DE69929947T2

DE69929947T2 - Durch einen piezoelektrischen Motor angetriebener Schalter

Info

Publication number: DE69929947T2
Application number: DE69929947T
Authority: DE
Inventors: Norbert Beyrard
Original assignee: NORBERT BEYRARD FRANCE (SARL); NORBERT BEYRARD FRANCE SARL
Current assignee: NORBERT BEYRARD FRANCE (SARL); NORBERT BEYRARD FRANCE SARL
Priority date: 1999-06-04
Filing date: 1999-06-04
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2019-06-05
Also published as: ATE318451T1; US6404105B1; EP1058323A1; EP1058323B1; DE69929947D1

Description

Die Erfindung betrifft einen Schalter-Überlastschalter, der auf eine Hauptleitung für pulsierenden Strom montiert ist, vorzugsweise Wechselstrom, sowie sein Betätigungsverfahren.
Man kennt bereits Schalter-Überlastschalter, die zwei Typen von Kontakten, einen aktiven, einen passiven aufweisen, deren aktive Kontakte von einem elektromagnetischen System betätigt werden, wie zum Beispiel einem Elektromagneten.
Solche Geräte sind vorgesehen, um gleichzeitig das Einschalten und das Ausschalten des Schaltkreises und seinen Schutz bei einem Überstrom in der Hauptstromleitung sicherzustellen.
Diese Art von Gerät ist jedoch nicht perfekt zufrieden stellend, denn sie weist einerseits eine große mechanische und elektrische Trägheit auf, und andererseits eine Empfindlichkeit gegenüber dem elektromagnetischen Feld, das von der Hauptstromleitung geschaffen wird, wobei diese zwei Erscheinungen das genaue zeitliche und räumliche Steuern der beweglichen Kontakte verhindern.
Daraus ergeben sich das Erscheinen starker Lichtbögen beim Öffnen der Kontakte und die Einschränkung des Stärkenbereichs, in dem der Schaltkreis geschützt ist.
Die Erfindung zielt daher darauf ab, diesen Nachteilen abzuhelfen.
Das Dokument EP 163 497 offenbart einen Schalter-Überlastschalter, der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht.
Die Dokumente US 4 976 553 und US 3 989 964 offenbaren weitere Schalter-Überlastschalter des gleichen Typs.
Die von diesem Anspruch definierte Erfindung stellt in diesen Dokumenten das Problem des Änderns eines Schalters-Überlastschalters, um ein Öffnen und ein Schließen der Kontakte in einem präzisen Augenblick zu erzielen.
Dazu hat die Erfindung zum ersten Gegenstand ein Gerät des Typs Schalter-Überlastschalter, der auf eine Hauptleitung für pulsierenden Strom, vorzugsweise Wechselstrom montiert ist, der zwei Typen von Kontakten aufweist, einen aktiven und einen passiven, wobei die aktiven Kontakte mit Betätigungsmitteln zum Öffnen und Schließen verbunden sind, die mindestens einen piezoelektrischen Motor umfassen, der von Steuermitteln gesteuert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel des piezoelektrischen Motors in Serie einen mechanischen und/oder elektronischen Auslöser der Öffnungs-Schließanfrage der Hauptstromleitung, eine Umschaltvorrichtung, eine programmierbare Verzögerungsleitung und einen elektrischen Generator, der den piezoelektrischen Motor versorgt, aufweist.
Bei einer ergänzenden Ausführungsform weisen die Steuermittel des piezoelektrischen Motors in Serie eine Überstromerfassungsvorrichtung in der Hauptstromleitung, eine Umschaltvorrichtung, eine programmierbare Verzögerungslinie und einen elektrischen Generator, der den piezoelektrischen Motor versorgt, auf.
Als Variante zu diesen zwei Ausführungsformen umfassen die Steuermittel des piezoelektrischen Motors eine einzige Umschaltvorrichtung, eine einzige programmierbare Verzögerungsleitung und einen einzigen elektrischen Generator auf, der den piezoelektrischen Motor versorgt.
Die Umschaltvorrichtung umfasst ein Mittel zum Erfassen der Stromstärke und/oder der Spannung der Hauptstromleitung und einen Komparator, der die Steuerschaltung des piezoelektrischen Motors versorgt, wenn der erfasste Wert der Stromstärke und/oder der Spannung gleich einem bestimmten Referenzwert ist.
Die Überstromerfassungsvorrichtung in der Hauptsstromleitung umfasst ein Mittel zum Erfassen der Stromstärke der Hauptsstromleitung und einen Komparator, der die Steuerschaltung des piezoelektrischen Motors versorgt, wenn der erfasste Überstromwert größer oder gleich einem bestimmten Schwellenwert ist.
Die Erfindung erstreckt sich auf ein Verfahren zum Betätigen eines Geräts nach Anspruch 9, bei dem es, wenn der Hauptschaltkreis geschlossen ist, die folgenden aufeinander folgenden Schritte umfasst:

– mechanisches und/oder elektronisches Auslösen der Öffnungsanfrage der Hauptstromleitung,
– Erfassen der Stromstärke der Hauptstromleitung,
– Umschalten beim ersten Übergang der Stromstärke der Hauptstromleitung auf den Referenzwert,
– Versorgen der zuvor in Abhängigkeit von dem Referenzwert und der Verschiebungsgeschwindigkeit des piezoelektrischen Motors programmierten Verzögerungsleitung,
– Versorgung des elektrischen Generators,
– Auslösen des Öffnens der Kontakte in einem Augenblick, in dem die Stromstärke in der Hauptstromleitung gleich einem bestimmten Wert insbesondere in der Nähe von Null ist.

Wenn der Hauptschaltkreis offen ist, umfasst das Betätigungsverfahren nacheinander die folgenden Schritte:

– mechanisches und/oder elektronisches Auslösen der Schließanfrage der Hauptstromleitung,
– Erfassen der Spannung der Hauptstromleitung,
– Umschalten beim ersten Übergang der Spannung der Hauptstromleitung auf den Referenzwert,
– Versorgung der zuvor in Abhängigkeit von dem Referenzwert und der Verschiebungsgeschwindigkeit des piezoelektrischen Motors programmierten Verzögerungsleitung,
– Versorgung des elektrischen Generators,
– Auslösen des Schließens der Kontakte in einem Augenblick, in dem die Spannung in der Hauptstromleitung gleich einem bestimmten Wert insbesondere in der Nähe von Null ist.

Als Variante umfasst das Betätigungsverfahren, wenn der Hauptschaltkreis geschlossen ist, nacheinander die folgenden Schritte:

– Erfassen der Stromstärke der Hauptstromleitung,
– Vergleichen des gemessenen Stromstärkewerts mit einem Schwellenwert,

– Umschalten bei dem ersten Übergang der Stromstärke der Hauptstromleitung auf den Referenzwert,
– Versorgung der zuvor in Abhängigkeit von dem Referenzwert und der Verschiebungsgeschwindigkeit des piezoelektrischen Motors programmierten Verzögerungsleitung,
– Versorgung des elektrischen Generators,
– Auslösen des Öffnens der Kontakte in einem Augenblick, in dem die Stromstärke in der Hauptstromleitung gleich einem bestimmten Wert insbesondere in der Nähe von Null ist.

Verschiedene Betätigungsorgane können von einem erfindungsgemäßen Schalter-Überlastschalter verwendet werden. Die folgenden Beispiele fallen nur als Kombination mit den Steuermitteln, die von Anspruch 1 definiert werden, in den Bereich.
Gemäß einer ersten Variante ist der piezoelektrische Motor ein linearer Motor, und die aktiven Kontakte sind mit einem Ende eines Kontaktträgerarms verbunden, der um eine Achse drehbar installiert ist, wobei die Betätigungsmittel in der Nähe des zweiten Endes des Kontaktträgerarms angeordnet sind.
Gemäß einer zweiten Variante ist der piezoelektrische Motor ein Drehmotor, und die aktiven Kontakte sind mit einem Ende eines Kontaktträgerarms verbunden, der um eine Achse drehbar montiert ist, wobei sich die Betätigungsmittel auf der Rotationsachse des Kontaktträgerarms befinden.
Bei diesen zwei Varianten kann eine Rückholfeder mit dem Ende des Kontaktträgerarms verbunden werden, das sich auf der den aktiven Kontakten in Bezug auf die Rotationsachse entgegengesetzten Seite befindet.
Bei einer Ausführungsform umfassen die Betätigungsmittel der aktiven Kontakte zwei lineare piezoelektrische Motoren, einen für das Öffnen, den anderen für das Schließen.
Gemäß einer Variante sind die aktiven Kontakte mit einem Ende eines Kontaktträgerarms verbunden, der um eine Achse drehbar montiert ist, wobei einer der linearen piezoelektrischen Motoren auf der gleichen Seite der Rotationsachse wie die aktiven Kontakte angeordnet ist, und der andere in der Nähe des zweiten Endes des Kontaktträgerarms angeordnet ist. Eine Rückholfeder ist mit dem Kontaktträgerarm verbunden, um das Öffnen und das Schließen der Kontakte durch die Betätigungsmittel zu erleichtern.
Bei einer anderen Ausführungsform sind die passiven Kontakte auf einer Feder verschiebbar gemäß der Verschiebungsachse der aktiven Kontakte montiert.
Weitere Gegenstände und Vorteile der Erfindung ergeben sich im Laufe der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen, die verschiedene Ausführungsformen darstellen, Zeichnungen, in welchen:
1 eine vereinfachte Ansicht eines piezoelektrischen Motors mit elliptischer Schwingung ist, der erfindungsgemäß verwendet werden kann. Dieses Beispiel ist als solches aus der Anmeldung EP-A-0 633 616 bekannt.
2 die Verformung des piezoelektrischen Elements eines solchen Motors darstellt, die von dem Erregerstrom erzeugt wird.
3 schematisch eine zweite Ausführungsform eines in der Erfindung verwendbaren piezoelektrischen Motors darstellt. Dieses Beispiel ist als solches in der Anmeldung EP 00 401 352 beschrieben, die die Priorität einer ersten Anmeldung beansprucht, die am gleichen Tag wie die Anmeldung der vorliegenden Anmeldung erfolgte.
4 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schalters-Überlastschalters darstellt, der von einem linearen piezoelektrischen Motor betätigt wird.
5 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schalters-Überlastschalters darstellt, der von zwei linearen piezoelektrischen Motoren betätigt wird.
6 ein Funktionsschema der Steuermittel eines der piezoelektrischen Motoren eines Schalters-Überlastschalters gemäß der ersten oder der zweiten Ausführungsform darstellt.
Ein Schalter-Überlastschalter 1 umfasst zwei Kontakttypen, der eine aktiv 2 und der andere passiv 3 sowie Betätigungsmittel 4 der aktiven Kontakte 2.
Dieses Gerät ist dazu bestimmt, auf eine Hauptstromleitung 5 eines elektrischen Schaltkreises montiert zu werden, um einerseits deren Ein- und Ausschalten sicherzustellen, und andererseits ihren Schutz im Fall von Überstrom.
Der elektrische Schaltkreis kann eines beliebigen Typs sein, der in der elektrischen Industrie verwendet wird, und wird daher in dieser Beschreibung nicht weiter beschrieben.
Die Betätigungsmittel 4 stellen das Bewegen der aktiven Kontakte 2 einerseits auf eine Stellung sicher, in welcher sie die passiven Kontakte 3 berühren, um das Fließen von Strom in dem Schaltkreis sicherzustellen, und andererseits auf eine von den passiven Kontakten 3 entfernte Stellung, um die Stromversorgung des Hauptschaltkreises zu unterbrechen. Diese zwei Zustände erlauben es, jeweils die Situationen des geschlossenen und des offenen Schaltkreises zu definieren.
Die Betätigungsmittel 4 der aktiven Kontakte 2 umfassen einen piezoelektrischen Motor 6, der von Steuermitteln 7 gesteuert wird. Die Übertragung der Bewegung des Motors 6 auf den aktiven Schalter 2 erfolgt über ein bewegliches Teil 8, 21.
Unten werden nun einige Ausführungsformen der verschiedenen Organe der Antriebsmittel 4 beschrieben.
Ein in der Erfindung verwendbarer piezoelektrischer Motor 6 ist z.B. ein Motor mit elliptischer Schwingung 9, der ein bewegliches Teil 8 bewegt. Ein solcher Motor ist zum Beispiel in der europäischen Patentanmeldung EP-A-0 633 616, angemeldet auf die Firma NANOMOTION beschrieben.
1 stellt schematisch einen solchen bekannten Motor 9 dar, der ein Parallelepiped-Rechteck 10 aus einer piezoelektrischen Keramik aufweist, das eine schwache Stärke im Vergleich zu seiner Länge (Richtung Y) aufweist. Vier Elektroden 11, 12, 13, 14 sind auf einer ersten großen Seite dieses Parallelepipeds angeordnet, um ein Bildmuster in Schachbrettform aus Rechtecken zu bilden, von welchen jedes ungefähr ein Viertel der Fläche der ersten Seite deckt. Die zwei Elektroden 11, 14 und 12, 13, die in der Diagonale zueinander angeordnet sind, sind elektrisch durch Leiter verbunden.
Die zweite Seite, die der ersten entgegengesetzt ist, ist komplett mit einer einzigen Elektrode bedeckt, die zum Beispiel bei dem Betrieb des Motors 6 auf dem Massepotenzial gelassen wird. Ein Element 15 aus Hartkeramik zur Bewegungsübertragung ist mit einer der kleinen Seiten 16 (Richtung X) des Parallelepiped-Rechtecks 10 aus piezoelektrischer Keramik verbunden. Das Element 15 zur Bewegungsübertragung kann zum Beispiel in die Mitte der kleinen Seite 16 geklebt sein.
Bei einer Ausführungsform dieses Typs von piezoelektrischem Motor 9 wird eine Feder 17 auf der kleinen Seite 18 zusammengedrückt, die der entgegengesetzt ist, die das Übertragungselement 15 trägt. Eine solche Anordnung erlaubt es, von dem Übertragungselement 15 auf das bewegliche Teil 8 einen Druck auszuüben.
Das Funktionieren eines solchen Motors 9 wird daher erzielt, indem das piezoelektrische Element 10 mit einem Strom mit einer Frequenz versorgt wird, die diese Resonanzmodi gemäß der Richtung X (DX) und gemäß der Richtung Y (DY) erregen kann.
Um eine Bewegung des beweglichen Teils 8 in die Richtung X (in 1 nach rechts) zu erzielen, werden die Elektroden 12 und 13 mit einem solchen Strom versorgt, und die Elektroden 11 und 14 werden auf dem Massepotenzial gelassen.
Eine solche Konfiguration bewirkt zuerst das Biegen des piezoelektrischen Elements 10 (siehe 2) auf einem Teil des Stromzyklus. Das bewegliche Element 8 wird daher in die Richtung X dank des Drucks bewegt, den die Feder 17 auf das piezoelektrische Element 10 ausübt.
Da die Reaktionszeit der Feder 17 kleiner ist als die Erregungsfrequenz des piezoelektrischen Elements 10, ist das Übertragungselement 15 nicht mehr mit dem beweglichen Teil 8 in dem Teil des Zyklus in Berührung, in dem sich das piezoelektrische Element 10 in die Richtung (–X) biegt, die der gewünschten Bewegung für das bewegliche Teil 8 entgegengesetzt ist.
Die Wiederholung dieses Zyklus bewirkt eine elliptische Rotation des Übertragungselements 15 in der Ebene XY. Diese Bewegung wird auf das bewegliche Teil 8 übertragen, um seine Verschiebung zu bewirken.
Um diese Übertragung zu verbessern, kann die Zone des beweglichen Teils 8, die mit dem Übertragungselement 15 in Berührung ist, mit einer Reibungsplatte aus Keramikwerkstoff abgedeckt werden.
Um eine Bewegung des beweglichen Teils 8 in die Richtung –X zu erzielen, werden die Elektroden 11 und 14 versorgt, und die Elektroden 12 und 13 werden auf dem Massepotenzial gelassen, um eine Biegung des piezoelektrischen Elements 10 in die umgekehrte Richtung zu erzielen.
Bei einer ersten Ausführungsvariante ist das bewegliche Element 8 gemäß der Richtung X eben, um einen Motor 9 mit linearer Verschiebung zu erzielen.
Bei einer zweiten Ausführungsvariante ist das bewegliche Element 8 zylindrisch oder kugelförmig, um einen drehenden piezoelektrischen Motor 9 zu erzielen.
Bei einer Ausführungsform eines solchen piezoelektrischen Motors 9 besteht das piezoelektrische Parallelepiped 10 aus PZT (Bleititanat und -zirkonat) und hat eine Länge von 30 mm, eine Breite von 7 mm und eine Stärke von 3 mm. Der Versorgungsstrom hat eine Spannung zwischen 30 und 500 V und eine Frequenz zwischen 20 und 100 kHz.
Solche Motoren 9, die insbesondere von der Firma NANOMOTION hergestellt werden, können ein bewegliches Element 8 in Verschiebung mit einer Geschwindigkeit größer als 30 cm/s verschieben, indem sie eine Kraft von 15 Newton anlegen.
Diese Kraft kann erhöht werden, indem mehrere dieser Motoren 9, die gleichzeitig wirken, parallel geschaltet werden, um Kräfte zu erlauben, die mehrere hundert Newton erreichen können.
3 stellt schematisch eine zweite Ausführungsform eines bekannten piezoelektrischen Motors 6 dar, der in der Erfindung verwendet werden kann.
Sie weist zwei Stege 19, 20 aus piezoelektrischer Keramik auf, die zu beiden Seiten eines Elements 21 angeordnet sind, das gemäß der Richtung XX' in Verschiebung beweglich ist. Jeder dieser Stege 19, 20 wird von zwei Elektroden E1 und E2 mit Strom versorgt.
Auf dem Ende dieser Stege 19, 20, das dem beweglichen Element 21 gegenüberliegt, ist ein Übertragungsschaft 22 der Verformung der Stege angeordnet.
Das bewegliche Element 21 hat Parallelepiped-Rechteckform und weist zwei Mikro-Zahnstangen 23, 24 auf, die sich in die Richtung XX' auf jeder Seite der großen Länge des beweglichen Elements 21 erstrecken.
Jede dieser Mikro-Zahnstangen 23, 24 besteht aus einer Abfolge von V-Winkeln 25, die eine erste Wand 26 im rechten Winkel zu der Richtung XX' und eine zweite Wand 27, die einen spitzen Winkel (Richtung YY') zum Beispiel in der Größenordnung von 45° zu der ersten Wand 26 aufweist.
Bei der dargestellten Ausführungsform sind die zwei piezoelektrischen Stege 19, 20 jeweils gemäß der Richtung YY' angeordnet, das heißt parallel zu den zweiten Wänden 27 jeder der zwei Mikro-Zahnstangen 23, 24.
Die zwei Mikro-Zahnstangen 23, 24 sind zum Beispiel symmetrisch zu der Mitte O des beweglichen Elements 21 angeordnet.
Die zwei piezoelektrischen Stege 19, 20 werden von einem Wechselstrom mit einer Frequenz versorgt, die ihre Resonanz gemäß ihrer Richtung YY' (DY) erregen kann.
Man erzielt daher eine Schwingungsbewegung der piezoelektrischen Stege 19, 20 in die Richtung YY'.
In dem Teil des Zyklus, in dem sich der piezoelektrische Steg 19, 20 in die Richtung YY' dehnt, kommt der Übertragungsschaft 22 der Verformung mit der Wand 26 der Mikro-Zahnstange 23, 24 in Berührung, um die Verschiebung des beweglichen Elements 21 in die Richtung XX' zu bewirken.
Auf dem zweiten Teil des Zyklus zieht sich der piezoelektrische Steg 19, 20 zusammen, um sich aus dem Übertragungsschaft 22 der Mikro-Zahnstange 23, 24 entlang einer Wand 27 parallel zu der Richtung YY' zu befreien, ohne eine wesentliche Bewegung des beweglichen Elements 21 zu bewirken.
Auf dem nächsten Zyklus fügt sich der Übertragungsschaft 22 in den V-Winkel 25 gemäß der Mikro-Zahnstange 23, 24 für eine kontinuierliche lineare Bewegung des beweglichen Elements 21 in eine Richtung ein. Der Übergang von einem V-Winkel 25 auf den anderen kann durch die Einwirkung einer Feder 28, 29 erleichtert werden, die auf den piezoelektrischen Steg 19, 20 in die Richtung umgekehrt zu der Bewegung des beweglichen Elements 21 wirkt.
Das Funktionsprinzip eines solchen Motors 6 besteht daher darin, einen der piezoelektrischen Stege 20 zu speisen, um eine Verschiebung in die Richtung X des beweglichen Elements 21 zu erzielen, dann den zweiten Steg 19, um eine Verschiebung in die Richtung X' zu erzielen.
Bei einer Variante (nicht dargestellt) kann das bewegliche Element 21 eines solchen piezoelektrischen Motors 6 eine einzige Mikro-Zahnstange 23 aufweisen, die die Verschiebung in die Richtung X sicherstellt, während die Rückkehr in die Richtung X' des beweglichen Elements 21 von einer an einem seiner Enden vorgesehenen Feder sichergestellt wird.
Bei einer zusätzlichen Variante kann eine Rücklaufschutzratsche 30 mit zwei Positionen vorgesehen werden. Sie kann aus einer biegsamen Klinge ausgebildet werden, die sich in die aufeinander folgenden V-Winkel 25 bei der Bewegung des beweglichen Elements 21 einfügt und ausreichend steif ist, um es in Position zu halten, wenn die piezoelektrischen Stege 19, 20 nicht mehr gespeist werden.
Bei einer Ausführungsform eines solchen piezoelektrischen Motors 6 sind die piezoelektrischen Stege 19, 20 und die Übertragungsschäfte 22 aus PZT und haben eine Länge zwischen 2 und 20 cm. Die Tiefe der V-Winkel 25 der Mikro-Zahnstangen 23, 24 liegt in der Größenordnung von 0,5 bis 5 μm. Der Versorgungsstrom der piezoelektrischen Elemente 19, 20 hat eine Spannung in der Größenordnung von 220 V und eine Frequenz zwischen 10 und 200 kHz.
Derartige Motoren können Kräfte liefern, die zwischen 3 und 15 Newton variieren können. Sie sind daher insbesondere für Schalter-Überlastschalter 1 des Relaistyps bestimmt, die bei Nennstromstärken in der Größenordnung von einigen Ampere in dem Hauptschaltkreis funktionieren.
Bei einer Ausführungsform des Schalters-Überlastschalters 1 sind die aktiven Kontakte 2 mit einem Ende 31 eines Kontaktträgerarms 32 verbunden, der um eine Achse 33 drehbar montiert ist, und die passiven Kontakte 3 sind auf einer Feder 34 gemäß der Bewegungsachse der aktiven Kontakte 2 verschiebbar montiert.
Bei einer Ausführungsform wird der Schalter-Überlastschalter 1 von einem drehenden piezoelektrischen Motor 6 betätigt, wobei der Kontaktträgerarm 32 mit dem beweglichen Element 8 des piezoelektrischen Motors 6 verbunden ist, um seine Drehung zu bewirken.
Bei einer zweiten Ausführungsform (siehe 4) wird der Schalter-Überlastschalter 1 von einem linearen piezoelektrischen Motor 6 betätigt, wobei das bewegliche Element 8, 21 in der Nähe des Endes 35 des Kontaktträgerarms 32, der dem aktiven Kontakt entgegengesetzt ist, angeordnet ist, um die Hebelwirkung zu nutzen.
Das bewegliche Element 8, 21 kann mit dem Kontaktträgerarm 32 verbunden sein, um eine Doppelwirkungsbetätigung zu erzielen, oder frei gelassen werden. In diesem Fall kann eine Rückholfeder 36 auf dem Ende 35 des Kontaktträgerarms 32, der dem aktiven Kontakt 2 entgegengesetzt ist, angeordnet werden.
Das Schließen der Kontakte 2, 3 wird daher erzielt, indem der lineare piezoelektrische Motor so gesteuert wird, dass er zuerst die Kraft ausgleicht, die von der Rückholfeder 36 hervorgerufen wird, und dann einen bestimmten Druck zwischen den Kontakten 2, 3 induziert.
Man kann daher jedes Prallen der Kontakte 2, 3 im Augenblick des Schließens vermeiden, so dass die Lichtbögen, die das Prallen nach sich ziehen kann, offensichtlich verringert werden.
Wenn der lineare piezoelektrische Motor 6 nicht mehr gespeist wird, bewirkt die Rückholfeder 36 das Öffnen der Kontakte 2, 3.
Bei einer dritten Ausführungsform (siehe 5) wird der Schalter-Überlastschalter 1 von zwei linearen piezoelektrischen Motoren 6 betätigt, einer für das Öffnen, der andere für das Schließen, die zu beiden Seiten der Rotationsachse 33 des Kontaktträgerarms 32 angeordnet sind.
Um das Betätigen der Kontakte 2, 3 zu erleichtern, kann eine Feder 37 zu beiden Seiten der Rotationsachse 33 des Kontaktträgerarms 32 auf dem Träger 38 der passiven Kontakte 3 und auf dem Kontaktträgerarm 32 in der Nähe der aktiven Kontakte 2 verbunden werden.
Diese Anordnung ist dazu vorgesehen, dass, wenn die Kontakte 2, 3 geschlossen sind, der lineare piezoelektrische Motor 6 den Schaltkreis öffnet, bis die Achse der Feder 37 in einer Position liegt, die das Bewegen der aktiven Kontakte 2 in die Öffnungsrichtung erleichtert.
Für das Schließen der Kontakte bewegt der zweite lineare piezoelektrische Motor 6 den Kontaktträgerarm 32, bis die Feder 37 einen Druck in die Schließrichtung anlegt.
Die Steuermittel 7 des piezoelektrischen Motors 6 umfassen einen Generator 9 des gepulsten oder Wechselstroms mit einer Erregungsfrequenz des piezoelektrischen Elements.
Bei einer Ausführungsform (siehe 6) weisen die Steuermittel 7 des piezoelektrischen Motors 6 in Serie einerseits einen mechanischen und/oder elektronischen Auslöser 40 der Öffnungsanfrage und eine Überstromerfassungs vorrichtung 41 in der Hauptstromleitung 5, die parallel geschaltet ist, und, andererseits eine Umschaltvorrichtung 42, eine programmierbare Verzögerungsleitung 43 und einen elektrischen Generator 39 auf.
Dieser Aufbau erlaubt es, gleichzeitig das Funktionieren des Schalters und das des Überlastschalters sicherzustellen, während das Öffnen oder das Schließen der Kontakte 2, 3 in einem präzisen Augenblick gesteuert wird.
Bei einer Ausführungsform ist der Auslöser 40 der Öffnungs-/Schließanfrage ein mechanischer oder elektrischer Ein-/Ausschalter. Der Überstromdetektor 41 ist ein Bimetall, das vorgesehen ist, um sich auszulösen, wenn die Stromstärke der Hauptstromleitung 5 einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, zum Beispiel in der Größenordnung von einigen Malen die Nennstromstärke.
In 6 wird das Bimetall von einem Abzweigstrom auf dem Hauptstrom durchquert. Es kann jedoch direkt in den Hauptstromkreis platziert werden, so dass seine Verformung direkt von der Stromstärke des Hauptstroms bestimmt wird.
Die Umschaltvorrichtung 42 umfasst einen Widerstand 44, der in Abzweigung von der Hauptstromleitung 5 zu beiden Seiten der aktiven Kontakte 2 und passiven Kontakte 3 installiert ist, so dass sie immer von dem Hauptstrom gespeist wird, ob der Schaltkreis nun offen oder geschlossen ist.
An den Klemmen dieses Widerstands 44 ist ein umgekehrter Umschalttransistor mit Schwellenwert Null 45 vorgesehen, um die Verzögerungsleitung 43 zu speisen, wenn die Stromstärke gleich Null ist.
Die programmierbare Verzögerungsleitung 43 weist eine variable Kapazität auf, die in dem gewünschten Zeitbereich einstellbar ist.
Der elektrische Generator 39 ist ein Generator für gepulsten oder Wechselstrom mit einer Erregungsfrequenz des piezoelektrischen Elements.
Ein Betätigungsbeispiel eines Geräts des Typs Schalter-Überlastschalter 1, der von einem piezoelektrischen Motor 6 betätigt wird, der von einem solchen Schaltkreis gesteuert wird, ist daher das Folgende.
Bei offenem Schaltkreis betätigt man den Ein-/Ausschalter 40, um den Widerstand 44 zu speisen. Beim ersten Übergang auf Spannung Null speist der Transistor 45 die Verzögerungsleitung 43.
In dem Fall, in dem die Frequenz des Stroms der Hauptstromleitung 50 Hz beträgt und die Zeit des Bewegens des piezoelektrischen Motors 6 zum Bewirken der Betätigung des Schalters-Überlastschalters 1 3 ms beträgt, wird die Verzögerungsleitung 43 daher programmiert, um eine Verzögerung von 7 ms zu bewirken.
Die Dauer eines Halbzyklus eines Stroms zu 50 Hz beträgt nämlich 10 ms. Die Speisung des Motors erfolgt daher 3 ms bevor der Strom wieder durch Null geht.
Bei dieser Konfiguration erfolgt das Schließen der Kontakte 2, 3 daher mit Spannung Null.
Wenn der Schaltkreis geschlossen ist, kann entweder der Ein-/Ausschalter 40 (Schalter) oder das Bimetall 41 (Überlastschalter) den Widerstand 44 speisen.
Da die Verzögerungsleitung immer noch auf 7 ms programmiert ist und die Bewegung des piezoelektrischen Motors 6 3 ms beträgt, erfolgt das Öffnen der Kontakte 2, 3 mit Stromstärke Null, was das Bilden von Lichtbögen einschränkt.
Dank der großen zeitlichen und räumlichen Betätigungspräzision der gesteuerten piezoelektrischen Motoren 6 kann man daher einen Schalter-Überlastschalter 1 erzielen, der sowohl in dem Nennstromstärkebereich des Hauptstroms als auch in dem „Kurzschluss"-Bereich, der den Schaltkreis mit Stromstärke Null öffnet oder schließt, vorzugsweise in einer halben Periode, funktioniert, um das Schaffen eines Lichtbogens und des Durchgehens einer für die gesteuerten Schaltkreise gefährlichen Stromstärke einzuschränken.

Claims

Gerät des Typs Schalter-Überlastschalter (1), das auf eine Hauptleitung für pulsierenden Strom montiert ist, vorzugsweise Wechselstrom (5), das zwei Typen von Kontakten aufweist, aktiv(e) (2) und passiv(e) (3), wobei die aktiven Kontakte (2) mit Betätigungsmitteln (4) zum Öffnen und Schließen verbunden sind, wobei die Betätigungsmittel (4) mindestens einen piezoelektrischen Motor (6) aufweisen, der von Steuermitteln (7) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel (7) des piezoelektrischen Motors (6) in Serie einen mechanischen und/oder elektronischen Auslöser (40) der Öffnungs-Schließanfrage der Hauptleitung (5) für Strom, eine Umschaltvorrichtung (42), eine programmierbare Verzögerungsleitung (43) und einen elektrischen Generator (39), der den piezoelektrischen Motor versorgt (6), aufweisen.
Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überstromerfassungsvorrichtung (41) in der Hauptstromleitung (5) parallel zu dem Auslöser (40) montiert ist.
Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel (7) des piezoelektrischen Motors (6) eine einzige Umschaltvorrichtung (42), eine einzige programmierbare Verzögerungsleitung (43) und einen einzigen elektrischen Generator (39), der den piezoelektrischen Motor (6) versorgt, umfassen.
Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltvorrichtung (42) ein Mittel zum Erfassen (40) der Stromstärke und/oder der Spannung der Hauptstromleitung und einen Komparator (45) aufweist, der den Steuerschaltkreis des piezoelektrischen Motors (6) versorgt, wenn der Wert der Stromstärke und/oder der Spannung, der erfasst wird, gleich einem bestimmten Referenzwert ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Überstromerfassungsvorrichtung (41) in der Hauptstromleitung ein Mittel zum Erfassen der Stromstärke der Hauptstromleitung und einen Komparator aufweist, der den Steuerschaltkreis des piezoelektrischen Motors versorgt, wenn der erfasste Stromstärkewert größer oder gleich einem bestimmten Schwellenwert ist.
Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Motor (6) ein linearer Motor ist.
Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Motor (6) ein Drehmotor ist.
Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Kontakte (2) mit einem Ende (31) eines Kontaktträgerarms (32) verbunden sind, der um eine Achse (33) drehbar montiert ist, wobei die Betätigungsmittel (4) in der Nähe des zweiten Endes (35) des Kontaktträgerarms (32) angeordnet sind.
Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Kontakte (2) mit einem Ende (31) eines Kontaktträgerarms (32) verbunden sind, der um eine Achse (33) drehbar montiert ist, wobei die Betätigungsmittel (4) auf der Rotationsachse (33) des Kontaktträgerarms (32) sind.
Gerät nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückholfeder (36) mit dem Ende (35) des Kontaktträgerarms (32) verbunden ist, der sich auf der den aktiven Kontakten (2) in Bezug auf die Rotationsachse (33) entgegengesetzten Seite befindet.
Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsmittel (4) der aktiven Kontakte (2) zwei lineare piezoelektrische Motoren (6) aufweisen, einen für das Öffnen, den anderen für das Schließen.
Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Kontakte (2) mit einem Ende (31) eines Kontaktträgerarms (32) verbunden sind, der um eine Achse (33) drehbar montiert ist, wobei einer der linearen piezoelektrischen Motoren (6) auf der gleichen Seite der Rotationsachse (33) wie die aktiven Kontakte (2) angeordnet ist, und der andere in der Nähe des zweiten Endes des Kontaktträgerarms (32) angeordnet ist.
Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückholfeder (37) mit dem Kontaktträgerarm (32) verbunden ist, um das Öffnen und das Schließen der Kontakte (2, 3) durch die Betätigungsmittel (4) zu erleichtern.
Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die passiven Kontakte (3) verschiebbar auf einer Feder (34) entlang der Verschiebungsachse der aktiven Kontakte (2) montiert sind.
Verfahren zum Betätigen eines Geräts nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es bei geschlossenem Hauptschaltkreis die folgenden aufeinander folgenden Schritte aufweist: – mechanisches und/oder elektronisches Auslösen der Öffnungsanfrage der Hauptstromleitung (5); - Erfassen der Stärke der Hauptstromleitung (5); – Umschalten beim ersten Übergang der Stromstärke der Hauptstromleitung auf den Referenzwert; – Versorgung der zuvor in Abhängigkeit von dem Referenzwert und der Verschiebungsgeschwindigkeit des piezoelektrischen Motors (6) programmierten Verzögerungsleitung (43); – Versorgung des elektrischen Generators (39); – Auslösen des Öffnens der Kontakte (2, 3) in einem Augenblick, in dem die Stromstärke in der Hauptstromleitung (5) gleich einem bestimmten Wert, insbesondere in der Nähe von Null ist.
Verfahren zum Betätigen eines Geräts nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es bei offenem Schaltkreis die folgenden aufeinander folgenden Schritte aufweist: – mechanisches und/oder elektronisches Auslösen der Schließanfrage der Hauptstromleitung (5); – Erfassen der Spannung der Hauptstromleitung (5); – Umschalten beim ersten Übergang der Spannung der Hauptstromleitung (5) auf den Referenzwert; – Versorgung der zuvor in Abhängigkeit von dem Referenzwert und der Verschiebungsgeschwindigkeit des piezoelektrischen Motors (6) programmierten Verzögerungsleitung (43); – Versorgung des elektrischen Generators (39); – Auslösen des Schließens der Kontakte (2, 3) in einem Augenblick, in dem die Spannung in der Hauptstromleitung (5) gleich einem bestimmten Wert, insbesondere in der Nähe von Null ist.
Verfahren zum Betätigen eines Geräts nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es bei geschlossenem Hauptschaltkreis die folgenden aufeinander folgenden Schritte umfasst: – Erfassen der Stromstärke der Hauptstromleitung (5); – Vergleichen des gemessenen Stromstärkewerts mit einem Schwellenwert; wenn der auf der Hauptstromleitung (5) gemessene Stromstärkewert größer ist als der Schwellenwert: – Umschalten beim ersten Übergang der Stromstärke der Hauptstromleitung (5) auf den Referenzwert; – Versorgung der zuvor in Abhängigkeit von dem Referenzwert und der Verschiebungsgeschwindigkeit des piezoelektrischen Motors (6) programmierten Verzögerungsleitung (43); – Versorgung des elektrischen Generators (39); – Auslösen des Öffnens der Kontakte (2, 3) in einem Augenblick, in dem die Stromstärke in der Hauptstromleitung (5) gleich einem bestimmten Wert, insbesondere in der Nähe von Null ist.