DE60027560T2 - Modul für eine elektrische spule, elektrische spule mit diesen modulen, antriebsmechanismus mit dieser spule, und schutzschalter mit diesem antriebsmechanismus - Google Patents

Modul für eine elektrische spule, elektrische spule mit diesen modulen, antriebsmechanismus mit dieser spule, und schutzschalter mit diesem antriebsmechanismus Download PDF

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    • H01H33/28Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism
    • H01H33/285Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism using electro-dynamic repulsion

Description

  • Gebiet der Technik
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung planarer elektrischer Spulenmoduln, eine elektrische Spule mit solchen Moduln, einen Betätigungsmechanismus mit einer solchen Spule sowie einen Schutzschalter mit einem solchen Betätigungsmechanismus. Der vorliegende Betätigungsmechanismus wird bevorzugt in Schutzschaltern benutzt, und zwar insbesondere für den Schutz von Gleichstromanlagen wie Schienentransportnetzen einschliesslich der Schienenfahrzeuge. Typischerweise wird der Schutzschalter zur Strombegrenzung bei einem Kurzschluss irgendwo in der Anlage verwendet. Er hat aber auch zahlreiche weitere industrielle Anwendungen.
  • Unter einem Hybridschalter wird ein Schutzschalter verstanden, der das aufeinanderfolgende Funktionieren eines sehr schnellen mechanischen Systems und eines statischen Schutzschalters nutzt.
  • Technischer Hintergrund
  • Drei verschiedene Kategorien von Gleichstromschutzschaltern können unterschieden werden: der elektromechanische Schutzschalter, der statische Schutzschalter und der Hybridschutzschalter.
  • Der erste Schutzschaltertyp, nämlich der elektromechanische Schutzschalter, wird heute in den meisten der Einspeisestationen und Schienenfahrzeuge in Schienentransportsystemen verwendet.
  • Dieser Typ hat aber einige Nachteile wie hohe Abnutzung, einen hohen Geräuschpegel, eine verhältnismässig lange Ansprechzeit, hohe Wartungskosten usw.
  • Der statische Schutzschalter ist Gegenstand zahlreicher Tests, Untersuchungen und Realisierungen im Labormassstab gewesen, aber der hohe Energieverlust während des normalen Betriebs macht ihn für eine gewerbliche Nutzung ungeeignet.
  • Der Hybridschalter als der letzte Schutzschaltertyp erhielt seinen Namen wegen der Kombination eines elektromechanischen Systems mit Leistungselektronik. Unter normalen Arbeitsbedingungen wird der Strom durch einen mechanischen Verbindungskontakt mit sehr geringen Verlusten geleitet. Bei Aktivierung wird der mechanische Verbindungskontakt getrennt, und der Strom wird von einem parallel geschalteten statischen Unterbrecher übernommen. Nach völliger Trennung des mechanischen Verbindungskontakts unterbricht der statische Teil den Stromkreis. Auf Grund der schnellen Arbeitsweise des mechanischen Systems und der Stromumschaltung ist der zwischen den mechanischen Kontakten entstehende Lichtbogen begrenzt.
  • Verschiedene andere Ausführungsformen sind möglich. In einer bekannten Lösung wird durch Entladung eines Kondensators Strom in der dem Kurzschlussstrom entgegengesetzten Richtung injiziert. Dieser Typ ist Gegenstand zahlreicher Tests und Realisierungen gewesen, aber seine Komplexität, sein Preis und mangelnde Zuverlässigkeit haben seinen kommerziellen Erfolg verhindert.
  • Ein wesentliches Merkmal eines Schutzschalters, zum Beispiel eines Hybridschutzschalters, ist die Geschwindigkeit des elektromechanischen Systems. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine neuartige Anordnung einer modularen planaren elektrischen Spule, die auf allgemein flachen Substraten gefertigt und zu einem Stapel zusammengeklammert wird.
  • Aus dem Dokument US-A-5 726 615 ist zum Beispiel bekannt, Moduln dieses Typs aufeinanderzulegen, um eine elektrische Spule zu bilden.
  • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Anordnung planarer elektrischer Spulenmoduln des planaren Typs zur Verfügung zu stellen, die bevorzugtermassen mit der Technologie gedruckter Schaltungen auf einem allgemein flachen Substrat gefertigt werden.
  • Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine extrem dünne und kompakte elektrische Spule zur Verfügung zu stellen, die eine solche Anordnung von Spulenmoduln nutzt und besonders vorteilhaft als Antriebsmittel in einem sogenannten Thomson-Mechanismus ist, der einen Teil des Schutzschalters bildet. Dieser Spulentyp hat auch weitere Anwendungen.
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Schutzschalter des Hybridtyps zur Verfügung zu stellen, der extrem schnell und wirksam ist.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform des Schutzschalters ist durch eine neue Konstruktion des elektromechanischen Betätigungsmechanismus und eine besonders kompakte und symmetrische Auslegung des statischen Teils des Unterbrechers gekennzeichnet.
  • Ein wichtiger Vorteil des erfindungsgemässen Schutzschalters besteht darin, dass die Energieverluste extrem niedrig sind. Der bei Betätigung auftretende Geräuschpegel ist ebenfalls sehr niedrig. Die neue Konstruktion des Betätigungsmechanismus für den mechanischen Kontakt hat die Geschwindigkeit des Mechanismus erhöht und ihn sehr kompakt gestaltet. Die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Unterbrechers sind ausgezeichnet.
  • Die obigen und weitere Ziele werden durch die Mittel der vorliegenden Erfindung realisiert, die durch die beigefügten Ansprüche gekennzeichnet ist.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Weitere Ziele, Verwendungen und Vorteile dieser Erfindung werden aus einer Lektüre dieser Beschreibung erhellen, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt, die einen Bestandteil der Beschreibung bilden und in denen:
  • 1 schematisch einen Hybridschutzschalter gemäss vorliegender Erfindung zeigt,
  • 2 schematisch den elektromechanischen Teil des Schutzschalters zeigt,
  • 3a und 3b verschiedene Ansichten eines Spulenmoduls vom planaren Typ zeigen, der Bestandteil einer Spule im Antriebsmechanismus des elektromechanischen Teils des Schutzschalters ist,
  • 3c ein zwischen zwei aufeinanderfolgende Spulenmoduln gemäss 3a und 3b einzufügendes isolierendes Element zeigt, wobei eine solche Anordnung aber keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet,
  • 4a bis 4d verschiedene Ansichten zweier Spulenmoduln des planaren Typs zeigen, die Teile einer Ausführungsform der Spule im Antriebsmechanismus des elektromechanischen Teils des Schutzschalters bilden,
  • 5 die elektrische und mechanische Anordnung der Komponenten des statischen Teils des Schutzschalters zeigt,
  • 6 eine weitere elektrische und mechanische Anordnung der Komponenten des statischen Teils des Schutzschalters zeigt,
  • 7 eine MOV – Widerstands-Kombination zeigt, die durch Energieverteilung die Kosten der MOV wirksam verringert,
  • 8 schematisch den Verriegelungsmechanismus des elektromechanischen Teils des Schutzschalters zeigt,
  • 9a und 9b Seitenansichten des Kontakts und des Antriebsmechanismus einer Ausführungsform der Erfindung zeigen.
  • Eingehende Beschreibung der Erfindung
  • 1 zeigt schematisch und in allgemeiner Form einen Schutzschalter gemäss vorliegender Erfindung. Ein normalerweise geschlossener mechanischer Kontakt 1 im Hauptstromkreis 3 leitet den Strom unter normalen Bedingungen. Der Kontakt 1 umfasst ortsfeste Kontaktelemente 4 und ein bewegliches Kontaktelement 5. Ein allgemein mit 2 bezeichneter statischer Schutzschalter ist zum Kontakt 1 parallel geschaltet. Der Strom könnte in dem Augenblick, in dem der Schutzschalter aktiviert wird, in jeder der beiden Richtungen durch den mechanischen Kontakt fliessen. Der statische Teil ist daher symmetrisch aufgebaut, damit er zum Beispiel im Falle eines Kurzschlusses im Hauptstromkreis 3 den Strom übernehmen und unterbrechen kann.
  • Der statische Teil 2 des Schutzschalters umfasst eine Diodenbrücke D1–D4, durch die der Unterbrecher für beide Stromrichtungen im Hauptstromkreis 3 funktionsfähig wird. Der aktive Teil des Unterbrechers umfasst zumindest einen Thyristor vom IGCT-Typ (IGCT: Integrated Gate Commutated Thyristor, integrierter gate-umgeschalteter Thyristor). In der beschriebenen Ausführungsform werden zwei parallel geschaltete IGCT verwendet, T1 und T2, zwischen denen der Strom aufgeteilt wird. Diese Konstruktion und ihre Komponenten ermöglichen die Unterbrechung von Strömen der Grössenordnung von 6 kA, ohne spezielle Vorkehrungen wie Hilfskreise für die Umschaltung, eine statische und dynamische Abgleichung der Ströme, Anpassung der Komponenten usw. zu verlangen. Dieser Wert des Stromes ist natürlich nicht als eine Begrenzung in irgendeiner Richtung zu verstehen. Durch geeignete Wahl der Komponenten können Schutzschalter natürlich auch für höhere wie auch für niedrigere Stromnennwerte nach den gleichen Prinzipien konstruiert werden. Ein parallel zu den IGCT geschalteter MOV (Metalloxid-Varistor) 6 wird verwendet, um die Spannung über die Vorrichtungen zu begrenzen, wenn sich die IGCT öffnen, und um die induktive Energie des Hauptstromkreises 3 zu zerstreuen. Wechselweise kann der zu den IGCT parallel geschaltete MOV 6 mit einem zusätzlichen parallelen Arm kombiniert werden, der einen zweiten MOV 6' enthält, mit dem ein Widerstand 25 in Reihe geschaltet ist, um die im MOV 6 zerstreute Energie zu verringern. Diese Anordnung wird in 7 gezeigt. Der MOV 6' muss einen Testspannungswert nahe der Speisespannung besitzen.
  • In Wirklichkeit wird der mechanische Kontakt 1 durch einen sehr rasch wirkenden Mechanismus zum Beispiel vom Thomson-Typ gesteuert. 2 zeigt einen solchen Mechanismus sowie den Kontakt 1. Der Mechanismus nutzt die elektrodynamische Abstossung zwischen zwei elektrischen Strömen, die in umgekehrten Richtungen in einer Spule 7 und einer Scheibe 8 fliessen, um die benötigte physische Bewegung zu schaffen. Unter normalen Leitungsbedingungen wird der Kontakt 1 durch magnetische Mittel 9 gewährleistet. Der Mechanismus schliesst auch (nicht gezeigte) Dämpfungsmittel für die mechanische Bewegung ein, die bevorzugt unterhalb der magnetischen Mittel 9 angeordnet sind. Der Mechanismus wird hierunter weiter beschrieben.
  • Im normalen Betrieb ist der Kontakt 1 geschlossen, und der Strom im Hauptstromkreis 3 fliesst durch den Kontakt, ohne eine übermässige Wärmewirkung zu erzeugen.
  • Ein Kurzschluss irgendwo im Hauptstromkreis 3 könnte den Strom über die Nennwerte hinaus beträchtlich erhöhen, was natürlich Komponenten und Anlagen im Stromkreis schädigen könnte. Um die Auswirkungen eines solchen Kurzschlusses zu minimieren, wäre es daher von Interesse, den Strom so rasch wie möglich völlig zu unterbrechen.
  • (Nicht gezeigte) Mittel zur Erkennung eines Stromanstiegs, wie er zum Beispiel durch einen Kurzschluss verursacht werden könnte, sind im Stromkreis angeordnet. Damit zusammenwirkende (nicht gezeigte) Steuerorgane senden ein Signal an die Mittel zur Betätigung des mechanischen Unterbrechers. Ein Signal wird ferner an die Gates der Thyristoren T1, T2 geschickt, um diese zu aktivieren. Wenn das Kontaktelement 5 im Augenblick der Unterbrechung symmetrisch öffnet, d.h. wenn das Element zwei Funkenstrecken gleichzeitig bildet, nämlich je eine an jedem Endabschnitt des Elements 5, dann erscheinen zwei Funken zwischen dem beweglichen Kontaktelement 5 und den feststehenden Kontaktelementen 4. Die mit diesen Funken verbundenen Spannungen, die in der Grössenordnung von 2 × 20 V liegen könnten, ermöglichen es, dass der Strom verhältnismässig schnell (grössenordnungsmässig innerhalb von 50 Mikrosekunden) zum statischen Teil 2 des Unterbrechers umgeschaltet wird. Die Luft in den beiden Strecken wird auf Grund der Lichtbögen ionisiert, was bedeutet, dass sich die dielektrischen Eigenschaften der Strecken verschlechtern. Folglich wird es notwendig zu warten, bis sich die Luft entionisiert und abgekühlt hat, ehe die IGCT abgeschaltet werden, da sonst die Gefahr besteht, dass die hohe Spannung von zum Beispiel 3 kV neue Lichtbögen zwischen den Kontaktelementen erzeugt.
  • Als eine Alternative könnte dem Element 5 eine Bewegung erteilt werden, die seine asymmetrische Öffnung bewirkt, so dass zu Beginn nur eine Funkenstrecke im Moment der Unterbrechung geschaffen wird. Daher erscheint nur ein Funken an einem Endabschnitt des Elements 5. In diesem Fall wird der Strom langsamer umgeschaltet (zum Beispiel in etwa 100 Mikrosekunden). Der Vorteil dieser Alternative besteht darin, dass die Luft an dem Endabschnitt des Kontaktelements 5, wo während der Umschaltung kein Funken gebildet wird, nicht ionisiert wird und dadurch die dielektrischen Eigenschaften insgesamt viel besser sind, was bedeutet, dass die Wartezeit bis zur Abschaltung der IGCT viel kürzer sein könnte. Die im Luftvolumen zwischen den Kontaktelementen 4, 5 zerstreute Energie ist viel geringer, weil der Strom rasch abnimmt. Die hohe Geschwindigkeit der Trennung der Kontaktelemente begünstigt ferner den Luftaustausch in diesem Volumen, was zu einer guten Kühlung beiträgt. Ausserdem ist die Verdampfung von Metall von den Kontaktelementen im Vergleich zum Fall eines elektromechanischen Unterbrechers vernachlässigbar.
  • Die Geschwindigkeit der Umschaltung hängt hauptsächlich von der Geometrie der Anschlüsse der statischen Zelle und der Spannung über die leitenden Haltleiter ab.
  • Die Parallelschaltung der beiden IGCT, T1 und T2, erfordert eine vollkommene Symmetrie der Geometrie der Stromschienen, was zu symmetrischen Streuinduktivitäten führt. Die Dioden D1, D2, D3, D4 und die IGCT T1 und T2 müssen so montiert sein, dass ein mechanischer Druck P1 bzw. P2 auf die Komponenten ausgeübt wird. Falls sich der für die Dioden erforderliche Druck P1 von dem für die IGCT benötigten Druck P2 unterscheidet, kann der mechanische Aufbau, wie er in 5 dargestellt ist, mit zwei unterschiedlichen Komponentenstapeln erfolgen. Falls der gleiche Druck P3 erforderlich ist, kann die Anordnung der 6 mit einem einzigen Stapel verwendet werden. In beiden Figuren, 5 und 6, sind die Strompfade (und damit auch die Streuinduktivitäten) für die beiden parallel geschalteten IGCT genau die gleichen.
  • Wenn der Strom völlig zu den Halbleitern umgeschaltet worden ist, muss der Unterbrecher warten, bis die Kontakte genügend weit getrennt sind, ehe die statische Unterbrechung begonnen wird. Es ist notwendig, dass der isolierende Abstand zwischen den mechanischen Kontaktelementen genügend gross ist, um zu gewährleisten, dass keine erneute Lichtbogenbildung auftritt.
  • Die Unterbrechung des Stromes in den IGCT ist beinahe augenblicklich. Der Strom geht daher durch den MOV 6 und nimmt rasch ab. Die Zeit zwischen der Erkennung eines Kurzschlusses und dem Beginn der Abnahme des Stromes beträgt etwa 350 Mikrosekunden, was etwa 15 bis 20 mal schneller als bei elektromechanischen Unterbrechern ist. Die Leistungshalbleiter sind typischerweise in der Lage, einen Strom von mehreren tausend Ampere in weniger als 2 Mikrosekunden zu unterbrechen. Wenn man diese Tatsache berücksichtigt, ist es klar, dass die für die Öffnung des beweglichen Kontakts erforderliche Zeit verringert werden muss, um diese Eigenschaft auszunutzen.
  • Ein System mit elektrodynamischem Antrieb wird wie oben beschrieben verwendet, um die Öffnungszeit des Kontakts 1 zu verringern. Der mechanische Teil des Hybridschalters besteht aus drei deutlich unterschiedenen Einheiten, dem beweglichen Kontakt 5, dem magnetischen Verriegelungsmechanismus 9 und dem Stellglied 7, 8, 10. Das den elektrodynamischen Antrieb liefernde Stellglied ist in dem beschriebenen Beispiel von bereits bekannten Thomson-Typ.
  • Ein solches Stellglied wird schematisch in 2 und 9 veranschaulicht. Der bewegliche Kontakt 5 ist in der veranschaulichten Ausführungsform der Erfindung mit einer Schwenkbewegung ausgestattet, um die beim Betrieb bewegte Masse zu verringern.
  • Eine Anordnung des bewegten Kontakts mit Schwenkbewegung wird in 9 gezeigt. Der bewegte Kontakt 5 ist auf einen Arm 11 montiert, der um einen Stift 12 herum schwenkt. Der Arm wird bevorzugtermassen durch Federorgane 13 federbelastet, wodurch der Arm mit dem Endabschnitt der Welle 14 des Verriegelungsmechanismus 9 in Berührung gehalten wird.
  • Um die an den Kontaktelementen 4, 5 erzeugte Wärme abzuleiten, ist die Masse der ortsfesten Kontaktelemente 4 bewusst gross gewählt worden. Der magnetische Verriegelungsmechanismus 9, der genauer in 8 veranschaulicht ist, ermöglicht die Schliessung und Öffnung des Schutzschalters und das Anlegen einer konstanten Kraft zwischen den Kontaktelementen in der geschlossenen Position, um den elektrischen Widerstand zu verringern. Der Verriegelungsmechanismus umfasst einen Elektromagneten 15 mit einem beweglichen Eisenkern und einem Dauermagneten 16. Der Verriegelungsmechanismus wird geschlossen, indem ein Strom von einer zusätzlichen Gleichstromquelle in die Spule 28 injiziert wird. Dadurch wird ein magnetischer Fluss im Eisenkreis erzeugt. Der Fluss erzeugt eine Antriebskraft, die den Eisenkern 17 zum Dauermagneten 16 hin bewegt. Der Fluss magnetisiert ferner den Dauermagneten, wodurch eine permanente Kraft ermöglicht wird, die den Kern in der geschlossenen Position hält.
  • Der bewegliche Kern 17 des magnetischen Verriegelungsmechanismus ist so leicht wie möglich ausgelegt, um die Gesamtmasse zu verringern. Eine Welle 18 überträgt die sich ergebende Bewegung an den beweglichen Kontakt 5.
  • Das Öffnen des elektrischen Kontakts 4, 5 kann auf zwei unterschiedliche Weisen erreicht werden. In einem Notfall wie zum Beispiel einem Kurzschluss kann der Kontakt durch das Stellglied, zum Beispiel ein Stellglied vom Thomson-Typ, geöffnet werden, wie unten beschrieben. In diesem Fall lösen die durch das Stellglied erzeugten Kräfte den Verriegelungsmechanismus 9 trotz der Tatsache, dass dieser Mechanismus noch magnetisiert ist. Der Kontakt 4, 5 kann aber auch willkürlich durch Entmagnetisierung des Verriegelungsmechanismus geöffnet werden.
  • Die in 2, 9a und 9b gezeigten Federn 13 halten nach einer Öffnung durch das Stellglied den Kontakt in der offenen Position. Wie oben erwähnt, ist der Verriegelungsmechanismus in diesem Falle nicht entmagnetisiert worden, und unter Umständen könnte zum Beispiel ein mechanischer Stoss den Kontakt erneut schliessen. In der geschlossenen Position ist die durch den Magneten erzeugte Kraft viel stärker als die Kraft der Feder.
  • Eine (nicht gezeigte) Dämpfungsvorrichtung bremst die bewegten Massen nach Öffnung des Kontakts ab. In diesem besonderen Fall ist ein spezieller Kunststoffschaum, der unter den Verriegelungsmechanismus gelegt wird, verwendet worden, der ausgezeichnete Absorptionseigenschaften liefert, aber viele andere Arten von Anordnungen zum Auffangen der Stösse könnten natürlich allein oder kombiniert vorgesehen werden, zum Beispiel pneumatische oder hydraulische Arten der Dämpfung.
  • Ein Stellglied des Thomson-Typs umfasst eine Spule 7, in der ein sehr starker Strom in Gestalt eines Impulses fliesst (in einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Strom mit einem Spitzenwert in der Grössenordnung von 15 kA verwendet worden). Dieser Strom könnte zum Beispiel durch eine Batterie von Elektrolytkondensatoren erzeugt werden, die von einer Dioden-Thyristor-Anordnung gesteuert wird. Eine Scheibe 8 aus Kupfer oder dergleichen wird gerade unter der Spule angeordnet. Durch Induktion wird in der Scheibe ein Gegenstrom induziert, wenn die Spule erregt wird. Der Spitzenwert dieses induzierten Stromes könnte in der gleichen Ausführungsform einen Wert von 80 kA erreichen. Wegen dieser beiden Ströme wird ein heftiger Abstassungseffekt zwischen der Spule 7 und der beweglichen Scheibe 8 erzeugt, der die Scheibe sowie das bewegliche Element 5 des mechanischen Kontakts 1 bewegt, der durch den an der Scheibe 8 befestigten Schaft 10 betätigt wird.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein besonderer Spulentyp verwendet. Diese Spule umfasst eine Anzahl von übereinandergelegten Spulenmoduln 19 vom planaren Typ, die zum Beispiel mit der Technologie gedruckter Schaltungen hergestellt werden könnten. Diese Moduln werden übereinander gelegt, um die geeigneten Spuleneigenschaften zu liefern. Ein Vorteil dieses Typs der Auslegung der Antriebsspule des Thomson-Mechanismus besteht darin, dass die Spule 7 in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche der Scheibe 8 extrem dünn gemacht werden kann, was bedeutet, dass die beiden entgegengesetzten Ströme der Spule und der Scheibe nahe zusammenge bracht werden, was den Abstossungseffekt zwischen der Spule 7 und der Scheibe 8 erheblich verstärkt. Dadurch wird natürlich die Ansprechzeit des Mechanismus verringert.
  • Ein Basismodul für eine solche Spule ist in 3a und 3b gezeigt. Mit bekannten Verfahren wird eine erste Auslegung von leitendem Material 20, zum Beispiel Kupfer, auf einer Seite eines Substrats 21 geschaffen. Auf der entgegengesetzten Seite des gleichen Substrats wird eine zweite Auslegung 20' geschaffen. 3a zeigt die eine Seite des Moduls, 3b zeigt die andere Seite. Der Leiter auf jeder Seite des Substrats steht mit dem Leiter auf der anderen Seite vermittels einer durch das Substrat hindurchgehenden elektrischen Verbindung in Kommunikation. Eine derartige elektrische Verbindung könnte zum Beispiel aus den metallisierten Wandungen eines durchgehenden Lochs 22 bestehen. Wenn also zum Beispiel das Loch 23 als der Eingang des Moduls betrachtet wird, dann fliesst der Strom über das leitende Material 20' zum Loch 22, das ihn zur anderen Seite des Substrats leitet. Der Strom folgt dann dem Leiter auf der anderen Seite zum Ausgang 24. Eine Anzahl solcher Moduln könnte übereinandergelegt und zusammengeklammert werden, um eine flache, sehr kompakte Spule zu schaffen. In dieser Ausführungsform müssen aufeinanderfolgende Moduln durch ein isolierendes Element getrennt werden, wie in 3c veranschaulicht. Die Löcher 23, 24 und 22 können alle über die metallisierte Wandung des jeweiligen Lochs den Strom zwischen den beiden Seiten des Substrats leiten.
  • Es ist offensichtlich, dass bei Stapelung solcher Moduln und isolierender Elemente die Moduln elektrisch parallel geschaltet sind. Eine geeignete Anzahl von Moduln wird zusammengebracht, um die gewünschte Spuleneigenschaft zu ergeben.
  • Der Skin-Effekt, der bei hoher Frequenz und im Impulsmodus in Betracht gezogen werden muss, führt zu viel weniger Problemen als im Falle einer gewöhnlichen Spule, was bedeutet, dass der Leiterquerschnitt der Spule wirksamer genutzt wird. In einer besonderen Ausführungsform wird der Kupfergesamtquerschnitt wegen der planaren Auslegung der Spule in etwa zehn sehr dünne Scheiben zerlegt. In einem solchen Falle wird der Strom durch den gesamten Kupferquerschnitt geleitet.
  • 4a bis 4d zeigen verschiedene Ansichten von zwei Spulenmoduln des planaren Typs, die einen Teil einer Ausführungsform einer erfindungsgemässen Spule bilden, die zum Beispiel im Antriebsmechanismus des elektromechanischen Teils eines Schutzschalters verwendet werden kann. 4a und 4b bzw. 4c und 4d zeigen die entgegengesetzten Seiten von zwei Spulenmoduln. Wenn 4a als die Oberseite des ersten Modultyps definiert wird, dann ist 4b die Unterseite des gleichen Moduls. 4d ist dann die Oberseite, 4c die Unterseite des zweiten Modultyps. Die Auslegung der Unterseite des ersten Modultyps, 4b, und der Oberseite des zweiten Modultyps, 4d, sind zueinander spiegelbildliche Versionen, wie ersichtlich. Das gleiche gilt für die Auslegung der Oberseite des ersten Modultyps, 4a, und der Unterseite des zweiten Modultyps, 4c. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass keine Isolierung zwischen den Spulenmoduln vorhanden zu sein braucht, wenn beim Zusammenbau der Spule die Spulentypen alternierend gestapelt werden. Ein Kurzschluss der Spulenwindungen ist nicht möglich. Daher kann bei gegebenen elektrischen Eigenschaften die Spule durch diese zweite Ausführungsform der Erfindung noch dünner gemacht werden.
  • In einem Bereich um die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse 26 und 27 eines Spulenmoduls sind eine Anzahl kleinerer durchgehender Löcher 26' bzw. 27' angebracht worden. Die metallisierten Wände dieser Löcher tragen zum leitenden Querschnitt zwischen den beiden Seiten des Moduls bei.

Claims (7)

  1. Ein Paar aus einem ersten und einem zweiten elektrischen Spulenmodul des planaren Typs, bevorzugt mit Mitteln der Technologie gedruckter Schaltungen auf einem allgemein flachen Substrat (21) gefertigt, wobei der erste und zweite Modul je eine erste spiralförmige Anordnung (20) von leitendem Material, das einen ersten elektrischen Leiter darstellt, der einen Eingangsanschluss (26) auf der einen Seite des Substrats (21) aufweist, sowie eine zweite spiralförmige Anordnung (20') von leitendem Material besitzt, das einen zweiten elektrischen Leiter darstellt, der einen Ausgangsanschluss (27) auf der entgegengesetzten Seite des Substrats aufweist, der erste und zweite Leiter jedes der Moduln über eine elektrische Verbindung (22) durch das Substrat (21) hindurch so verbunden sind, dass eine zwischen dem Eingangs- und Ausgangsanschluss (26, 27) eines Spulenmoduls angelegte elektrische Spannung einen Strom von dem einen Anschluss (26) durch den ersten elektrischen Leiter auf der einen Seite des Substrats über die Verbindung (22) durch das Substrat hindurch und durch den zweiten elektrischen Leiter auf der anderen Seite des Substrats zum anderen Anschluss (27) treibt, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Anordnung (20) von leitendem Material auf dem ersten elektrischen Spulenmodul eine spiegelbildliche Version der ersten Anordnung (20) von leitendem Material auf dem zweiten elektrischen Spulenmodul darstellt, während die zweite Anordnung (20') von leitendem Material auf dem ersten elektrischen Spulenmodul eine spiegelbildliche Version der zweiten Anordnung (20') von leitendem Material auf dem zweiten elektrischen Spulenmodul darstellt.
  2. Elektrische Spule mit zumindest zwei Spulenmoduln nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Moduln mit den spiegelbildlichen Anordnungen zueinander ohne ein dazwischengelegtes isolierendes Element aufeinandergelegt und zusammengeklammert werden.
  3. Betätigungsmechanismus vom Thompson-Typ mit einer Erregerspule (7), einer mitwirkenden Scheibe (8) und einer Welle (10), die die Bewegung der Scheibe (8) überträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule von dem in Anspruch 2 definierten Typ ist.
  4. Elektromechanischer Schutzschalter mit einem Betätigungsmechanismus vom Thompson-Typ, einem Paar fester Kontaktelemente (4) und einem beweglichen Kontaktelement (5), dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungsmechanismus von dem in Anspruch 3 definierten Typ ist.
  5. Elektromechanischer Schutzschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Kontaktelement (5) auf einem Schwenkarm (11) angeordnet ist.
  6. Hybridschutzschalter mit einem elektromechanischen Schutzschalter nach Anspruch 4 oder 5 und einem parallel geschalteten statischen Schalter, dadurch gekennzeichnet, dass der statische Schalter eine Diodenbrücke (D1 bis D4) umfasst, die parallel zu den mechanischen Kontakten (4, 5) des elektromechanischen Schutzschalters geschaltet ist und deren Diagonale zumindest einen Thyristor des IGCT-Typs (T1, T2) enthält, der parallel zu einem Metalloxid-Varistor (6) geschaltet ist.
  7. Hybridschutzschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Metalloxid-Varistor (6') in Reihenschaltung mit einem Widerstand (25) parallel zu dem benannten Metalloxid-Varistor (6) geschaltet ist.
DE60027560T 1999-03-08 2000-03-08 Modul für eine elektrische spule, elektrische spule mit diesen modulen, antriebsmechanismus mit dieser spule, und schutzschalter mit diesem antriebsmechanismus Expired - Lifetime DE60027560T2 (de)

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