Vorsprünge 16 der Schaltstege 5 zunachst
den Ring 4 entgegen der Richtung des PFeils 15 mitnehmen, bis er an der Bundfläche
20 des ersten Abschnitts 18 der ersten Elektrode 1 anschlägt, und erst danach, wenn
der Ring 4 diesen ersten Abschnitt 18 bereits abgedeckt hat, bewegen sich die Vorsprünge
16 der Schaltstege 5 erneut über die Stelle 4c des Ringes 4 mit dem größten Durchmesser
hinweg und gleiten an dessen SchrägFläche 4a hinab, bis die Kontaktstücke 6a an
den Enden 5a der Schaltstege wieder Kontakt mit dem an den ersten Abschnitt 18 anschließenden
zweiten Abschnitt 23 der ersten Elektrode 1 machen, dessen Werkstoff danach ausgewählt
ist, daß er Für Dauerstrombelastung gut geeignet ist und gerinyen Übergangswiderstand
sowie geringe Erwärmung zeigt.
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Geeignete Werkstoffe sind die Verbundwerkstoffe AgCdO, AgSnO2, AgSnO2
In202, AgSnO2W03 und AgC und dergl. . Die Verschiebebewegung endet, wenn die Schaltstege
5 an der zweiten Schrägfläche 4b des Ringes 4 anschlagen.
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Das zweite Ausführungsbeispiel untersciieidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel
noch darin, daß auf die zweite Elektrode 2 in einigem Abstand von dem Isolator 3
eine elektrisch isolierende Hülse 24 befestigt ist, welche denselben Außendurchmesser
aufweist wie die zweite Elektrode 2 auf ihrer verbleibenden Länge . Auf diese Hülse
24 werden die Kontaktstücke 6b während des ÖTfens des Schaltelements aufgesctlol)en,
nachdem die gegenüberliegenden Kontaktstücke 6a von der ersten Elektrode 1 abgehoben
haben. Die isolierende Hülse 24 erhöht die Spannungsfestigkeit des geöffneten Schaltelements.
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Eine solche isolierende Hülse 24 läßt sich in gleicher Weise beim
ersten Ausführungsbeispiel des Schaltelements (Fig. 1 und 2)auf der dortigen zweiten
Elektrode 2 anordnen.