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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen verbesserten Niederspannungsschütz. Insbesondere betrifft
die Erfindung einen verbesserten Niederspannungsschütz, welcher
in Anwendungen der Niederspannungs-Leistungsverteilung verwendet
wird (d.h. für
Spannungswerte unter 1 KV). Die Verwendung von Niederspannungsschützen ist
in dem Stande der Technik allgemein bekannt. Diese Art von Geräten wird
im Allgemeinen verwendet, wenn es notwendig ist, den Nennstrom in
einer Niederspannungs-Leistungsverteilungsleitung zu unterbrechen.
Es sei auf 1 Bezug genommen. Hier ist schematisch
das Funktionsprinzip eines bekannten dreipoligen Niederspannungsschütz dargestellt.
Ein Niederspannungsschütz
(Bezugszeichen 1) enthält
im Allgemeinen feststehende Kontakte 2 und bewegliche Kontakte 3.
Wie in 1 gezeigt ist, kann der Niederspannungsschütz 1 ein
dreipoliger Schalter sein, was bedeutet, dass er drei elektrische
Phasen oder Pole aufnimmt, von denen jede bzw. jeder einen feststehenden
Kontakt 2 und einen beweglichen Kontakt 3 aufweist.
Auch sind Schütze
in vierpoliger Ausführung
im Stande der Technik in breitem Gebrauch. Die beweglichen Kontakte 3 werden
relativ zu den feststehenden Kontakten 2 während des
Schließungs- bzw. Öffnungsvorganges
des Niederspannungsschütz 1 gekoppelt
bzw. entkoppelt. Der Niederspannungsschütz 1 enthält im Allgemeinen
Betätigungsmittel
(allgemein durch die Bezugszahl 4 bezeichnet), welche für das Koppeln
bzw. Entkoppeln der beweglichen Kontakte 3 und der feststehenden
Kontakte 2 verwendet werden. Die Betätigungsmittel 4 enthalten
eine elektromagnetische Anordnung mit einer Spule 5, welche
auf die feststehenden Kontakte 2 gewickelt ist, und einem
metallischen Element 6, das mechanisch mit den beweglichen
Kontakten 3 gekoppelt ist. Weiter enthalten die Betätigungsmittel 4 auch
ein Federelement 7, das mechanisch zwischen die feststehenden
Kontakte 2 und die beweglichen Kontakte 3 eingekoppelt
ist. Während
des Schließungsvorganges
des Niederspannungsschütz 1 wird ein
Hilfsstrom 8 in die Spule oder Wicklung 5 eingeführt, so
dass ein magnetisches Feld entsteht. Die Feldlinien dieses magnetischen
Feldes konzentrieren sich in dem Metallelement 6, welches
daher einer magnetischen Anziehungskraft 10 ausgesetzt
wird. Die beweglichen Kontakte 3 können so mit den Kontak ten 2 in
Berührung
gebracht werden und der Phasenstrom 12 kann fließen. Es
sei bemerkt, dass gleichzeitig das Federelement 7 zusammengedrückt wird
und darin eine bestimmte Menge elastischer Energie gespeichert wird.
Während
des Öffnungsvorganges
des Niederspannungsschütz 1 wird
der Hilfsstrom 8 nicht mehr in die Spule oder Wicklung 5 eingeführt, so
dass die magnetische Anziehungskraft 10 zu Null wird. Die
beweglichen Elemente 3 sind daher nur noch der elastischen
Reaktionskraft des Federelementes 7 ausgesetzt. Durch die
Freigabe der elastischen Energie, welche während des Schließungsvorganges
gespeichert worden ist, wird eine Entkopplung der beweglichen Kontakte 3 von
den feststehenden Kontakten 2 erzielt. Der Phasenstrom 12 kann
daher nicht mehr fließen.
Die Niederspannungsschalter oder -schütze nach dem Stande der Technik
weisen bestimmte Nachteile auf. In der Praxis muss auf die Spule 5 ein
schwieriger und komplizierter Bemessungsaufwand gerichtet werden,
um ein zufrieden stellendes Niveau der Wirkungsweise und Zuverlässigkeit
sicherzustellen. Andere Nachteile beruhen auf der Tatsache, dass
der Hilfsstrom 8, welcher der Spule 5 zugeführt werden
muss, verhältnismäßig hohe
Werte erreichen muss, um zufrieden stellende Zeiten für den Schließvorgang
zu erreichen. Weiter muss der Hilfsstrom 8 kontinuierlich
zugeführt
werden, um die Verbindung der feststehenden und beweglichen Kontakte
sicherzustellen und dadurch den Schließungszustand des Niederspannungsschütz oder
Niederspannungsschalters beizubehalten. Diese Tatsachen führen oft
zu einem verhältnismäßig hohen
Leistungsverbrauch des Niederspannungsschütz. Darüber sind die Gesamtabmessungen
des metallischen Elementes 6 verhältnismäßig groß und können nicht ohne weiteres vermindert werden.
Offensichtlich führen
diese Tatsachen dazu, dass die Herstellungskosten und Installationskosten des
Niederspannungsschütz
verhältnismäßig hoch sind.
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Ein
Beispiel eines herkömmlichen
Niederspannungsschütz
für Anwendung
im Niederspannungsbereich ist in der Patentanmeldung
US 5170088 aufgeführt. Das wesentliche Ziel der
vorliegenden Erfindung ist es daher einen Niederspannungsschütz für Anwendungen
in der Leistungsverteilung im Niederspannungsbereich zu schaffen,
welcher die Nachteile, wie sie oben beschrieben wurden, vermeidet.
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Unter
diesem Aspekt ist es ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung,
einen Niederspannungsschütz
zu schaffen, der eine bemerkenswert vereinfachte Struktur hat.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
Niederspannungsschütz,
welcher eine Kopplung bzw. Entkopplung der beweglichen Kontakte
gegenüber
den feststehenden Kontakten des Niederspannungsschütz mit einem
Leistungsverbrauch vernachlässigbarer
Größe ermöglicht.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
Niederspannungsschütz,
welcher die Aufrechterhaltung des Kopplungszustandes der elektrischen
Kontakte mit einem vernachlässigbaren
Wert des Leistungsverbrauches ermöglicht.
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Wiederum
ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
Niederspannungsschütz,
welcher leicht zu steuern ist und welcher das Erreichen eines verhältnismäßig hohen
Niveaus der Zuverlässigkeit
ermöglicht.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
Niederspannungsschütz,
welcher durch einen niedrigeren Gesamtraumbedarf und eine Verminderung
der Herstellungskosten und Installationskosten gekennzeichnet ist.
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Dieser
Aspekt sowie die genannten und weitere Ziele, welche nachfolgend
offensichtlich gemacht sind, werden durch einen Niederspannungsschütz für Niederspannungs-Leistungsverteilungszwecke
erreicht, wie er in Anspruch 1 und den abhängigen Ansprüchen definiert
ist.
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Weitere
charakteristische Merkmale und Vorteile des Niederspannungsschütz gemäß der vorliegenden
Erfindung werden nachfolgend im Einzelnen beschrieben, wobei insbesondere
auf die zugehörigen
Zeichnungen Bezug genommen wird. Es stellen dar:
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1 eine
schematische Darstellung eines Niederspannungsschütz bekannter
Art;
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2 ein
Blockschaltbild, welches schematisch den grundsätzlichen Aufbau des Niederspannungsschütz gemäß der vorliegenden
Erfindung aufzeigt;
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3 die
schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des Niederspannungsschütz gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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4 eine
schematische Darstellung einer anderen bevorzugten Ausführungsform
des Niederspannungsschütz
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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5 eine
schematische Darstellung einer anderen bevorzugten Ausführungsform
des Niederspannungsschütz
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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6 eine
schematische Darstellung wiederum einer anderen bevorzugten Ausführungsform des
Niederspannungsschütz
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Es
sei nun auf 2 Bezug genommen. Die Bezugszahl 10 bezeichnet
ein Blockschaltbild, welches den grundsätzlichen Aufbau eines Niederspannungsschütz für Anwendungen
der Leistungsverteilung im Niederspannungsbereich gemäß der vorliegenden
Erfindung wiedergibt.
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Der
Niederspannungsschütz 10 enthält mindestens
einen feststehenden Kontakt 11 und einen beweglichen Kontakt 12.
Der bewegliche Kontakt 12 wird während des Schließungs- bzw. Öffnungsvorganges
des Niederspannungsschütz 10 relativ
zu dem feststehenden Kontakt 11 gekoppelt bzw. entkoppelt.
Der Niederspannungsschütz 10 enthält weiter
eine Bewegungserzeugungseinrichtung 13, welche wirkungsmäßig mit
dem beweglichen Kontakt 12 durch eine Bewegungsübertragungseinrichtung 14 verbunden
ist. Die Bewegungserzeugungseinrichtung 13 enthält mindestens
eine piezo elektrische Antriebseinrichtung 15, welche wirkungsmäßig mit
der Bewegungsübertragungseinrichtung 14 verbunden ist,
so dass der bewegliche Kontakt 12 relativ zu dem feststehenden
Kontakt 11 während
des Schließungs- bzw. Öffnungsvorgangs
des Niederspannungsschütz 10 gekoppelt
bzw. entkoppelt wird. Die piezoelektrische Antriebseinrichtung 15 enthält vorteilhafter
Weise eine Statoranordnung 16 mit mindestens einer piezoelektrischen
Anordnung 17, die wirkungsmäßig mit einem Statorgestell 18 verbunden
ist. Die piezoelektrische Antriebsanordnung 15 enthält weiter
eine Rotoranordnung 19, welche wirkungsmäßig mit
dem Statorgestell 18 verbunden ist. Der Niederspannungsschütz gemäß der vorliegenden
Erfindung kann einen elektrischen Pol oder mehrere elektrische Pole
enthalten, von denen jeder mindestens einen beweglichen Kontakt 12 und
einen feststehenden Kontakt 11 aufweist. Insbesondere kann
der Niederspannungsschütz
gemäß der vorliegenden
Erfindung ein dreipoliger Schalter oder ein vierpoliger Schalter sein.
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Nunmehr
sei auf 3 Bezug genommen. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
des Niederspannungsschütz 10 enthält das Statorgestell 18 der
Statoranordnung 16 ein bewegliches haubenförmiges Element 21 (in 3 teilweise
gezeigt), das mit einer Innenfläche 22 und
einer Außenfläche 23 versehen
ist. Gemäß der vorliegenden
bevorzugten Ausführungsform
enthält
die piezoelektrische Anordnung 17 eine Mehrzahl von piezoelektrischen
Elementen 24, welche mechanisch mit der Innenfläche 22 gekoppelt
sind. Die piezoelektrischen Elemente 24 werden vorteilhafter
Weise durch vorbestimmte Erregungssignale 25 angeregt,
so dass eine elliptische Bewegung 26 der Außenfläche 23 des
haubenförmigen
Elementes 21 festgelegt wird. Vorteilhafter Weise werden
zwei verschiedene Teile (nicht dargestellt) der piezoelektrischen
Elemente 24 mit Anregungssignalen 25 beaufschlagt,
welche zwei unterschiedliche Ultraschall-Anregungssignale umfassen, die
um 90° verschoben
sind. Die piezoelektrischen Elemente schwingen mit einem 90°-Phasenunterschied.
Diese Schwingung überträgt sich
auf das haubenförmige
Element 21. Für
den Zweck der Verbesserung der Übertragung
der Schwingungen kann eine Ausgleichsmasse 9 verwendet
werden. Diese Tatsache führt
zu einer Erzeugung von zwei 90°-verschobenen "Wanderwellen" (nicht dargestellt)
auf der Außenfläche 23 des
haubenförmigen
Elementes 21. In dieser Weise führt jeder Punkt der Außenfläche 23 eine
elliptische Bewegung 26 aus. Vorzugsweise enthält die Rotoranordnung 19 einen
Rotorstab 27, der mechanisch mit der Außenfläche 23 des beweglichen,
haubenförmigen
Elementes 21 gekoppelt ist, so dass er einer Bewegung 28 linearer
Art unterworfen ist. Vorteilhafter Weise enthält die Bewegungsübertragungseinrichtung 14 ein
Bewegungsübertragungselement 29,
das wirkungsmäßig mit
dem Rotorstab 27 und mit dem beweglichen Kontakt 12 verbunden
ist. Auf diese Weise kann eine Bewegung 30 auf den beweglichen
Kontakt 12 übertragen
werden, welcher relativ zu dem feststehenden Kontakt 11 mit diesem
gekoppelt bzw. entkoppelt werden kann. Während des Schließvorganges
des Niederspannungsschütz 10 kann
daher der bewegliche Kontakt 12 längs einer Richtung 31 bewegt
werden, so dass er mit dem feststehenden Kontakt 11 gekoppelt
wird. Es sei bemerkt, dass der bewegliche Kontakt 12 in dieser
Position in einer "passiven" Weise gehalten werden
kann, wobei im Wesentlichen kein Verbrauch elektrischer Leistung
auftritt. Um den beweglichen Kontakt 12 in Position zu
halten, reicht es tatsächlich aus,
die Zufuhr der vorbestimmten Anregungssignale 25 zu den
piezoelektrischen Elementen 24 zu unterbrechen. In diesem
Falle beenden die piezoelektrischen Elemente 24 ihre Schwingung
und es werden auf der Außenfläche 23 keine
Wandernden Wellen mehr erzeugt. Da der Rotorstab 27 mechanisch
mit der Außenfläche 23 gekoppelt
ist, verhindern Haftreibungskräfte,
dass der Rotorstab 27 sich relativ zu der Außenfläche 23 bewegt.
Der bewegliche Kontakt 12 kann sich daher nicht mehr bewegen.
Während
des Öffnungsvorganges
des Niederspannungsschütz 12 können die
piezoelektrischen Elemente 24 in einer Art und Weise angeregt
werden, welche es ermöglicht,
dass sich der bewegliche Kontakt 12 längs einer Richtung 23 bewegt,
so dass er von dem feststehenden Kontakt 11 entkoppelt
wird. Dies kann in einfacher Weise durch Mittel der Umkehrung der
Phasenverzögerung
der vorbestimmten Anregungssignale erreicht werden. Es sei nunmehr 4 betrachtet. Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform des
Niederspannungsschütz 10 enthält das Statorgestell 18 der
Statoranordnung 16 ein Flanschelement 41. Das
Flanschelement 41 ist mit einer Basiswand 43 und
einer aufragenden Wand 42 versehen, welche von der Basiswand 43 im
Wesentlichen vertikal absteht. Wie in 4 gezeigt
ist (, wobei nur ein Teil 44 des Flanschelementes 41 dargestellt
ist), enthält die
piezoelektrische Anordnung 17 eine Mehrzahl von piezoelektrischen
Elementen 45. Die piezoelektrischen Elemente 45 sind
mechanisch mit der Basiswand 43 gekoppelt. Vorteilhafterweise
können
die piezoelektrischen Elemente 45 durch vorbestimmte Anregungssignale
(nicht dargestellt) angeregt werden, so dass eine elliptische Bewegung 46 der
aufragenden Wand 42 vorgegeben wird. Gemäß dieser Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthält die
Rotoranordnung 19 eine Rotorscheibe 51 (in 4 nicht
dargestellt, jedoch in den 5 und 6 gezeigt).
Die Rotorscheibe 51 ist mechanisch mit der aufragenden
Wand 42 gekoppelt, so dass sie einer Rotationsbewegung
unterworfen ist.
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Die
Tatsache, dass die Rotorscheibe 51 eine Drehbewegung übertragen
kann, gestattet es, verschiedene Ausführungsformen des Niederspannungsschütz gemäß der vorliegenden
Erfindung zu verwirklichen. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform,
welche in 5 gezeigt ist, enthält die Bewegungsübertragungseinrichtung 14 eine
Welle 52, welche mechanisch mit der Rotorscheibe 51 verbunden
ist. Auf der Welle 52 ist ein Nocken 53 mechanisch
festgelegt. Der Nocken 53 kann mechanisch mit dem beweglichen
Kontakt 12 zusammenarbeiten, so dass er eine Bewegung auf
den beweglichen Kontakt 12 überträgt. Gemäß dieser Ausführungsform
des Niederspannungsschütz
nach der vorliegenden Erfindung sind Federmittel 54 mechanisch zwischen
dem beweglichen Kontakt 12 und dem feststehendem Kontakt 11 vorgesehen.
Die Federmittel 54 sind in solcher Weise angeordnet, dass
sie während
des Schließvorganges
des Niederspannungsschütz 10 komprimiert
werden. Während
des Schließvorganges
des Niederspannungsschütz 10 rotiert
der Nocken 53 in Richtung des Pfeils 34. In dieser
Weise wird der bewegliche Kontakt 12 (in Richtung des Pfeils 31)
in Richtung auf den feststehenden Kontakt 11 vorgeschoben,
so dass er mit ihm gekoppelt wird. Während der Bewegung des beweglichen
Kontaktes 12 wird das Federelement 54 zusammengedrückt und
ein bestimmter Betrag der elastischen Energie wird darin gespeichert.
Es sei bemerkt, dass der bewegliche Kontakt 12 in dieser Position
in passiver Weise gehalten werden kann, wobei im Wesentlichen kein
Verbrauch von elektrischer Leistung stattfindet. Praktisch kann
der Nocken 53 mittels der Haftreibungskräfte zwischen
der Rotorscheibe 51 und dem ringförmigen Element 51 festgehalten
werden, wenn die piezoelektrischen Elemente 45 nicht mehr
mit den vorbestimmten Anregungssignalen beaufschlagt werden. Während des Öffnungsvorganges
des Niederspannungsschütz 10 wer den die
piezoelektrischen Elemente 45 in solcher Weise angeregt,
dass der Nocken 53 in der Richtung des Pfeils 35 bewegt
wird. Der bewegliche Kontakt 12 wird daher von dem Nocken 53 entkoppelt.
Das Federelement 54 wird freigegeben, um die gespeicherte elastische
Energie durch Wirksamwerden einer Federreaktion 55 freizusetzen,
wodurch der bewegliche Kontakt 12 von dem feststehenden
Kontakt 11 in Richtung des Pfeils 32 wegbewegt
wird.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung können
die Bewegungsübertragungsmittel 14 eine
Welle 52 enthalten, welche mechanisch mit der Rotorscheibe 51 verbunden
ist. Ein Ritzel 56 ist auf der Welle 52 mechanisch
festgelegt. Das Ritzel 56 wirkt mechanisch mit einer Zahnstange 57 zusammen,
welche mechanisch mit dem beweglichen Kontakt 12 verbunden
ist, so dass eine Bewegung auf den beweglichen Kontakt 12 übertragen
wird. Während
des Schließvorganges
des Niederspannungsschütz 10 dreht
sich das Ritzel 56 in Richtung des Pfeils 36.
Auf diese Weise wird der bewegliche Kontakt 12 in Richtung
des Pfeils 31 gegen den feststehenden Kontakt 11 vorwärts geschoben, so
dass er damit in Kontakt gerät.
Es sei bemerkt, dass auch in diesem Falle der bewegliche Kontakt 12 in
dieser Position in passiver Weise gehalten werden kann, wobei im
Wesentlichen kein Verbrauch elektrischer Leistung stattfindet. Praktisch
kann das Ritzel 56 durch die Haftreibungskräfte festgehalten
werden, welche zwischen der Rotorscheibe 51 und dem ringförmigen Element 41 auftreten,
wenn einmal die piezoelektrischen Elemente 45 nicht mehr
mit den Anregungssignalen beaufschlagt werden. Während des Öffnungsvorganges des Niederspannungsschütz 10 werden
die piezoelektrischen Elemente 45 in einer Art und Weise
angeregt, welche eine Bewegung des Ritzels 56 in Richtung
des Pfeils 37 ermöglicht.
Der bewegliche Kontakt 12 wird somit von dem feststehenden
Kontakt 11 in Richtung des Pfeils 32 weg geschoben.
Der Niederspannungsschütz
gemäß der vorliegenden
Erfindung ermöglicht
das Erreichen der beabsichtigten Ziele und der zu lösenden Aufgaben.
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Praktisch
gestattet die Verwendung der piezoelektrischen Antriebsanordnung 17 zur
Bewegung des beweglichen Kontaktes 12 das Vermeiden des Einsatzes
elektromagnetischer Anordnungen, welche die Einführung von Hilfsströmen notwendig
machen.
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Die
Erzeugung der Bewegung durch die piezoelektrische Antriebsanordnung
ist, wie in den bevorzugten Ausführungsbeispielen
dargestellt ist, hauptsächlich
mechanischer Art. Diese Eigenschaft ermöglicht das Erzielen beachtlicher
Vorteile, beispielsweise der Verbrauch vernachlässigbarer Mengen von elektrischer
Leistung zur Bewegung des beweglichen Kontaktes 12 und,
vornehmlich, zur Haltung des beweglichen Kontaktes in der Schließstellung.
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Weiter
hat sich in der Praxis erwiesen, dass die piezoelektrische Antriebsanordnung 17 es
ermöglicht,
hohe Drehmomentwerte bei niedriger Geschwindigkeit und verhältnismäßig verminderte
Ansprechzeiten zur erzielen. Darüber
hinaus hat sich der Niederspannungsschütz gemäß der vorliegenden Erfindung
auf Grund des Fehlens elektromagnetischer Anordnungen, welche die
Verwendung von Wicklungsstrukturen benötigen, als bezüglich Gewicht
und Größe stark
verminderte Konstruktion erwiesen.
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Diese
Tatsachen in Verbindung damit, dass eine bemerkenswerte Verminderung
der operativen Elemente erzielt wird, welche zur Durchführung der Vorgänge in dem
Niederspannungsschütz
erforderlich sind, gestatten es, verhältnismäßig niedrige Herstellungskosten
und Installationskosten zu erreichen.