DE69508482T2 - Electrical load switch with electromagnetic actuator for high current - Google Patents
Electrical load switch with electromagnetic actuator for high currentInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter mit Isolierstoffgehäuse, das ein erstes Abteil zur Aufnahme des Schaltmechanismus sowie ein zweites Abteil umfaßt, welches ein elektromagnetisches Antriebselement und einer Lichtbogenlöschkammer zugeordnete trennbare Kontakte enthält, wobei das genannte Antriebselement einen Magnetkreis sowieThe invention relates to a circuit breaker with an insulating housing, which comprises a first compartment for accommodating the switching mechanism and a second compartment which contains an electromagnetic drive element and separable contacts associated with an arc extinguishing chamber, said drive element comprising a magnetic circuit and
- einen Kern mit einer darauf montierten Erregerspule,- a core with an excitation coil mounted on it,
- einen ersten Luftspalt, in dem sich der bewegliche Kontaktarm zur Einnahme einer Ruhestellung entsprechend dem Einschaltzustand der Kontakte bzw. einer aktiven Stellung entsprechend der Trennung der Kontakte bei Überschreiten eines bestimmten Schwellwerts durch den Strom erstreckt,- a first air gap in which the movable contact arm extends to assume a rest position corresponding to the switched-on state of the contacts or an active position corresponding to the separation of the contacts when the current exceeds a certain threshold,
- einen mit Polflächen des Magnetkreises zur Bildung eines dem ersten Luftspalt gegenüberliegenden zweiten Luftspalts zusammenwirkenden Kippanker- a tilting armature interacting with pole faces of the magnetic circuit to form a second air gap opposite the first air gap
- sowie einen dem Anker zugeordneten Schlagbolzen zur Beaufschlagung des Kontaktarms in Richtung der Ausschaltstellung nach magnetischer Anziehung des Ankers gegen die Polflächen umfaßt.- and a firing pin associated with the armature for urging the contact arm towards the off position after magnetic attraction of the armature against the pole faces.
Durch die Verwendung eines elektromagnetischen Antriebselements in einem Leistungsschalter zur schnellen Trennung der Kontakte können sehr hohe Ausschaltvermögen erzielt werden. Bei der Löschung des Lichtbogens in der Löschkammer werden jedoch ionisierte Gase erzeugt, die Auswirkungen außerhalb des Schalters haben können. Aufgrund des Entweichens ionisierter Gase durch die zum Verschwenken des Kipphebels vorgesehene Öffnung sind solche Erscheinungen insbesondere an der Vorderseite unerwünscht.By using an electromagnetic drive element in a circuit breaker to quickly separate the contacts, very high breaking capacities can be achieved. However, when the arc is extinguished in the arc chamber, ionized gases are generated which can have effects outside the switch. Due to the escape of ionized gases through the opening provided for pivoting the rocker arm, such phenomena are undesirable, especially at the front.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Leistungsschalter hoher Leistungsfähigkeit zu schaffen, bei dem keinerlei schädliche Außenwirkungen auftreten.The invention is based on the object of creating a high-performance circuit breaker in which no harmful external effects occur.
Der erfindungsgemäße Leistungsschalter ist dadurch gekennzeichnet, daß der Schlagbolzen als zwischen dem Magnetkreis und dem ersten Abteil angeordnetes längliches Teil ausgebildet ist und mit den Trägermitteln des Kontaktarms zusammenwirkt, um nach dem Anziehen des Ankers den Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abteil zu verschließen bzw. den genannten Übergang nach der Rückstellung des Ankers in die Rückzugsstellung freizugeben.The circuit breaker according to the invention is characterized in that the firing bolt is designed as an elongated part arranged between the magnetic circuit and the first compartment and cooperates with the support means of the contact arm in order to close the transition between the first and the second compartment after the armature has been attracted or to release the said transition after the armature has been returned to the retracted position.
Nach einer vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung ist die Verbindungsachse des Schlagbolzens auf dem Anker in einem zwischen der Gelenkachse des Ankers und dem zweiten Luftspalt liegenden Zwischenabschnitt angeordnet. Der Schlagbolzen ist als an den Innenraum des Gehäuses angepaßte Schottung ausgebildet. Der Übergang zwischen diesen beiden Abteilen ist vorteilhaft oberhalb des ersten Luftspalts, gegenüber dem feststehenden Kontakt angeordnet.According to a preferred embodiment of the invention, the connecting axis of the firing pin is arranged on the armature in an intermediate section between the hinge axis of the armature and the second air gap. The firing pin is designed as a partition adapted to the interior of the housing. The transition between these two compartments is advantageously arranged above the first air gap, opposite the fixed contact.
Nach einem kennzeichnenden Merkmal der Erfindung umfassen die Trägermittel des Kontaktarms mit dem Schaltmechanismus zusammenwirkende Mitnahmeanschläge sowie eine mit dem freien Ende des Schlagbolzens zur Begrenzung des genannten Übergangs zusammenwirkende Aufprallfläche.According to a characteristic feature of the invention, the support means of the contact arm comprise driving stops which interact with the switching mechanism and an impact surface which interacts with the free end of the firing pin to limit the said transition.
Zum besseren Verständnis ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile und Merkmale näher erläutert. Dabei zeigenFor a better understanding, an embodiment of the invention is shown in the attached drawings and explained in more detail in the following description, indicating further advantages and features.
Fig. 1 eine perspektivische Vorderansicht des mit dem erfindungsgemäßen Antriebselement ausgerüsteten Leistungsschalters;Fig. 1 is a perspective front view of the circuit breaker equipped with the drive element according to the invention;
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Antriebselements aus Fig. 1;Fig. 2 is a perspective view of the drive element from Fig. 1;
Fig. 3 eine Schnittansicht längs der Mittelebene des Antriebselements aus Fig. 2 mit Darstellung des Ankers und des Schlagbolzens in der inaktiven Stellung;Fig. 3 is a sectional view along the center plane of the drive element of Fig. 2 showing the armature and the firing pin in the inactive position;
Fig. 4 eine Draufsicht zu Fig. 3;Fig. 4 is a plan view of Fig. 3;
Fig. 5 eine Fig. 3 entsprechende Ansicht mit Darstellung des Ankers und des Schlagbolzens in der aktiven Stellung;Fig. 5 is a view corresponding to Fig. 3 showing the armature and the firing pin in the active position;
Fig. 6 eine Draufsicht zu Fig. 5.Fig. 6 is a plan view of Fig. 5.
Fig. 1 zeigt einen Leistungsschalter 1 mit einem Gehäuse 2, das einen feststehenden Kontakt 3, einen am Ende eines beweglichen Kontaktarms 5 befestigten beweglichen Kontakt 4, eine Lichtbogenlöschkammer 6 sowie verschiedene elektrische Verbindungsteile (nicht dargestellt) zur Verbindung des feststehenden und des beweglichen Kontakts mit Anschlußklemmen (nicht dargestellt) enthält. Darüber hinaus umfaßt der Leistungsschalter ein elektromagnetisches Antriebselement AE, das beim Ansprechen des Leistungsschalters die schnelle Trennung des feststehenden und des beweglichen Kontakts 3, 4 bewirkt.Fig. 1 shows a circuit breaker 1 with a housing 2 which contains a fixed contact 3, a movable contact 4 attached to the end of a movable contact arm 5, an arc extinguishing chamber 6 and various electrical connecting parts (not shown) for connecting the fixed and movable contacts to connection terminals (not shown). In addition, the circuit breaker comprises an electromagnetic drive element AE which, when the circuit breaker is triggered, causes the fixed and movable contacts 3, 4 to be separated quickly.
Das elektromagnetische Antriebselement AE umfaßt ein Rückschlußeisen 7 aus einem Magnetwerkstoff, einen Kippanker 8 sowie einen Schlagbolzen 9.The electromagnetic drive element AE comprises a magnetic return iron 7 made of a magnetic material, a tilting armature 8 and a firing pin 9.
Gemäß Fig. 2 umfaßt das H-förmige Rückschlußeisen bzw. der Magnetkreis 7 einen mit einer Spule 34 umwickelten zylindrischen Kern 10 und zwei Schenkel 11, 12, die parallel zueinander sowie rechtwinklig zur Achse des Kerns 10 angeordnet sind. Der Schenkel 11 weist ein dem Anker 8 zugewandtes erstes Ende 13 sowie ein gegenüberliegendes zweites Ende 14 auf. Der andere Schenkel 12 weist ein dem Anker 8 zugewandtes drittes Ende (nicht dargestellt) sowie ein gegenüberliegendes viertes Ende 16 auf Das erste Ende 13 und das dritte Ende bilden miteinander fluchtende Polflächen, die mit der ebenen Fläche 18 des Ankers 8 zusammenwirken. Das zweite Ende 14 und das vierte Ende 16 sind als ebene Flächen ausgebildet, die zur Begrenzung eines ersten Luftspalts 17 einander gegenüberliegen.According to Fig. 2, the H-shaped magnetic return iron or the magnetic circuit 7 comprises a cylindrical core 10 wound with a coil 34 and two legs 11, 12, which are arranged parallel to each other and at right angles to the axis of the core 10. The leg 11 has a first end 13 facing the armature 8 and an opposite second End 14. The other leg 12 has a third end (not shown) facing the armature 8 and an opposite fourth end 16. The first end 13 and the third end form pole surfaces that are aligned with one another and interact with the flat surface 18 of the armature 8. The second end 14 and the fourth end 16 are designed as flat surfaces that lie opposite one another to delimit a first air gap 17.
Befindet sich das elektromagnetische Antriebselement AE in der Ruhestellung, so ist der Anker 8 unter Bildung eines zweiten Luftspalts 19 in einem bestimmten Abstand zur Fläche 18 des Rückschlußeisens 7 angeordnet. Der Kippanker 8 ist auf einer Gelenkachse 21 montiert, und der bewegliche Kontaktarm 5 ist ebenfalls schwenkbar auf einer zweiten Gelenkachse 22 gelagert. Der feststehende Kontakt 3 ist an der Unterseite des Luftspalts 17 angeordnet, und mindestens ein Teil des beweglichen Kontaktarms 5 durchsetzt den Luftspalt 17. Der Schlagbolzen 9 ist als längliches, annähernd rechteckiges Teil ausgebildet, dessen eines Ende auf einer am Anker 8 ausgebildeten Verbindungsachse 23 gelagert und dessen anderes, freies Ende 24 in der Nähe des beweglichen Kontaktarms 5, auf der dem feststehenden Kontakt 3 abgewandten Seite angeordnet ist.If the electromagnetic drive element AE is in the rest position, the armature 8 is arranged at a certain distance from the surface 18 of the return iron 7, forming a second air gap 19. The tilting armature 8 is mounted on a hinge axis 21, and the movable contact arm 5 is also pivotably mounted on a second hinge axis 22. The fixed contact 3 is arranged on the underside of the air gap 17, and at least a part of the movable contact arm 5 passes through the air gap 17. The firing pin 9 is designed as an elongated, approximately rectangular part, one end of which is mounted on a connecting axis 23 formed on the armature 8 and the other, free end 24 of which is arranged near the movable contact arm 5, on the side facing away from the fixed contact 3.
Die Breite des Schlagbolzens entspricht annähernd der Breite des Gehäuses.The width of the firing pin is approximately the same as the width of the housing.
Gemäß Fig. 3 bis 6 ist der Kontaktarm 5 auf Trägermitteln 26 befestigt, die auf der dem beweglichen Kontakt 4 abgewandten Seite angeordnet sind und Mitnahmeanschläge aufweisen, die mit dem Schaltmechanismus (nicht dargestellt) zusammenwirken, um das Schließen und Trennen der Kontakte 3, 4 zu gewährleisten. Die Trägermittel 26 weisen darüber hinaus eine Aufprallfläche 36 auf, die mit dem freien Ende des Schlagbolzens 9 zusammenwirkt.According to Fig. 3 to 6, the contact arm 5 is fastened to support means 26 which are arranged on the side facing away from the movable contact 4 and have driving stops which cooperate with the switching mechanism (not shown) in order to ensure the closing and separation of the contacts 3, 4. The support means 26 also have an impact surface 36 which cooperates with the free end of the firing pin 9.
Die Verbindungsachse 23 des Schlagbolzens 9 auf dem Anker 8 ist in einem Zwischenabschnitt zwischen der Gelenkachse 21 und dem zweiten Luftspalt 19 angeordnet. Zwischen dem freien Ende 24 des Schlagbolzens 9 und der Aufprallfläche 36 ist ein Übergang 28 in Form eines Spalts ausgebildet, dessen Breite in Abhängigkeit vom Magnetisierungszustand des elektromagnetischen Antriebselements AE veränderlich ist.The connecting axis 23 of the firing pin 9 on the armature 8 is arranged in an intermediate section between the joint axis 21 and the second air gap 19. A transition 28 in the form of a gap is formed between the free end 24 of the firing pin 9 and the impact surface 36, the width of which is variable depending on the magnetization state of the electromagnetic drive element AE.
In der Einschaltstellung der Kontakte 3, 4 (siehe Fig. 3 und 4) reicht der durch den Nennstrom in der Spule 34 des Antriebselements AE erzeugte magnetische Fluß im zweiten Luftspalt nicht aus, um den Anker 8 gegen die Polflächen 13 des Rückschlußeisens 7 zu ziehen. Der Anker 8 wird durch die Wirkung seiner Rückstellfeder in der Rückzugsstellung gehalten, und der Schlagbolzen 9 verharrt ebenfalls in seiner inaktiven Stellung. Der Spalt 28 zwischen dem Schlagbolzen 9 und den Trägermitteln 26 des Arms 5 weist seine größte Breite auf und gibt einen Durchgang zwischen der Kontaktzone und dem, den Schaltmechanismus 31 enthaltenden oberen Abteil 30 frei.In the switched-on position of the contacts 3, 4 (see Fig. 3 and 4), the magnetic flux in the second air gap generated by the nominal current in the coil 34 of the drive element AE is not sufficient to pull the armature 8 against the pole faces 13 of the return iron 7. The armature 8 is held in the retracted position by the action of its return spring, and the firing pin 9 also remains in its inactive position. The gap 28 between the firing pin 9 and the support means 26 of the arm 5 has its greatest width and provides a passage between the contact zone and the upper compartment 30 containing the switching mechanism 31.
Bei Auftreten eines Kurzschlußstroms hat der das Rückschlußeisen 7 durchsetzende magnetische Fluß starke elektromagnetische Kräfte im ersten Luftspalt 17 zur Folge, die den Kontaktarm 5 in Richtung der Ausschaltstellung beaufschlagen (siehe Fig. 5 und 6). Gleichzeitig wird der Kippanker 8 gegen die Polflächen 13 des zweiten Luftspalts 19 gezogen und verschiebt den Schlagbolzen 9 in der gleichen Richtung. Durch den Aufprall des Endes 28 auf die Trägermittel 26 wird das Verschwenken des Kontaktarms 5 in die Ausschaltstellung beschleunigt und gleichzeitig der Spalt 28 verschlossen. Die bei der Trennung der Kontakte 3, 4 durch den Lichtbogen erzeugten ionisierten Gase können nicht in das obere Abteil 30 entweichen und bleiben im unteren Abteil 32 mit der darin enthaltenen Lichtbogenlöschkammer 6 eingeschlossen. Der Schlagbolzen 9 bewirkt also nicht nur eine Beschleunigung der Kontaktarms 5, sondern erfüllt auch die Funktion einer Schottung zwischen den beiden Abteilen, und der Spalt 28 bleibt in der Anzugsstellung des Ankers 8, d. h. so lange der die Spule durchfließende Strom oberhalb eines bestimmtes Wertes bleibt, verschlossen. Der Verschluß des Spalts 28 während der Löschung des Lichtbogens verhindert jegliche Gasströmung in das obere Abteil 30 und insbesondere zur Durchführungsöffnung des Kipphebels, so daß jede schädliche Außenwirkung an der Vorderseite des Leistungsschalters verhindert wird.When a short-circuit current occurs, the magnetic flux passing through the return iron 7 results in strong electromagnetic forces in the first air gap 17, which act on the contact arm 5 in the direction of the off position (see Fig. 5 and 6). At the same time, the tilting armature 8 is pulled against the pole faces 13 of the second air gap 19 and moves the striker 9 in the same direction. The impact of the end 28 on the support means 26 accelerates the pivoting of the contact arm 5 into the off position and at the same time closes the gap 28. The ionized gases generated by the arc when the contacts 3, 4 are separated cannot escape into the upper compartment 30 and remain enclosed in the lower compartment 32 with the arc extinguishing chamber 6 contained therein. The striker 9 therefore not only accelerates the contact arm 5, but also acts as a barrier between the two compartments, and the gap 28 remains closed when the armature 8 is in the closed position, i.e. as long as the current flowing through the coil remains above a certain value. The closure of the gap 28 during the extinguishing of the arc prevents any gas flow into the upper compartment 30 and in particular towards the passage opening of the rocker arm, thus preventing any harmful external effect on the front of the circuit breaker.
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