EP0813218A2 - Auslöse-Einrichtung für ein Überstrom-Abschaltgerät - Google Patents

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EP0813218A2
EP0813218A2 EP97890097A EP97890097A EP0813218A2 EP 0813218 A2 EP0813218 A2 EP 0813218A2 EP 97890097 A EP97890097 A EP 97890097A EP 97890097 A EP97890097 A EP 97890097A EP 0813218 A2 EP0813218 A2 EP 0813218A2
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EP
European Patent Office
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armature
tripping
holding force
coil
tripping device
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EP0813218A3 (de
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Tibor Polgar
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Felten and Guilleaume Austria AG
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    • H01H71/24—Electromagnetic mechanisms
    • H01H71/32—Electromagnetic mechanisms having permanently magnetised part

Definitions

  • the invention relates to a tripping device for an overcurrent shutdown device, such as Miniature circuit breaker, comprising a trigger armature which actuates a switch lock and which can be actuated by a coil through which a current to be monitored flows.
  • Fuses are essentially used on overcurrent switch-off devices - they can only be used for a single switch-off process - and on the other hand reusable circuit breakers that can therefore be used several times are used.
  • an overload protection of the above-mentioned designs is normally provided in the supply line before this supply line is divided into a plurality of circuits connected in parallel with one another.
  • Each of these circuits has its own protective devices - usually consisting of personal protection (RCCBs or the like) and system protection (circuit breakers, fuses or the like). If necessary, these circuits can in turn be subdivided into further sub-circuits that are also protected by protective devices.
  • Such a circuit structure results in a series connection of the protective devices of the feed line, circuit and sub-circuit.
  • this selectivity is determined by the heating power required for melting the fuse wire, which is proportional to the square of the current and the duration of the overcurrent.
  • a first device is provided for switching off overcurrents which are only slightly above the nominal system current and act over longer periods of time.
  • the second, so-called short-circuit current triggering is usually implemented by a coil through which the current to be monitored flows and with a movable armature which effects the shutdown.
  • thermal bimetal strips through which the current to be monitored flow are used, which bimetal strips deform in a manner analogous to the fuse wires in proportion to the square of the current and the time and by this deformation enable the switching action of the short-circuit current release with a time delay.
  • the object of the invention is to provide a triggering device of the type mentioned at the outset which has a selective triggering behavior, but for which it has only a few, insensitive and easy-to-install components to be added to the conventional triggering coil.
  • a tripping device for an overcurrent shutdown device such as Miniature circuit breakers, comprising a tripping armature that actuates a switch lock and can be actuated by a coil through which a current to be monitored flows
  • the object is achieved according to the invention in that the tripping armature indirectly by means of at least one elastic coupling element and optionally one or more auxiliary anchors connected to the trigger armature, directly movable from the coil magnetic armature and that the trigger armature is held in its rest position with a predetermined holding force.
  • the holding force is a force generated mechanically, which leads to a robust and compact design of the triggering device according to the invention.
  • the holding force is a static friction force which can be generated by components in contact with the release armature.
  • the holding force can be adjusted particularly easily by changing the contact pressure exerted by the components on the release armature.
  • the holding force by resilient components acting on the release armature such as e.g. a snap spring can be generated.
  • the holding force is a magnetic force generated by at least one permanent or electromagnet acting on the release armature.
  • Such systems have relatively precisely predictable magnetic properties which are constant with respect to environmental influences, so that the triggering devices provided with them have almost constant time delays over their service life.
  • the holding force acting on the release armature can be changed, because the time delay of the release process can thus be changed and with a switching device provided according to the invention can be adjusted to the protective devices connected downstream of it.
  • the holding force can be changed depending on the strength of the current to be monitored.
  • An adaptive behavior of the triggering device can thus be implemented; depending on the size of the short-circuit current, the relative switch-off delay increases automatically.
  • the holding force can be generated by an electromagnet which is flowed through by a current which is directly proportional to the current to be monitored.
  • the at least one elastic coupling member is formed by a helical spring, because such components require little space, but at the same time have good and constant elasticity.
  • the magnetic armature is arranged at least in sections inside the coil.
  • the magnetic armature can thus be moved in a precisely predictable manner by the magnetic forces of the current to be monitored.
  • the trigger armature is also arranged inside the coil, the trigger armature being formed from non-magnetizable material.
  • the magnet armature is designed as a tube piece closed on one side and that the trigger armature and the at least one coupling member are at least partially arranged within the cavity formed by the magnet armature. This allows a further geometric downsizing of the triggering device according to the invention, it is essentially only dependent on the size of the coil, outside of which there are no more moving components.
  • the release armature has a shoulder which extends through the magnet armature and preferably runs parallel to the longitudinal axis of the coil and on which shoulder the holding force acts.
  • the components introducing the holding force can be arranged outside the coil, so that they in no way hinder the freedom of movement of the components arranged inside the coil.
  • the trigger device shown in Fig. 1 for an overcurrent shutdown device such as Circuit breaker, has a magnet armature 5 consisting of a magnetizable material such as iron, which magnet armature 5 is directly movable by a coil 3.
  • the current flowing through the coil 3 is the current to be monitored and, if necessary, to be switched off.
  • a tripping armature 1 is provided which can actuate a switch lock 20, which switch lock 20 opens the contacts 21 through which the current to be monitored flows.
  • this actuation can take place via a release pin 2 molded onto the release anchor 1, but alternatively can also be carried out directly from the release anchor 1 itself.
  • Trigger armature 1 and magnet armature 5 are mechanically connected to one another by an elastic coupling member 4, which in the simplest case is formed by a helical spring.
  • the trigger armature 1 is not freely movable, but is held in its rest position with a predeterminable holding force F H.
  • a return spring 6 is provided, which is supported on the one hand on the trigger armature 1 and on the other hand on a housing part 7, shown only symbolically.
  • Said tripping can be divided into two tripping phases, which are described below.
  • a first tripping phase immediately following the occurrence of the overcurrent, the overcurrent generates a magnetic field proportional to its strength via the coil 3, which moves the magnet armature 5 in the direction of the tripping armature 1.
  • This movement is transmitted via the elastic coupling member 4 to the release armature 1, which, however, temporarily remains in its rest position due to the holding force F H acting on it.
  • the coupling member 4 is increasingly biased, as a result of which the force acting on the release armature 1 increases.
  • magnet armature 5 and coupling element 4 represent an oscillation system which is excited by the magnetic force generated by the overcurrent.
  • the time required for the magnetic armature 5 to pretension the coupling member until the holding force F H is exceeded and the trigger armature 1 can be deflected from its rest position results in the time delay and the selectivity of the triggering device according to the invention.
  • the second tripping phase occurs.
  • the tripping armature 1 suddenly starts moving, as a result of which the switching lock 20 is actuated and the contacts 21 of the overcurrent protection device are subsequently opened.
  • the now coupled masses of magnet 5 and tripping armature 1, in cooperation with the return spring 6, represent the vibration system.
  • the triggering is therefore not initiated by an armature that is actuated directly by the overcurrent, but takes place indirectly by the movement of the magnetic armature 5 that is directly movable by the coil 3 and that is connected to the trigger armature 1 by means of the elastic coupling element 4.
  • the time delay for triggering is essentially created in the first trigger phase. It is determined by the mechanical properties of the vibration system - magnet armature mass, spring rate of the coupling member 4 and magnet armature stroke - and by the current force. As is known, the current force is proportional to the current square, and consequently also the movement of the magnet armature 5. The delay is therefore also proportional to the current square, just as in the known, electrothermally functioning delay devices mentioned at the beginning.
  • auxiliary armature 11 between the magnet 5 and the trigger armature 1.
  • These auxiliary anchors 11 are mechanically connected to one another via further elastic coupling members 40 and are subjected to holding forces F H in their rest positions analogous to the release anchor 1.
  • Such a mechanical series connection of several armatures results in an addition of their holding forces F H and an increase in the deflection path to be traveled by the magnet armature 5 and thus in an extension of the delay time.
  • the described holding forces F H can in principle be generated in any way.
  • 3a and 3b show examples of the generation of the holding force by mechanical means.
  • the holding force F H is a static friction force which is generated by components 8 which are in contact with the release armature 1 and which clamp the release armature 1 between them.
  • the alternative according to FIG. 3b provides for the holding force F H to be generated by resilient components 9, such as a snap spring, acting on the release armature 1.
  • This snap spring 9 is designed as a leaf spring clamped on both sides and biased against the direction of movement of the release armature 1. If the force acting on it is large enough, it bends against its pretensioning direction and thus allows the release armature 1 to move.
  • holding force F H is a magnetic force generated by at least one permanent or electromagnet acting on the release armature 1. Examples are 4, 5 and 6. These drawings represent variant embodiments of the invention that can be used in practice.
  • the coil 3 is arranged on a non-magnetic winding body 10, the magnetic armature 5 being arranged in sections inside the coil 3. Furthermore, a yoke 23 made of magnetizable material is provided, which for the most part extends outside the coil 3 and has an extension 24 which projects into the coil 3 at the end of the coil 3 closer to the switching mechanism 20.
  • the magnetic field generated by a coil current closes via the yoke 23, the magnet armature 5, the working air gap a and the yoke attachment 24.
  • the trigger armature 1 is also arranged in the interior of the coil 3, but must be made of non-magnetizable material, such as e.g. Aluminum or plastic may be formed so that it is not moved by the magnetic forces generated by the coil 3.
  • the magnet armature 5 is designed as a tube piece closed on one side, the release armature 1 and the coupling member 4 being arranged within the cavity formed by the magnet armature 5.
  • the trigger armature 1 has a trigger pin 2 extending from the coil 3 and can be brought into its rest position by a return spring 6 analogously to the illustration according to FIG.
  • this has an extension 12 which extends through the magnet armature 5 and preferably runs parallel to the longitudinal axis of the coil 3. This has freely accessible and therefore loadable sections.
  • the approach 12 is not mandatory, in the sense of the invention it is also possible to let the holding forces F H act directly on the release armature 1.
  • the components required for this would have to be arranged in the interior of the coil 3 and, if necessary, recesses should be provided for them in the magnet armature 5 so that its freedom of movement is not hindered.
  • the holding force F H is generated magnetically in this exemplary embodiment, specifically by means of a permanent magnet 13.
  • an anchor 26 is fixed at the upper end of the extension 12.
  • the armature 26 forms a magnetic circuit for the magnetic field generated by the permanent magnet 13. Due to the resulting holding forces between the armature 26 and the yoke 25, the tripping armature 1 is held in the rest position shown.
  • yoke 25 and permanent magnet 13 - there are air gaps 27 between armature 26 and yoke 25 and an air gap 28 between permanent magnet 13 and armature 26.
  • the resulting holding forces F H can be changed by changing the size of these air gaps 27, 28 can be changed.
  • Said air gap change can be made, for example, by choosing the height of the permanent magnet 13, through inserts of different thicknesses arranged between the yoke 25 and the armature 27 non-magnetizable material, by changing the length of the yoke legs or similar measures.
  • the magnet armature 5 strikes the trigger armature 1 and takes it along in its further downward movement. This knocking results in a shock process in which the magnetic armature 5 is deprived of kinetic energy, which in turn delays the switching action and thus contributes to the selective shutdown behavior of the arrangement.
  • the dimensioning of the distances a, b, c, d is important for the correct functioning of the arrangement described.
  • the distance d between the magnet 5 and the tripping armature 1 must be smaller than the distance a between the magnet armature 5 and the yoke attachment 24, so that it is ensured that at the end of the possible path of movement of the magnet armature 5 it meets the yoke attachment 24 on the release armature 1 has actuated the switch lock 20.
  • it is necessary that the path of movement of the release armature b is long enough to actuate the switching mechanism 20.
  • the armature 26 strikes the winding body 10 during the movement of the trigger armature 1 and thus holds the trigger armature 1 in place. This is achieved in that the distance c is larger than distance b.
  • the particularly preferred exemplary embodiment according to FIG. 5 largely corresponds to that of FIG. 4, but here the permanent magnet 13 is replaced by an electromagnet formed from winding 15 and yoke 25.
  • an armature 26 is provided which is connected to the projection 12 and which forms a magnetic circuit with the yoke 25.
  • a separate component 14 is provided for the mechanical mounting of the electromagnet.
  • the change in the holding force F H can also take place here again by adjusting the lengths of the air gaps 27, 28. It is particularly expedient not to provide the air gaps 27, that is to say to leave the armature 26 on the yoke 25 and to make the section 25 ′ of the yoke 25 running inside the winding 15 displaceable in the longitudinal direction of the winding 15. The holding force F H can thus be adjusted mechanically.
  • the holding force F H can also be changed by changing the current flowing through the winding 15.
  • the variability of the holding force F H is in no way limited to a magnetic force generation.
  • the components 8 indicated in FIG. 3a can also be arranged displaceably, as a result of which the contact pressure on the release armature 1 and thus the holding force F H can be changed.
  • the holding force F H can be changed as a function of the strength of the current to be monitored.
  • this can be implemented particularly simply in that the current flowing through the winding 15 is directly proportional to the current to be monitored.
  • the proportionality mentioned is most easily achieved in that the overcurrent itself flows through the winding 15 of the electromagnet.
  • the coil 3 and the winding 15 are connected in series with one another.
  • coil 3 and winding 15 could also be connected in parallel - cf.
  • Dashed connecting lines 18, 19; 15 series impedances can be switched in the branch of the winding in order to adjust the current flowing through the winding 15 and thus the holding force F H generated.
  • a preferred area of application of the tripping device according to the invention described is in use in circuit breakers, which should not, however, preclude use in other devices which cut off overcurrent.

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Abstract

Auslöse-Einrichtung für ein Überstrom-Abschaltgerät, wie z.B. Leitungsschutzschalter, umfassend einen ein Schaltschloß betätigenden Auslöse-Anker (1), welcher von einer von einem zu überwachenden Strom durchflossenen Spule (3) betätigbar ist, wobei der Auslöse-Anker (1) indirekt durch einen mittels zumindest einem elastischen Koppelglied (4) und gegebenenfalls einem oder mehreren Hilfsankern (11) mit dem Auslöse-Anker (1) verbundenen, von der Spule (3) unmittelbar bewegbaren Magnet-Anker (5) betätigbar ist und wobei der Auslöse-Anker (1) mit einer vorgebbaren Haltekraft (FH) in seiner Ruheposition gehalten ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Auslöse-Einrichtung für ein Überstrom-Abschaltgerät, wie z.B. Leitungsschutzschalter, umfassend einen ein Schaltschloß betätigenden Auslöse-Anker, welcher von einer von einem zu überwachenden Strom durchflossenen Spule betätigbar ist. An Überstrom-Abschaltgeräten sind im wesentlichen einerseits Schmelzsicherungen -sie sind lediglich für einen einzigen Abschaltvorgang verwendbar- und andererseits wiedereinschaltbare, daher mehrmals verwendbare Sicherungsautomaten in Verwendung.
  • In einer elektrischen Anlage wird im Normalfall in der Zuleitung ein Überlast-Schutz der angeführten Bauweisen vorgesehen, bevor sich diese Zuleitung in eine Vielzahl von parallel zueinander geschaltenen Stromkreisen aufteilt. In jedem dieser Stromkreise sind eigene Schutzvorrichtungen -in der Regel bestehend aus Personenschutz (FI-Schutzschalter od. dgl.) und Anlagenschutz (Leitungsschutzschalter, Schmelzsicherungen od. dgl.)- vorgesehen. Gegebenenfalls können sich diese Stromkreise ihrerseits erneut in weitere, ebenso durch Schutzvorrichtungen gesicherte weitere Unter-Stromkreise aufteilen.
  • Bei einer solchen Schaltungsstruktur kommt es zu einer Serienschaltung der Schutzvorrichtungen von Zuleitung, Stromkreis und Unter-Stromkreis.
  • Tritt nun in einem Unter-Stromkreis ein unzulässig hoher Strom auf, so ist es wünschenswert, wenn lediglich der diesem Unter-Stromkreis zugeordnete Schutzschalter auslöst und damit seinen Unter-Stromkreis vom Netz trennt, sämtliche vorgeschalteten Schutzschalter jedoch eingeschaltet und damit alle störungsfreien Stromkreise und Unter-Stromkreise mit dem Netz verbunden bleiben. Erst wenn der auftretende Überstrom so groß ist, daß er nicht mehr vom Schutzschalter des Unter-Stromkreises abgeschaltet werden kann, soll der übergeordnete Schalter ansprechen. Ein solches, zeitverzögertes Schalten des vorgeordneten Schalters wird als "Selektivität" bezeichnet.
  • Bei Schmelzsicherungen wird diese Selektivität durch die für das Schmelzen des Schmelzdrahtes benötigte Heizleistung, die proportional zum Quadrat der Stromstärke und der Einwirkungs-Zeitdauer des Überstromes ist, bestimmt.
  • Auf dem Gebiet der Leitungsschutzschalter werden in der Regel zwei Auslöseeinrichtungen vorgesehen. Eine erste Einrichtung ist für die Abschaltung von nur geringfügig über dem Anlagen-Nennstrom liegenden, über längere Zeiträume einwirkende Überströme vorgesehen. Die zweite, sogenannte Kurzschluß-Strom-Auslösung wird üblicherweise durch eine vom zu überwachenden Strom durchflossene Spule mit beweglichem, die Abschaltung bewirkenden Anker realisiert. Um die im Zusammenhang mit den Schmelzsicherungen erläuterte Heizleistungs- und damit stromstärken- und zeitabhängige Verzögerung nachzubilden, werden vom zu überwachenden Strom durchflossene Thermo-Bimetallstreifen verwendet, welche Bimetallstreifen sich analog zu den Schmelzdrähten proportional zum Quadrat der Stromstärke und der Zeit verformen und durch diese Verformung zeitverzögert die Schalthandlung der Kurzschluß-Strom-Auslösung ermöglichen.
  • Diese Bimetall-Streifen stellen Bauteile dar, die einerseits mechanisch exakt justiert werden müssen und andererseits zusätzliche elektrische Verbindungen erfordern. Zusammenfassend bringen sie also eine deutliche Verkomplizierung des Schutzschalter-Aufbaus und somit eine Verschlechterung der Funktionszuverlässigkeit und eine umständlichere Herstellung mit sich. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Auslöse-Einrichtung der eingangs erwähnten Art anzugeben, welche ein selektives Auslöse-Verhalten aufweist, hiefür jedoch nur einige wenige, unempfindliche und einfach einzubauende zur herkömmlichen Auslöse-Spule hinzutretende Bauteile aufweist.
  • Weitere Aufgaben der Erfindung sind darin gelegen, möglichst einfache Arten der Erzeugung besagter Haltekraft, Möglichkeiten zur Verstellung der Selektivität sowie in der Praxis umsetzbare, funktionszuverlässige Konstruktionsbeispiele der erfindungsgemäßen Auslöseeinrichtung anzugeben. Dies wird durch die in den Unteransprüchen angeführten Maßnahmen erreicht.
  • Bei einer Auslöse-Einrichtung für ein Überstrom-Abschaltgerät, wie z.B. Leitungsschutzschalter, umfassend einen ein Schaltschloß betätigenden Auslöse-Anker, welcher von einer von einem zu überwachenden Strom durchflossenen Spule betätigbar ist, wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Auslöse-Anker indirekt durch einen mittels zumindest einem elastischen Koppelglied und gegebenenfalls einem oder mehreren Hilfsankern mit dem Auslöse-Anker verbundenen, von der Spule unmittelbar bewegbaren Magnet-Anker betätigbar ist und daß der Auslöse-Anker mit einer vorgebbaren Haltekraft in seiner Ruheposition gehalten ist.
  • Es ist damit eine Zeitverzögerung der Schalthandlung durch elektro-mechanische Maßnahmen bzw. Anordungen möglich, was gegenüber elektrothermisch-mechanischen Lösungen wesentlich funktionsztiverlässiger ist.
  • Nach einer ersten Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Haltekraft eine auf mechanischem Weg erzeugte Kraft ist, was zu einer robusten und kompakten Bauweise der erfindungsgemäßen Auslöse-Einrichtung führt.
  • In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, daß die Haltekraft eine Haftreibungs-Kraft ist, welche durch mit dem Auslöse-Anker in Berührung stehende Bauteile erzeugbar ist. Durch Veränderung des durch die Bauteile auf den Auslöse-Anker ausgeübten Auflagedruck kann die Haltekraft besonders einfach eingestellt werden.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Haltekraft durch auf den Auslöse-Anker einwirkende federnde Bauteile, wie z.B. eine Schnappfeder erzeugbar ist.
  • Damit können auf einfache Weise relativ große Haltekräfte und damit starke Zeitverzögerungen realisiert werden.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Haltekraft eine magnetische, durch zumindest einen auf den Auslöse-Anker einwirkenden Dauer- oder Elektromagneten erzeugte Kraft ist.
  • Solche Systeme zeigen relativ genau vorhersagbare und gegenüber Umwelteinflüssen konstante magnetische Eigenschaften, sodaß mit ihnen versehene Auslöse-Einrichtungen über die Lebensdauer nahezu gleichbleibende Zeitverzögerungen aufweisen.
  • Vorteilhaft kann es sein, daß die auf den Auslöse-Anker einwirkende Haltekraft veränderbar ist, weil damit die zeitliche Verzögerung des Auslöse-Vorganges veränderbar und das mit einer erfindungsgemäßen Auslöse-Einrichtung versehene Schaltgerät auf die ihm nachgeschalteten Schutzeinrichtungen einstellbar ist.
  • In diesem Zusammenhang kann es besonders vorteilhaft sein, wenn vorgesehen ist, daß die Haltekraft in Abhängigkeit der Stärke des zu überwachenden Stromes veränderbar ist. Damit ist ein adaptives Verhalten der Auslöse-Vorrichtung realisierbar; je nach Größe des Kurzschlußstromes vergrößert sich die relative Abschaltverzögerung automatisch.
  • In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Haltekraft von einem Elektromagneten, welcher von einem dem zu überwachenden Strom direkt proportionalen Strom durchflossen ist, erzeugbar ist.
  • Dies erlaubt eine besonders einfache und funktionszuverlässige Realisierung der vorstehend beschriebenen stromabhängigen Haltekraft-Veränderung.
  • Ein weiteres Merkmal der Erfindung kann sein, daß das zumindest eine elastische Koppelglied durch eine Schraubenfeder gebildet ist, weil solche Bauteile wenig Platz erfordern, gleichzeitig jedoch gute und konstantbleibende Elastizität aufweisen.
  • Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß der Magnet-Anker zumindest abschnittsweise im Inneren der Spule angeordnet ist. Damit ist der Magnet-Anker auf genau vorhersagbare Weise durch die magnetischen Kräfte des zu überwachenden Stromes bewegbar.
  • In Weiterbildung obiger bevorzugter Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß auch der Auslöse-Anker im Inneren der Spule angeordnet ist, wobei der Auslöse-Anker aus nicht magnetisierbarem Material gebildet ist.
  • Damit ergibt sich eine relativ kompakte Baugröße der Auslöse-Einrichtung.
  • Weiters kann vorgesehen sein, daß der Magnet-Anker als einseitig geschlossenes Rohrstück ausgebildet ist und daß der Auslöse-Anker und das zumindest eine Koppelglied zumindest teilweise innerhalb des vom Magnet-Anker gebildeten Hohlraumes angeordnet sind. Dies erlaubt eine weitere geometrische Verkleinerung der erfindungsgemäßen Auslöse-Einrichtung, sie ist im wesentlichen nur noch von der Größe der Spule abhängig, außerhalb dieser gibt es keine beweglichen Bauteile mehr.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß der Auslöse-Anker einen durch den Magnet-Anker hindurchreichenden, vorzugsweise parallel zur Längsachse der Spule verlaufenden Ansatz aufweist, auf welchen Ansatz die Haltekraft einwirkt.
  • Somit können die die Haltekraft einleitenden Bauteile außerhalb der Spule angeordnet werden, sodaß diese die im Innernen der Spule angeordneten Bauteile in ihrer Bewegungsfreiheit in keiner Weise behindern.
  • Die Erfindung wird im folgenden an Hand der beigeschlossenen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
    • Fig.1 eine schematische Schnitt-Darstellung einer erfindungsgemäßen Auslöse-Einrichtung im Aufriß;
    • Fig.2 die Auslöse-Einrichtung nach Fig. 1 mit einem zusätzlichen Hilfsanker;
    • Fig.3a,b die Auslöse-Einrichtung nach Fig.1 mit Bauteilen zur mechanischen Aufbringung der Haltekraft;
    • Fig.4 eine mögliche konkrete Ausführung der Erfindung im Aufriß im Schnitt;
    • Fig.5 eine andere mögliche Ausführung der erfindungsgemäßen Auslöse-Einrichtung im Aufriß im Schnitt und
    • Fig.6 die Ausführung nach Fig.5 ergänzt um zwei mögliche Varianten der elektrischen Beschaltung der Auslöse-Einrichtung.
  • Die in Fig.1 dargestellte Auslöse-Einrichtung für ein Überstrom-Abschaltgerät, wie z.B. Leitungsschutzschalter, weist einen Magnet-Anker 5 bestehend aus einem magnetisierbaren Material wie beispielsweise Eisen auf, welcher Magnet-Anker 5 von einer Spule 3 unmittelbar bewegbar ist. Der die Spule 3 durchfließende Strom ist der zu überwachende und gegebenenfalls abzuschaltende Strom selbst. Desweiteren ist ein Auslöse-Anker 1 vorgesehen, der ein Schaltschloß 20 betätigen kann, welches Schaltschloß 20 die vom zu überwachenden Strom durchflossenen Kontakte 21 öffnet. Diese Betätigung kann so wie in der Zeichnung dargestellt über einen an den Auslöse-Anker 1 angeformten Auslöse-Stift 2 erfolgen, alternativ dazu jedoch auch direkt vom Auslöse-Anker 1 selbst durchgeführt werden.
  • Mechanisch sind Auslöse-Anker 1 und Magnet-Anker 5 durch ein elastisches Koppelglied 4, das im einfachsten Fall durch eine Schraubenfeder gebildet ist, miteinander verbunden. Der Auslöse-Anker 1 ist nicht frei beweglich gelagert, sondern mit einer vorgebbaren Haltekraft FH in seiner Ruheposition gehalten. Um den Auslöse-Anker 1 nach erfolgter Auslösung wieder in seine Ruheposition bringen zu können, ist eine Rückstellfeder 6 vorgesehen, die sich zum einen am Auslöse-Anker 1 und zum anderen an einem -lediglich symolisch dargestellten- Gehäuse-Teil 7 abstützt.
  • Durch diese Anordnung wird beim Auftreten eines unzulässig hohen und daher abzuschaltenden Überstromes ein zeitverzögertes Auslösen erreicht.
  • Besagtes Auslösen kann in zwei Auslösephasen unterteilt werden, welche nachstehend beschrieben sind. In einer ersten, dem Auftreten des Überstromes unmittelbar nachfolgenden Auslösephase erzeugt der Überstrom über die Spule 3 ein seiner Stärke proportionales Magnetfeld, welches den Magnet-Anker 5 in Richtung des Auslöse-Ankers 1 bewegt. Diese Bewegung wird über das elastische Koppelglied 4 auf den Auslöse-Anker 1 übertragen, welcher jedoch vorläufig noch -bedingt durch die auf ihn wirkende Haltekraft FH- in seiner Ruheposition verbleibt. Bei weiter fortschreitender Auslenkung des Magnet-Ankers 5 wird das Koppelglied 4 immer mehr vorgespannt, wodurch die auf den Auslöse-Anker 1 wirkende Kraft zunimmt. In dieser Auslösephase stellen Magnet-Anker 5 und Koppelglied 4 ein Schwingungssystem dar, welches durch die vom Überstrom erzeugte magnetische Kraft erregt wird. Die Zeit, die der Magnet-Anker 5 benötigt, um das Koppelglied soweit vorzuspannen, bis die Haltekraft FH überschritten und der Auslöse-Anker 1 aus seiner Ruheposition auslenkbar wird, ergibt die Zeitverzögerung, die Selektivität der erfindungsgemäßen Auslöse-Einrichtung.
  • Sofern die vom Überstrom erzeugte Kraft die Haltekraft FH übersteigt, kommt es zur zweiten Auslösephase. Der Auslöse-Anker 1 kommt dabei sprunghaft in Bewegung, wodurch das Schaltschloß 20 betätigt und in weiterer Folge die Kontakte 21 der Überstromschutzeinrichtung geöffnet werden. In dieser Auslösephase stellen die nun gekoppelten Massen von Magnet- 5 und Auslöse-Anker 1 in Zusammenwirkung mit der Rückstellfeder 6 das Schwingungssystem dar. Dieses funktioniert wie ein herkömmlicher, lediglich aus Spule und Anker gebildeter Magnetauslöser, wobei sich die Erregerkraft aus dem Resultat des Kraftsystems Stromkraft-Haltekraft FH ergibt.
  • Die Auslösung wird zusammenfassend also nicht von einem direkt durch den Überstrom betätigten Anker eingeleitet, sondern erfolgt indirekt durch die Bewegung des mittels dem elastischen Koppelglied 4 mit dem Auslöse-Anker 1 verbundenen, von der Spule 3 unmittelbar bewegbaren Magnet-Anker 5.
  • Die zeitliche Verzögerung der Auslösung wird im wesentlichen in der ersten Auslösephase erstellt. Sie wird durch die mechanischen Eigenschaften des Schwingungssystems -Magnet-Anker-Masse, Federrate des Koppelgliedes 4 und Magnet-Ankerhub- und durch die Stromkraft bestimmt. Die Stromkraft ist bekannterweise mit dem Stromquadrat proportional, folglich auch die Bewegung des Magnet-Ankers 5. Damit ist auch die Verzögerung zum Stromquadrat proportional, genauso wie bei eingangs erwähnten bekannten, elektrothermisch funktionierenden Verzögerungseinrichtungen.
  • Wenngleich dies den Aufbau der erfindungsgemäßen Auslöse-Einrichtung verkomplizieren würde, so ist es durchaus auch vorstellbar, so wie in Fig.2 dargestellt, einen -gegebenenfalls auch mehrere- Hilfs-Anker 11 zwischen dem Magnet- 5 und dem Auslöse-Anker 1 anzuordnen. Untereinander sind diese Hilfsanker 11 über weitere elastische Koppelglieder 40 mechanisch verbunden und sind analog dem Auslöse-Anker 1 in ihren Ruhepositionen mit Haltekräften FH beaufschlagt. Durch eine solche mechanische Serienschaltung von mehreren Ankern kommt es zu einer Addition ihrer Haltekräfte FH sowie zu einer Vergrößerung des vom Magnet-Anker 5 zu durchlaufenden Auslenkungsweges und damit zu einer Verlängerung der Verzögerungszeit.
  • Beschriebene Haltekräfte FH können prinzipiell auf beliebige Weise erzeugt werden. Die Fig.3a und 3b zeigen Beispiele für die Haltekraft-Erzeugung auf mechanischem Weg. Gemäß Fig.3a ist die Haltekraft FH eine Haftreibungs-Kraft, welche durch mit dem Auslöse-Anker 1 in Berührung stehende Bauteile 8, die den Auslöse-Anker 1 zwischen sich einklemmen, erzeugt wird.
  • Die Alternative nach Fig.3b sieht vor, die Haltekraft FH durch auf den Auslöse-Anker 1 einwirkende federnde Bauteile 9, wie z.B. eine Schnappfeder zu erzeugen. Diese Schnappfeder 9 ist als beidseitig eingespannte und gegen die Bewegungsrichtung des Auslöse-Ankers 1 vorgespannte Blattfeder ausgebildet. Ist die auf sie einwirkende Kraft groß genug, biegt sie sich gegen ihre Vorspann-Richtung und erlaubt damit eine Bewegung des Auslöse-Ankers 1.
  • Eine zu diesen mechanischen Lösungen konträre Art der Haltekraft-Ausbildung ist darin gelegen, daß die Haltekraft FH eine magnetische, durch zumindest einen auf den Auslöse-Anker 1 einwirkenden Dauer- oder Elektromagneten erzeugte Kraft ist. Beispiele hiefür sind den Fig.4, 5 und 6 zu entnehmen. Diese Zeichnungen stellen in der Praxis verwendbare Ausführungsvarianten der Erfindung dar.
  • Hier ist die Spule 3 auf einem unmagnetischen Wickelkörper 10 angeordnet, wobei der Magnet-Anker 5 abschnittsweise im Inneren der Spule 3 angeordnet ist. Weiters ist ein Joch 23 aus magnetisierbarem Material vorgesehen, das zum Großteil außerhalb der Spule 3 verläuft und einen Ansatz 24 aufweist, der am dem Schaltschloß 20 näher gelegenen Ende der Spule 3 in diese hineinragt. Das von einem Spulenstrom erzeugte Magnetfeld schließt sich über das Joch 23, den Magnet-Anker 5, den Arbeitsluftspalt a und den Jochansatz 24.
  • Dieser Aufbau entspricht der herkömmlichen, gebräuchlichen Ausführung eines Magnetauslösers. Auch der Auslöse-Anker 1 ist im Inneren der Spule 3 angeordnet, muß dazu allerdings aus nicht magnetisierbarem Material, wie z.B. Aluminium oder Kunststoff gebildet sein, damit er nicht durch die von der Spule 3 erzeugten magnetischen Kräfte bewegt wird.
  • Der Magnet-Anker 5 ist als einseitig geschlossenes Rohrstück ausgebildet, wobei der Auslöse-Anker 1 und das Koppelglied 4 innerhalb des vom Magnet-Anker 5 gebildeten Hohlraumes angeordnet sind.
  • Der Auslöse-Anker 1 weist einen aus der Spule 3 hinausreichenden Auslöse-Stift 2 auf und ist analog zur Darstellung nach Fig.1 durch eine Rückstellfeder 6 in seine Ruheposition bringbar.
  • Um die Haltekraft auf den Auslöse-Anker 1 einwirken lassen zu können, weist dieser einen durch den Magnet-Anker 5 hindurchreichenden, vorzugsweise parallel zur Längsachse der Spule 3 verlaufenden Ansatz 12 auf. Dieser hat frei zugängliche und damit mit Kräften beaufschlagbare Abschnitte.
  • Der Ansatz 12 ist nicht zwingend vorzusehen, im Sinne der Erfindung ist es genauso möglich, die Haltekräfte FH direkt auf den Auslöse-Anker 1 einwirken zu lassen. Dazu müßten allerdings die hiefür benötigten Bauteile im Inneren der Spule 3 angeordnet werden, gegebenenfalls Aussparungen für sie im Magnet-Anker 5 vorgesehen werden, damit dieser in seiner Bewegungsfreiheit nicht behindert ist.
  • Wie bereits angedeutet, wird die Haltekraft FH bei diesem Ausführungsbeispiel auf magnetischem Wege, konkret mittels eines Dauermagneten 13 erzeugt. Dazu ist am oberen Ende des Ansatzes 12 ein Anker 26 festgelegt. Zusammen mit dem Joch 25, das laut Fig.4 gleichzeitig als mechanische Halterung für den Dauermagneten 13 dient, und dem Dauermagneten 13 bildet der Anker 26 einen magnetischen Kreis für das vom Dauermagneten 13 erzeugte Magnetfeld. Durch die bei dieser Anordnung entstehenden Haltekräfte zwischen dem Anker 26 und dem Joch 25 wird der den Auslöse-Anker 1 in der dargestellten Ruhestellung gehalten.
  • In besagtem Magnetkreis -gebildet aus Anker 26, Joch 25 und Dauermagnet 13- gibt es Luftspalte 27 zwischen Anker 26 und Joch 25 sowie einen Luftspalt 28 zwischen Dauermagneten 13 und Anker 26. Die entstehenden Haltekräfte FH können durch Veränderung der Größe dieser Luftspalte 27,28 geändert werden. Besagte LuftspaltÄnderung kann zum Beispiel durch Wahl der Höhe des Dauermagneten 13, durch verschieden dicke, zwischen Joch 25 und Anker 27 angeordnete Einlagen aus unmagnetisierbarem Material, durch Längenveränderung der Jochschenkel oder ähnliche Maßnahmen erreicht werden.
  • Beim Auftreten eines Kurzschlußstromes erhöht sich die Stärke des im Arbeitsluftspalt a zwischen Magnet-Anker 5 und dem Jochansatz 24 herrschenden Magnetfeldes und dadurch die zwischen Magnet-Anker 5 und Ansatz 24 wirkenden Anziehungskräfte, wodurch sich der Magnet-Anker 5 in Richtung Ansatz 24 bewegt. Nachdem der Auslöse-Anker 1 noch stillsteht, verkleinert sich nun der Abstand d zwischen Magnet- 5 und Auslöse-Anker 1, wobei die Feder 4 zusammengedrückt wird. Sobald die über die Feder 4 auf den Auslöse-Anker 1 übertragenen Kräfte die Haltekraft FH des Dauermagneten 13 übersteigen, wird auch der Auslöse-Anker 1 in Bewegung gesetzt und infolgedessen die Abschaltung über das Schaltschloß 20 ausgelöst.
  • Sollte der gesamte Abstand d vom Magnet-Anker 5 durchlaufen werden, ohne daß damit eine Bewegung des Auslöse-Ankers 1 erreicht wurde, so schlägt der Magnet-Anker 5 auf den Auslöse-Anker 1 auf und nimmt diesen in seiner weiteren Abwärtsbewegung mit. Bei diesem Aufeinanderschlagen kommt es zu einem Stoßvorgang, bei welchem dem Magnet-Anker 5 Bewegungsenergie entzogen wird, was wiederum die Schalthandlung verzögert und damit zum selektiven Abschaltverhalten der Anordnung beiträgt.
  • Wichtig für die ordnungsgemäße Funktion der beschriebenen Anordung ist die Dimensionierung der Abstände a,b,c,d. Insbesondere muß der Abstand d zwischen Magnet- 5 und Auslöse-Anker 1 kleiner sein als der Abstand a zwischen Magnet-Anker 5 und Jochansatz 24, damit gewährleistet ist, daß am Ende des möglichen Bewegungsweges des Magnet-Ankers 5 -er trifft dann am Jochansatz 24 auf- der Auslöse-Anker 1 das Schaltschloß 20 betätigt hat. In diesem Zusammenhang ist es notwendig, daß der Bewegungsweg des Auslöse-Ankers b ausreichend lang ist, um das Schaltschloß 20 zu betätigen. Weiters muß es ausgeschlossen sein, daß der Anker 26 während der Bewegung des Auslöse-Ankers 1 am Wickelkörper 10 auftrifft und damit den Auslöse-Anker 1 festhält. Dies wird dadurch erreicht, daß der Abstand c größer als Abstand b ist.
  • Zusammenfassend können für die Verhältnisse der Abstände a,b,c,d folgende Beziehungen angegeben werden: a > b und a > d, sowie c > b.
  • Das besonders bevorzugte Ausführungsbeispiel nach Fig.5 stimmt mit demjenigen von Fig.4 weitgehend überein, allerdings ist hier der Dauermagnet 13 durch einen Elektromagneten gebildet aus Wicklung 15 und Joch 25- ersetzt. Wie oben ist ein mit dem Ansatz 12 verbundener Anker 26 vorgesehen, der mit dem Joch 25 einen Magnetkreis ausbildet. Für die mechanische Halterung des Elektromagneten ist ein separater Bauteil 14 vorgesehen. Für die Dimensionierung der Abstände gilt das im Zuge der Beschreibung von Fig.4 Gesagte.
  • Die Veränderung der Haltekraft FH kann auch hier wieder über die Einstellung der Längen der Luftspalte 27,28 erfolgen. Besonders günstig ist es dabei, die Luftspalte 27 nicht vorzusehen, den Anker 26 also am Joch 25 aufliegen zu lassen und den im Inneren der Wicklung 15 verlaufenden Abschnitt 25' des Joches 25 in Längsrichtung der Wicklung 15 verschiebbar zu gestalten. Damit kann die Haltekraft FH auf mechanischem Weg justiert werden.
  • Neben dieser mechanischen Veränderbarkeit ist die Haltekraft FH auch durch Veränderung des die Wicklung 15 durchfließenden Stromes, veränderbar. Die Veränderbarkeit der Haltekraft FH ist allerdings keineswegs auf eine magnetische Krafterzeugung beschränkt. Auch die in Fig.3a angedeuteten Bauteile 8 können verschiebbar angeordnet sein, wodurch der Anpreßdruck auf den Auslöse-Anker 1 und damit die Haltekraft FH verändert werden kann.
  • Besonders günstig ist es, wenn die Haltekraft FH in Abhängigkeit der Stärke des zu überwachenden Stromes veränderbar ist. In der Konstruktionsvariante nach Fig.5 ist dies besonders einfach dadurch realisierbar, daß der die Wicklung 15 durchfließende Strom dem zu überwachenden Strom direkt proportional ist.
  • Um einen möglichst geringen Schaltungsaufwand zu haben, wird angesprochene Proportionalität am einfachsten dadurch erreicht, daß der Überstrom selbst die Wicklung 15 des Elektromagneten durchfließt. Dazu werden -wie dies in Fig.6 mit durchgezogenen Verbindungsleitungen 16,17 dargestellt ist- die Spule 3 und die Wicklung 15 in Serie zueinander geschaltet. Zum selben Zweck könnten Spule 3 und Wicklung 15 allerdings auch parallel geschaltet werden -vgl. strichlierte Verbindungsleitungen 18,19; dabei können in Zweig der Wicklung 15 Serienimpedanzen geschaltet werden, um den durch die Wicklung 15 fließenden Strom und damit die erzeugte Haltekraft FH einzustellen.
  • Wenngleich dies einen relativ hohen Mehraufwand mit sich brächte, ist es im Sinne der Erfindung genauso möglich, die Wicklung 15 mit einem galvanisch vom zu überwachenden Strom getrennten Strom zu beaufschlagen und diesen gegebenenfalls auch über entsprechende Steuerschaltungen proportional 7um Überstrom zu verändern
  • Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der beschriebenen erfindungsgemäßen Auslöse-Einrichtung liegt im Einsatz in Leitungsschutzschaltern, was allerdings die Anwendung in anderen, überstrom-abschaltetenden Geräten nicht ausschließen soll.

Claims (14)

  1. Auslöse-Einrichtung für ein Überstrom-Abschaltgerät, wie z.B. Leitungsschutzschalter, umfassend einen ein Schaltschloß (20) betätigenden Auslöse-Anker (1), welcher von einer von einem zu überwachenden Strom durchflossenen Spule (3) betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslöse-Anker (1) indirekt durch einen mittels zumindest einem elastischen Koppelglied (4) und gegebenenfalls einem oder mehreren Hilfsankern (11) mit dem Auslöse-Anker (1) verbundenen, von der Spule (3) unmittelbar bewegbaren Magnet-Anker (5) betätigbar ist und daß der Auslöse-Anker (1) mit einer vorgebbaren Haltekraft (FH) in seiner Ruheposition gehalten ist.
  2. Auslöse-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltekraft (FH) eine auf mechanischem Weg erzeugte Kraft ist.
  3. Auslöse-Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltekraft (FH) eine Haftreibungs-Kraft ist, welche durch mit dem Auslöse-Anker (1) in Berührung stehende Bauteile (8) erzeugbar ist.
  4. Auslöse-Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltekraft (FH) durch auf den Auslöst-Anker (1) einwirkende federnde Bauteile (9), wie z.B. einc Schnappfeder erzeugbar ist.
  5. Auslöse-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltekraft (FH) eine magnetische, durch zumindest einen auf den Auslöse-Anker (1) einwirkenden Dauer- oder Elektromagneten (13; 14,25) erzeugte Kraft ist.
  6. Auslöse-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Auslöse-Anker (1) einwirkende Haltekraft (FH) veränderbar ist.
  7. Auslöse-Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltekraft (FH) in Abhängigkeit der Stärke des zu überwachenden Stromes veränderbar ist.
  8. Auslöse-Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltekraft (FH) von einem Elektromagneten, welcher von einem dem zu überwachenden Strom direkt proportionalen Strom durchflossen ist, erzeugbar ist.
  9. Auslöse-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine elastische Koppelglied (4) durch eine Schraubenfeder gebildet ist.
  10. Auslöse-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet-Anker (5) zumindest abschnittsweise im Inneren der Spule (3) angeordnet ist.
  11. Auslöse-Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Auslöse-Anker (1) im Inneren der Spule angeordnet ist, wobei der Auslöse-Anker (1) aus nicht magnetisierbarem Material gebildet ist.
  12. Auslöse-Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet-Anker (5) als einseitig geschlossenes Rohrstück ausgebildet ist und daß der Auslöse-Anker (1) und das zumindest eine Koppelglied (4) zumindest teilweise innerhalb des vom Magnet-Anker (5) gebildeten Hohlraumes angeordnet sind.
  13. Auslöse-Einrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslöse-Anker (1) einen durch den Magnet-Anker (5) hindurchreichenden, vorzugsweise parallel zur Längsachse der Spule (3) verlaufenden Ansatz (12) aufweist, auf welchen Ansatz (12) die Haltekraft (FH) einwirkt.
  14. Verwendung einer Auslöse-Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche als Kurzschlußstrom-Auslöse-Einrichtung in einem Leitungsschutzschalter.
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