EP0199668B1

EP0199668B1 - Strombegrenzende Schalteinheit mit einer Kontaktbrückenanordnung

Info

Publication number: EP0199668B1
Application number: EP86730061A
Authority: EP
Inventors: John M. Brown; David P. Mcclellan; Gustave E. Heberlein, Jr.
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1985-04-01
Filing date: 1986-04-01
Publication date: 1992-03-04
Anticipated expiration: 2006-04-01
Also published as: JPS61227340A; EP0199668A3; US4633207A; AU578000B2; DE3684032D1; AU5532786A; EP0199668A2; BR8601438A; ZA862312B

Description

Die Erfindung betrifft eine strombegrenzende Schalteinheit mit folgenden Merkmalen:

eine feststehende Kontaktanordnung mit zwei Kontakten;
eine zwischen einer geöffneten Stellung und einer geschlossenen Stellung bewegbare Kontaktbrückenanordnung mit einer Kontaktbrücke, die in der geschlossenen Stellung in Berührung mit der feststehenden Kontaktanordnung steht;
ein mit der Kontaktbrücke verbundener Kontaktträger zur Führung der Kontaktbrücke beim Öffnen und Schließen der Kontakte;
eine Einrichtung zur sprungartigen Verringerung der auf die Kontaktbrücke in der Richtung der geschlossenen Stellung wirkenden Vorspannkraft nach Durchlaufen eines bestimmten Teiles des Öffnungsweges der bewegbaren Kontaktbrückenanordnung sowie
wenigstens eine magnetische Ankeranordnung zur Verringerung der Kontaktkraft in Abhängigkeit von dem die Schalteinheit durchfließenden Strom.

Eine strombegrenzende Schalteinheit mit diesen Merkmalen ist durch die EP-A-0 021 882 bekannt geworden. Die Einrichtung zur sprungartigen Verringerung der auf die Kontaktbrücke wirkenden Vorspannkraft weist dabei zwei unter der Wirkung einer Federkraft stehende Sperrklinken auf, die im Ruhezustand an Arbeitsflächen eines durch einen Antriebsmechanismus bewegbaren Mitnehmers anliegen. Wird die Kontaktbrücke unter dem Einfluß einer elektrodynamischen Kraft aus der geschlossenen Stellung abgehoben, so geschieht dies unter Verschiebung gegen die Kraft einer Feder, wobei Führungsteile der Kontaktbrücke gegen die Sperrklinken stoßen und diese aus ihrer Sperrstellung lösen. Im folgenden kann sich die Kontaktbrücke unter dem Einfluß der erwähnten elektrodynamischen Kraft ungehindert in ihre Öffnungsstellung bewegen.
Die zusätzlich vorgesehene magnetische Ankeranordnung wirkt in der Weise, daß auf die Kontaktbrücke gleichfalls eine vom Strom abhängige Öffnungskraft einwirkt. Die von der Ankeranordnung ausgehende Kraft bewirkt somit gleichfalls eine Verschiebung der Kontaktbrücke entgegen der auf die Kontaktbrücke wirkenden Federkraft und betätigt damit gleichfalls die Sperrklinken.
Aufgrund der Anordnung von Sperrklinken hat die bekannte strombegrenzende Schalteinheit die Eigenschaft, daß die schlagartige Öffnung der Kontaktbrücke bei einem bestimmten Öffnungsweg der Kontaktbrücke nach der Abhebung aus ihrer Schließstellung unter dem Einfluß elektrodynamischer und/oder elektromagnetischer Kräfte beginnt. Jedoch ist die Reibung der Sperrklinken an ihren Gegenflächen um so stärker, je stärker die abhebenden Kräfte sind. Auch unterliegen Sperrklinken und Gegenflächen einem Verschleiß.
Eine andere bekannte strombegrenzende Schalteinheit (EP-A-0 072 285) weist anstelle von Sperrklinken ein Kugelgesperre auf. Zwei Kugeln befinden sich dabei in einem mit der Kontaktbrücke verbundenen Käfig, während die außenliegenden Kugelteile in Ausnehmungen gefederter Zungen eingreifen. Diese Anordnung hat gleichfalls die Eigenschaft einer schlagartigen Freigabe der Kontaktbrücke, sobald die auf die Kontaktbrücke wirkenden Öffnungskräfte eine bestimmte Größe überschreiten. Gegenüber einer mit Sperrklinken arbeitenden Einrichtung der zuvor erörterten Art ist bei der Verwendung von Kugeln eine geringere Reibungskraft zu erwarten, deren Größe jedoch in Abhängigkeit von der Größe der jeweils auftretenden Kräfte gleichfalls unterschiedlich groß sein kann.
Der Erfindung liegt, ausgehend von einer strombegrenzenden Schalteinheit nach der EP-A-0 021 882 die Aufgabe zugrunde, die strombegrenzende Schalteinheit so auszubilden, daß sie unter Beibehaltung einer ausreichenden Kontaktkraft im geschlossenen Zustand sowohl auf Überströme relativ geringer Höhe als auch auf Überströme großer Höhe rasch anspricht und daß die Ansprechgrenze der Schalteinheit über die Lebensdauer des Gerätes weitgehend unverändert erhalten bleibt.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch folgende Merkmale gelöst:

die Einrichtung zur sprunghaften Verringerung der Vorspannkraft umfaßt eine an dem Kontaktträger angeordnete Nockenfläche,
wenigstens eine an dem Kontaktträger geführte Trägerrolle sowie wenigstens eine die Trägerrolle gegen die Nockenfläche vorspannende Feder, wobei die Nockenfläche zu der beim Öffnen und Schließen der Kontaktbrückenanordnung aufretenden Bewegungsrichtung geneigt angeordnet ist,
der Kontaktträger besitzt anschließend an die erste Nockenfläche eine zweite Nockenfläche mit einer gegenüber der ersten Nockenfläche geringeren Neigung zu der beim Öffnen und Schließen der Kontaktbrückenanordnung aufretenden Bewegungsrichtung;
die Neigung der Nockenflächen ist derart unterschiedlich gewählt, daß sich die auf den Kontaktträger wirkende, durch die Trägerrolle übertragene Kraft beim Übergang der Trägerrolle von der ersten Nockenfläche auf die zweite Nockenfläche sprungartig ändert;
die magnetische Ankeranordnung ist an einem Tragrahmen schwenkbar gelagert und mit ihrem freien Ende wenigstens einem Magnetteil gegenüberstehend angeordnet, das durch den die feststehende Kontaktanordnung durchfließenden Strom erregt ist;
die magnetische Ankeranordnung besitzt ein nahe der Trägerrolle angeordnetes Schwenklager und einen gegabelten Endabschnitt zum Hintergreifen einer Rollenwelle der Trägerrolle zwecks Entlastung der Trägerrolle von der Vorspannkraft in Abhängigkeit von dem die Schalteinheit durchfließenden Strom.

Die Trägerrollen bilden in Verbindung mit den Nockenflächen eine praktisch verschleißfrei arbeitende Einrichtung mit einem ausgeprägten Schwellwert der Ansprechkraft. Die magnetische Ankeranordnung wirkt mit der Rollenanordnung in der Weise zusammen, daß nicht einfach die auf die Kontaktbrücke wirkende Abhebekraft vergrößert wird, sondern daß die Vorspannkraft verringer wird, mit der die Trägerrollen an den Nockenflächen anliegen. Durch die Lage der Drehachse der Ankeranordnung ist eine Kraftübersetzung wirksam, die es gestattet, relativ geringe Magnetkräfte zur Beeinflussung der strombegrenzenden Abschaltung auszunutzen. Auf diese Weise wird eine strombegrenzende Schalteinheit geschaffen, die gleichermaßen auf niedrige und hohe Überströme anspricht und die ihre strombegrenzenden Eigenschaften im wesentlichen unverändert beibehält.
Ein vorteilhafter mechanischer Aufbau der Schalteinheit ist nach einer Weiterbildung der Erfindung dadurch zu erzielen, daß zwei an dem Kontaktträger in symmetrischer Anordnung angreifende Trägerrollen vorgesehen sind, die auf je einer Rollenwelle angebracht sind, wobei die Rollenwellen in Ausnehmungen eines Tragrahmens quer zur Bewegungsrichtung der Kontaktbrückenanordnung beim Öffnen und Schließen verschiebbar geführt und durch zwei symmetrisch beidseitig der Trägerrollen angeordnete Schraubenzugfedern gegeneinander vorgespannt sind. Eine solche symmetrische Anordnung wirkt sich günstig auf den Bewegungsablauf aus, weil Verkantungen vermieden werden.
Für den Toleranzausgleich wirkt es sich in einer noch zu beschreibenden Weise günstig aus, wenn die Ankeranordnung durch eine Federkraft in Richtung auf das Magnetteil der feststehenden Kontaktanordnung vorgespannt ist.
Zwischen einem Gehäuse der Schalteinheit und der Kontaktbrückenanordnung kann eine in Richtung der geschlossenen Stellung der Kontakt wirkende Feder angeordnet sein. Hierdurch wird eine Rückstellkraft auch in dem Fall bereitgestellt, daß die erwähnte zweite Nockefläche mit sehr geringer oder fehlender Neigung zu der Bewegungsrichtung der Kontaktbrückenanordnung ausgebildet ist.
In dem Gehäuse der Schalteinheit kann wenigstens ein Abstandsblock angeordnet sein, der eine Nut zur Führung des Kontaktträgers sowie die Ankeranordnung mit Abstand umgreifende Abschnitte aufweist, von denen sich der eine zwischen dem Kontaktträger und der Ankeranordnung befindet. Der Abstandsblock nimmt somit die Funktionen der Führung und des Schutzes von Bauteilen der Schalteinheit wahr.
Die Erfindung wird im folgenden anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Die Figur 1 zeigt eine strombegrenzend wirkende Schalteinheit in einem Längsschnitt.
Die Figur 2 ist ein Längsschnitt im wesentlichen entlang der Linie II-II in der Figur 1, zur genaueren Darstellung bestimmter Bauteile.
Die Figur 3 ist ein Schnitt im wesentlichen entlang der Linie III-III in Figur 1 zur genaueren Darstellung weiterer Bauteile.
Die Figur 4 ist eine perspektivische Ansicht einer Kontaktträgeranordnung in isometrischer Darstellung.
Die Figur 5 ist eine perspektivische Ansicht einer feststehenden Kontaktanordnung in isometrischer Darstellung.
In der Figur 6 ist ein Längsschnitt der feststehenden Kontaktanordnung entlang der Linie VI-VI in Figur 5 gezeigt.
Die Figur 7 ist ein Querschnitt entlang der Linie VII-VII in Figur 6.
Die Figur 8 ist eine Draufsicht auf einen Eingangsarm der feststehenden Kontaktanordnung.
In der Figur 9 ist eine Seitenansicht des Eingangsarmes gemäß der Figur 8 gezeigt.
Die Figur 10 ist eine Draufsicht auf einen Ausgangsarm der feststehenden Kontaktanordnung.
In der Figur 11 ist eine Seitenansicht des Ausgangsarmes der feststehenden Kontaktanordnung gemäß der Figur 10 dargestellt.
In der Figur 1 ist eine strombegrenzende Schalteinheit 10 gezeigt, die als integraler Bestandteil eines Niederspannungs-Leistungsschalters ausgebildet sein kann oder die eine an einen vorhandenen Niederspannungs-Leistungsschalter anfügbare Einheit bilden kann, um das Abschaltvermögen des Leistungsschalters zu vergrößern. Die strombegrenzende Schalteinheit 10 enthält eine feststehende Kontaktanordnung 12, eine bewegbare Kontaktbrückenanordnung 14 mit einer Kontaktbrücke 15 und eine Trägeranordnung 16. Mit einem Doppelpfeil 17 ist die Bewegungsrichtung der Kontaktbrücke 15 beim Öffnen und Schließen bezeichnet. Eine Lichtbogenkammer 18 dient zur Lichtbogenlöschung in bekannter Art. Die Trägeranordnung 16 übt eine Schließkraft auf die Kontaktbrückenanordnung 14 aus, um die bewegbaren und feststehenden Kontakte in ihre geschlossene Stellung zu bringen, in der die Kontakte einander berühren. Aufgrund eines relativ niedrigen Überstromes verringern Ankeranordnungen 36 und 38 die im Sinn des Schließens wirkende Vorspannkraft der Trägeranordnung 16 auf die Kontaktbrückenanordnung und ermöglichen ein rasches und zuverlässiges Öffnen. Bei einem hohen Überstrom werden die Kontakte durch unmittelbar an den Kontakten auftretende Kräfte getrennt. Die beim Trennen der Kontakte entstehenden Lichtbögen werden in die Lichtbogenkammer 18 geleitet und dort gelöscht.
Gemäß den Figuren 5 bis 11 enthält die feststehende Kontaktanordnung 12 einen Eingangsarm 20, einen Ausgangsarm 22, einen Eingangskontakt 24, der am Ende des Eingangsarmes 20 angebracht ist, sowie einen Ausgangskontakt 26, der an dem Ende des Ausgangsarmes 22 angebracht ist. Der Eingangsarm und der Ausgangsarm sind in ein Kapselungsmaterial 28 eingeschlossen, das die Kontaktarme voneinander elektrisch isoliert. Ferner sind in das Kapselungsmaterial ein erstes Magnetteil 30 und ein zweites Magnetteil 32 eingebettet, die gegeneinander und gegenüber jedem der Kontaktarme durch das Kapselungsmaterial 28 isoliert sind. Das erste Magnetteil 30 ist vorzugsweise zwischen dem Eingangsarm 20 und dem Ausgangsarm (22) angeordnet und befindet sich mittig dazwischen, so daß es sich zwischen dem Eingangskontakt 24 und dem Ausgangskontakt 26 befindet, die zur ordnungsgemäßen Kontaktgabe mit der Kontaktbrückenanordnung 14 aus dem Kapselungsmaterial 28 herausragend angeordnet sind. Eine Kante oder Fläche des Magnetteils 30 ragt durch das Kapselungsmaterial 28 hindurch. Wird auch das zweite Magnetteil 32 benutzt, so ist es vorzugsweise unterhalb des Eingangsarmes 20 angeordnet. Das zweite Magnetteil 32 erhält hierbei seinen Platz am Boden der feststehenden Kontaktanordnung 12.
Wie die Figur 10 zeigt, besitzt der Ausgangsarm 22 eine Öffnung 34 einer zur Aufnahme eines Teiles des Eingangsarmes 20 ausreichenden Größe. Der Ausgangskontakt 26 ist an einem Ende des Kontaktarmes 22 befestigt, während das andere Ende des Kontaktarmes 22 eine zur Verbindung mit dem Leistungsschalter mittels eines biegsamen Leiters oder anderer Mittel geeignete Gestaltung aufweist. Das Ende des Ausgangsarmes 22, an dem der Ausgangskontakt 26 angebracht ist, erstreckt sich winklig nach oben. Durch diese Anordnung ragt der Kontakt 26 im eingebauten Zustand aus dem Kapsel lungsmaterial 28 heraus.
Aus den Figuren 8 und 9 geht hervor, daß der Eingangskontakt 24 an einem Ende des Eingangsarmes 20 angebracht ist. Das andere Ende des Eingangsarmes ist zur Verbindung mit einer Eingangsleitung ausgebildet. Der Eingangsarm ist aus einem flachen Metallstück geformt und besitzt drei Biegungen. Die erste Biegung erstreckt sich abwärts von der Horizontalen, die zweite Biegung bringt das Metall zur horizontalen Stellung zurück und die dritte Biegung erstreckt das Metall winklig nach oben, so daß der Kontakt 24 annähernd auf derselben horizontalen Ebene liegt, wie der Anschlußteil des Kontaktarmes 20. Die drei Biegungen teilen den Kontaktarm 20 in zwei Abschnitte, und zwar einen horizontalen Anschlußabschnitt und einen im wesentlichen U-förmigen Abschnitt, an dessen einem Schenkel der Eingangskontakt 24 befestigt ist. Der diesen Kontakt 24 aufweisende Abschnitt des Eingangsarmes 20 ist schmaler als der übrige Teil des Eingangsarmes gestaltet. Hierdurch kann der schmalere Teil des Eingangsarmes 20 durch die Öffnung 34 des Ausgangsarmes 22 eingeführt werden. Beide Kontakte 24 und 26 können somit dieselbe horizontale Ebene einnehmen. Aufgrund dieser Konstruktion wird ein zweifacher Stompfad geschaffen, derart, daß der in den Eingangsarm 20 eintretende Strom den Eingangsarm bis zum Kontakt 24 durchfließt, vom Kontakt 24 durch die Kontaktbrückenanordnung 14 hindurchtritt und dann durch den Kontakt 26 zu dem Ausgangsarm 22 und zu dem Leistungsschalter übergeht. Der Stromfluß in dem Eingangsarm erfolgt ebenso wie in dem Ausgangsarm nach rechts in den Zeichnungsfiguren, während der Stromfluß in der Kontaktbrückenanordnung 14 in der entgegengesetzten Richtung verläuft. Infolgedessen erzeugt der Strom in jedem der Kontaktarme eine im Sinn der Öffnung wirkende Stromkraft. Die kombinierte Stromkraft beträgt dann das doppelte der üblichen Öffnungskraft für einen gegebenen Strom. Beim Fließen des Stromes durch die Kontaktarme 20 und 22 wird außerdem ein magnetisches Feld um die Magnetteile 30 und 32 herum gebildet.
Wie die Figur 3 zeigt, weist die Schalteinheit 10 eine erste magnetische Ankeranordnung 36 und eine zweite magnetische Ankeranordnung 38 auf, die an einem Ende mit der Trägeranordnung 16 verbunden sind, wobei das andere Ende sich nach abwärts in die Nähe der feststehenden Kontaktanordnung 12 erstreckt. Jede der magnetischen Ankeranordnungen 36 und 38 besitzt eine Blattfeder 40 bzw. 42, die zur Vorspannung der Ankerarme in Richtung der feststehenden Kontaktanordnung 12 vorgesehen ist. Das freie Ende jeder Ankeranordnung erstreckt sich in die Nähe der Magnetteile 30 und 32 der feststehenden Kontaktanordnung 12. Wie zuvor erwähnt, besteht während eines Überstromes ein magnetisches Feld in der Umgebung dieser Magnetteile. Dieses Magnetfeld zieht das freie Ende jeder Ankeranordnung in Richtung der feststehenden Kontaktanordnung 12 an, wodurch, wie noch ausführlich erläutert wird, die Schließkraft verringert wird und dadurch die Kontakte in die Lage versetzt werden, unter dem Einfluß relativ niedriger Überströme rascher zu öffnen.
In den Figuren 3 und 4 ist dargestellt, daß die Kontaktträgeranordnung 16 einen Kontaktträger 44 aufweist, der von Trägerrollen 46 und 48 erfaßt ist, die jeweils durch Rollenwellen 50 und 52 gestützt sind. Die Enden der Rollenwellen sind in Langlöchern 55 eines Tragrahmens 54 so geführt, daß sie quer zur Bewegungsrichtung der Kontaktbrücke 15 und ihres Kontaktträgers 44 (Pfeil 17) verschiebbar sind.
Der Tragrahmen 54 ist aus einem Stahlteil derart geformt, daß der Mittelteil des Metalls eine U-förmige Gestaltung aufweist, wobei sich von den Schenkeln des "U" Füße erstrecken zur Verankerung des Tragrahmens an dem Gehäuse 11 der Schalteinheit 10 bzw. eines Leistungsschalters. Der Tragrahmen 54 besitzt eine Öffnung in dem Boden des U-förmigen Teiles einer solchen Größe und Gestaltung, daß sie zur Aufnahme des Kontaktträgers 44 ausreicht. Der Tragrahmen 54 besitzt ferner Langlöcher 55 oder andere Öffnungen in den Schenkeln des U-förmigen Teils solcher Größe und Ausgestaltung, daß sie zur Aufnahme der Enden der Rollenwellen 50 und 52 ausreichen. Die Trägerrollen 46 und 48 sind mittig an den Rollenwellen 50 und 52 angebracht. In symmetrischer Anordnung beidseitig der Trägerrollen 46 und 48 sind die Rollenwellen 50 und 52 durch Schraubenzugfedern 56 und 58 gegeneinander vorgespannt.
Der Kontaktträger 44 befindet sich zwischen den Trägerrollen 46 und 48 und steht unter der Wirkung der Schraubenzugfedern 56 und 58, welche die Trägerrollen 46 und 48 zueinander zu ziehen bestrebt sind. Wie gezeigt, besitzt der Kontaktträger 44 eine erste Nockenfläche 60 und eine zweite Nockenfläche 62. In dem Ausführungsbeispiel sind die Nockenflächen 60 und 62 in unterschiedlichem Maß nach innen zu der Bewegungsrichtung (Pfeil 17) des Kontaktträgers 44 derart geneigt, daß die Trägerrollen 46 und 48 den geringsten Abstand zueinander einnehmen, wenn sich die Kontakte in der in der Figur gezeigten geschlossenen Stellung befinden. Die Trägerrollen 46 und 48 werden voneinander entfernt, wenn die Kontakte in die geöffnete Stellung gelangen. In der dargestellten geschlossenen Stellung der Schalteinheit 10 liegen die Trägerrollen 46 und 48 an den Nockenflächen 60 mit der stärkeren Neigung an und üben auf den Kontaktträger 44 die erforderliche Kontaktkraft aus. In der geöffneten Stellung ist der Kontaktträger 44 in der Zeichnung vertikal nach oben soweit verschoben, daß die Trägerrollen 46 und 48 an der jeweils zugeordneten zweiten Nockenfläche 62 anliegen. In dieser Lage der Teile wird auf den Kontaktträger infolge der geringeren Neigung der Nockenflächen 62 nur eine sehr geringe Kraft in Richtung der geschlossenen Stellung ausgeübt. Die Verinderung der Kraftwirkung auf den Kontaktträger 44 geschieht sprungartig, wenn die Trägerrollen 46 und 48 den Übergangsbereich zwischen den Nockenflächen 60 und 62 überqueren.
Die zweite Nockenfläche 62 kann vertikal, d. h. ohne Neigung zur Bewegungsrichtung der Kontaktbrücke 15 angeordnet werden. Ein Vorteil einer nicht vertikalen Stellung besteht darin, daß stets eine Vorspannkraft entsteht, so daß nach Unterbrechung eines Überstromes oder einer anderweitig bewirkten Öffnung der Kontakte eine Kraft zur Rückstellung des Kontaktträgers 44 in die geschlossene Stellung vorhanden ist.
Der Kontaktträger 44 kann eine Ausnehmung 64 für den Angriff einer Rückstellfeder 66 aufweisen, die zwischen dem Kontaktträger 44 und dem Gehäuse 11 der Schalteinheit angeordnet ist. Diese Feder kann wahlweise benutzt werden und ist nützlich zur Bereitstellung einer Rückstellkraft auf den Kontaktträger 44, nachdem die Kontakte aufgrund eines Überstromes geöffnet worden sind. Die Feder kann als Ergänzung der durch die Trägerrollen und die zweiten Nockenflächen 62 erzeugten Kraft benutzt werden, oder sie kann allein verwendet werden in Fällen, wo die Nockenflächen 62 ohne Neigung zur Bewegungsrichtung ausgeführt sind. Die Feder 66 stellt sicher, daß die Vorspannkraft in Schließrichtung unabhängig von Einflüssen wie Verschmutzung, Fremdkörpern oder andere Ursachen vorhanden ist.
Jede der Ankeranordnungen 36 und 38 erstreckt sich mit ihrem freien Ende in den Bereich der feststehenden Kontaktanordnung 12 und wird durch die Magnetteile 30 und 32 aufgrund von Überströmen angezogen. Beide Ankeranordnungen sind durch ein flaches Stahlteil gebildet, das an zwei Stellen zur Bildung einer gestuften Gestalt an einem Ende gebogen ist. Das freie Ende jeder Ankeranordnung kann mit einem Ansatzstück 37 bzw. 39 versehen sein, um das Ansprechen auf das durch die Magnetteile 30 und 32 gebildete Magnetfeld zu verbessern. An ihrem den Ansatzstücken 37 und 39 gegenüberliegenden Ende sind die Ankeranordnungen zweifach gegensinnig abgewinkelt, wobei die erste Abwinklung zur Mittellinie der Anordnung weist. Der aufwärts gerichtete Endabschnitt 36a bzw. 38a jeder Ankeranordnung ist durch eine Nut oder Rille gegabelt ausgebildet. In der Figur 4 ist eine Nut 36b erkennbar. Aufgrund der gegabelten Ausbildung übergreift jede Ankeranordnung die zugehörige Trägerrolle 46 bzw. 48. Unmittelbar neben den Gabelzinken der Endabschnitte 36a und 38a liegen die Schraubenzugfedern 56 und 58. Zugleich greift jeder gegabelte Endabschnitt 36a und 38a hinter die zugehörige Rollenwelle 50 bzw. 52. Hierdurch ist die Möglichkeit geschaffen, daß jede Ankeranordnung aufgrund ihrer schneidenartigen Lagerung an dem Tragrahmen 54 nahe der zugehörigen Trägerrolle diese von dem Kontaktträger abheben bzw. deren Kraftwirkung auf den Kontaktträger 44 verringern kann. Da die Ankeranordnungen 36 und 38 in Verbindung mit den Magnetteilen 30 und 32 bereits auf Überströme relativ geringer Höhe ansprechen, ist eine rasche Kontaktöffnung auch bei solchen Überströmen gewährleistet.
Wie insbesondere die Figur 2 zeigt, sind linke und rechte Abstandsblöcke 68 und 70 in dem Gehäuse 11 der Schalteinheit 10 angeordnet, die aus einem festem Isolierstoff, z. B. aus Polyesterharz mit Glasfaserverstärkung, hergestellt sind und als Führungsteile für den Kontaktträger 44 bei der Öffnungs- und Schließbewegung und zur Aufrechterhaltung der Trennung zwischen den Magnetteilen 30 und 32 und den Ankeranordnungen 36 und 38 wirken. Die Abstandblöcke 68 und 70 sind einander gleich, jedoch wird zur Erleichterung der Beschreibung nur der linke Block 68 beschrieben. Der Abstandsblock 68 hat im wesentlichen die Querschnittsform eines I, ähnlich der Querschnittsform eines I-Stahles. Die Kopf- und Fußschenkel des I sind gleich, jedoch ist der vertikale Mittelteil des I nach rechts verschoben, so daß der zwischen dem Kopf- und Fußschenkel verbleibende Raum auf der linken Seite größer ist als auch der gegenüberliegenden Seite. Ferner besitzt die rechte Seite des Mittelteiles eine Nut 69.
Der Abstandsblock 68 ist in dem Gehäuse der Schalteinheit 10 zwischen der Ankeranordnung 36 und dem Kontaktträger 44 angeordnet, so daß der Kontaktträger 44 in der Nut 69 des Abstandsblockes 68 gleiten kann. Auf diese Weise führt die Nut 69 den Kontaktträger 44 während seiner Aufwärts- und Abwärtsbewegung beim Öffnen und Schließen.
Die Ankeranordnung 36 erstreckt sich durch den Raum zwischen der Wand des Gehäuses 11 der Schalteinheit 10 und dem vertikalen Mittelteil der I-Form. Dieser Bereich kann als eine große Nut betrachtet werden, welche die Ankeranordnung seitlich führt und die weitere wichtige Funktion beinhaltet, den Anker an der Berührung mit den Magnetteilen 30 und 32 zu hindern. Diese Funktionen sind wichtig, da der Kontaktträger 44 als relativ dünnes Metallteil hergestellt ist, der bei der Berührung mit den Rollen verkantet werden kann, was die Öffnungs- und Schließcharakteristik des Schalters stark verändern würde. Der Abstandsblock 68 bzw. 70 stellt somit ein Mittel zur Führung des Kontaktträgers 44 dar, und verbessert hierdurch die Ansprechgenauigkeit der Schalteinheit.
Wie man erkennt, hat die von den Schraubenzugfedern 56 und 58 ausgeübte Kraft die Neigung, die Trägerrollen 46 und 48 in Richtung der Mittellinie der Trägeranordnung 16 zu ziehen. Da die Ankeranordnungen 36 und 38 mit den Rollenwellen 50 und 52 im Eingriff stehen, wirkt auf jede Ankeranordnung eine Kraft, die das gegabelte Ende 36a bzw. 38a in Richtung der Mitte der Trägeranordnung ziehen möchte. Diese Kraft macht sich infolge der schneidenartigen Lagerung der Ankeranordnungen unterhalb der gegabelten Endabschnitte 36a bzw. 38a im Sinne einer Entfernung der Ansätze 37 und 39 von den Magnetteilen 30 und 32 bemerkbar. Eine an jeder der Ankeranordnungen 36 und 38 angebrachte Blattfeder 40 bzw. 41, übt eine leichte Kraft im Sinne der Vorspannung der Ankeranordnungen zur Mittellinie des Kontaktträgers aus. Diese Blattfedern gleichen Toleranzunterschiede in der Anordnung aus und stellen sicher, daß die Ankeranordnungen 36 und 38 in Richtung der Polflächen der Magnetteile 30 und 32 vorgespannt sind. Es ist zu bemerken, daß die beschriebene Schalteinheit wirtschaftlich hergestellt werden kann, weil Herstellungstoleranzen durch die Anwendung der Blattfedern 40 und 41 ausgeglichen werden. Selbst wenn die Oberfläche der Trägerrollen und die Oberflächen der Rollenwellen und des gegabelten Endes der Ankeranordnungen als Präzisionsteile hergestellt würden, könnte es dennoch Maßabweichungen geben, beispielsweise aufgrund von Verschmutzung oder Fremdkörpern, was einen größeren als den gewünschten Abstand der Ansatzstücke 37 und 39 der Ankeranordnungen von den Magnetteilen 30 und 32 bewirken könnte. Die Blattfedern sorgen dafür, daß die Ankeranordnungen auf relativ niedrige Überströme ordnungsgemäß ansprechen. Zugleich werden Geräusche vermieden.
Die wesentlichen Eigenschaften der vorstehend beschriebenen Schalteinheit werden in der folgenden Zusammenfassung nochmals verdeutlicht.
Im normalen Betrieb ist die Schalteinheit 10 eingeschaltet, wobei sich die feststehende Kontaktanordnung 12 und die Brückenkontaktanordnung 14 in Berührung miteinander befinden. Eine auf die Kontakte ausgeübte ausreichende Kontaktkraft bringt den Kontaktwiderstand und die Kontakterwärmung aufgrund des Widerstandes beim Fließen des Stromes auf ein Minimum. Die Kontaktkraft wird durch Schraubenzugfedern 56 und 58 aufgebracht, die auf die Rollenwellen 50 und 52 und die Rollen 46 und 48 eine Kraft ausüben, die ihrerseits eine Kraft auf den Kontaktträger 44 durch Einwirkung auf die Nockenflächen 60 ausüben. Diese Kraft erhält die benötigte Kontaktkraft aufrecht, um eine möglichst geringe Erwärmung aufgrund des Kontaktwiderstandes sicherzustellen. Der normale Strom fließt über den Eingangsarm 20, den Eingangskontakt 24 und die Brückenkontaktanordnung 14 sowie durch den Ausgangskontakt 26 und den Ausgangsarm 22. Hierdurch wird ein einsinniger Stromfluß in dem eingekapselten Teil der feststehenden Kontaktanordnung 12 gebildet. In dem Eingangsarm und in dem Ausgangsarm fließt der Strom in derselben Richtung. Dies ergibt für einen Strom gegebener Große das zweifache Magnetfeld. Durch die Kontaktbrückenanordnung 14 fließt der Strom in der entgegengesetzten Richtunq wie in den feststehenden Kontaktarmen 20 und 22. Dies erzeugt eine elektromagnetische Abstoßungskraft, die bei ausreichend hohen Strömen die bewegbare Kontaktbrückenanordnung 14 von der feststehenden Kontaktanordnung 12 abhebt.
Nimmt der durch den Schalter fließende Strom zu, so erregt der durch die feststehende Kontaktanordnung 12 fließende Strom die Magnetteile 30 und 32 in einem ausreichenden Maß, um ein die Ankeranordnungen 36 und 38 anziehendes Magnetfeld zu erzeugen. Die Magnetteile und der Luftspalt zwischen den Magnetteilen und den Ankeranordnungen sind so berechnet, daß sich der Anker bei einem vorbestimmten Pegel des Stromes in Richtung der Magnetteile bewegt. Dabei werden die gegabelten Endabschnitte 36a und 38a von der Mittellinie der Trägeranordnung gegen die Kraft der Schraubenzugfedern 56 und 58 geschwenkt. Dies verringert die abwärts gerichtete Vorspannkraft auf den Träger 44 und somit die auf die bewegbare Kontaktbrückenanordnung 14 wirkende Kraft. Dies verringert zugleich die magnetische Abstoßungskraft, die zur Trennung der feste und bewegbaren Kontakte benötigt wird. Diese Vorgänge ermöglichen daher eine Kontaktöffnung aufgrund eines Überstromes relativ geringer Höhe. Sobald im Verlauf des Öffnungsvorganges die Trägerrollen 46 und 48 die erste Nockenfläche 60 überqueren und sich dem Übergangsbereich zwischen der ersten und der zweiten Nockenfläche 62 nähern, wird die auf den Kontaktträger wirkende abwärts gerichtete Kraft plötzlich und erheblich verringert.
Die Kontaktbrückenanordnung wird hierdurch rasch und zuverlässig von der ortsfesten Kontaktanordnung abgehoben und in die Trennstellung bewegt.
Es kann vorkommen, das anstelle eines Überstromes geringer Höhe ein Überstrom großer Höhe, z. B. ein Kurzschlußstrom, auftritt. In diesem Fall entsteht die magnetische Abstoßungskraft sehr rasch und trennt die Kontakte unmittelbar. Auch bei der stromabhängigen Öffnung öffnen die Kontakte sprungartig rasch und zuverlässig unabhängig von der aufgewandten magnetischen Kraft, wenn die Trägerrollen erst einmal den Übergangsbereich zwischen den Nockenflächen 60 und 62 überquert haben. Während eines Überstromes großer Höhe wirken die magnetischen Abstoßungskräfte sehr rasch und beträchtlich früher als die magnetische Anziehungskraft auf die Ankeranordnungen wirkt. Der Kontaktträger 44 wird in seiner Aufwärts- und Abwärtsbewegung stets durch die Nuten 69 und 71 der Abstandsblöcke 68 und 70 geführt.
Die strombegrenzende Schalteinheit schließt nach der Unterbrechung eines Überstromes selbsttätig aufgrund der kombinierten Wirkung der Schraubenzugfedern 56 und 58 und der Form der zweiten Nockenflächen 62, falls die zweiten Nockenfläche 62 eine von der Vertikalen abweichende Neigung besitzen. Wird bei der Schließbewegung wieder der Übergangsbereich zwischen der ersten Nockenfläche 60 und zweiten Nockenfläche 62 erfaßt, so wird an diesem Punkt die abwärts gerichtete Kraft auf den Kontaktträger 44 plötzlich stark vergrößert, und die Kontakte werden mit der richtigen Kontaktkraft geschlossen. Wie zuvor erwähnt, kann bei anderen Ausführungsformen der Erfindung eine Rückstellfeder 66 benutzt werden, um gleichfalls eine abwärts gerichtete Vorspannkraft bereitzustellen, welche die Kontakte in die geschlossene Stellung vorspannt. Jede der beiden Ausführungen ist anwendbar und ausreichend; es können auch beide in Kombination miteinander benutzt werden.
Wie zuvor erwähnt, werden während eines Überstromes geringer Höhe die Ankeranordnungen angezogen und wirken im Sinne einer Verringerung der abwärts wirkenden Kraft. Aufgrund eines hohen Überstromes wird der Stromkreis jedoch geöffnet, bevor die Ankeranordnungen wirksam werden können. Die Anker werden aber durch den kurzen Stromfluß angezogen, der ein magnetisches Feld erzeugt, obwohl der Stromkreis geöffnet ist, bevor die Ankeranordnungen Gelegenheit zu einer Bewegung haben. Die Anker sprechen darauf an und verringern die auf den Kontaktträger 44 durch die Schraubenzugfedern wirkende abwärts gerichtete Vorspannkraft. Diese verringerte Kraft besteht solange, bis die anziehende Kraft der Ankeranordnungen aufgehoben ist. Diese Kraft ist eine Funktion der Größe des Überstromes. Somit besteht die anziehende Kraft um so länger, je höher der Überstrom ist. Auf diese Weise wird der Schalter am Schließen gehindert, bevor der Überstrom aufhört. In dem Maß, wie der Überstrom abklingt, läßt die Kraft der Anker nach, und die auf den Kontaktträger 44 wirkende abwärts gerichtete Kraft nimmt wieder zu, bis schließlich die Kontakte schließen. Wiederum schließen sich die Kontakte durch eine Schnappbewegung, wenn der Träger 44 erst einmal die Stellung erreicht hat, in der die Trägerrollen 46 und 48 den Übergangsbereich zwischen der ersten und der zweiten Nockenfläche erfassen.
In einem ausgeführten Modell der Erfindung war der in Verbindung mit der strombegrenzenden Schalteinheit zu benutzende Leistungsschalter für den Betrieb bei 600 A bemessen. Das Unterbrechungsvermögen der strombegrenzenden Schalteinheit nach der Erfindung lag oberhalb von 100 000 A bei 480 V Wechselspannung. Die Brückenkontaktanordnung zur Unterbrechung dieses außerordentlich hohen Stromes hat ein beträchtliches Gewicht, was ein leichtes Abheben der Brückkontaktanordnung 14 behindert. Bei diesem Modell würden sich die Kontakte normalerweise bei etwa 8000 A für einen Überstrom geringer Höhe öffnen, die Magnetanordnung bewirkt jedoch eine Verringerung des Pegels auf etwa 6000 A.

Claims

Strombegrenzende Schalteinheit (10) mit folgenden Merkmalen:
- eine feststehende Kontaktanordnung (12) mit zwei Kontakten (24, 26);

- eine zwischen einer geöffneten Stellung und einer geschlossenen Stellung bewegbare Kontaktbrückenanordnung (14) mit einer Kontaktbrücke (15), die in der geschlossenen Stellung in Berührung mit der feststehenden Kontaktanordnung (12) steht;

- ein mit der Kontaktbrücke (15) verbundener Kontaktträger (44) zur Führung der Kontaktbrücke (15) beim Öffnen und Schließen der Kontakte;

- eine Einrichtung zur sprungartigen Verringerung der auf die Kontaktbrücke (15) in der Richtung der geschlossenen Stellung wirkenden Vorspannkraft nach Durchlaufen eines bestimmten Teiles des Öffnungsweges der bewegbaren Kontaktbrückenanordnung (14) sowie

- wenigstens eine magnetische Ankeranordnung (36, 38) zur Verringerung der Kontaktkraft in Abhängigkeit von dem die Schalteinheit (10) durchfließenden Strom,
gekennzeichnet durch folgende weitere Merkmale:
- die Einrichtung zur sprunghaften Verringerung der Vorspannkraft umfaßt eine an dem Kontaktträger (44) angeordnete Nockenfläche (60),

- wenigstens eine an dem Kontaktträger (44) geführte Trägerrolle (46, 48) sowie wenigstens eine die Trägerrolle (46, 48) gegen die Nockenfläche (60) vorspannende Feder (56, 58), wobei die Nockenfläche (60) zu der beim Öffnen und Schließen der Kontaktbrückenanordnung (14) auftretenden Bewegungsrichtung (17) geneigt angeordnet ist,

- der Kontaktträger (44) besitzt anschließend an die erste Nockenfläche (60) eine zweite Nockenfläche (62) mit einer gegenüber der ersten Nockenfläche (60) geringeren Neigung zu der beim Öffnen und Schließen der Kontaktbrückenanordnung (14) auftretenden Bewegungsrichtung (17);

- die Neigung der Nockenflächen (60, 62) ist derart unterschiedlich gewählt, daß sich die auf den Kontaktträger (44) wirkende, durch die Trägerrolle (46, 48) übertragene Kraft beim Übergang der Trägerrolle (46, 48) von der ersten Nockenfläche (60) auf die zweite Nockenfläche (62) sprungartig ändert;

- die magnetische Ankeranordnung (36, 38) ist an einem Tragrahmen (54) schwenkbar gelagert und mit ihrem freien Ende wenigstens einem Magnetteil (30, 32) gegenüberstehend angeordnet, das durch den die feststehende Kontaktanordnung (12) durchfließenden Strom erregt ist;

- die magnetische Ankeranordnung (36, 38) besitzt ein nahe der Trägerrolle (46, 48) angeordnetes Schwenklager und einen gegabelten Endabschnitt (36a, 38a), zum Hintergreifen einer Rollenwelle (50, 52) der Trägerrolle (46, 48) zwecks Entlastung der Trägerrolle (46, 48) von der Vorspannkraft in Abhängigkeit von dem die Schalteinheit (10) durchfließenden Strom.
Schalteinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei an dem Kontaktträger (44) in symmetrischer Anordnung angreifende Trägerrollen (46, 48) vorgesehen sind, die auf je einer Rollenwelle (50, 52) angebracht sind, wobei die Rollenwellen (50, 52) in Ausnehmungen des Tragrahmens (54) quer zur Bewegungsrichtung (17) der Kontaktbrückenanordnung (14) beim Öffnen und Schließen verschiebbar geführt und durch zwei symmetrisch beidseitig der Trägerrollen (46, 48) angeordnete Schraubenzugfedern (56, 58) gegeneinander vorgespannt sind.
Schalteinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Ankeranordnung (36, 38) durch eine Federkraft (40, 41) in Richtung auf das Magnetteil (30, 32) der feststehenden Kontaktanordnung (12) vorgespannt ist.
Schalteinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Wandung eines Gehäuses (11) der Schalteinheit (10) und der Kontaktbrückenanordnung (14) eine in Richtung der geschlossenen Stellung der Kontakte wirkende Feder (66) angeordnet ist.
Schalteinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (11) der Schalteinheit (10) wenigstens ein Abstandsblock (68, 70) angeordnet ist, der eine Nut (69, 71) zur Führung des Kontaktträgers (44) sowie die magnetische Ankeranordnung (36, 38) mit Abstand umgreifende Abschnitte aufweist, von denen sich der eine zwischen dem Kontaktträger (44) und der magnetischen Ankeranordnung befindet.