DE69835269T2

DE69835269T2 - Bewegliche Kontaktstruktur für Selbstschalter

Info

Publication number: DE69835269T2
Application number: DE69835269T
Authority: DE
Inventors: James E. Lawrenceville Ferree; Robert E. Snellville Black; Bernard Lilburn Dimarco
Original assignee: Siemens Energy and Automation Inc
Current assignee: Siemens Industry Inc
Priority date: 1997-12-10
Filing date: 1998-12-08
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2018-12-09
Also published as: EP0923103B1; EP0923103A2; ES2268750T3; US5994988A; DE69835269D1; EP0923103A3

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Patentanmeldung ist eine teilweise Fortsetzung der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 08/936,003 mit dem Titel CIRCUIT BREAKER HAVING A CAM STRUCTURE WHICH AIDS BLOW OPEN OPERATION, die am 23. September 1997 eingereicht wurde.
Die vorliegende Erfindung betrifft den Kontaktbetätigungsmechanismus eines Leistungsschalters und spezieller eine Nockenstruktur in diesem Mechanismus, welche das "Blow-open"-Verhalten des Kontaktarmes des Leistungsschalters unter Kurzschlussbedingungen verbessert.
Die Begriffe "Blow open" oder "blow off" ("offen blasen", "ausblasen") werden gewöhnlich verwendet, um einen Stromunterbrechungsmechanismus zu beschreiben, welcher verwendet wird, um sehr hohe Kurzschluss-Überstrombedingungen zu bewältigen (z.B. wenn der Stromfluss größer als das 100-fache des Bemessungsstroms des Leistungsschalters sein kann). Der Blow-open-Mechanismus bewirkt, dass die Kontakte des Leistungsschalters während der ersten Millisekunde öffnen, in welcher die Überstrombedingung vorhanden ist. Dieses schnelle Ansprechen ist wichtig, um den Stromfluss auf einen Bruchteil des verfügbaren Stromes zu begrenzen und damit den Schaden am Leistungsschalter und an Vorrichtungen, die so geschaltet sind, dass sie Strom über den Leistungsschalter empfangen, zu begrenzen.
Die Blow-open-Kraft ist eine magnetische Kraft, welche durch den hohen Strom erzeugt wird, der durch einen Lastkontaktarm (Lastkontaktmesser) und einen Leitungskontaktarm (Leitungsbügel) des Leistungsschalters fließt. Um eine ausreichende Kraft zu erzeugen, um die Last- und Leitungskontakte "offen zu blasen", ist der Leistungsschalter so konstruiert, dass sich das Lastkontaktmesser wenigstens entlang eines Teils seiner Länge in unmittelbarer Nähe des Leitungsbügels befindet und parallel zu diesem ist. Außerdem fließen die Ströme, die durch die parallelen Abschnitte des Lastkontaktmessers und des Leitungsbügels fließen, in entgegengesetzten Richtungen. Dieser Stromfluss erzeugt entgegengesetzte Magnetfelder. Da sich das Lastkontaktmesser und der Leitungsbügel in unmittelbarer Nähe zueinander befinden, treten diese entgegengesetzten Magnetfelder in eine starke Wechselwirkung, wobei sie Kräfte erzeugen, die ausreichend sind, um die Kontakte schneller "auseinander zu blasen", als der Stromfluss durch die Schnellauslösefunktion des Leistungsschaltermechanismus unterbrochen werden könnte. Wenn die Kontakte "offen geblasen" worden sind, fließt weiterhin ein gewisser Strom aufgrund von Lichtbögen in der Lichtbogen-Schaltkammer und von einer Ionisierung der Luft in der Schaltkammer. Diese Ströme plus die anfängliche Überstrombedingung aktivieren den Auslösemechanismus des Leistungsschalters, um sicherzustellen, dass sich die Kontakte nicht wieder schließen, nachdem sie "offen geblasen" worden sind.
Die Stärke der Magnetfelder ist eine Funktion: 1) der Stärke des Stroms, der durch den Leistungsschalter fließt, 2) der Länge der parallelen Abschnitte des Lastkontaktmessers und des Leitungsbügels und 3) des Abstandes zwischen dem Lastkontaktmesser und dem Leitungskontakt. Obwohl diese Kraft recht groß gemacht werden kann, indem die parallelen Abschnitte des Lastkontaktmessers und des Leitungsbügels verlängert werden, kann es schwierig sein, eine Konstruktion dieses Typs in dem kleinen Raum zu implementieren, der normalerweise für einen Leistungsschalter zur Verfügung steht. Die Blow-open-Kraft kann auch vergrößert werden, indem der Abstand zwischen dem Lastkontaktmesser und dem Leitungsbügel verringert wird. Dieser minimale Abstand ist jedoch durch Faktoren begrenzt, wie etwa das Erfordernis einer starken elektrischen Isolation zwischen dem Lastkontaktmesser und dem Leitungsbügel, die Festigkeit des Gehäuses für den Leistungsschalter und die Leichtigkeit, mit welcher der Leistungsschalter zusammengebaut werden kann.
Ein anderer Weg, wie die Blow-open-Kraft eingestellt werden kann, besteht darin, die Vorspannkraft zu verringern, welche die Kontakte während des normalen Betriebs geschlossen hält. Wenn diese Kraft jedoch in einem zu starken Maße verringert wird, können sich die Kontakte während des normalen Betriebs unbeabsichtigt öffnen.
Manche Leistungsschalter gewährleisten einen Kontaktdruck mittels einer einfachen Feder, die den Kontaktarm in Richtung der geschlossenen Position vorbelastet. Während eines Blow-open erzeugt die Feder eine Gegenkraft, welche sich proportional zum Öffnungswinkel des Kontaktarmes erhöht. Ein Problem bei dieser Konstruktion besteht darin, dass sich der Kontaktarm während eines Kurzschlusses aufgrund der höheren entgegenwirkenden Federkräfte langsamer öffnet und es wahrscheinlicher ist, dass sich der Kontaktarm wieder schließt, bevor der elektrische Stromfluss beendet ist.
Ein weiterer herkömmlicher Leistungsschalter erfordert unterschiedlich große Kräfte für ein normales Öffnen und für eine Blow-open-Bedingung. Diese Fähigkeit wird über eine Nockenfläche, die an der Kreuzschiene befestigt ist, und einen federbelasteten Stift, welcher in einem Schlitz in dem Kontaktarm gleitet, gewährleistet. Ein Nachteil einer solchen Konstruktion ist, dass sie eine mehrteilige Kreuzschiene erfordert, da der Nocken aus Metall bestehen muss, um einem Verschleiß zu widerstehen. In anderen Systemen wird diese Fähigkeit durch eine Nockenfläche am Rand des Kontaktarmes gewährleistet. Ein federbelastetes Element wirkt auf den nockenförmigen Rand des Kontaktarmes in der Nähe des schwenkbaren Endes. Eine solche Konstruktion erfordert normalerweise relativ viel Platz.
Bei einem anderen herkömmlichen Leistungsschalter wird eine Feder verwendet, die als Druckfeder wirkt, wobei ein Ende an einer geformten Kreuzschiene gelenkig befestigt ist und das andere Ende an dem Kontaktarm gelenkig befestigt ist. Dadurch wird eine bistabile Kipphebelwirkung erzeugt. Die Nachteile dieser Konstruktion bestehen normalerweise darin, dass (1) der Kipphebelmechanismus nicht kompakt ist, da die Feder über einen weiten Rotationswinkel bezüglich der Kreuzschiene schwenken muss, und (2) der Kipphebelmechanismus ein Drehmoment verursachen kann, das der Betätigungseinrichtung nach einem Blow-open-Ereignis entgegenwirkt, wodurch es die verfügbare Kraft zum Drehen der Kreuzschiene in die geöffnete Position verringert.
Beispiele von Leistungsschaltern sind in den Patenten DE 4 000 206 und US 4 849 726 beschrieben.
Es wird ein verbesserter Leistungsschalter zum schnellen Öffnen bei einer Blow-open-Bedingung benötigt, der nicht übermäßigen Raum einnimmt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung umfasst einen Leistungsschalter nach Anspruch 1.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1A ist eine Schnittdarstellung eines beispielhaften Leistungsschalters gemäß der Erfindung in der geschlossenen oder "Ein"-Position des normalen Betriebs.
1B ist eine Schnittdarstellung des Leistungsschalters von 1A in der geöffneten oder "Aus"-Position des normalen Betriebs.
1C ist eine Schnittdarstellung des Leistungsschalters von 1A in einem "Blown open" ("offen geblasenen") Zustand.
2 ist eine isometrische Darstellung der in 1A dargestellten Kreuzschienenbaugruppe des Leistungsschalters.
3 ist eine isometrische Darstellung der Kontaktarmbaugruppe innerhalb der Kreuzschienenbaugruppe von 2.
4 ist eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie 4-4 von 2.
5 ist eine Vorderansicht des Lastkontaktarmes von 4.
Die 6A und 6B sind eine Draufsicht bzw. Vorderansicht des in 4 dargestellten Kreuzschienennockens.
Überblick
Die 1A bis 1C zeigen einen beispielhaften Leistungsschalter 10, welcher ein Gehäuseunterteil 12 aufweist. Eine Kreuzschiene 114 ist schwenkbar mit dem Unterteil 12 verbunden, so dass sie um eine Achse 117 zwischen einer geöffneten oder "Aus"-Position, die in 1B dargestellt ist, und einer geschlossenen oder "Ein"-Position, die in 1A dargestellt ist, schwenken kann. Die Achse 117 verläuft durch den Mittelpunkt eines Drehzapfens 116. Ein Lastkontaktarm 110 ist schwenkbar mit der Kreuzschiene 114 verbunden. Der Lastkontaktarm 110 ist in der Lage, um die Achse 117 zu schwenken.
Ein Nockenmechanismus ist mechanisch mit dem Lastkontaktarm 110 gekoppelt. Der Nockenmechanismus umfasst ein Paar Nockenstrukturen 140, die innerhalb der Kreuzschiene 114 angeordnet sind. Der Lastkontaktarm 110 ist zwischen den Nockenstrukturen 140 angeordnet. Der Nockenmechanismus ist gleitend innerhalb der Kreuzschiene angebracht, so dass er eine Bewegung ausführen kann zwischen:

(1) einer ersten Position des Nockenmechanismus (dargestellt in den 1A, 1B und 4), in welcher der Lastkontaktarm 110 zusammen mit der Kreuzschiene 114 um einen Winkel α (dargestellt in 1B) um die Achse 117 zwischen der geöffneten und der geschlossenen Position schwenkt; und
(2) einer zweiten Position des Nockenmechanismus (dargestellt in 1C), in welcher der Lastkontaktarm 110 frei um die Achse 117 zur geöffneten Position schwenken kann, während sich die Kreuzschiene 114 in der geschlossenen Position befindet.

Jede Nockenstruktur 140 enthält einen Nockenbolzen-Schlitz 142, der einen ersten Schlitzabschnitt 142a und einen zweiten Schlitzabschnitt 142b, der die Positionen 142c und 142d enthält, aufweist. Der erste Schlitzabschnitt 142a erstreckt sich in einer annähernd tangentialen Richtung bezüglich der Achse 117. Der zweite Schlitzabschnitt 142b erstreckt sich in einer Richtung, welche im Wesentlichen verschieden von der Richtung des ersten Schlitzabschnittes 142a ist und sich von der Richtung des ersten Schlitzabschnittes um ungefähr 45 Grad unterscheiden kann.
Wie weiter unten ausführlich beschrieben ist, wird der Nockenbolzen 170 in der Position 142c oder 142d in dem zweiten Schlitzabschnitt 142b gehalten, während sich der Nockenmechanismus in der ersten Position befindet (dargestellt in den 1A, 1B und 4). Der Nockenbolzen 170 bewegt sich frei innerhalb des ersten Schlitzabschnittes 142a, während sich der Nockenmechanismus in der zweiten Position befindet (am besten zu erkennen in 1C).
Der Lastkontaktarm 110 weist ein längliches Schwenkloch 115 auf, das in 5 am besten zu erkennen ist. Das längliche Schwenkloch 115 hat Abmessungen, die größer sind als der Durchmesser des Drehzapfens 116. Wenn sich die Kreuzschiene in der "Berührungs"-Position befindet, beginnen der Lastkontakt 111 und der Leitungskontakt 113, in Kontakt zu kommen, und befindet sich der Drehzapfen 116 am oberen Ende des länglichen Schwenkloches 115, und befindet sich der Nockenbolzen 170 in der Position 142c im Abschnitt 142b des Nockenbolzen-Schlitzes 142. Wenn die Kreuzschiene fortfährt, sich zur vollständigen "Ein"-Position zu drehen, wird der Nockenbolzen 170 gezwungen, von der Position 142c aus an der Nockenfläche nach oben zu gleiten, wobei er in der Position 142d zum Stillstand kommt. Dieser Gleitvorgang stellt sicher, dass der Lastkontakt 111 von einer Druckkraft am Leitungskontakt 113 gehalten wird, wenn sich der Leistungsschalter in der geschlossenen Position befindet (wie in den 1A und 4 dargestellt ist). Wenn sich die Kontakte 111 und 113 abnutzen, bewegt sich die Position 142d näher zur Position 142c hin.
Jede Nockenstruktur 140 weist einen Drehzapfen-Schlitz 146 auf. Der Drehzapfen 116 erstreckt sich durch den Drehzapfen-Schlitz 146 hindurch und ermöglicht damit der Nockenstruktur 140, um den Drehzapfen 116 herum zu schwenken. Der Drehzapfen-Schlitz 146 ist langgestreckt in einer Richtung, welche es der Nockenstruktur 140 ermöglicht, sich zwischen der ersten Position (1A, 1B und 4) und der zweiten Position (1C) zu bewegen.
Die Kreuzschienenbaugruppe umfasst ferner ein Paar Verbinder 150, welche den Lastkontaktarm 110 elektrisch mit einer Auslöseeinheit 122 des Leistungsschalters 10 verbinden. Die Verbinder 150 sind an dem Drehzapfen 116 angebracht und werden in dem Unterteil 12 gehalten. Der Lastkontaktarm 110 ist zwischen den Verbindern 150 angeordnet.
Die Kreuzschienenbaugruppe umfasst ferner ein Vorspannmittel zum Anwenden einer Vorspannkraft, um den Nockenmechanismus zu der ersten Position (dargestellt in den 1A, 1B und 4) hin vorzubelasten. Das Vorspannmittel wendet außerdem eine axiale Kraft an, um die Nockenstrukturen 140 in Richtung der Achse 117 zusammenzudrücken, um einen elektrischen Kontakt zwischen den Verbindern 150 und dem Lastkontaktarm 110 aufrechtzuerhalten.
Das beispielhafte Vorspannmittel enthält für jede Nockenstruktur jeweils eine Torsionsfeder 160. Die Federn werden von dem Drehzapfen 116 in ihrer Position gehalten. Jede Torsionsfeder 160 weist wenigstens ein Ende auf, welches sich mit einem Abschnitt jeweils einer der Nockenstrukturen 140 im Eingriff befindet, um die betreffende Nockenstruktur zu der ersten Position hin vorzubelasten. Bei der beispielhaften Ausführungsform befinden sich beide Enden der Torsionsfeder 160 mit einem Abschnitt der entsprechenden Nockenstruktur im Eingriff.
Durch die Erfindung wird eine bewegliche Kontaktstruktur für einen Kompakt-Leistungsschalter bereitgestellt, welche die folgenden Vorteile aufweist: (1) Gewährleistung einer gesteuerten Kontaktkraft in der geschlossenen Position, (2) Gewährleistung eines "Überlaufweges", das heißt, Sicherstellung, dass der Last- und der Leitungskontakt durch eine Druckkraft zusammengehalten werden, wenn sich der Leistungsschalter in der geschlossenen Position befindet, während gleichzeitig ein gewisses Abbrennen der Hauptkontakte ermöglicht wird, ohne dass ein übermäßiger Verlust an Kontaktkraft in der geschlossenen Position auftritt, (3) Ermöglichung eines "Blow off" der Kontaktarme, und (4) Ermöglichung einer Schaukelbewegung an den Hauptkontakten, um das Öffnen der Kontakte zu erleichtern.
Durch die Erfindung wird ein Lastkontakt bereitgestellt, welcher zwei verschiedene Niveaus von Kraft zum Öffnen des Leistungsschalters 10 aufweist. Während des normalen Betriebs wird eine relativ große Kraft ausgeübt, um die Kontakte in einer geschlossenen Position zu halten. Sobald sich der Nocken in seine "Blown-open" Position verschiebt (aufgrund von magnetischen Abstoßungskräften durch einen Kurzschluss), ist eine relativ geringe Kraft erforderlich, um den Lastkontaktarm weiter zu drehen, so dass die Kontakte sich schneller trennen und in eine vollständig geöffnete Position gelangen können.
Bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann eine aus einem Stück geformte Kreuzschiene verwendet werden, was die Anzahl der Teile und Montagearbeitsgänge verringert. Die geformte Kreuzschiene umschließt teilweise die Federn und sorgt für einen besseren Schutz vor einer potenziellen Beschädigung durch Einwirkung des Lichtbogens, als es bei vielen Konstruktionen von Leistungsschaltern nach dem Stand der Technik der Fall ist.
Diese und andere Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der beispielhaften Ausführungsform leicht ersichtlich.
Ausführliche Beschreibung
Es wird zunächst auf die 1A bis 1C Bezug genommen; ein beispielhafter Leistungsschalter 10 gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein isolierendes tragendes Unterteil 12 und eine Abdeckung 13 auf. Die Hauptbestandteile des Leistungsschalters sind ein schwenkbarer und beweglicher oberer Kontaktarm oder ein Lastkontaktmesser 110, ein stationärer unterer Kontaktarm oder Leitungsbügel 112, Lichtbogen-Schaltkammern 120, ein Betätigungsmechanismus 122 für den oberen Kontaktarm, eine thermische und magnetische Auslöseeinheit 124, eine Lastklemme 126 und eine Leitungsklemme 128. Der Leistungsschalter 10 ist ein Mehrphasengerät, das ein Lastkontaktmesser 110, einen Leitungsbügel 112, eine Lastklemme 126 und eine Leitungsklemme 128 für jede Phase aufweist.
Das Lastkontaktmesser 110 weist einen herkömmlichen elektrischen Kontakt 111 auf, der durch Hartlöten oder auf eine andere Weise leitend an einem ersten Ende befestigt ist, und ein Schwenkloch 115 an seinem zweiten Ende. Das Lastkontaktmesser 110 ist mit der thermischen und magnetischen Auslöseeinheit 124 über die Verbinder 150 verbunden (in 2 dargestellt). Die Auslöseeinheit 124 ist wiederum mit der Lastklemme 126 verbunden. Der elektrische Kontakt 111 gelangt zur Anlage an und löst sich von dem elektrischen Kontakt 113, welcher durch Hartlöten oder auf eine andere Weise leitend an einem ersten Ende des Leitungsbügels 112 befestigt ist. Der Leitungsbügel 112 hat die Form eines "V", und das andere Ende des "V" ist mit der Leitungsklemme 128 verbunden. Das Unterteil 12 des Leistungsschalters 10 weist eine isolierende Sperre 119 auf, welche das Lastkontaktmesser 110 von einem ungefähr parallelen Abschnitt des Leitungsbügels 112 trennt.
Jedes Lastkontaktmesser 110 ist mittels eines Gelenkbolzens 116, welcher sich durch das Schwenkloch 115 des Lastkontaktmessers 110 hindurch erstreckt, schwenkbar an einer Kreuzschiene 114 angebracht. Bei normalem Betrieb ist jedes Lastkontaktmesser 110 mittels eines Paars von Nockenstrukturen 140 in der Kreuzschiene 114 befestigt. Die Kreuzschiene 114 schwenkt auf Stützzapfenlagern 216 (in 2 dargestellt) zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Position (in den 1A bzw. 1B dargestellt). Während einer Blow-open-Bedingung (in 1C dargestellt) schwenkt die Kreuzschiene 114 jedoch nicht sofort. Stattdessen bewegt die nach oben gerichtete Kraft am Lastkontaktmesser 110 den Nockenbolzen 170 von der Position 142c oder 142d des Nockenschlitzes 142 zum Abschnitt 142a. Sobald sich der Nockenbolzen 170 im Abschnitt 142a befindet, wird das Lastkontaktmesser 110 freigegeben, so dass es um den Gelenkbolzen 116 schwenken kann, um den Kontakt mit dem Leitungskontakt 113 zu unterbrechen. Nachdem das "Blow-open" des Lastkontaktes 111 und Leitungskontaktes 113 erfolgt ist, bewirken der Blow-open-Strom und der Reststromfluss, dass der Schnellauslösemechanismus des Leistungsschalters 10 die Kreuzschiene 114 in eine Position entgegen dem Uhrzeigersinn auf dem Lager 216 dreht, wodurch sichergestellt wird, dass die Kontakte 111 und 113 nicht wieder schließen. Die Funktionsweise des Lastkontaktmessers 110, der Nocken 140 und der Kreuzschiene 114 wird weiter unten unter Bezugnahme auf die 2 bis 6B beschrieben.
Bei normalem Betrieb dreht der Mechanismus 122 die Kreuzschiene 114 zwischen einer geschlossenen Position (1A) und einer geöffneten Position (1B). Wenn der Betätigungsmechanismus 122 sich in der geschlossenen Position befindet (1A), befindet er sich im Eingriff mit einem federbelasteten Verriegelungselement, welches freigegeben werden kann, indem Druck auf eine Auslösestange 130 ausgeübt wird. Da die Lastkontaktmesser 110 durch die Nockenstrukturen 140 an der Kreuzschiene 114 befestigt sind, drückt der Betätigungsmechanismus die Lastkontakte 111 gegen die Leitungskontakte 113, wenn sich der Leistungsschalter in der geschlossenen Position befindet (1A), und trennt die Kontakte 111 und 113, wenn sich der Leistungsschalter in der geöffneten Position befindet (1B). Wenn sich die Kreuzschiene 114 in ihrer geschlossenen Position befindet und die Auslöseeinheit 124 eine Überstrombedingung erkennt, übt die Auslöseeinheit 124 Druck auf die Auslösestange 130 aus, wodurch das Verriegelungselement freigegeben wird und bewirkt wird, dass der Leistungsschalter öffnet. Während dieser Auslösemechanismus für Fehler mit relativ niedrigem Strompegel akzeptabel ist, reagiert er bei Fehlerbedingungen mit relativ hohem Strompegel (z.B. größer als das 100-fache des Bemessungsstroms des Leistungsschalters) möglicherweise nicht mit ausreichender Geschwindigkeit, um eine Beschädigung des Leistungsschalters 10 und der Geräte oder Verteilungsleitungen, die an die Lastklemmen 126 angeschlossen sind, zu verhindern. Der Blow-open-Mechanismus der vorliegenden Erfindung trägt diesen Fehlerbedingungen mit hohem Strompegel Rechnung.
Wie in 1A dargestellt ist, sind das Lastkontaktmesser 110 und der Leitungsbügel 112 entlang eines Abschnittes ihrer Länge parallel, wobei sie durch einen Isolator 119 voneinander getrennt sind. Während des normalen Betriebs ist das Lastkontaktmesser 110 durch Vorspannkräfte fest an der Kreuzschienenbaugruppe 114 angebracht, welche verhindern, dass sich das Kontaktmesser von der Kreuzschienenbaugruppe 114 löst.
Unter Überstrombedingungen mit hohem Überstrom, zum Beispiel wenn der durch das Lastkontaktmesser 110 und den Leitungsbügel 112 fließende Strom größer als das 100-fache des Bemessungsstroms des Leistungsschalters werden kann, wird eine relativ große magnetische Abstoßungskraft (proportional zum Quadrat des Stroms) entlang der parallelen Längen des Lastkontaktmessers 110 und des Leitungsbügels 112 erzeugt. Diese Kraft ist ausreichend, um das Lastkontaktmesser 110 von dem Kreuzschienenmechanismus 114 zu lösen, wodurch ihm ermöglicht wird, seinen Kontakt mit dem Leitungskontakt 113 zu unterbrechen. 2 ist eine isometrische Zeichnung einer Kreuzschienenbaugruppe 114 für einen dreipoligen Leistungsschalter. Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf einen dreipoligen Leistungsschalter beschrieben wird, ist es denkbar, dass sie in einem einpoligen Leistungsschalter oder in anderen mehrpoligen Leistungsschaltern realisiert wird.
Der in 2 dargestellte Aufbau umfasst das Lastkontaktmesser 110 und die Kreuzschiene 114. Außerdem umfasst er Nocken 140, Federn 160 (in 3 dargestellt), einen Drehzapfen 116 und Verbinder 150. Die Kombination der Nocken 140, der Feder 160, des Drehzapfens 116 und der Verbinder 150 hält das Lastkontaktmesser 110 während des normalen Betriebs in einer relativ festen Position in der Kreuzschiene 114, während sie eine begrenzte Bewegung ermöglicht (während sich der Nockenbolzen zwischen den Positionen 142c und 142d bewegt), wenn sich der Lastkontaktarm 110 zwischen den Positionen "Berührung" und "Ein" bewegt, wie in 4 dargestellt ist. Die Konfiguration von 2 ermöglicht außerdem, dass sich das Kontaktmesser 110 während einer Blow-off-Bedingung schnell in eine entgegen dem Uhrzeigersinn befindliche Position relativ zu der Kreuzschienenbaugruppe 114 dreht.
Jeder Pol der Kreuzschienenbaugruppe 114 weist eine Einkerbung 210 auf, in welche der Drehzapfen 116 eingeführt wird. Der Drehzapfen 116 erstreckt sich durch das Schwenkloch 115 in dem Lastkontaktmesser 110 und einen Drehzapfenschlitz 146 in den Nockenstrukturen 140 hindurch. Das Lastkontaktmesser 110 schwenkt während des normalen Betriebs nur geringfügig um den Drehzapfen 116 herum. Wie oben beschrieben wurde, schwenkt bei der Bewegung zwischen den Positionen "Berührung" und "Ein" das Lastkontaktmesser 110 um den Drehzapfen 116 herum um einen kleinen Winkel β zwischen einer Position "Berührung" (in 4 mit gestrichelten Linien dargestellt) und einer Position "Ein" (in 4 mit Volllinien dargestellt), während sich der Nockenbolzen 170 aus der Position 146c in die Position 146d bewegt. In der Position "Ein" stellt der Nocken 140 sicher, dass der Lastkontakt 111 durch eine Druckkraft am Leitungskontakt 113 gehalten wird (in 1A dargestellt).
3 zeigt die Baugruppen des Lastkontaktarms ohne die Kreuzschiene 114. Jeder Lastkontaktarm 110 ist zwischen einem Paar von Verbindern 150 angeordnet. Die Verbinder sind ihrerseits jeweils zwischen einem Paar von Nockenstrukturen 140 angeordnet. Ein Drehzapfen 116 führt durch jede Kombination Nocken-Verbinder-Lastarm-Verbinder-Nocken hindurch, so dass eine Baugruppe gebildet wird, welche in einen Schlitz in der Kreuzschiene 114 eingeführt wird.
Eine Torsionsfeder 160 ist über jedem Ende jedes Drehzapfens 116 angebracht. Obwohl 3 nur zwei Federn 160 zeigt, ist für den Fachmann auf diesem Gebiet der Technik klar, dass vier weitere Federn 116 (in 4 nicht dargestellt) vorhanden sind, jeweils eine an jeder der übrigen vier Nockenstrukturen 140. Die Feder 160 wird zwischen dem Drehzapfen 116 an einem Ende und den Nockenstrukturen 140 am anderen Ende im zusammengedrückten Zustand gehalten. Die Feder 160 hat zwei Funktionen. Erstens übt die Feder 160 eine Vorspannkraft aus, welche bestrebt ist, jede Nockenstruktur 140 zum linken Rand der Abbildung hin zu schieben, weg von dem Kontaktende 111 ihres jeweiligen Lastkontaktarmes 110. Diese Kraft bewirkt eine Vorbelastung jedes Nockens 140 in Richtung einer ersten Position, in welcher der Nockenbolzen 170 in den Fußabschnitt 142b des Schlitzes 142 eingreift. In dieser ersten Position ist das Lastkontaktmesser 110 in der Kreuzschienenbaugruppe verriegelt, mit der Ausnahme, dass das Lastkontaktmesser 110 um die Achse 117, welche durch den Drehzapfen 116 hindurch verläuft, zwischen den Positionen "Berührung" und "Ein" schwenken kann. Wie oben angemerkt wurde, ist der Bereich der Schwenkbewegung zwischen den Positionen "Berührung" und "Ein" auf einen Winkel β begrenzt, welcher sich verkleinert, wenn sich die Kontakte 111 und 113 abnutzen. Zweitens hält während des normalen Betriebs die Feder 160 die Verbinder 150 am Lastkontaktarm 110 fest.
Die Kräfte, die während des normalen Betriebs auf den Lastkontaktarm 110 ausgeübt werden, sind unzureichend, um die Vorspannkraft der Torsionsfedern 160 zu überwinden. Somit verbleibt der Nockenbolzen 170 in der "Ein"-Position normalerweise in seinem Sitz in der Position 142d des Nockenbolzen-Schlitzes 142.
Während einer "Blow-off"-Bedingung sind die auf den Lastkontaktarm 110 wirkenden Magnetkräfte ausreichend, um die Vorspannkraft der Torsionsfedern 160 zu überwinden. Der Nocken 140 wird durch die Blow-off-Kraft, die im Punkt 142d des Nockenbolzen-Schlitzes 142 von dem Nockenbolzen 170 ausgeübt wird, nach rechts gedrückt (wie in 1C dargestellt). Dies bewirkt, dass sich der Nocken 140 zu dem Kontakt 111 des Lastkontaktarmes 110 hin bewegt, so dass das Ende des Nockenschlitzes 146a sich teilweise von der Position zurückzieht, in der es am Drehzapfen 116 anliegt. Diese teilweise zurückgezogene Position des Nockens 140 wird hier auch als die "zweite Position" bezeichnet. Wenn sich der Nocken 140 zu dem Lastkontakt 111 hin bewegt, so bewegt sich der Nockenbolzen 170 aus der Position 142d in dem Abschnitt 142b des Nockenbolzen-Schlitzes (hier auch als der zweite Abschnitt des Nockenbolzen-Schlitzes bezeichnet) zu dem tangentialen Abschnitt 142a des Nockenbolzen-Schlitzes (hier auch als der erste Abschnitt des Nockenbolzen-Schlitzes bezeichnet), was dem Kontaktmesser 110 ermöglicht, sich entgegen dem Uhrzeigersinn von dem Leitungsbügel 112 weg zu drehen.
Bei einer Variante der beispielhaften Ausführungsform kann ein Ende jeder Torsionsfeder 160 eine Kraft auf die Kreuzschiene 114 ausüben. Dies würde den Vorteil bieten zu helfen, den Drehzapfen 116 in der Kreuzschiene zu halten.
Bei der beispielhaften Ausführungsform wirken beide Enden der Torsionsfeder 160 auf den Nocken 140, da dies die Ausübung einer doppelt so großen Vorspannkraft auf den Nocken 140 bewirkt und die Verwendung einer kleineren Feder ermöglicht. Eine sekundäre Funktion der Torsionsfedern ist, dass sie die Kreuzschienen-Nocken auf eine solche Weise vorspannen, dass die Verbinder 150 zusammen gegen den Lastkontaktarm 110 gepresst werden. Dies liefert einen Teil der Kraft oder die gesamte Kraft, die benötigt wird, um einen guten elektrischen Kontakt zwischen den Verbindern 150 und dem Lastkontaktmesser 110 aufrechtzuerhalten.
Die Verbinder 150 stellen einen stromleitenden Pfad zu dem schwenkenden Ende des Lastkontaktarmes 110 zur Verfügung. Eine zusätzliche Funktion der Verbinder 150 besteht darin, dass sie eine lösbare Steckverbindung für die Auslöseeinheit 124 bereitstellen. Bei einer Variante der beispielhaften Ausführungsform könnte diese elektrische Verbindung durch Hartlöten oder Anschweißen eines flexiblen Kupfergeflechtes an den Lastkontaktarm 110 gewährleistet werden. Ein Vorteil der Verbinder 150 bei der beispielhaften Ausführungsform besteht jedoch darin, dass die zusätzliche Einsteckfunktion mit weniger Teilen und Fertigungsschritten realisiert werden kann, als es bei einer Hartlöt- oder Schweißverbindung erforderlich wäre.
4 ist eine Schnittdarstellung, welche die Kreuzschiene 114, den Lastkontaktarm 110, den Nocken 140, den Nockenbolzen 170, den Drehzapfen 116 und den Verbinder 150 zeigt. 4 zeigt, wie die vorliegende Erfindung dem Lastkontaktarm 110 ermöglicht, zwischen der "Berührungs"-Position (mit gestrichelten Linien dargestellt) und der "Ein"-Position, die mit Volllinien dargestellt ist, zu schwenken.
Während der normalen Benutzung befindet sich, wenn die Kreuzschiene 114 ausgehend von der geöffneten Position im Uhrzeigersinn gedreht wird, der Lastkontaktarm 110 in der Ruheposition, wobei die Unterseite des Lastkontaktarmes 110 auf der Fläche 114a der Kreuzschiene 114 ruht. In der Ruheposition stößt die Unterseite des Schwenkloches 115 an den Drehzapfen 116 (nicht dargestellt). Der Lastkontaktarm 110 verbleibt in der Ruheposition, bis der Lastkontakt 111 den Kontakt 113 des Leitungsbügels berührt. Wenn die Kreuzschiene 114 fortfährt, sich im Uhrzeigersinn zu drehen, schwenkt der Lastkontaktarm 110 entgegen dem Uhrzeigersinn um den Nockenbolzen 170, bis die Oberseite des Schwenkloches 115 an den Drehzapfen 116 stößt. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Leistungsschalter in der "Berührungs"-Position, wie in 4 mit gestrichelten Linien dargestellt ist. Wenn sich die Kreuzschiene weiter bis in ihre vollständig geschlossene Position bewegt, wird der Nockenbolzen 170 gezwungen, von der Position 142c aus an der Nockenfläche nach oben zu gleiten, wobei er in der Position 142d zur Ruhe kommt. Wenn sich der Nockenbolzen 170 in der Position 142d befindet, werden der Lastkontakt 111 und der Leitungskontakt 113 mittels einer Druckkraft zusammengehalten. Diese Merkmale sorgen dafür, dass ein guter elektrischer Kontakt hergestellt wird, selbst dann, wenn sich die Kontakte 111 und 113 mit der Zeit abnutzen. Diese Konfiguration ist auch vorteilhaft, wenn der Leistungsschalter 10 geöffnet wird.
Es ist eine Aufnahme 216 zum Aufnehmen eines Gestänges 16 (in 1A dargestellt) vorgesehen, welches an einem Kippschalter 15 (in 1A dargestellt) angebracht ist. Wenn ein Benutzer den Schalter 15 kippt, überträgt das Gestänge die Bewegung des Schalters 15 auf die Kreuzschiene 114.
Die Kreuzschiene 114 schränkt die Bewegung der Nocken 140 ein. Die Nocken 140 können sich in einer Richtung von links nach rechts bewegen, aber nicht nach oben oder nach unten. Auf der linken Seite wird der Nocken 140 von dem Drehzapfen 116 gehalten. Der Nocken 140 wird außerdem auf der rechten Seite von einem Finger 144 gehalten. Die Bewegung des Fingers 144 ist durch die Kreuzschiene 114 auf eine Links-Rechts-Bewegung beschränkt. Der Finger 144 passt in eine Nut 114b in der Kreuzschiene 114, um die Bewegung des Nockens 140 zusätzlich auf eine Links-Rechts-Bewegung zu begrenzen.
Die Kreuzschiene 114 überträgt Kraft von dem Betätigungsmechanismus auf die Lastkontaktarme 110 und wandelt die Bewegung des Mechanismus in eine Drehbewegung der Lastkontaktarme um. Die Kreuzschiene 114 kann ein geformtes Kunststoffteil sein, welches die Leiter 110 voneinander von Phase zu Phase isoliert.
5 ist eine Zeichnung des Lastkontaktarmes 110. Wie in 4 dargestellt, enthält das Lastkontaktmesser 110 ein ovales oder längliches Schwenkloch 115, durch welches ein runder Drehzapfen 116 (3) eingeführt ist, um das Lastkontaktmesser 110 mit der Kreuzschienenbaugruppe zu verbinden. Der Nockenbolzen 170 ist fest an dem Lastkontaktarm angebracht, zum Beispiel mittels einer Presspassung oder durch Hartlöten.
Die 6A und 6B zeigen die Nockenstruktur 140 detaillierter. Wie in 6A dargestellt, ist der Nocken 140 im Großen und Ganzen S-förmig, wobei der linke Abschnitt und der rechte Abschnitt zueinander versetzt sind. Der Versatz ermöglicht, dass die linke Seite des Nockens 140 an den Verbinder 150 stößt, während die rechte Seite des Nockens 140 an den Lastkontaktarm 110 stößt. Die Nocken 140 weisen außerdem fußförmige Vorsprünge 148 auf. Jeder Vorsprung 148 weist einen Sporn 148a zum Festhalten eines jeweiligen Endes der Torsionsfeder 160 auf, wie in 3 am besten zu erkennen ist.

Claims

Leistungsschalter (10), welcher Folgendes umfasst: ein Gehäuse; eine Kreuzschiene (114), die schwenkbar mit dem Gehäuse verbunden ist, so dass sie um eine Achse (117) zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Position schwenken kann; einen Lastkontaktarm, der schwenkbar mit der Kreuzschiene verbunden ist, wobei der Lastkontaktarm in der Lage ist, um die Achse zu schwenken; enthaltend einen Nockenmechanismus (140), der mechanisch mit dem Lastkontaktarm gekoppelt ist, wobei der Nockenmechanismus gleitend innerhalb der Kreuzschiene angebracht ist, so dass er eine Bewegung ausführen kann zwischen: (1) einer ersten Position (1A, 1B und 4) des Nockenmechanismus, in welcher der Lastkontaktarm zusammen mit der Kreuzschiene um einen Winkel um die Achse zu der geöffneten Position schwenkt; und (2) einer zweiten Position (1C) des Nockenmechanismus, in welcher der Lastkontaktarm frei um die Achse zu der geöffneten Position schwenken kann, während sich die Kreuzschiene in der geschlossenen Position befindet; und Vorspannmittel zum Anwenden einer Vorspannkraft, um den Nockenmechanismus zu der ersten Position hin vorzubelasten, wobei: der Lastkontaktarm einen Nockenbolzen (170) aufweist, welcher sich mit dem Nocken im Eingriff befindet; und der Nocken eine Nockenfläche aufweist, die eine erste und eine zweite Position aufweist, wobei sich der Nockenbolzen in der ersten Position auf der Nockenfläche befindet, wenn der Lastkontaktarm Kontakt mit dem Leitungskontaktarm hat, und wobei sich der Nockenbolzen zu der zweiten Position auf der Nockenfläche bewegt, während sich die Kreuzschiene in der geschlossenen Position während einer Blow-open-Bedingung befindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenmechanismus Folgendes umfasst: einen Nockenbolzen-Schlitz (142), der einen ersten (142a) und einen zweiten (142b) Schlitzabschnitt aufweist, die miteinander verbunden sind, wobei sich der erste Schlitzabschnitt in einer annähernd tangentialen Richtung bezüglich der Achse erstreckt und der zweite Schlitzabschnitt sich in einer Richtung erstreckt, welche im Wesentlichen verschieden von der Richtung des ersten Schlitzabschnittes ist, und wobei der zweite Schlitzabschnitt die Nockenfläche sowie die erste und zweite Position der Nockenfläche aufweist, wobei der Nockenbolzen in dem zweiten Schlitzabschnitt gehalten wird und sich zwischen der ersten und der zweiten Position der Nockenfläche bewegt, während sich der Nockenmechanismus in der ersten Position befindet, und der Nockenbolzen sich frei innerhalb des ersten Schlitzabschnittes bewegt, während sich der Nockenmechanismus in der zweiten Position befindet.
Leistungsschalter gemäß Anspruch 1, wobei der Nockenmechanismus ein Paar Nockenstrukturen (140) umfasst, die innerhalb der Kreuzschiene (114) angeordnet sind, wobei der Lastkontaktarm zwischen den Nockenstrukturen angeordnet ist.
Leistungsschalter gemäß Anspruch 2, wobei das Vorspannmittel eine erste und eine zweite Torsionsfeder (160) enthält, die von dem Paar Nockenstrukturen im zusammengedrückten Zustand gehalten werden, wobei die Torsionsfedern eine Druckkraft ausüben, welche bestrebt ist, die Nocken zu dem Lastkontaktarm hin zu drücken.
Leistungsschalter gemäß Anspruch 1, wobei die Richtung des zweiten Schlitzabschnittes sich von der Richtung des ersten Schlitzabschnittes um ungefähr 45 Grad unterscheidet.
Leistungsschalter gemäß Anspruch 3, welcher ferner einen Drehzapfen (116) umfasst, wobei die Achse durch den Drehzapfen verläuft, wobei jede Nockenstruktur einen Drehzapfenschlitz aufweist, wobei der Drehzapfen durch den Drehzapfenschlitz hindurchführt und dabei der Nockenstruktur ermöglicht, um den Drehzapfen zu schwenken, wobei der Drehzapfenschlitz langgestreckt in einer Richtung ist, welche es der Last-Nockenstruktur ermöglicht, sich zwischen der ersten und zweiten Position zu bewegen.
Leistungsschalter gemäß Anspruch 5, welcher ferner ein Paar Verbinder (150) zum elektrischen Verbinden des Lastkontaktarmes mit einem Hauptkontakt des Leistungsschalters umfasst, wobei die Verbinder mit dem Lastkontaktarm mittels des Drehzapfens gekoppelt sind, wobei der Lastkontaktarm zwischen den Verbindern angeordnet ist.
Leistungsschalter gemäß Anspruch 6, wobei das Vorspannmittel eine Kraft auf die Nockenstrukturen in der Richtung der Achse ausübt, um den elektrischen Kontakt zwischen den Verbindern und dem Lastkontaktarm aufrechtzuerhalten.
Leistungsschalter gemäß Anspruch 7, wobei das Vorspannmittel ein Paar Torsionsfedern enthält, wobei jede Torsionsfeder von dem Drehzapfen in ihrer Position gehalten wird, wobei jede Torsionsfeder wenigstens ein Ende aufweist, welches sich mit einem Abschnitt jeweils einer der Nockenstrukturen im Eingriff befindet, um die eine Nockenstruktur in Richtung der ersten Position vorzubelasten.