DE3729223A1 - Thermische magnetische ausloeseeinheit fuer schalter mit gekapseltem gehaeuse - Google Patents

Description

Ein Schalter in gekapseltem Gehäuse mit einer thermischen mag­ netischen Auslöseeinheit, wobei der Anker in der Form einer ebenen Metallplatte nahe den oberen Enden eines U-förmigen Mag­ netstückes angeordnet ist, ist in der US-PS 46 79 016 angege­ ben. Das dort angegebene U-förmige Magnetstück ist um einen Teil des Bimetalls geordnet für eine magnetische Wechselwirkung mit einem bewegbaren, ebenen Anker, wenn der Strom durch den Schalter einen Schwellwert überschreitet. Dort ist auch die Wechselwirkung zwischen der Auslöseeinheit und dem Betätigungs­ mechanismus näher erläutert, um den Schalter unter vorbestimm­ ten Überlastzuständen auszulösen. Das Bimetallteil der Auslöse­ einheit spricht auf Überstromzustände einer ersten Größenordnung an, die für eine vorbestimmte Zeitdauer bestehen kann, bevor der Betätigungsmechanismus ausgelöst wird, um die Kontaktstücke zu öffnen. Die magnetische Auslöseeinheit spricht auf Überstromzu­ stände an, wie beispielsweise einen Kurzschluß, der mehrere Größenordnungen größer ist. Bei einigen Anwendungsfällen ist es wünschenswert, den Schalter, wenn ein Überlastzustand auftritt, der kleiner als die Kurzschluß-Überlastzustände sind, in einer kürzeren Zeitperiode auszulösen, als dies durch den Bimetall herbeigeführt wird.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine thermische magnetische Auslöseeinheit zu schaffen, bei der die Auslöse-Schwellwerte für die magnetische Auslöseeinheit verkleinert sind durch eine ver­ besserte magnetische Anziehung zwischen dem Anker und dem Mag­ netstück.

Erfindungsgemäß wird eine thermische magnetische Auslöseeinheit geschaffen, die ein geformtes Lastband enthält, an dem ein Bi­ metallstreifen herabhängend befestigt ist. Ein U-förmiges Mag­ netstück ist um das Bimetallband herum angeordnet, und der ent­ sprechende U-förmige Anker ist nahe an dem Magnetstück bewegbar angeordnet. Der U-förmige Anker stellt eine größere Fläche für eine magnetische Wechselwirkung mit dem Magneten dar und ver­ größert demzufolge die magnetische Kraft der dazwischen be­ stehenden Anziehung.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen an­ hand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Seitenansicht von einem Schalter, der die thermische magnetische Auslöseeinheit gemäß der Er­ findung verwendet.

Fig. 2 ist eine perspektivische Draufsicht in isometrischer Projektion der thermischen magnetischen Auslöseein­ heit gemäß Fig. 1.

Fig. 3A ist eine Ansicht von oben auf das Magnetstück und den Anker, die in der thermischen magnetischen Aus­ löseeinheit gemäß Fig. 2 verwendet werden, wobei der Anker das Magnetstück innen überlappt.

Fig. 3B ist eine Draufsicht auf das Magnetstück und den Anker, die in der thermischen magnetischen Auslöseeinheit gemäß Fig. 2 verwendet werden, wobei der Anker das Magnetstück außen überlappt.

Fig. 3C ist eine Ansicht von oben auf ein anderes Ausführungs­ beispiel des Magnetstückes und des Ankers, wie sie in Fig. 2 gezeigt sind.

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht von oben in isome­ trischer Projektion auf ein weiteres Ausführungsbei­ spiel der magnetischen Auslöseeinheit gemäß Fig. 2.

Fig. 5 ist eine Ansicht von oben auf die magnetische Auslöse­ einheit gemäß Fig. 4.

Fig. 6 ist eine Kurvendarstellung der Änderung der Magnet­ kraft zwischen dem Magnetstück und dem Anker als eine Funktion der Länge der Ankerseitenarme.

Fig. 7 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Magnetkraft und der Abstandsstrecke zwischen dem Lastband und dem Magnetstück.

Fig. 1 zeigt einen Schalter 10 mit gekapseltem Gehäuse, der ein Kunststoffgehäuse 11 aufweist, mit dem eine elektrische Ver­ bindung zwischen einer Last und einem bewegbaren Kontaktarm 16 mit einem daran befestigten bewegbaren Kontaktstück 17 durch einen Lastanschlußzapfen 12, ein Lastband 13, ein thermisches Element oder Bimetall 14 und einen Litzenleiter 15 hergestellt ist. Die elektrische Verbindung durch den Schalter wird durch ein feststehendes Kontaktstück 18 vervollständigt, das mit der Netzleitungs-Anschlußschraube 20 durch einen Netzleitungs-Band­ leiter 19 verbunden ist. Der bewegbare Kontaktarm 16 ist mit einem Handgriff 25 durch eine untere Verbindung 21, eine obere Verbindung 22, eine Betätigungsfeder 23 und ein Handgriffjoch 24 verbunden. Die oberen und unteren Verbindungen sind durch einen Schwenkzapfen 26 schwenkbar verbunden, mit dem die Betäti­ gungsfeder 23 in Verbindung steht und der eine Bewegung der un­ teren und oberen Verbindungen über die Mitte hinaus unterstützt, wenn der Handgriff sich in der EIN-Stellung befindet, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Die Kontaktstücke werden in einer Schließ­ stellung gehalten entgegen der Vorspannkraft, die durch die gedehnte Betätigungsfeder herbeigeführt wird durch den Ein­ griff zwischen dem Hakenende der Kurbel 28 mit der Bodenfläche der primären Sperre 27. Eine sekundäre Sperre 29 ist mit der Rückfläche 30 der primären Sperre in Eingriff, um die Lösung des Hakenendes der Kurbel 18 aus der primären Sperre zu ver­ hindern. Eine magnetische Auslöseeinheit 34 mit einem Anker 33 ist um das Bimetall 14 herum angeordnet, um den Auslösevor­ gang zu steuern, wenn Überstromzustände auftreten.

Die magnetische Auslöseeinheit 34 ist in Fig. 2 gezeigt, wobei das Magnetstück 32 aus einer einzigen Platte aus magnetisier­ barem Stahl zu einer U-förmigen Konfiguration geformt ist, die durch ein Buchtteil oder eine Platte 55 mit zwei dazu senkrech­ ten magnetischen Seitenarmen 35 und 36 gebildet ist. Das Mag­ netstück ist an dem Lastband 13 durch eine Schraube oder einen Niet 38 befestigt, der durch ein Loch 37 in der Rückplatte des Magneten hindurchführt und in ein entsprechendes Loch 39 in dem Lastband ragt. Ein Abstandshalter 38 A ist zwischen das Lastband und das Magnetstück eingesetzt, um den Abstand einzustellen, wie es im folgenden noch näher erläutert wird. Das Lastband ist mit einer externen elektrischen Schaltungsanordnung durch den Lastanschlußzapfen 12 verbunden. Wenn ein Strom durch das Last­ band fließt, wird ein elektromagnetisches Feld in dem Magnet­ stück induziert und von den Enden der Seitenarme in die angege­ bene Richtung gerichtet. Das Bimetall ist an dem Oberteil des Lastbandes durch Löten oder Schweißen befestigt und verläuft parallel zu dem Lastband, um mit einem Auslösestab 31 in Kontakt zu kommen, um den Betätigungsmechanismus zum Öffnen der Kontakt­ stücke zu aktivieren, wenn ein Stromschwellwert überschritten wird. Bei einigen Schaltern wird das Bimetall durch ein geform­ tes Speicherelement ersetzt, um die thermischen Eicherforder­ nisse zu vermeiden. Der Anker 33 ist am Oberteil des Bimetalls und des Lastbandes durch die Ansatzstücke 44, 45 angeordnet, die von den Ankerseitenarmen 46, 47 in entsprechende dreieckförmige Schlitze 40, 41 ragen, die in den Seitenarmen 35, 36 des Magnet­ stückes 32 ausgebildet sind. Eine Druckfeder 51 ist zwischen einem Zapfen 53, der von dem Oberteil des Bimetalls vorsteht, und einem entsprechenden Zapfen 52 angeordnet, der von einem oberen Abschnitt der Ankerplatte 56 zwischen den senkrechten Ankerseitenarmen 46, 47 vorsteht. Die Ankerfeder 51 dient dazu, den Luftspalt zwischen den Vorderflächen der Ankerseitenarme und den Vorderflächen der Seitenarme des Magnetstückes einzu­ stellen. Wenn ein Schwellwert des Stroms durch das Lastband überschritten wird, zieht die Magnetkraft, die in dem Magnet­ stück erzeugt wird, die Ankerseitenarme von den Halterungsan­ sätzen 42, 43 weg gegen die rampenförmigen bzw. schrägen Seiten 48, 49 der dreieckigen Schlitze 40, 41, wobei die Ankerplatte 56 mit dem Oberteil 50 des Auslösestabes in Kontakt gebracht wird, um den Betätigungsmechanismus des Schalters in Betrieb zu setzen.

Die Überlappung zwischen den Seitenarmen des Ankers und den Sei­ tenarmen des Magnetstückes ist am besten aus Fig. 3A zu sehen, wo ein erstes Paar von Luftspalten 57 A, 57 B zwischen den Vorder­ flächen der Ankerseitenarme 46, 47 und der Platte 55 des Magnet­ stückes und ein zweites Paar von Luftspalten 58 A, 58 B zwischen den Seiten der Ankerseitenarme 46, 47 und den Seiten der Seiten­ arme 35, 36 des Magnetstückes gebildet sind. Die Ankerfeder 51, die über dem Bimetall 14 und dem Lastband 13 angeordnet ist, stellt den Abstand zwischen den Luftspalten 57 A, 57 B genau ein. Der Luftspalt 65, der zwischen der Innenfläche des ebenen Be­ reiches des Ankers und den Frontflächen der Magnetseitenarme 35, 36 gebildet ist, korreliert mit dem bekannten Anker, der keine Seitenarme aufweist. Der Abstandshalter 38 A stellt den Luftspalt 62 zwischen der Magnetstückplatte 55 und dem stromführenden Teil, wie beispielsweise dem Bimetall 14, ein.

Die Anordnung der Ankerseitenarme 46, 47 außerhalb der Seiten­ arme 35, 36 des Magnetstückes ist in Fig. 3B gezeigt. Die vor­ teilhafte Wirkung der Überlappung zwischen dem Anker und den magnetischen Seitenstücken wird in jedem Falle erhalten, ob die Ankerseitenarme nun innerhalb oder außerhalb der Seitenarme des Magnetstückes angeordnet sind.

Die Anordnung der magnetischen Auslöseeinheit 34, wie sie in Fig. 3C gezeigt ist, enthält zwei Ankerseitenarme 46, 47, die in einem Winkel 59 zwischen den Ankerseitenarmen und der Anker­ platte kleiner als 90° angeordnet sind, während die Magnetstück- Seitenarme 35, 36 in einem Winkel 60 zwischen den Magnetstück- Seitenarmen und der Magnetstückplatte 55 in einem Winkel größer als 90° angeordnet sind.

Es wurde auch gefunden, daß die magnetischen Kräfte zwischen dem Anker und den Magnetstücken verstärkt sind durch getrenntes Anbringen des Ankers entfernt von dem Magnetstück im Vergleich zu der zweckmäßigen Anbringung der Ankeransätze innerhalb der dreieckförmigen Schlitze. Ein nicht-magnetischer Einsatz 70, der aus Messing oder Plastik besteht, ist in den Magneten 32 eingesetzt und darin durch Erhebungen 72, die auf den Seiten­ armen des Einsatzes ausgebildet sind, und entsprechenden Öff­ nungen 73 gehalten, die in den Seitenarmen des Magneten ausge­ bildet sind, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Die Halterungs­ schlitze 71, die auf den Seitenarmen des Einsatzes ausgebildet sind, erstrecken sich über die Seitenarme des Magneten hinaus und nehmen die entsprechenden Ansatzstücke 44, 45 auf, die auf den Seitenarmen des Ankers ausgebildet sind. Die Länge der Sei­ tenarme des Einsatzes positioniert den Abstand des Spaltes zwi­ schen dem Anker und dem Magneten, während die Lage der Erhebun­ gen 72 und der Öffnungen 73 den Abstand zwischen dem Bimetall 14 (Fig. 2) und dem Magneten einstellt. Die vergrößerte magne­ tische Kraft, die durch das Magnetstück auf den Anker ausgeübt wird, beruht wohl auf der vergrößerten Länge oder "Polfläche", die gegenüber dem Magnetstück durch die überlappenden Anker­ seitenarme dargestellt wird. Diese Anordnung gestattet eine größere Überlappung, ohne daß die geometrische Gesamtlänge der magnetischen Auslöseeinheit 34 verändert wird. Ein Vergleich zwischen einem Anker mit einer bekannten Ankerplatte, wobei die Länge der Seitenarme Null ist, geht aus Fig. 6 hervor, wo die Magnetkraft auf den Anker als eine Funktion der Länge der Ankerseitenarme gezeigt ist, definiert als der prozentuale Anteil der Ankerseitenarmlänge gegenüber der Magnetstück-Sei­ tenarmlänge einschließlich der Dicke des Luftspaltes 65, wie er in den Fig. 3A bis 3C gezeigt ist. Es ist festzustellen, daß, wenn die Länge der Ankerseitenarme über einen gewissen Prozentsatz der Magnetstück-Seitenarme hinaus vergrößert wird, die magnetische Kraft auf den Anker abzufallen beginnt. Es wird angenommen, daß, wenn die Ankerseitenarme über eine gewis­ se definierte Länge hinaus verlängert werden, die magnetische Anziehungskraft zwischen den Magnetstück-Seitenarmen und den Anker-Seitenarmen hauptsächlich in der seitlichen Richtung ge­ richtet wird, wie es durch die seitlichen Kraftvektorpfeile 63 A, 63 B in Fig. 3 gezeigt ist, anstatt in der Vorwärtsrich­ tung, wie es durch die Querkraftvektorpfeile 64 A, 64 B angegeben ist.

Jede Überlappung zwischen den Anker-Seitenarmen und den Magnet­ stück-Seitenarmen vergrößert deshalb die magnetische Anziehungs­ kraft bis zu einer Überlappung 75%. Eine weitere Vergrößerung der Überlappung kann dann sogar eine Umkehrung der magnetischen Kräfte bewirken und verhindern, daß der Anker sich zum Magnet­ stück bewegt. Die optimale Überlappung liegt in dem Bereich von 40 bis 60%, wie es angegeben ist.

Die Wirkung der magnetischen Anziehung zwischen dem Anker und dem Magnetstück kann auch durch Einstellen der Trennstrecke 62 zwischen der Magnetstückplatte 55 und dem Bimetall 14 verändert werden, was aus den Fig. 3A und 7 ersichtlich ist. Die Mag­ netkraftkurve 62 verdeutlicht die Änderung der Magnetkraft auf den Anker bei irgendeiner Trennstrecke zwischen dem Magnetstück und dem Bimetall oberhalb einer Spaltlänge von Null, wobei der Bimetall mit dem Magnetstück zusammenhängt. Die Trennstrecke ist als das Verhältnis der Trennstücke zur Länge der Magnetstück- Seitenarme dargestellt. Aus einem Vergleich der Magnetkraft, die durch das Magnetstück auf den Anker als Einheit für eine Trennstrecke von Null ausgeübt wird, wenn das Magnetstück di­ rekt an dem Bimetall ohne einen dazwischen angeordneten Ab­ standshalter befestigt ist, wird deutlich, daß die Kraft mit zunehmender Trennstrecke größer wird.

Somit ist ersichtlich, daß die magnetische Auslösekraft ver­ größert werden kann durch einen Anker mit Seitenarmen, die zum Teil die Seitenarme von einem Magnetstück überlappen, die ein stromführendes Teil umgeben, wie beispielsweise das Bi­ metall oder das Lastband innerhalb thermischer magnetischer Auslöseeinheiten.

Claims (21)

1. Magnetische Auslöseeinheit für Schalter in einem gekap­ selten Gehäuse mit einem metallischen Leiter, der elek­ trisch mit einer elektrischen Schaltungsanordnung in Reihe geschaltet ist, gekennzeichnet durch
ein U-förmiges Magnetstück (32), das aus einer ersten Metallplatte mit einem ersten Paar von Seitenarmen (35, 36) besteht, die einen Teil des metallischen Leiters umschließen und bei einem Stromfluß durch den metalli­ schen Leiter eine magnetische Kraft in einer ersten Richtung induzieren, und
einen U-förmigen Anker (33) in einer magnetischen Rela­ tion zu dem Magnetstück (32), wobei der Anker (33) aus einer zweiten Metallplatte mit einem zweiten Paar von Seitenarmen (46, 47) besteht, die in einer überlappenden Relation angeordnet sind, wobei der Anker (33) an das Magnetstück (32) angezogen wird, wenn der Strom einen ersten Schwellwert überschreitet.

2. Magnetische Auslöseeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetstück-Seitenarme (35, 36) länger als die Anker-Seitenarme (46, 47) sind.

3. Magnetische Auslöseeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetstück-Seitenarme (35, 36) innerhalb der Anker-Seitenarme (46, 47) angeordnet sind.

4. Magnetische Auslöseeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anker-Seitenarme (46, 47) innerhalb der Magnet­ stück-Seitenarme (35, 36) angeordnet sind.

5. Magnetische Auslöseeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anker-Seitenarme (46, 47) in einem vorbestimmten Abstand von den Magnetstück-Seitenarmen (35, 36) ange­ ordnet sind.

6. Magnetische Auslöseeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anker-Seitenarme (46, 47) die Magnetstück-Seiten­ arme (35, 36) mehr als 1% der Länge der Magnetstück- Seitenarme bis weniger als 75% der Länge der Magnetstück- Seitenarme überlappen.

7. Magnetische Auslöseeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetstück (32) in einer vorbestimmten Abstands­ strecke von dem metallischen Leiter angeordnet ist, um die in dem Magnetstück erzeugte Magnetkraft zu vergrößern.

8. Magnetische Auslöseeinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsstrecke zwischen dem metallischen Leiter und dem Magnetstück (32) sich von mehr als 1% bis we­ niger als 90% der Länge der Magnetstück-Seitenarme (35, 36) ändert.

9. Magnetische Auslöseeinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anker-Seitenarme (46, 47) die Magnetstück-Sei­ tenarme (35, 36) zwischen 20 bis 60% der Länge der Mag­ netstück-Seitenarme überlappen.

10. Magnetische Auslöseeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Magnetstück-Seitenarme (35, 36) von der ersten Metallplatte in einem Winkel von weniger als 90° erstrecken.

11. Magnetische Auslöseeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anker-Seitenarme (46, 47) sich von der zweiten Metallplatte in einem Winkel von mehr als 90° erstrec­ ken.

12. Magnetische Auslöseeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Magnetstück-Seitenarme (35, 36) senkrecht zu der ersten Platte erstrecken und daß die Anker-Sei­ tenarme (46, 47) senkrecht zu der zweiten Platte verlau­ fen.

13. Magnetische Auslöseeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Feder (51) zwischen dem Magnetstück (32) und dem Anker (33) angeordnet ist zum Einstellen der Ab­ standsstrecke zwischen den Magnetstück-Seitenarmen und den Anker-Seitenarmen.

14. Magnetische Auslöseeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das leitfähige Metallband ein thermisch anspre­ chendes Element (14) aufweist, das für eine Bewegung in einer ersten Richtung angeordnet ist, wenn der Kreisstrom einen zweiten Schwellwert überschreitet.

15. Magnetische Auslöseeinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das thermisch ansprechende Element einen Bimetall (14) oder ein geformtes Speicherelement aufweist.

16. Magnetische Auslöseeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der U-förmige Anker (33) ein Ansatzstück (44, 45) aufweist, das von jedem Anker-Seitenarm (46, 47) aus­ geht und in einen komplementären Schlitz (40, 41) ein­ greift, der in jedem der Magnetstück-Seitenarme (35, 36) ausgebildet ist.

17. Magnetische Auslöseeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein nicht-magnetischer Einsatz (70) zwischen dem Magnetstück (32) und dem Anker (33) angeordnet ist.

18. Magnetische Auslöseeinheit nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht-magnetische Einsatz (70) Plastik oder Messing aufweist.

19. Magnetische Auslöseeinheit nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (70) zwei Erhebungen (72) aufweist, die auf gegenüberliegenden Armen des Einsatzes angeordnet sind, und zwei Vertiefungen bzw. Öffnungen in dem Mag­ netstück (32) ausgebildet sind, wobei die Erhebungen (72) in den Vertiefungen bzw. Öffnungen gehaltert sind.

20. Magnetische Auslöseeinheit nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (70) in dem Magnetstück (32) angeord­ net ist und den Anker (33) schwenkbar haltert.

21. Magnetische Auslöseeinheit nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (70) in dem Anker angeordnet ist und den Magneten schwenkbar haltert.