EP0037490B1 - Auslösesystem eines Selbstschalters zur Unterbrechung eines Stromkreises - Google Patents

Auslösesystem eines Selbstschalters zur Unterbrechung eines Stromkreises Download PDF

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EP0037490B1
EP0037490B1 EP81102059A EP81102059A EP0037490B1 EP 0037490 B1 EP0037490 B1 EP 0037490B1 EP 81102059 A EP81102059 A EP 81102059A EP 81102059 A EP81102059 A EP 81102059A EP 0037490 B1 EP0037490 B1 EP 0037490B1
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EP
European Patent Office
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circuit
current
thermo
tripping
short
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Expired
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EP81102059A
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English (en)
French (fr)
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EP0037490A1 (de
Inventor
Erhard Ing. Grad. Runtsch
Klaus Dipl.-Ing. Greefe
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BBC Brown Boveri AG Germany
Original Assignee
BBC Brown Boveri AG Germany
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Application filed by BBC Brown Boveri AG Germany filed Critical BBC Brown Boveri AG Germany
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
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    • H01H71/40—Combined electrothermal and electromagnetic mechanisms
    • H01H2071/407—Combined electrothermal and electromagnetic mechanisms the thermal element being heated by the coil of the electromagnetic mechanism

Definitions

  • the invention relates to a trigger system of a circuit breaker for interrupting a circuit with at least one thermomechanical converter made of a shape memory alloy, a short-circuit release and a switching mechanism with a latch, which is triggered by the thermomechanical converter or short-circuit release in the event of an overcurrent (overload or short-circuit current) and the Circuit breaks.
  • Tripping systems of this type have become very widespread and essentially serve to protect electrical lines and devices connected to them.
  • short-circuit currents which may occur due to the ever decreasing impedance in the supply network reach ever greater values.
  • thermomechanical converter In the case of automatic switches, in particular in the case of miniature circuit breakers, which are provided for switching high short-circuit currents, it was difficult to achieve sufficient short-circuit strength in the thermomechanical converter, which experiences a mechanical deflection when the temperature rises and causes a force effect which triggers the switching lock, since the thermomechanical converter was usually in the circuit and could be destroyed by the high short-circuit currents.
  • thermomechanical transducer thermomechanical transducer
  • DE-B-1 640 882 discloses a thermal release device with a bimetal that can be heated by a heating element.
  • these triggers are only short-circuit proof on the one hand and on the other hand have the disadvantage that an additional impedance is switched into the circuit by the heat conductor.
  • a triggering system of the type mentioned at the outset has become known from DE-A1-2 928 799.
  • a coil spring made of shape memory material is used as a magnet coil, which is flowed through by the tripping current and, due to the resulting magnetic force and its heat-dependent shape change, moves a coil piston arranged in it which in turn acts on an articulated lever device which interrupts the current flow after it has been triggered.
  • the current flows through the shape memory material directly, which increases the resistance of the switch significantly.
  • a switch has become known from DE-A1-2701 884, in which a flag made of shape memory material is provided, which either actuates a microswitch or on which a movable contact piece is arranged, which interacts with a fixed contact piece.
  • the shape memory material itself is traversed by the current and therefore the resistance of the switching device is relatively high. Because in one embodiment of DE-A1-2701 884 the shape memory material simultaneously forms the movable contact lever and carries the movable contact piece, this arrangement can hardly be used as a self-switch in the event of a short-circuit or overcurrent.
  • the invention is therefore based on the object of providing a tripping system for interrupting a circuit of the type mentioned, which has a high short-circuit strength, avoids additional impedances in the tripping system and is constructed as simply as possible while avoiding the disadvantages mentioned at the outset.
  • thermomechanical transducer in thermal contact with a heat source lying in the current path of the circuit breaker, for. B. the coil or the yoke of a magnetic short-circuit release, the leg of a dynamic release loop or the section of a current path.
  • thermomechanical converter made of a shape memory alloy suddenly deflects when a certain triggering temperature is exceeded and can thereby trigger a switching mechanism.
  • the invention makes use of the property of the abrupt deflection, in that the thermomechanical transducer is brought into thermal contact, in particular contact, with a heat source. This thermal contact remains unchanged until the triggering temperature is reached and the deflection of the thermomechanical transducer caused thereby, since the shape memory alloy does not undergo any appreciable change in shape up to this temperature.
  • thermomechanical converters Both shape memory alloys with one-way and two-way effects are suitable for the thermomechanical converter.
  • care must be taken to ensure that after the switching function has been triggered and the thermomechanical converter has cooled again, it is plastically deformed again when the trigger is reset. When heated again, the alloy then regains its original shape and triggers the switching function again.
  • thermomechanical transducer it is advantageous to clamp the thermomechanical transducer on one side so that its free end can deflect when the temperature rises and trigger the switching function.
  • thermomechanical transducer can be pretensioned by an applied force to determine the triggering function, because the pretensioning can determine the triggering temperature at which the deformation of the plastically deformed alloy begins.
  • thermomechanical transducer can advantageously be designed as a strip-shaped part which, in order to achieve good thermal contact with the heat source in the current path of the circuit breaker (e.g. coil or yoke of a magnetic short-circuit release, the limb of a dynamic release loop or the section of a current path) hugs.
  • the design as a leaf spring can serve to determine the transition temperature between the martensitic and austenitic phase, that is to say to determine the temperature at which the alloy suddenly deflects.
  • thermomechanical converter can be designed as a spiral, which is preferably arranged coaxially with the heat source.
  • the particular advantage is to be seen in the fact that the spiral does not stand out from the heat source when the temperature rises and the deflection caused thereby, as can happen with a strip-shaped part. With the design as a spiral, the thermal contact remains fully intact even when deflection has taken place.
  • the spiral can be designed as a prestressed spring, the prestressing being able to take place axially or radially. It can be designed so that the temperature-related deflecting force acts either in the direction of the spiral axis or radially (torsional force). If the magnetic short-circuit release is used as the heat source, the spiral can either be placed outside over the magnetic release coil or the yoke, or in some cases also be arranged inside the magnetic release coil.
  • thermomechanical converter designed so that there is a heat transfer associated with the release current between the short-circuit release and the thermomechanical converter.
  • an intermediate layer of selected thermal conductivity, thickness and contact surface can be inserted between the heat-exchanging surfaces of the heat source and the thermomechanical transducer in order to set a predetermined tripping current.
  • Such an intermediate layer can influence both the tripping current and the tripping time constant.
  • a single thermomechanical transducer can be used for different auto switch ratings if the trip coil is dimensioned for a certain power and the same heat transfer through the intermediate layer is ensured.
  • thermomechanical transducer 11 which according to the prior art usually consists of a thermobimetal, a magnetic short-circuit release 12 and a switching contact point 13, which consists in a known manner of a fixed contact piece 28 and a movable contact piece 27.
  • the switching contact point 13 which is shown in the open state, is, as the dashed lines of action indicate, when a short-circuit or overload current occurs either by the magnetic short-circuit release 12 or by a switching mechanism 16, the switching mechanism 16 in turn either by the thermomechanical see converter 11 or is triggered by the magnetic short-circuit release 12:
  • thermoelectric transducer 11 is not connected as in Fig. 1 with the magnetic t i-rule short trigger 12 in series, but in parallel different from that of Fig. 1.
  • thermomechanical transducer 21 clamped on one side is a strip of a shape memory alloy and is in direct thermal contact with the magnetic short-circuit release 12. It is not flowed through by the current, but is heated by the current-flowing magnetic short-circuit release 12 by the latter. As soon as the temperature of the thermomechanical converter 21 exceeds a response value in the event of a short-circuit or overload current, the thermomechanical converter 21 jumps out and acts on a switching lock 16, which in turn opens the switch contact 13 and interrupts the current flow. It is also here, as provided in FIGS. 1 and 2, that the magnetic short-circuit release 12 acts both directly and via the switching mechanism 16 on the shaft contact point 13.
  • FIG. 4 and 5 illustrate basic circuits of the release system corresponding to FIG. 3, only that here the heat source for heating the thermomechanical converter 21 clamped on one side is not a magnetic short-circuit release coil, as in FIG. 3, but, as in FIG. 4 a dynamic release 17 or, as shown in FIG. 5, a section of a current path 20.
  • the dynamic release 17 shown in FIG. 4 consists of a fixed leg 18 and a free leg 19, which repel one another at high current surges.
  • the free leg 19 is deflected by the repulsive forces and causes the switch contact point 13 to open either directly via the switching lock 16 or directly.
  • thermomechanical converter 31 clamped on one side from FIG Leg of the dynamic trigger 17 is placed.
  • the free end of the thermomechanical converter 31 is heated as a function of the current flowing through the dynamic release 17 and deflects when a release temperature is exceeded and acts on a switching mechanism 16.
  • the deflection of the thermomechanical transducer 31 takes place in the axial or radial direction, depending on its design.
  • thermomechanical transducer 41, 51, 61 clamped on one side is wound spirally around the coil of a magnetic short-circuit release 12.
  • the deflection when a triggering temperature is exceeded takes place axially in FIG. 7 in which the spiral contracts, in FIG. 8 also axially in which the spiral extends and radially in FIG. 9 in which the spiral rotates (torsion).
  • the thermomechanical transducers of FIGS. 7 to 9 can be designed as a compression spring, tension spring and as a torsion spring by applying a bias voltage.
  • the arrows A, B and C indicate the direction in which the thermomechanical transducer 41, 51, 61 deforms when the response temperature is exceeded, in order then to act on the switching mechanism 16.
  • thermomechanical converter In the indirect heating of the thermomechanical converter, as shown in the switching arrangement of the triggering system in FIGS. 3 to 9, the thermomechanical converter is not flowed through by the current. On the one hand, this results in an unlimited short-circuit strength of the thermomechanical converter, on the other hand the triggering system is not burdened by the resistance of a thermomechanical converter connected in series, as shown in FIG. 1.
  • thermomechanical converter 21 is here arranged parallel to the magnetic short-circuit release 12.
  • the clamped end of the thermomechanical converter 21 is connected to the connection terminal 14 and the free end of the thermomechanical converter 21 is connected to the movable contact piece 27 of the switching contact point 13 via a flexible line 33.
  • Part of the current that enters the release system flows through the thermomechanical converter 21 that is in thermal contact with the magnetic short-circuit release 12, and the other part flows through the magnetic short-circuit release 12.
  • FIG. 11 shows a schematic section through a magnetic short-circuit release 22, which contains a magnetic core 23, a magnetic core 24 to which a release pin 25 is attached, and a magnetic release coil 26.
  • the trigger pin 25 can lift a movable contact piece 27 from a fixed contact piece 28, which leads to an interruption of the current flow.
  • a right-angled thermomechanical transducer 21 is attached, the leg of which extends parallel to the axis of the short-circuit release and can bend freely when the temperature rises (dashed line), whereby it runs over a Pawl 29 and a switch lock, not shown, which acts on the movable contact piece 27, causes a power interruption.
  • thermomechanical transducer 21 is a strip made of a shape memory alloy which is clamped on one side and which, according to FIG. 12, deflects suddenly only when a triggering temperature T a is exceeded when heated.
  • thermomechanical transducer 21 ensures that there is good thermal contact between the magnetic short-circuit release 22 and the thermomechanical transducer 21 until it is deflected.
  • an intermediate layer can be inserted in a column between the magnetic short-circuit release 22 and the thermomechanical converter 21 in order to set a specific heat transfer value.
  • This intermediate layer can e.g. B. a copper intermediate layer (small time constant for the release system due to the high conductivity of the intermediate layer) or a plastic film (large time constant for the release system due to the low conductivity of the intermediate layer).

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Auslösesystem eines Selbstschalters zur Unterbrechung eines Stromkreises mit mindestens einem thermomechanischen Wandler aus einer Formgedächtnislegierung, einem Kurzschlußauslöser und einem Schaltwerk mit einer Verklinkung, welche von dem thermomechanischen Wandler oder Kurzschlußauslöser im Falle eines Überstromes (Überlast- oder Kurzschlußstrom) ausgelöst wird und den Stromkreis unterbricht.
  • Auslösesysteme dieser Art haben eine große Verbreitung erlangt und dienen im wesentlichen dem Schutz von elektrischen Leitungen und von an diesen angeschlossenen Geräten. Im Zuge der laufenden Verstärkung der Netze ergibt es sich zwangsläufig, daß aufgrund der immer kleiner werdenden Impedanz im Versorgungsnetz evtl. auftretende Kurzschlußströme immer größere Werte erreichen.
  • Bei Selbstschaltern, insbesondere bei Leitungsschutzschaltern, die für das Schalten hoher Kurzschlußströme vorgesehen sind, war die Realisierung einer ausreichenden Kurzschlußfestigkeit des thermomechanischen Wandlers, der bei auftretender Temperaturerhöhung eine mechanische Auslenkung erfährt und eine Kraftwirkung hervorruft, welche das Schaltschloß auslöst, schwierig, da der thermomechanische Wandler in der Regel in dem Stromkreis lag und durch die hohen Kurzschlußströme zerstört werden konnte.
  • Aus der DE-A-1 588 513 ist bekanntgeworden, daß die Heizung der thermischen Überstromauslösung (thermomechanischer Wandler), die mit der Spule des Kurzschlußauslösers in Reihe geschaltet ist und den vollen Strom führt, kurzge-schlossen wird, sobald der Schaltkontakt geöffnet ist und der Lichtbogen die Löschbleche erreicht hat. Durch diese Lösung wird zwar die Kurzschlußfestigkeit des thermomechanischen Wandlers verbessert, diese Lösung hat jedoch den Nachteil, daß mit Kurzschließen des thermomechanischen Wandlers die Schalterimpedanz abnimmt, wodurch der Kurzschlußstrom ansteigt und damit die Belastung des Löschblechstapels zunimmt.
  • Um eine ausreichende Kurzschlußfestigkeit zu schaffen, wurde in der Vergangenheit schon oft versucht, ein Auslöseelement für den Überlastbereich zu finden, das die Auslösefunktion übernehmen kann, ohne von der direkten Strombeaufschlagung abhängig zu sein, d. h. ein Element, das nicht in dem Stromkreis liegt, sondern indirekt beheizt wird. Beispielsweise ist durch die DE-B-1 640 882 eine thermische Auslöseeinrichtung mit einem durch ein Heizelement beheizbaren Bimetall bekanntgeworden. Diese Auslöser sind jedoch einerseits auch nur begrenzt kurzschlußfest und haben andererseits den Nachteil, daß durch den Heizleiter eine zusätzliche Impedanz in den Stromkreis eingeschaltet ist.
  • Ein Auslösesystem der eingangs genannten Art ist aus der DE-A1-2 928 799 bekanntgeworden. Dabei ist eine Schraubenfeder aus Formgedächtnismaterial als Magnetspule verwendet, die vom Auslösestrom durchflossen wird und dabei infolge der resultierenden Magnetkraft sowie ihrer erwärmungsabhängigen Gestaltänderung einen in ihr beweglich angeordneten Spulenkolben bewegt, der seinerseits auf eine Gelenkhebeleinrichtung einwirkt, die nach ihrer Auslösung den Stromfluß unterbricht. Das Formgedächtnismaterial wird hier also direkt vom Strom durchflossen, wodurch der Widerstand des Schalters nicht unerheblich erhöht wird.
  • Aus der DE-A1-2701 884 ist ein Schalter bekanntgeworden, bei dem eine Fahne aus Formgedächtnismaterial vorgesehen ist, die entweder einen Mikroschalter betätigt oder an der selbst ein bewegbares Kontaktstück angeordnet ist, das mit einem Festkontaktstück zusammenwirkt. Das Formgedächtnismaterial wird selbst vom Strom durchflossen und deshalb ist der Widerstand des Schaltgerätes relativ hoch. Weil bei der einen Ausführung der DE-A1-2701 884 das Formgedächtnismaterial gleichzeitig den bewegbaren Kontakthebel bildet und das bewegbare Kontaktstück trägt, kann diese Anordnung als Selbstschalter im Falle eines Kurzschluß- bzw. Überstromes kaum eingesetzt werden.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Auslösesystem zur Unterbrechung eines Stromkreises der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine hohe Kurzschlußfestigkeit aufweist, zusätzliche Impedanzen im Auslösesystem vermeidet und unter Vermeidung der eingangs genannten Nachteile so einfach wie möglich aufgebaut ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der thermomechanische Wandler in Wärmekontakt mit einer in dem Strompfad des Selbstschalters liegenden Wärmequelle, z. B. der Spule oder dem Joch eines magnetischen Kurzschlußauslösers, dem Schenkel einer dynamischen Auslöseschleife oder dem Abschnitt einer Strombahn, steht.
  • Die Vorteile gegenüber bekannten Lösungen ergeben sich daraus, daß für die Beheizung des thermomechanischen Wandlers kein zusätzliches Heizelement erforderlich ist, weil die Erwärmung einer in dem Auslösesystem enthaltenen Wärmequelle ausgenützt werden kann. Ein entsprechend ausgelegter thermomechanischer Wandler aus einer Formgedächtnislegierung lenkt bei Überschreiten einer bestimmten Auslösetemperatur sprunghaft aus und kann hierdurch ein Schaltwerk auslösen. Die Erfindung macht sich die Eigenschaft der sprunghaften Auslenkung zu nutze, in dem der thermomechanische Wandler in Wärmekontakt, insbesondere Berührungskontakt, mit einer Wärmequelle gebracht wird. Dieser Wärmekontakt bleibt bis zum Erreichen der Auslösetemperatur und der dadurch bewirkten Auslenkung des thermomechanischen Wandlers unverändert, da die Formgedächtnislegierung bis zu dieser Temperatur keine nennenswerte Formänderung erfährt.
  • Für den thermomechanischen Wandler sind sowohl Formgedächtnislegierungen mit Einwegals auch mit Zweiwegeffekt geeignet. Bei Verwendung einer Formgedächtnislegierung mit Einwegeffekt, muß dafür Sorge getragen werden, daß nach Auslösung der Schaltfunktion und Wiederabkühlung des thermomechanischen Wandlers dieser mit der Rückstellung des Auslösers wieder plastisch verformt wird. Bei erneuter Erwärmung gewinnt die Legierung dann ihre ursprüngliche Form zurück und löst wieder die Schaltfunktion aus.
  • Es ist vorteilhaft den thermomechanischen Wandler einseitig einzuspannen, so daß sein freies Ende bei Temperaturerhöhung auslenken und die Schaltfunktion auslösen kann.
  • Zur Festlegung der Auslösefunktion kann erfindungsgemäß der thermomechanische Wandler durch eine aufgeprägte Kraft vorgespannt werden, denn durch die Vorspannung kann die Auslösetemperatur, bei der die Rückverformung der plastisch verformten Legierung einsetzt, festgelegt werden.
  • In vorteilhafter Weise läßt sich der thermomechanische Wandler als streifenförmiges Teil ausbilden, das sich zur Erzielung eines guten Wärmekontaktes an die Wärmequelle im Strompfad des Selbstschalters (z. B. Spule oder Joch eines magnetischen Kurzschlußauslösers, dem Schenkel einer dynamischen Auslöseschleife oder dem Abschnitt einer Strombahn) anschmiegt. Die Auslegung als Blattfeder kann zur Festlegung der Umwandlungstemperatur zwischen martensitischen und austenitischen Phase, also zur Festlegung der Temperatur, bei der sich die Legierung sprunghaft auslenkt, dienen.
  • Einer weiteren Ausgestaltung zur Folge, läßt sich der thermomechanische Wandler als Spirale ausbilden, die vorzugsweise koaxial zur Wärmequelle angeordnet ist. Der besondere Vorteil ist hier darin zu sehen, daß sich die Spirale bei Temperaturerhöhung und dadurch hervorgerufener Auslenkung nicht von der Wärmequelle abhebt, wie dies bei einem streifenförmigen Teil geschehen kann. Damit bleibt bei der Ausgestaltung als Spirale der Wärmekontakt auch bei erfolgter Auslenkung voll bestehen. Die Spirale kann als vorgespannte Feder ausgebildet werden, wobei die Vorspannung axial oder radial erfolgen kann. Sie kann so gestaltet werden, daß die temperaturbedingte auslenkende Kraft entweder in Richtung der Spiralachse oder radial (Torsionskraft) wirkt. Sofern als Wärmequelle der magnetische Kurzschlußauslöser dient, kann die Spirale entweder außen über die Magnetauslösespule oder das Joch gelegt werden, oder in einigen Fällen auch innerhalb der Magnetauslösespule angeordnet werden.
  • Einem weiteren Merkmal der Erfindung zur Folge werden zur Einstellung eines vorgegebenen Auslösestromes die Größe und Form der wärmeaustauschenden Flächen der Wärmequelle, z. B. Spule oder Joch eines magnetischen Kurzschlußauslösers, Schenkel einer dynamischen Auslöseschleife oder Abschnitte einer Strombahn) und des thermomechanischen Wandlers so gestaltet, daß ein dem Auslösestrom zugeordneter Wärmeübergang zwischen Kurzschlußauslöser und thermomechanischem Wandler besteht.
  • Erfindungsgemäß kann zur Einstellung eines vorgegebenen Auslösestromes zwischen den wärmeaustauschenden Flächen der Wärmequelle und des thermomechanischen Wandlers eine Zwischenschicht ausgewählter Wärmeleitfähigkeit, Dicke und Auflagefläche eingefügt werden. Solch eine Zwischenschicht kann sowohl den Auslösestrom als auch die Auslösezeitkonstante beeinflussen. Wird z. B. eine Zwischenschicht aus Kunststoffolien zwischen den Kurzschlußauslöser und den thermomechanischen Wandler eingefügt, so spricht das Auslösesystem erst nach größerer Zeitkonstante und bei größerer Strombelastung an. Bei Wahl einer Kupferzwischenschicht verringern sich beide Werte. Es ist daher möglich, in gewissen Grenzen die Kenndaten eines Auslösesystems lediglich durch Austausch der Zwischenschicht zu variieren. Es kann für unterschiedliche Selbstschalternennstromstärken ein einziger thermomechanischer Wandler verwendet werden, wenn die Auslösespule auf eine bestimmte Leistung dimensioniert wird und gleicher Wärmeübergang durch die Zwischenschicht sichergestellt ist.
  • Anhand der Zeichnung, in der mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen und weitere Vorteile näher erläutert und beschrieben werden. Es zeigt
    • Fig. 1 bis 10 jeweils eine Prinzipschaltung des Auslösesystems,
    • Fig. 11 eine schematische Darstellung des Auslöseelements und
    • Fig. 12 eine grafische Darstellung der Auslenkung des temperaturempfindlichen Elements in Abhängigkeit von der Temperatur.
  • Die Fig. 1 zeigt die Prinzipschaltung eines Auslösesystems gemäß dem Stand der Technik. Solch ein Auslösesystem ist zum Beispiel in dem Selbstschalter enthalten, der in der DE-A-1588513 beschrieben ist. Bei dem Auslösesystem sind zwischen Anschlußklemmen 14 und 15 folgende Bauelemente in Reihe geschaltet. Ein thermomechanischer Wandler 11, der gemäß dem Stand der Technik gewöhnlich aus einem Thermobimetall besteht, ein magnetischer Kurzschlußauslöser 12 und eine Schaltkontaktstelle 13, die in bekannter Weise aus einem ortsfesten Kontaktstück 28 und einem beweglichen Kontaktstück 27 besteht. Die Schaltkontaktstelle 13, die in geöffnetem Zustand dargestellt ist, wird, wie die gestrichelten Wirkungslinien andeuten, bei Auftreten eines Kurzschluß- oder Überlaststromes entweder durch den magnetischen Kurzschlußauslöser 12 oder durch ein Schaltschloß 16 geöffnet, wobei das Schaltschloß 16 seinerseits entweder durch den thermomechanisehen Wandler 11 oder durch den magnetischen Kurzschlußauslöser 12 ausgelöst wird:
  • Die Fig. 2 unterscheidet sich von der Fig. 1 nur dadurch, daß hier der thermomechanische Wandler 11 nicht wie in Fig. 1 mit dem magneti-schen Kurzschlußauslöser 12 in Reihe, sondern parallel geschaltet ist.
  • Bei dem in Fig. 3 dargestellten Prinzipschaltbild eines Auslösesystems gemäß der Erfindung liegt zwischen den Anschlußklemmen 14 und 15 lediglich der magnetische Kurzschlußauslöser 12 und die Schaltkontaktstelle 13. Der einseitig eingespannte thermomechanische Wandler 21, ist ein Streifen aus einer Formgedächtnislegierung und steht in direktem Wärmekontakt mit dem magnetischen Kurzschlußauslöser 12. Er wird nicht vom Strom durchflossen, sondern bei Temperaturerhöhung des stromdurchflossenen magnetischen Kurzschlußauslösers 12 durch diesen beheizt. Sobald bei Kurzschluß- oder Überlaststrom die Temperatur des thermomechanischen Wandlers 21 einen Ansprechwert überschreitet, lenkt sich der thermomechanische Wandler 21 sprunghaft aus und wirkt auf ein Schaltschloß 16 ein, welches seinerseits die Schaltkontaktstelfe 13 öffnet und den Stromfluß unterbricht. Es ist auch hier, wie in Fig. 1 und 2 vorgesehen, daß der magnetische Kurzschlußauslöser 12 sowohl direkt als auch über das Schaltschloß 16 auf die Schaftkontaktstelle 13 einwirkt.
  • Fig. 4 und Fig. 5 stellen Prinzipschaltungen des Auslösesystems entsprechend Fig. 3 dar, nur daß hier die Wärmequelle zur Beheizung des einseitig eingespannten thermomechanischen Wandlers 21 nicht, wie in Fig. 3, eine magnetische Kurzschlußauslösespule ist, sondern, wie in Fig. 4 dargestellt, ein dynamischer Auslöser 17 oder wie in Fig. 5 dargestellt, ein Abschnitt einer Strombahn 20. Der in Fig. 4 dargestellte dynamische Auslöser 17 besteht aus einem feststehenden Schenkel 18 und einem freien Schenkel 19, die sich bei hohen Stromstößen abstoßen. Durch die Abstoßungskräfte wird der freie Schenkel 19 ausgelenkt und bewirkt entweder über das Schaltschloß 16 oder direkt die Öffnung der Schaltkontaktstelle 13.
  • Das in Fig. dargestellte Prinzipschaltbild eines Auslösesystems gemäß der Erfindung unterscheidet sich lediglich in der Ausführung des einseitig eingespannten thermomechanischen Wandlers 31 von Fig. 4. Der thermomechanische Wandler 31 ist hier nicht streifenförmig, sondern als Schraubenfeder aus einer Formgedächtnislegierung ausgebildet, die koaxial um den feststehenden Schenkel des dynamischen Auslösers 17 gelegt ist. Das freie Ende des thermomechanischen Wandlers 31 wird in Abhängigkeit des durch den dynamischen Auslöser 17 fließenden Stromes erwärmt und lenkt sich bei Überschreiten einer Auslösetemperatur aus und wirkt auf ein Schaltschloß 16 ein. Die Auslenkung des thermomechanischen Wandlers 31 erfolgt je nach dessen Auslegung in axialer oder radialer Richtung.
  • Bei den in den Fig. 7, 8 und 9 dargestellten Prinzipschaltbildern eines Auslösesystems gemäß der Erfindung ist ein einseitig eingespannter thermomechanischer Wandler 41, 51, 61 spiralförmig um die Spule eines magnetischen Kurzschlußauslösers 12 gewickelt. Die Auslenkung bei Überschreiten einer Auslösetemperatur erfolgt in Fig. 7 axial, in dem sich die Spirale zusammenzieht, in Fig. 8 ebenfalls axial, in dem sich die Spirale streckt und in Fig. 9 radial, in dem sich die Spirale verdreht (Torsion). Durch Anlegen einer Vorspannung können die thermomechanischen Wandler der Fig. 7 bis 9 als Druckfeder, Zugfeder und als Torsionsfeder ausgelegt werden. Die Pfeile A, B und C deuten an, in welche Richtung sich der thermomechanische Wandler 41, 51, 61 bei Überschreiten der Ansprechtemperatur verformt, um dann auf das Schaltschloß 16 einzuwirken.
  • Bei der indirekten Beheizung des thermomechanischen Wandlers wie er in der Schaltanordnung des Auslösesystems in Fig. 3 bis Fig. 9 dargestellt ist, wird der thermomechanische Wandler nicht vom Strom durchflossen. Hieraus ergibt sich einerseits eine unbegrenzte Kurzschlußfestigkeit des thermomechanischen Wandlers, andererseits wird das Auslösesystem nicht durch den Widerstand eines in Reihe geschalteten thermomechanischen Wandlers, wie in Fig. 1 gezeigt, belastet.
  • Bei einer Auslegung eines Auslösesystems, bei der die Erwärmung z. B. des magnetischen Kurzschlußauslösers durch den durchfließenden Strom nicht ausreicht, um den thermomechanischen Wandler auszulösen, kann eine Schaltungsanordnung angewendet werden, wie sie in Fig. 10 dargestellt ist. Der thermomechanische Wandler 21 ist hier parallel zum magnetischen Kurzschlußauslöser 12 angeordnet. Das eingespannte Ende des thermomechanischen Wandlers 21 ist mit der Anschlußklemme 14 verbunden und das freie Ende des thermomechanischen Wandlers 21 ist über eine flexible Leitung 33 mit dem beweglichen Kontaktstück 27 der Schaltkontaktstelle 13 verbunden. Ein Teil des Stromes, der in das Auslösesystem eintritt, fließt durch den in Wärmekontakt zum magnetischen Kurzschlußauslöser 12 stehenden thermomechanischen Wandler 21, der andere Teil fließt durch den magnetischen Kurzschlußauslöser 12.
  • Die Fig. 11 stellt einen schematischen Schnitt durch einen magnetischen Kurzschlußauslöser 22 dar, der einen Magnetkern 23, einen Magnetkern 24, an welchem ein Auslösestift 25 befestigt ist, und eine Magnetauslösespule 26 enthält. Im Falle eines Überlast- oder Kurzschlußstromes kann der Auslösestift 25 ein bewegliches Kontaktstück 27 von einem festen Kontaktstück 28 abheben, was zu einer Unterbrechung des Stromflusses führt. Auf der Stirnseite des magnetischen Kurzschlußauslösers 22 ist ein rechtwinklig ausgebildeter thermomechanischer Wandler 21 befestigt, dessen parallel zur Achse des Kurzschlußauslösers verlaufender Schenkel sich bei Temperaturerhöhung frei auszubiegen vermag (gestrichelte Linie), wobei er über eine Klinke 29 und ein nicht dargestelltes Schaltschloß, welches auf das bewegliche Kontaktstück 27 einwirkt, eine Stromunterbrechung verursacht.
  • In Fig. 11 handelt es sich beim thermomechanischen Wandler 21 um einen einseitig eingespannten Streifen aus einer Formgedächtnislegierung, der sich entsprechend Fig. 12 erst bei Überschreiten einer Auslösetemperatur Ta bei Erwärmung sprunghaft auslenkt.
  • Bei der AuslösetemperaturTa erreicht die Auslenkung S einen Auslösehub Sa, der über die Klinke 29 zu einer Auslösung des Schaltschlosses 16 und damit zum Öffnen der Kontaktstelle 13 führt. Durch die sprunghafte Auslenkung des thermomechanischen Wandlers 21 ist sichergestellt, daß ein guter Wärmekontakt zwischen dem magnetischen Kurzschlußauslöser 22 und dem thermomechanischen Wandler 21 bis zu dessen Auslenkung gegeben ist.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel, das nicht dargestellt ist, kann in einer Spalte zwischen den magnetischen Kurzschlußauslöser 22 und den thermomechanischen Wandler 21 zur Einstellung eines bestimmten Wärmeübergangswertes eine Zwischenschicht eingefügt werden. Diese Zwichenschicht kann z. B. eine Kupferzwischenlage (kleine Zeitkonstante für das Auslösesystems wegen großer Leitfähigkeit der Zwischenlage) oder eine Kunststoffolie (große Zeitkonstante für das Auslösesystem wegen kleiner Leitfähigkeit der Zwischenlage) sein.

Claims (9)

1. Auslösesystem eines Selbstschalters zur Unterbrechung eines Stromkreises mit mindestens einem thermomechanischen Wandler (21; 31; 41; 51; 61) aus einer Formgedächtnislegierung, einem Kurzschlußauslöser (12; 22) und einem Schaltwerk mit einer Verklinkung, welche von dem thermomechanischen Wandler (21; 31; 41; 51; 61) oder Kurzschlußauslöser (12; 22) im Falle eines Überstromes (Überlast- oder Kurzschlußstrom) ausgelöst wird und den Stromkreis unterbricht, dadurch gekennzeichnet, daß der thermomechanische Wandler (21; 31; 41; 51; 61) in Wärmekontakt mit einer in dem Strompfad des Selbstschalters liegenden Wärmequelle, z. B. der Spule oder dem Joch eines magnetischen Kurzschlußauslösers (12; 22), dem Schenkel einer dynamischen Auslöseschleife (17) oder dem Abschnitt einer Strombahn (20), steht.
2. Auslösesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermomechanische Wandler (21; 31; 41; 51; 61) einseitig eingespannt ist.
3. Auslösesystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der thermomechanische Wandler (21; 31; 41; 51; 61) vorgespannt ist.
4. Auslösesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der thermomechanische Wandler (21) als streifenförmiges Teil, z. B. als Blattfeder, ausgebildet ist.
5. Auslösesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der thermomechanische Wandler (31; 41; 51; 61) als Spirale ausgebildet ist, die vorzugsweise koaxial zur Wärmequelle, z. B. zur Spule oder dem Joch des magnetischen Kurzschlußauslösers (12; 22) zum Schenkel der dynamischen Auslöseschleife (17) oder zum Abschnitt der Strombahn (20) angeordnet ist.
6. Auslösesystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spirale sich bei Temperaturerhöhung axial auslenkt.
7. Auslösesystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spirale sich bei Temperaturerhöhung radial verformt (Torsion).
8. Auslösesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung eines vorgegebenen Auslösestromes die Größe und Form der wärmeaustauschenden Flächen der Wärmequelle und des thermomechanischen Wandlers (21; 31; 41; 51; 61) so gestaltet sind, daß ein dem Auslösestrom zugeordneter Wärmeübergang zwischen Wärmequelle und thermomechanischem Wandler (21; 31; 41; 51; 61) besteht.
9. Auslösesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung eines vorgegebenen Auslösestromes zwischen den wärmeaustauschenden Flächen der Wärmequelle und des thermomechanischen Wandlers (21; 31; 41; 51; 61) eine Zwischenschicht ausgewählter Wärmeleitfähigkeit, Dicke und Auflagefläche eingefügt wird.
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