DE4224046C2 - Überstromauslöser für Schutzschaltgeräte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Überstromauslöser für Schutzschaltgeräte gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Überstromauslöser ist bereits aus dem DE-GM 18 33 268 bekannt. Dort wirkt ein Bimetallstreifen auf den Anker und schiebt diesen bei Erwärmung in das Innere des Magnetjochs. Durch Verkleinerung des Luftspalts wird die elektromagnetische Kraft größer, so daß zusammen mit der Ausbiegung des Bimetallstreifens die Überstromauslösung erfolgt.

Ein weiterer Überstromauslöser ist aus der DE 36 37 275 C1 be­ kannt. Gemäß der dortigen Fig. 4 enthält dieser Überstromauslöser eine Spule, einen feststehenden Spulenkern, einen sich elastisch am Spulen­ kern abstützenden Anker, einen den Spulenkern axial durchragenden Stößel zur Betätigung eines Schaltmechanismus, wenn sich der Anker dem Spulenkern nähert, ein die Spule übergreifendes Joch zur Bildung ei­ nes Magnetkreises sowie ein thermomechanisches Element, dessen Form sich bei Erwärmung verändert.

Genauer gesagt befinden sich der Spulenkern und der Anker in einem rohrförmigen Trägerkörper, auf dem die elektrische Spule aufgewickelt ist. Der Trägerkörper steht in wärmeleitender Verbindung mit dem ther­ momechanischen Element, das als Bimetall-Schnappscheibe ausgeführt ist. Der Stößel wird dabei entweder durch den Anker oder durch das thermomechanische Element angetrieben.

Von Nachteil ist, daß dann, wenn der Schaltmechanismus bei thermischer Überlastung ausgelöst werden soll, die gesamte Auslösearbeit ausschließlich vom thermomechanischen Element aufgebracht werden muß. Die Spule weist daher entsprechend hohe Wärmeverluste auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Überstromauslöser der eingangs genannten Art, bei dem im Falle einer Überlastung das thermomechanische Element nicht mehr die gesamte Auslösearbeit zum Auslösen des Schaltmechanismus aufbringen muß, so weiterzubilden, daß bei relativ kleinen Überlastungen ein verspätetes Auslösen und bei großen Überlastungen ein momentanes Auslösen erfolgt.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patent­ anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Im Falle einer thermischen Überlastung wird beim Überstromauslöser nach der Erfindung durch die Verkrümmung des thermomechanischen Elements zunächst nur der Anker verschoben, wozu das thermomechani­ sche Element relativ wenig Arbeit verrichten muß. Es kann daher sehr empfindlich aufgebaut sein, wodurch sich die Ansprechempfindlichkelt des Überstromauslösers erheblich vergrößert. Die Verschiebung des An­ kers durch das thermomechanische Element erfolgt aber nur soweit, daß der Anker gerade in den Magnetkreis gelangt. Aufgrund des in der Spule vorhandenen Stromflusses wird jetzt der Anker infolge der wirkenden Magnetkraft gegen den Spulenkern gezogen, wodurch eine Betätigung des Schaltmechanismus erfolgt. Der größte Teil der Auslösearbeit zum Auslö­ sen des Schaltmechanismus wird also durch die stromdurchflossene Magnetspule bzw. den Anker verrichtet.

Das Bimetall-Element kann indirekt beheizt werden und zu diesem Zweck z. B. mit einer Wärmequelle in Verbindung stehen. Es läßt sich aber auch durch einen Stromfluß aufheizen bzw. verkrümmen. Ein entspre­ chender Strom kann zu diesem Zweck entweder durch das Bimetall-Ele­ ment oder durch einen elektrischen Leiter hindurchgeführt werden, der mit dem Bimetall-Element in Kontakt steht. Der elektrische Strom kann z. B. der zu überwachende Strom sein, der auch durch die Spule hindurchge­ führt wird. In diesem Fall liegen Spule und Bimetall-Element bzw. der auf ihm aufliegende Leiter elektrisch in Reihe. Eine Verschiebung des Ankers infolge der Verkrümmung des Bimetall-Elements ließe sich dann nicht nur bei zu hoher thermischer Belastung, sondern auch bei zu hoher Strombela­ stung erzielen.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung steht das Bimetall-Element im abgekühlten Zustand an seiner dem Anker abge­ wandten Seite mit einem Arm des Jochs in Kontakt, wobei dieser Arm von einem zu überwachenden Strom durchflossen wird, der auch durch die Spule hindurchfließt. Vorzugsweise weist der Arm im Kontaktbereich mit dem Bimetall-Element eine Einschnürung auf, um in diesem Bereich eine höhere Stromwärme zur besseren Verkrümmung des Bimetall-Elements zu erhalten.

Das Bimetall-Element kann jede geeignete Form aufweisen, z. B. tellerför­ mig ausgebildet sein. Dabei können der Spulenkern und der Anker in ei­ nem rohrförmigen Element gelagert sein, das an seiner dem Stößel abge­ wandten Stirnseite eine schüsselförmige Erweiterung zur Aufnahme des tellerförmigen Bimetall-Elements aufweist. Die Spule, der Arm des Jochs und das Joch selbst können hier elektrisch in Reihe geschaltet sein. Auf diese Weise wird ein Schutz sowohl vor thermischer als auch elektrischer Überlastung erhalten.

Eine zwischen dem Spulenkern und dem Anker befindliche Druckfeder dient zur Rückführung des Ankers bzw. des Bimetall-Elements in die Aus­ gangslage (abgekühlter Zustand des Bimetall-Elements). Das Bimetall- Element mit Sprungeffekt läßt sich z. B. als sphärische Tellerscheibe ausbilden, die auch ein Formspeichergedächtnis aufweisen kann. Wird diese sphärische Tel­ lerscheibe an ihrem Rand eingespannt, so kann sie zwei Positionen ein­ nehmen, nämlich eine konvexe im abgekühlten Zustand und eine konkave im erwärmten Zustand, wenn man jeweils die dem Anker gegenüberliegen­ de Seite des Bimetall-Elements betrachtet. Der Übergang von der konve­ xen zur konkaven Position erfolgt durch Erwärmung des Bimetall-Ele­ ments, während bei Abkühlung des Bimetall-Elements der umgekehrte Positionswechsel erfolgt und durch die genannte Druckfeder unterstützt wird. Es kann auch als Teller mit zwei einander gegenüberliegenden Ansätzen ausgebil­ det sein, die ihrerseits eingespannt sind. Auf diese Weise läßt sich der Schnapp-Hub-Effekt bzw. Sprungeffekt des Bimetall-Elements noch emp­ findlicher gestalten.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung nä­ her beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 den Überstromauslöser bei abgekühltem Bimetall-Element,

Fig. 2 den Überstromauslöser bei erwärmtem Bimetall-Element und ver­ schobenem Anker, wobei der Schaltmechanismus jedoch noch nicht betä­ tigt worden ist,

Fig. 3 den Überstromauslöser bei betätigtem Schaltmechanismus, und

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Überstromauslöser in Richtung des Pfeils A in Fig. 1.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen einen Axialschnitt durch einen Überstromauslö­ ser nach der Erfindung für Schutzschaltgeräte, wobei gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Der Überstromauslöser weist ein rohrförmiges Trägerelement 1 auf, des­ sen untere Stirnseite 2 bis auf eine zentrale Öffnung 3 verschlossen ist. Im Innern des rohrförmigen Trägerelements 1 befindet sich ein feststehender Spulenkern 4, der auf der unteren Stirnseite 2 des rohrförmigen Trägerele­ ments 1 aufliegt. Dieser Spulenkern 4 ist fest mit dem rohrförmigen Trä­ gerelement 1 verbunden und füllt dieses etwa zur Hälfte aus. Der festste­ hende Spulenkern 4 besitzt darüber hinaus eine zentrale bzw. in seiner Axialrichtung verlaufende Durchgangsöffnung 5, die mit der zentralen Öffnung 3 fluchtet und den gleichen Innendurchmesser wie diese auf­ weist.

Ein Stößel 6 durchragt sowohl die Durchgangsöffnung 5 innerhalb des feststehenden Spulenkerns 4 als auch die zentrale Öffnung 3 in der unte­ ren Stirnseite 2 des rohrförmigen Trägerelements 1. Dabei liegt der Stößel 6 mit seinem unteren Ende auf einem Betätigungsarm 7 eines nicht darge­ stellten Schaltmechanismus, während das obere Ende des Stößels 6 den Spulenkern 4 um ein vorbestimmtes Stück überragt.

Oberhalb des oberen Endes des Stößels 6 befindet sich ein Anker 8, der sich mit Hilfe einer Druckfeder 9 auf dem feststehenden Spulenkern 4 ab­ stützt und ebenfalls im rohrförmigen Trägerelement 1 geführt ist. Zur si­ cheren Positionierung der Druckfeder 9 können die einander gegenüber­ liegenden Seiten von Spulenkern 4 und Anker 8 mit koaxial liegenden Ver­ tiefungen 4a, 8a zur Aufnahme der Enden der Druckfeder 9 ausgestattet sein. Das obere Ende des Stößels 6 liegt dabei im Innern der wendelartig ausgebildeten Druckfeder 9.

Das rohrförmige Trägerelement 1 weist andererseits an seinem oberen En­ de eine schüsselförmige Erweiterung 10 auf. Diese schüsselförmige Erwei­ terung 10 dient zur Aufnahme eines Bimetall-Elements 11, das tellerför­ mig und sphärisch ausgebildet ist. Zur festen Positionierung des Bimetall- Elements 11 ist ein Rand 12 der schüsselförmigen Erweiterung 10 über den Umfangsrand des Bimetall-Elements 11 herumgebogen. Das Bimetall- Element 11 liegt dabei konzentrisch zur Längsachse des rohrförmigen Trä­ gerelements 1.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Stellung des Bimetall-Elements 11, in der es ab­ gekühlt ist, wird der Anker 8 mit Hilfe der Druckfeder 9 gegen die Innensei­ te des Bimetall-Elements gedrückt. Dabei wird der Anker 8 einerseits mit seinem unteren Ende durch das rohrförmige Trägerelement 1 geführt und hält andererseits einen vorbestimmten Abstand zum oberen Ende des Stö­ ßels 6 ein.

Im Bereich des Stößels 6 trägt das rohrförmige Trägerelement 1 eine Spule 13. Diese Spule 13, die ein- oder mehrlagig ausgebildet sein kann, ist also einerseits um den Spulenkern 4 herumgeführt und umgibt andererseits auch das obere Ende des Stößels 9. Sie wird von einem Strom I durchflos­ sen, der ein zu überwachender Strom sein kann.

Ein Joch 14 umgreift die Spule 13 und besteht aus einem in Axialrichtung des rohrförmigen Trägerelements 1 verlaufenden Längsjoch 15 und aus zwei im Abstand zueinander angeordneten und senkrecht zur Axialrich­ tung des rohrförmigen Trägerelements 1 verlaufenden Querjochen 16, 17. Wenigstens die Querjoche 16, 17 können dabei das rohrförmige Trägerele­ ment 1 umgeben. Die Spule 13 kommt zwischen den Querjochen 16 und 17 zu liegen, wobei das Querjoch 16 so positioniert ist, daß bei der in Fig. 1 ge­ zeigten Verkrümmung des Bimetall-Elements 11 der Anker 8 oberhalb des Querjochs 16 zu liegen kommt. Er wird in dieser Position durch die Druck­ feder 9 gehalten. Das Querjoch 17 befindet sich am unteren Ende des rohr­ förmigen Trägerelements 1 bzw. in der Nähe der unteren Stirnseite 2.

Das Längsjoch 15 geht einstückig in einen Arm 18 über, der von außen über das Bimetall-Element 11 geführt ist. Dieser Arm 18 liegt bei der in Fig. 1 gezeigten Stellung des Bimetall-Elements 11 auf diesem auf und schmiegt sich an das Bimetall-Element 11 an. Im Zentralbereich des Bime­ tall-Elements 11 weist der Arm 18 eine Einschnürung 19 auf, wie die Fig. 4 erkennen läßt. Diese Einschnürung 19 dient als Stromwärmequelle, wie noch erläutert wird. Dagegen weist das untere Querjoch 17 an der dem Längsjoch 15 gegenüberliegenden Seite eine weitere Verlängerung 20 auf, die in Längsrichtung des rohrförmigen Trägerelements 1 verläuft und als Stromanschlußkontakt dient.

Beim Stromauslöser nach der Erfindung sind gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Spule 13, der Arm 18 des Jochs 14 und das Joch 14 selbst elektrisch in Reihe geschaltet. Ein elektrischer Strom I fließt da­ her von der Eingangsklemme 21 zunächst durch die Spule 13 hindurch und anschließend in den Arm 18 des Jochs 14. Von dort fließt der Strom über das Längsjoch 15 und das Querjoch 17 zur Verlängerung 20, um schließlich über die Ausgangsklemme 22 abzufließen.

Durch das Längsjoch 15 und die beiden Querjoche 16 und 17 sowie durch den Spulenkern 4 wird ein Magnetkreis gebildet, der oberhalb des Spulen­ kerns 4 noch unterbrochen ist, wie die Fig. 1 erkennen läßt. Es wurde be­ reits darauf hingewiesen, daß im abgekühlten Zustand des Bimetallele­ ments 11 der Anker 8 oberhalb des oberen Querjoches 16 zu liegen kommt, also nicht innerhalb des zuvor erwähnten Magnetkreises. Der Stößel 6 nimmt dann seine Ruheposition ein und liegt lediglich auf dem Betätigungsarm 7 auf, der dadurch jedoch nicht verschwenkt wird. Es erfolgt mit anderen Worten noch keine Auslösung des Schaltmechanismus des Schutzschalt­ geräts über den Betätigungsarm 7, so daß die Fig. 1 die normale Betriebs­ stellung zeigt.

Übersteigt der Strom I einen vorbestimmten Wert, so wird sich das Bime­ tall-Element 11 infolge der im Bereich der Einschnürung 19 und im Be­ reich der Spule 13 erzeugten Stromwärme erhitzen und verkrümmen. Es springt dann in die in Fig. 2 gezeigte Stellung, in der es auf der Innenfläche der schüsselförmigen Erweiterung 10 zu liegen kommt. Dabei wird der An­ ker 8 in das rohrförmige Trägerelement 1 hineingeschoben, und zwar ent­ gegen der Kraft der Druckfeder 9. Die Verschiebung des Ankers 8 in Rich­ tung zum Stößel 6 erfolgt soweit, daß der Stößel 6 durch den Anker 8 noch nicht betätigt wird, der Anker 8 andererseits jetzt aber das Querjoch 16 durchragt und den Magnetkreis zu schließen beginnt.

Die durch die Spule 13 bei dem vorhandenen Strom erzeugte Magnetkraft kann nunmehr den Anker 8 weiter in Richtung zum Spulenkern 4 ziehen und dabei den Stößel 6 aus dem unteren Ende des rohrförmigen Trägerele­ ments 1 herausdrücken. Dies hat eine Verschwenkung des Betätigungs­ arms 7 zur Folge, wodurch der Schaltmechanismus zum Abschalten des Schutzschaltgeräts ausgelöst wird. Der Strom I wird dabei abgeschaltet.

Die Druckfeder 9 ist jetzt am weitesten komprimiert und wird nach Ab­ schalten des Stroms I den Anker 8 in seine Ausgangslage zurückführen, wenn das Bimetall-Element 11 nach Abkühlung in seine ursprüngliche Stellung zurückgesprungen ist. Die Rückführung des Stößels 6 in seine Ausgangslage kann über den Betätigungsarm 7 erfolgen, der zu diesem Zweck elastisch bzw. federnd ausgebildet ist.

Bei der Erfindung wird also nur ein Teil der Auslösearbeit zur Auslösung des Schaltmechanismus durch das Bimetall-Element 11 aufgebracht, während der weitaus größere Teil durch den Anker 8 bzw. die Spule 13 ver­ richtet wird. Das Bimetall-Element braucht daher nicht mehr so massiv konstruiert zu werden und kann darüber hinaus schon bei sehr geringen Strömen ansprechen, so daß bei entsprechender Ausbildung der Spule ei­ ne hohe Ansprechempfindlichkeit des Überstromauslösers erzielt wird.

In der Fig. 4 ist ein weiteres Bimetall-Element 11a gestrichelt dargestellt, das anstelle des Elements 11 verwendet werden kann. Das Bimetall-Ele­ ment 11 ist ebenfalls tellerförmig ausgebildet, weist aber an zwei gegen­ überliegenden Seiten Ansätze 11b, 11c auf. Werden diese eingespannt, so wird ein besonders empfindlicher Schnapp-Hub-Effekt erzielt. Das Ele­ ment 11a läßt sich somit bei Erwärmung leicht in seine konkave Stellung (Arbeitsstellung) überführen.

Claims (8)

1. Überstromauslöser für Schutzschaltgeräte, mit

• - einer Spule (13),
• - einem feststehenden Spulenkern (4),
• - einem sich elastisch am Spulenkern (4) abstützenden Anker (8),
• - einem den Spulenkern (4) axial durchragenden Stößel (6) zur Betätigung eines Schaltmechanismus, wenn sich der Anker (8) dem Spulenkern (4) nähert,
• - einem die Spule (13) übergreifenden Joch (14) zur Bildung eines Magnet­ kreises und
• - einem Bimetall-Element (11) zur Verschiebung des Ankers (8) in Richtung auf den Spulenkern (4), dadurch gekennzeichnet, daß
• - der Anker (8) im abgekühlten Zustand des Bimetall-Elements (11) außerhalb des Magnetkreises liegt,
• - der Anker (8) im abgekühlten Zustand des Bimetall-Elements (11) einen vorbestimmten Abstand zum Stößel (6) einnimmt,
• - das Bimetall-Element (11) einen Sprungeffekt aufweist, und
• - das Bimetall-Element (11) nach Erwärmung den Anker (8) infolge des Sprungeffekts so weit in den Magnetkreis hineinschiebt, daß der Anker (8) den Stößel noch nicht berührt.

2. Überstromauslöser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bimetall-Element (11) im abgekühlten Zustand an seiner dem An­ ker (8) abgewandten Seite mit einem Arm (18) des Jochs (14) in Kontakt steht und dieser Arm (18) von einem zu überwachenden Strom (I) durch­ flossen wird.

3. Überstromauslöser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Arm (18) im Kontaktbereich mit dem Bimetall-Element (11) eine Einschnürung (19) aufweist.

4. Überstromauslöser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Bimetall-Element (11) tellerförmig ausgebildet ist.

5. Überstromauslöser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkern (4) und der Anker (8) in einem rohrförmigen Trägerelement (1) gelagert sind, das an seiner dem Spulenkern (4) abgewandten Stirnseite eine schüsselförmige Erweiterung (10) zur Aufnahme des tellerförmigen Bimetall-Elements (11) aufweist.

6. Überstromauslöser nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Spule (13), der Arm (18) des Jochs (14) und das Joch (14) selbst elektrisch in Reihe geschaltet sind.

7. Überstromauslöser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen dem Spulenkern (4) und dem Anker (8) eine Druckfeder (9) angeordnet ist.

8. Überstromauslöser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bimetall-Element (11a) an zwei gegenüberliegenden Seiten Ansätze (11b, 11c) aufweist.