EP1949399A1 - Magnetostriktives elektrisches schaltgerät - Google Patents

Magnetostriktives elektrisches schaltgerät

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Publication number
EP1949399A1
EP1949399A1 EP05806784A EP05806784A EP1949399A1 EP 1949399 A1 EP1949399 A1 EP 1949399A1 EP 05806784 A EP05806784 A EP 05806784A EP 05806784 A EP05806784 A EP 05806784A EP 1949399 A1 EP1949399 A1 EP 1949399A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
switching device
electrical switching
contact point
influence
contact
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05806784A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Patrick Claeys
Joachim Becker
Ralf Weber
Richard Kommert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB AG Germany
Original Assignee
ABB AG Germany
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB AG Germany filed Critical ABB AG Germany
Publication of EP1949399A1 publication Critical patent/EP1949399A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/10—Operating or release mechanisms
    • H01H71/12—Automatic release mechanisms with or without manual release
    • H01H71/127—Automatic release mechanisms with or without manual release using piezoelectric, electrostrictive or magnetostrictive trip units
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H55/00—Magnetostrictive relays
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L2201/00—Properties
    • C08L2201/12—Shape memory
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H2300/00—Orthogonal indexing scheme relating to electric switches, relays, selectors or emergency protective devices covered by H01H
    • H01H2300/034—Orthogonal indexing scheme relating to electric switches, relays, selectors or emergency protective devices covered by H01H using magnetic shape memory [MSM] also an austenite-martensite transformation, but then magnetically controlled
    • H—ELECTRICITY
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    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/10—Operating or release mechanisms
    • H01H71/12—Automatic release mechanisms with or without manual release
    • H01H71/14—Electrothermal mechanisms
    • H01H71/145—Electrothermal mechanisms using shape memory materials

Definitions

  • the invention relates to an electrical switching device having at least one contact point, which is opened by means of an actuator directly or via a switch lock with a Verklinkungsstelle, wherein actuator opens the Verklinkungsstelle and / or the contact point.
  • a switching mechanism which has a Verklinkungsstelle, on the one hand by a thermal release, such as a bimetallic strip or a strip of a shape memory alloy is unlatched, so that the contact point is opened; the thermal release triggers when an overcurrent occurs.
  • a thermal release such as a bimetallic strip or a strip of a shape memory alloy is unlatched, so that the contact point is opened; the thermal release triggers when an overcurrent occurs.
  • an electromagnetic release is further provided which has a coil, a magnetic yoke, a magnetic core and an armature; If necessary, the armature strikes the contact lever of the circuit breaker via a spindle or rod and actuates the latching point via a coupling designed as a slide so that the contact lever is held in the open position after the contact lever has been opened by the armature because the latching point is unlatched.
  • Miniature circuit breakers have to fulfill their task under load or when a short-circuit current occurs.
  • the contact point is replaced by a double contact point, wherein two fixed contact pieces are provided, which are bridged by a contact bridge.
  • the contact bridge is spent by the electromagnetic release in the open position and simultaneously solved the Verklinkungsstelle; due to an overcurrent will be like the circuit breaker exploited the deflection of a thermal release to open the Verklinkungsstelle.
  • Residual current circuit breakers have the task of opening a contact point when a fault current occurs. Since the feeder current is generally in the milli-ampere range, an electromagnetic release, as intended for a circuit breaker, at least in a mains voltage-independent release can not be used.
  • the detection of a fault current via a residual current transformer, wherein the lines form the primary winding.
  • the converter is associated with a secondary winding which is connected to an electromagnetic trigger.
  • a trigger usually has a U-shaped yoke, the leg ends are covered by a hinged armature, which is acted upon by a spring permanently in the Ausschalttraum.
  • the yoke is associated with a permanent magnet which generates a permanent magnet flux in the yoke, by which the armature is held in the closed position, that is, in a position in which the armature rests on the Jochschenkelenden.
  • a coil associated with the yoke which surrounds one of the yoke legs or the web, the voltage originating from the secondary winding of the converter is converted into a magnetic flux, which is directed opposite to the magnetic flux generated by the permanent magnet.
  • the force of attraction on the armature is reduced and the armature is moved by the spring into the open position, whereby a latching mechanism is unlocked via a pin coupled to the armature so that the switching contacts of the residual current circuit breaker are brought into open position.
  • the problem with such a trigger may be that an opening of the hinged armature is sometimes not possible, because on the yoke, from which the armature is withdrawn, due to environmental influences and other influences, a bonding process is possible, so that a residual current circuit breaker even when they occur of a fault current does not trip. Due to the sensitivity of such a trigger, it is also necessary to use this in a housing which must be sealed from the environment.
  • test button simulates a fault current that causes a tripping current in the secondary winding and in the Magnetic release associated coil is generated, so that the residual current circuit breaker is turned off.
  • a so-called magnetic trigger can also be used.
  • a yoke is present, which has a comparatively narrow portion in which, when a fault current occurs, the material reaches saturation, so that the armature can be pulled off the yoke by means of a spring.
  • contactors Electrical switching devices that only switch on and off are referred to as contactors, which usually iron a U- or E-shaped magnetic core, which is associated with an anchor, wherein the yoke is associated with a winding that attracts the armature when passing an electric current or a dropping de anchor generated, whereby a contact point can be opened or closed.
  • contactors double contact points are provided, which are each bridged by a contact bridge.
  • a trigger for a residual current circuit breaker is neither suitable for a contactor nor for a circuit breaker; conversely, an electromagnetic trip device, which may be housed in a circuit breaker, at least suitable for a residual current circuit breaker, when the trigger is to address mains voltage independent.
  • the object of the invention is to provide a trigger that can be used for all types of such switching devices, the basic design should be the same and adjustments can be made only on the current.
  • the actuator comprises an element of a predetermined length consisting of a shape memory alloy that changes its length under the influence of an electromagnetic field.
  • the element may be located in direct proximity to an electromagnetic field generating device, so that this field affects the element.
  • the device may be a coil which surrounds the element formed as an elongate spindle.
  • Such shape memory alloys are known from WO 98/08261, see p. 2 - 5, end of the second paragraph. It is also indicated at which electric field strength the material responds; about applications is initially not stated.
  • FIG. 3 is a schematic representation of a residual current circuit breaker
  • Fig. 5 is a remote drive for an electrical switching device
  • FIG. 6 shows a remote drive according to a further embodiment of the invention
  • FIG. 1 a switching device 1 is schematically shown with a housing 2, an electromagnetic release 20 and a switching mechanism 36 in the untripped condition.
  • Fig. 2 the switching device of FIG. 1 is shown in the tripped state, wherein the same or similar-acting assemblies or parts are designated by the same reference numerals.
  • the contact point 4 is closed.
  • a yoke 40 is connected via an oh-renförmigem intermediate piece 42.
  • thermal release acts on occurrence of an overcurrent to the rear derailleur, so that this then permanently opens the contact point.
  • the electromagnetic actuator 20 includes the trip coil 22 and a trip arm 24, which is here bar-shaped and arranged inside the trip coil 22 so that the coil longitudinal axis and the trip anchor longitudinal axis coincide.
  • the trigger armature 24 is held in a trigger armature bearing 28 connected to the housing 2.
  • free end 24 "of the trigger armature 24 is in operative connection with a plunger 26.
  • the operative connection is shown here as a positive connection, but alternatively, non-positive or cohesive connections can be realized.
  • the tripping armature 24 has a notch 25 into which engages a tripping lever 30 mounted in a tripping lever bearing 32, for example with a fork located at its first free end 30.
  • the second free end 30" of the tripping lever 30 engages in a recess 35 in a slide 34, which is in operative connection with the rear derailleur 36 via a line of action 38.
  • the trigger anchor 24 is made of a ferromagnetic shape memory alloy based on nickel, manganese and gallium. Such ferromagnetic shape memory alloys are known in principle and available, they are for example from the Finnish company AdaptaMat Ltd. manufactured and sold.
  • a typical composition of ferromagnetic shape memory alloys for use in switching devices according to the invention is given by the structural formula Ni ⁇ s-x- y Mn 20+ ⁇ Ga i 5 + y , where x is between 3 atomic percent and 15 atomic percent and y is between 3 atomic percent and 12 atomic percent ,
  • the ferromagnetic shape memory alloy used herein has the property that in its martensitic phase, that is, the phase occupying the material below the thermal transition temperature, a transition occurs between two crystal structure variants of a twin crystal structure under the action of an external magnetic field on a microscopic scale is associated macroscopically with a change in shape.
  • the change in shape is in a linear strain in the direction of the longitudinal axis of the beam.
  • the thermal transition temperature in the ferromagnetic shape memory alloys used here is in the range of room temperature and can be adjusted by varying the atomic percentages x and y within a bandwidth.
  • the working temperature range within which the electromagnetic actuator operates within a range by selecting the material composition is adjustable.
  • the trip armature 24 expands due to the effect described above, and as a result, the plunger 26, the movable contact piece 6 away from the fixed contact 8, so that the contact point 4 is opened and triggered the switching device is as shown in Fig. 2.
  • the expansion of the ferromagnetic shape memory material happens very quickly and almost without delay.
  • the delay time as the time difference between the occurrence of the short-circuit current and the maximum length of the trip armature 24 is typically on the order of one millisecond.
  • the triggering is supported here by the release lever 30, which rotates in the extension of the trigger armature 24 in a clockwise direction about the trigger lever bearing 32 while the slider 34 in its longitudinal direction, indicated by the direction arrow S, shifts, so that the slide 34 on the Wirkline 38 the rear derailleur 36 is actuated.
  • the current path is interrupted and the magnetic field of the tripping coil 22 breaks down again.
  • the trigger armature 24 will contract again to its original dimensions, whereby the trigger lever 30 is moved back to the starting position, as shown in Fig. 1, back.
  • the contact point 4 is now kept in the open position by operating lines, not shown here, by the switching mechanism 36.
  • Fig. 3 shows a residual current circuit breaker, in a schematic representation.
  • FIG. 13 A schematic representation of this arrangement is shown in FIG. 13.
  • a transducer core 60 primary conductors 61 and 62 are passed, which contact points 63 and 64 have.
  • a secondary winding 65 Arranged around the transducer core 60 is a secondary winding 65, which is connected to a coil 66 in which a plunger 67 made of a material having a magnetic, but possibly also a magnetic and thermal shape memory effect, is penetrated.
  • This plunger 67 acts according to the direction of arrow P1 on a switching mechanism 68 and after unlatching the switching mechanism corresponding to the direction of the arrow P2 acts on the contact points 63, 64.
  • the plunger 67 in Figure 1 has the reference numeral 24.
  • Fig. 4 shows a contactor or parts of a contactor 70 with two spaced apart, arranged on contact carriers 71 and 72 fixed contact pieces 73 and 74, which are bridged by a contact bridge 75, are mounted on the movable contact pieces 76, 77.
  • Fig. 4 shows the contactor 70 in the on state, when the contact pieces 73, 76; 74, 77 touch.
  • a plunger 78 made of a material having a magnetic shape memory effect, which is designed as a longitudinally extending plunger whose one end is connected via a contact current spring 79 to the contact bridge 75 and whose other end is mounted in a bearing 80 which is mounted in a housing. is held stationary.
  • the plunger 78 is surrounded by a solenoid system 81.
  • the switch deforms the material of the plunger with the electromagnetic shape memory effect;
  • the plunger 78 is arranged so that the contact points 73/76; Due to a control current, the plunger will expand due to the magnetic shape memory effect due to the magnetic field generated by the coil 81, and close the contact points, the contact pressure spring 79 is pressed slightly together when switched on in the usual way.
  • a ram 82 of magnetic shape memory material is surrounded by a coil 83, the coil 83 being energized via access lines 84 and 85 via a high pass formed by a capacitor 86 and a resistor 87.
  • the plunger 82 expands due to the magnetic field, it actuates a contact lever 88 and opens a contact 91 formed from a movable contact lever 88 and a fixed contact 90.
  • Fig. 6 shows an insight into a circuit breaker, with only the significant parts of the invention are shown.
  • the circuit breaker has a total of the reference numeral 92 with a front front surface 93, from which the switching handle 94 protrudes at 95 rotatably mounted switch knob 96.
  • the switching handle 94 is formed on a rotatable hub 97.
  • Mounted at hub 97 at 98 is a plunger 99 which is coupled to an elongated member 100 of magnetic shape memory material.
  • the element 100 is surrounded by a coil 101, and when current flows, the length of the element 100 changes, so that the plunger 99, the hub 97 and thus the switching handle 94 is actuated. Since in a circuit breaker usually the switching handle is linked and connected to the switching mechanism, the switching device is switched on in this way via the element 100 with the plunger 99.

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Abstract

Es wird ein elektrisches Schaltgerät mit wenigstens einer Kontaktstelle mit wenigstens einem Antrieb vorgeschlagen, der die Kontaktstelle direkt und/oder über ein Schalt­schloss mit einer Verklinkungsstelle öffnet und der Antrieb ein Element mit einer vorbe­stimmten Form aufweist, das aus einer Formgedächtnislegierung besteht, die ihre Form unter dem Einfluss eine elektromagnetischen Feldes ändert und dabei eine Kontaktstel­le oder Doppelkontaktstelle öffnet oder schließt oder ein Schaltschloß entklinkt.

Description

MAGNETOSTRIKTIVES ELEKTRISCHES SCHALTGERAT
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Schaltgerät mit wenigstens einer Kontaktstelle, die mittels eines Aktuators direkt oder über ein Schaltschloss mit einer Verklinkungsstelle geöffnet wird, wobei Aktuator die Verklinkungsstelle und/oder die Kontaktstelle öffnet.
Elektrische Schaltgeräte in diesem Sinne sind Leitungsschulzschalter, Fehlerstromschutzschalter, Motorschutzschalter und dergleichen und Schütze.
Bei Leitungsschutzschaltern ist ein Schaltschloss vorhanden, welches eine Verklinkungsstelle aufweist, die einerseits von einem thermischen Auslöser, beispielsweise von einem Thermobimetall oder einem Streifen aus einer Formgedächtnislegierung, entklinkt wird, so dass die Kontaktstelle geöffnet wird; der thermische Auslöser löst dabei bei Auftreten eines Überstromes aus. Da ein Leitungsschutzschalter auch Kurzschlüsse abschalten muss, ist weiterhin ein elektromagnetischer Auslöser vorgesehen, der eine Spule, ein Magnetjoch, einen Magnetkern und einen Anker aufweist; der Anker schlägt gegebenenfalls über eine Spindel oder Stange auf den Kontakthebel des Leitungsschutzschalters und betätigt über eine als Schieber ausgebildete Kupplung die Verklinkungsstelle, so dass nach Öffnen des Kontakthebels durch den Anker der Kontakthebel in Offenstellung gehalten wird, weil die Verklinkungsstelle entklinkt ist. Leitungsschutzschalter haben ihre Aufgabe zu erfüllen unter Last beziehungsweise bei Auftreten eines Kurzschlussstromes.
Ähnliches gilt auch für Motorschutzschalter. Bei diesen allerdings ist die Kontaktstelle durch eine Doppelkontaktstelle ersetzt, wobei zwei feststehende Kontaktstücke vorgesehen sind, die durch eine Kontaktbrücke überbrückt sind. Im Kurzschlussfall wird die Kontaktbrücke von dem elektromagnetischen Auslöser in Öffnungsstellung verbracht und gleichzeitig die Verklinkungsstelle gelöst; aufgrund eines Überstromes wird wie beim Leitungsschutzschalter die Ausbiegung eines thermischen Auslösers ausgenutzt, um die Verklinkungsstelle zu öffnen.
Fehlerstromschutzschalter haben die Aufgabe, eine Kontaktstelle bei Auftreten eines Fehlerstromes zu öffnen. Da der Fehterstrom im Allgemeinen im milli-Ampare Bereich liegt, kann ein elektromagnetischer Auslöser, wie er für einen Leitungsschutzschalter gedacht ist, wenigstens bei einer netzspannungsunabhängigen Auslösung nicht verwendet werden. Die Detektion eines Fehlerstromes erfolgt über einen Fehlerstromwandler, wobei die Leitungen die Primärwicklung bilden. Dem Wandler ist eine Sekundärwicklung zugeordnet, die mit einem elektromagnetischen Auslöser verbunden ist. Ein derartiger Auslöser besitzt üblicherweise ein U-förmiges Joch, dessen Schenkelenden von einem Klappanker überdeckt sind, der mittels einer Feder dauerhaft in Ausschaltrichtung beaufschlagt wird. Dem Joch ist ein Permanentmagnet zugeordnet, der einen Permanentmagnetfluss im Joch erzeugt, durch die der Anker in geschlossener Stellung gehalten wird, das heißt in einer Stellung, in der der Anker auf den Jochschenkelenden aufliegt. Über einen dem Joch zugeordnete Spule, die einen der Jochschenkel oder den Steg umgreift, wird die von der Sekundärwicklung des Wandlers herrührende Spannung in einen Magnetfluss umgewandelt, der dem durch den Permanentmagnet erzeugten Magnetfluss entgegengesetzt gerichtet ist. Dadurch werden die Anziehungskraft auf den Anker reduziert und der Anker von der Feder in Öffnungsstel- lung verbracht, wodurch über einen mit dem Anker gekoppelten Stift ein Verklinkungs- mechanismus entkliήkt wird, so dass die Schaltkontakte des Fehlerstromschutzschalters in Öffnungsstellung verbracht werden. Das Problem bei einem derartigen Auslöser kann darin bestehen, dass eine Öffnung des Klappankers manchmal nicht möglich ist, weil an der Jochfläche, von der der Anker abgezogen wird, aufgrund von Umwelteinflüssen und sonstigen Einflüssen ein Klebevorgang möglich ist, so dass ein Fehlerstromschutzschalter auch bei Auftreten eines Fehlerstromes nicht auslöst. Aufgrund der Empfindlichkeit eines derartigen Auslösers ist es auch erforderlich, diesen in ein Gehäuse einzusetzen, welches gegenüber der Umgebung abgedichtet sein muss. Gleichwohl ist nicht zu verhindern, dass durch die Öffnung, durch die der Stift nach außen geführt ist, Feuchtigkeit und dergleichen ins Innere des Gehäuses eintreten kann. Aus diesem Grunde wird von allen Fehlerstromschutzschalterherstellem empfoh len, den Fehlerstrom durch Drücken einer Prüftaste zu testen; durch die Prüftaste wird ein Fehlerstrom simuliert, der einen Auslösestrom in der Sekundärwicklung und in der dem Magnetauslöser zugeordneten Spule erzeugt wird, so dass der Fehlerstromschutzschalter ausgeschaltet wird.
Anstatt eines derartigen Permanentmagnetauslösers kann auch ein so genannter HaI- temagnetauslöser verwendet werden. Bei diesem Haltemagnetauslöser ist ein Joch vorhanden, dass einen vergleichsweise schmalen Abschnitt aufweist, in dem bei Auftreten eines Fehlerstromes das Material in die Sättigung gelangt, so dass der Anker mittels einer Feder von dem Joch abgezogen werden kann.
Jedenfalls ist die Ausführung eines solchen elektromagnetischen Auslösers recht aufwendig.
Elektrische Schaltgeräte, die lediglich ein- und ausschalten, werden als Schütze bezeichnet, die meist einen U- oder E-förmigen Magnetkern aufeisen, dem ein Anker zugeordnet ist, wobei dem Joch eine Wicklung zugeordnet ist, die bei Durchleitung eines elektrischen Stromes den Anker anzieht oder ein Abfallen de Ankers erzeugt, wodurch eine Kontaktstelle geöffnet oder geschlossen werden kann. Im Allgemeinen sind bei diesen Schützen Doppelkontaktstellen vorgesehen, die jeweils von einer Kontaktbrücke überbrückt werden.
Alle Antriebsarten sind im Grundsatz völlig unterschiedlich, wobei lediglich Ähnlichkeiten bei einem Leitungsschutzschalter und einem Motorschutzschalter vorhanden sind. Ein Auslöser für einen Fehlerstromschutzschalter ist allerdings weder für ein Schütz noch für einen Leitungsschutzschalter geeignet; umgekehrt ist ein elektromagnetischer Auslöser, der in einem Leitungsschutzschalter untergebracht sein kann, wenigstens dann für einen Fehlerstromschutzschalter umgeeignet, wenn der Auslöser netzspannungsunabhängig ansprechen soll.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Auslöser zu schaffen, der für alle Arten von solchen Schaltgeräten eingesetzt werden kann, wobei die Grundkonstruktion die Gleiche sein soll und Anpassungen lediglich auf die Stromstärke vorgenommen werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß also umfasst der Aktuator ein Element mit einer vorbestimmten Länge, das aus einer Formgedächtnislegierung besteht, die ihre Länge unter dem Einfluss eines elektromagnetischen Feldes ändert.
Dabei kann das Element in direkter Nähe zu einer ein elektromagnetisches Feld erzeugenden Einrichtung gelegen sein, so dass dieses Feld das Element beeinflusst.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung kann die Einrichtung eine Spule sein, die - das als lang gestreckte Spindel ausgebildete Element umgibt.
Aus der WO 98/08261 sind solche Formgedächtnislegierungen bekannt, siehe S. 2 - 5, Ende des 2. Abs.. Dabei ist auch angegeben, bei welcher elektrischen Feldstärke das Material anspricht; über Anwendungen ist zunächst nicht ausgesagt.
Eine weitere Druckschrift, in der derartige Formgedächtnislegierungen beschrieben . sind, ist unter Nummer WO 99/45631 veröffentlicht worden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.
Anhand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen und weitere Vorteile näher erläutert und beschrieben werden.
Es zeigen
Fig. 1 ein Schaltgerät in schematischer Darstellung in Einschaltstellung,
Fig. 2 das Schaltgerät gemäß Fig. 1 , in, ausgeschaltetem Zustand,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Fehlerstromschutzschalters,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Schützes in eingeschalteter Stellung,
Fig. 5 eine Fernantrieb für ein elektrisches Schaltgerät und
Fig. 6 einen Fernantrieb gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung
Es sei Bezug genommen auf die Fig. 1. In Fig. 1 ist schematisch ein Schaltgerät 1 mit einem Gehäuse 2, einem elektromagnetischen Auslöser 20 und einem Schaltwerk 36 im nicht ausgelösten Zustand gezeigt. In Fig. 2 ist das Schaltgerät nach Fig. 1 im ausgelösten Zustand gezeigt, wobei gleiche oder ähnlich wirkende Baugruppen oder Teile mit denselben Bezugsziffern bezeichnet sind. Zwischen einem Eingangsklemmstück 14 und einem Ausgangsklemmstück 16 verläuft ein Strompfad über eine bewegliche Litze 18, einen in einem Kontakthebellager 12 gelagerten Kontakthebel 10, eine ein an dem Kontakthebel 10 befindliches bewegliches Kontaktstück 6 und ein festes Kontaktstück 8 umfassende Kontaktstelle 4, und eine Auslösespule 22. In der in Fig. 1 gezeigten Schaltstellung ist die Kontaktstelle 4 geschlossen. Mit der Auslösespule 22 und dem festen Kontaktstück 8 ist über ein oh- renförmiges Zwischenstück 42 noch ein Joch 40 verbunden.
Nicht dargestellt ist ein in manchen Schaltgeräten zusätzlich noch enthaltener thermischer Auslöser, der bei Auftreten eines Überstromes auf das Schaltwerk einwirkt, so dass dieses dann die Kontaktstelle dauerhaft öffnet.
Der elektromagnetische Auslöser 20 umfasst die Auslösespule 22 und einen Auslöseanker 24, der hier balkenförmig ausgeführt und im Inneren der Auslösespule 22 so angeordnet ist, dass die Spulenlängsachse und die Auslöseanker-Längsachse zusammenfallen.
An einem ersten, festen Ende 24' ist der Auslöseanker 24 in einem mit dem Gehäuse 2 verbundenen Auslöseanker-Lager 28 gehalten. An seinem zweiten, freien Ende 24" steht der Auslöseanker 24 in Wirkverbindung mit einem Stößel 26. Die Wirkverbindung ist hier als formschlüssige Verbindung gezeigt, alternativ könnten jedoch auch kraft- oder stoffschlüssige Verbindungen realisiert werden.
An seinem freien Ende 24" weist der Auslöseanker 24 eine Einkerbung 25 auf, in die ein in einem Auslösehebel-Lager 32 gelagerter Auslösehebel 30, beispielsweise mit einer an seinem ersten freien Ende 30' befindlichen Gabel eingreift. Das zweite freie Ende 30" des Auslösehebels 30 greift in eine Ausnehmung 35 in einem Schieber 34 ein, der über eine Wirklinie 38 in Wirkverbindung mit dem Schaltwerk 36 steht.
Der Auslöseanker 24 besteht aus einer ferromagnetischen Formgedächtnislegierung auf Basis von Nickel, Mangan und Gallium. Solche ferromagnetischen Formgedächtnislegierungen sind prinzipiell bekannt und verfügbar, sie werden beispielsweise von der finnischen Firma AdaptaMat Ltd. hergestellt und vertrieben. Eine typische Zusammensetzung von ferromagnetischen Formgedächtnis-Legierungen für den erfindungsgemäßen Einsatz in Schaltgeräten ist gegeben durch die Strukturformel Niβs-x-yMn 20+χGa i5+y, wobei x zwischen 3 Atomprozent und 15 Atomprozent liegt und y zwischen 3 Atomprozent und 12 Atomprozent. Die hier verwendete ferromag netische Formgedächtnislegierung hat die Eigenschaft, dass in ihrer martensitischen Phase, das ist diejenige Phase, die das Material unterhalb der thermischen Transitionstemperatur einnimmt, unter Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes im mikroskopischen Maßstab ein Übergang zwischen zwei Kristallstrukturvarianten einer Zwillings-Kristallstruktur stattfindet, der makroskopisch mit einer Formänderung verbunden ist. Bei der hier gewählten Ausführung des Auslöseankers besteht die Formänderung in einer linearen Dehnung in Richtung der Balkenlängsachse.
Die thermische Transitionstemperatur bei den hier verwendeten ferromagnetischen Formgedächtnislegierungen liegt im Bereich der Raumtemperatur und ist durch Variation der Atomprozent-Anteile x und y innerhalb einer Bandbreite einstellbar. Damit ist der Arbeitstemperaturbereich, innerhalb dessen der elektromagnetische Auslöser arbeitet, innerhalb einer Bandbreite durch Wahl der Materialzusammensetzung einstellbar.
Fließt durch das Schaltgerät 2 im Kurzschlussfall ein hoher Kurzschlussstrom, so dehnt sich der Auslöseanker 24 aufgrund des oben beschriebenen Effektes aus, und infolgedessen schlägt der Stößel 26 das bewegliche Kontaktstück 6 vom festen Kontaktstück 8 weg, so dass die Kontaktstelle 4 geöffnet und das Schaltgerät ausgelöst wird, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Ausdehnung des ferromagnetischen Formgedächtnismaterials geschieht dabei sehr schnell und nahezu verzögerungsfrei. Die Verzögerungszeit als die Zeitdifferenz zwischen dem Auftreten des Kurzschlussstromes und der maximalen Längenausdehnung des Auslöseankers 24 liegt typischerweise in der Größenordnung von einer Millisekunde.
Die Auslösung wird hier durch den Auslösehebel 30 unterstützt, der bei Ausdehnung des Auslöseankers 24 sich im Uhrzeigersinn um das Auslösehebel-Lager 32 dreht und dabei den Schieber 34 in dessen Längserstreckungsrichtung, angedeutet durch den Richtungspfeil S, verschiebt, so dass der Schieber 34 über die Wirklinie 38 das Schaltwerk 36 betätigt. Nach der Auslösung des Schaltgerätes ist der Strompfad unterbrochen und das Magnetfeld der Auslösespule 22 bricht wieder zusammen. Infolgedessen wird sich der Auslöseanker 24 wieder auf seine Ausgangsmaße zusammenziehen, wodurch auch der Auslösehebel 30 wieder in die Ausgangsstellung, wie in Fig. 1 gezeigt, zurückbewegt wird. Die Kontaktstelle 4 wird jetzt durch hier nicht dargestellte Wirklinien durch das Schaltwerk 36 dauerhaft in Offenstellung gehalten.
Die Fig. 3 zeigt einen Fehlerstromschutzschalter, in schematischer Darstellung.
Eine schematische Darstellung dieser Anordnung ist der Fig. 13 zu entnehmen. Durch einen Wandlerkern 60 sind Primärleiter 61 und 62 hindurchgeführt, welche Kontaktstellen 63 und 64 aufweisen. Um den Wandlerkem 60 herum ist eine Sekundärwicklung 65 angeordnet, die mit einer Spule 66 verbunden ist, in der sich ein Stößel 67 aus einem Material mit magnetischem, gegebenenfalls aber auch mit magnetischem und thermischem Formgedächtniseffekt durchgriffen ist. Dieser Stößel 67 wirkt gemäß Pfeilrichtung P1 auf ein Schaltschloss 68 und nach Entklinkung wirkt das Schaltschloss entsprechend der Pfeilrichtung P2 auf die Kontaktstellen 63, 64. Im Vergleich zur Anordnung gemäß der Fig. 1 besitzt der Stößel 67 in der Fig. 1 die Bezugsziffer 24; das Schaltschloss 68 in der Fig. 1 die Bezugsziffer 36, die Spule 66 in der Anordnung gemäß Fig. 1 die Bezugsziffer 22, und, wie man erkennen kann, fehlt ein Stößelelement 26, weil eine direkte Einwirkung auf die Kontaktstellen 63, 64 bei einem solchen Fehlerstromschutzschalter nicht üblich ist.
Es sei nun Bezug genommen auf die Fig. 4.
Die Fig. 4 zeigt ein Schütz bzw. Teile eines Schützes 70 mit zwei in Abstand zueinander angeordneten, auf Kontaktträgern 71 und 72 angeordneten feststehenden Kontaktstücken 73 und 74, die von einer Kontaktbrücke 75 überbrückt sind, an der bewegliche Kontaktstücke 76, 77 angebracht sind. Die Fig. 4 zeigt das Schütz 70 im eingeschalteten Zustand, wenn sich die Kontaktstücke 73, 76; 74, 77 berühren.
Mit der Kontaktbrücke gekoppelt ist ein Stößel 78 aus einem Material mit magnetischem Formgedächtniseffekt, der als Längserstreckter Stößel ausgebildet ist, dessen eines Ende über eine Kontaktstromfeder 79 mit der Kontaktbrücke 75 verbunden und dessen anderes Ende in einer Lagerung 80, welche in einem Gehäuse befestigt ist, ortsfest gehalten ist. Der Stößel 78 ist umgeben von einem Elektromagnetsystem 81.
Wenn nun der Schalter geöffnet werden soll, dann verformt sich das Material des Stößels mit dem elektromagnetischen Formgedächtniseffekt; es besteht natürlich auch die Möglichkeit, dass im Normalzustand, also im spannungslosen Zustand, der Stößel 78 so angeordnet ist, dass die Kontaktstellen 73/76; 74/77 geöffnet sind Aufgrund eines Steuerstromes wird sich dann der Stößel wegen des von der Spule 81 erzeugten Magnetfeldes aufgrund des magnetischen Formgedächtniseffektes ausdehnen, und die Kontaktstellen schließen, wobei beim Einschalten in üblicher Weise die Kontaktdruckfeder 79 geringfügig zusammen gedrückt wird.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist ein Stößel 82 aus einem Material mit magnetischem Formgedächtniseffekt von einer Spule 83 umgeben, wobei die Spule 83 über Zugangsleitungen 84 und 85 über einen aus einem Kondensator 86 und einen Widerstand 87 gebildeten Hochpass mit Strom versorgt wird. Wenn sich der Stößel 82 aufgrund des magnetischen Feldes ausdehnt, betätigt er einen Kontakthebel 88 und öffnet eine aus einem beweglichen Kontakthebel 88 angebrachten Kontaktstück 89 und einem feststehenden Kontaktstück 90 gebildete Kontaktstelle 91.
Die Fig. 6 zeigt einen Einblick in einen Leitungsschutzschalter, wobei nur die für die Erfindung bedeutsamen Teile eingezeichnet sind.
Der Leitungsschutzschalter besitzt insgesamt die Bezugsziffer 92 mit einer vorderen Frontfläche 93, aus der der Schaltgriff 94 eines bei 95 drehbar gelagerten Schaltknebels 96 herausragt. Der Schaltgriff 94 ist an einer drehbaren Nabe 97 angeformt. An der Nabe 97 ist bei 98 ein Stößel 99 angelenkt, der mit einem längs gestreckten Element 100 aus einem Material mit magnetischem Formgedächtniseffekt gekoppelt ist. Das E- lement 100 ist von einer Spule 101 umgeben, und bei Stromdurchfluss verändert sich die Länge des Elementes 100, so dass der Stößel 99 die Nabe 97 und damit den Schaltgriff 94 betätigt. Da bei einem Leitungsschutzschalter üblicherweise der Schaltgriff mit dem Schaltschloss verknüpft und verbunden ist, wird auf diese Weise über das Element 100 mit dem Stößel 99 das Schaltgerät eingeschaltet.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrisches Schaltgerät mit wenigstens einer Kontaktstelle mit wenigstens einem Antrieb, der die Kontaktstelle direkt und/oder über ein Schaltschloss mit einer Ver- klinkungsstelle öffnet, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb ein Element mit einer vorbestimmten Form aufweist, das aus einer Formgedächtnislegierung besteht, die ihre Form unter dem Einfluss eines elektromagnetischen Feldes ändert und dabei eine Kontaktstelle oder Doppelkontaktstelle öffnet oder schließt oder ein Schaltschloß entklinkt.
2. Elektrisches Schaltgerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Element in direkter Nähe zu einer ein elektromagnetisches Feld erzeugenden Einrichtung gelegen ist, so dass das Feld das Element beeinflusst.
3. Elektrisches Schaltgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine Spule ist, die das als lang gestreckte Spindel ausgebildete Element umgibt.
4. Elektrisches Schaltgerät, dadurch gekennzeichnet, dass das Element seine Länge ändert oder tordiert wird.
5. Elektrisches Schaltgerät nach einem der vorigen Ansprüche, mit einem Schaltschloss, einem beweglichen Kontakthebel mit einem beweglichen Kontaktstück, welches mit einem Festkontaktstück zusammen wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass das Element unter dem Einfluss eines durch einen Kurzschluss erzeugten elektromagnetischen Feldes seine Form ändert.
6. Patentansprüche nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Element seine Form unter dem Einfluss eines durch einen Fehlerstrom erzeugten elektromagnetischen Feldes verändert.
7. Elektrisches Schaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Element Teil eines Schützes ist, welches seine Form unter dem Ein- fluss eines durch einen Stromstoss erzeugten elektromagnetischen Feldes ändert.
8. Elektrisches Schaltgerät, welches durch einen elektrischen Impuls fem ein- bzw. ausschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das unter dem Einfluss eines e- lektromag netischen Feldes aufgrund eines Stromstoßes seine Form ändernde Element zum Aus- oder Einschalten einen Kontakthebel und/oder auf den Schaltgriff ebenfalls zu dessen Ein- und Ausschaltung einwirkt.
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