EP2864995A1 - Schaltgerät mit elektromagnetischem schaltschloss - Google Patents

Schaltgerät mit elektromagnetischem schaltschloss

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EP2864995A1
EP2864995A1 EP12750346.4A EP12750346A EP2864995A1 EP 2864995 A1 EP2864995 A1 EP 2864995A1 EP 12750346 A EP12750346 A EP 12750346A EP 2864995 A1 EP2864995 A1 EP 2864995A1
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EP
European Patent Office
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switching device
moving contact
contact
coil
switching
Prior art date
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Application number
EP12750346.4A
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English (en)
French (fr)
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EP2864995B1 (de
Inventor
Enrico Bindl
Andreas Krätzschmar
Holger Neubert
Johannes Bohm
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.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2864995A1 publication Critical patent/EP2864995A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2864995B1 publication Critical patent/EP2864995B1/de
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/16—Rectilinearly-movable armatures
    • H01F7/1607—Armatures entering the winding
    • H01F7/1615—Armatures or stationary parts of magnetic circuit having permanent magnet
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H51/00—Electromagnetic relays
    • H01H51/22—Polarised relays
    • H01H51/2209—Polarised relays with rectilinearly movable armature
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
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    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/16—Rectilinearly-movable armatures
    • H01F2007/1692—Electromagnets or actuators with two coils
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    • H01H3/00—Mechanisms for operating contacts
    • H01H3/001—Means for preventing or breaking contact-welding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H50/00—Details of electromagnetic relays
    • H01H50/54—Contact arrangements
    • H01H50/546—Contact arrangements for contactors having bridging contacts

Definitions

  • the invention relates to a switching device according to the preamble of claim 1.
  • the invention relates in Spe ⁇ cordlen to a remotely controllable motor output with switching and protection function, in particular an integrated solution that both the operational switching at normal load as also enables shutdown in case of overload or short circuit by means of a device.
  • Conventional switching devices of this type are usually equipped with two drives, one of which is provided for the operational switching and shutdown in case of overload, while the other drive is used for Schnellab ⁇ circuit in case of short circuit.
  • an electromagnetic reluctance drive is provided.
  • a mechanical switch lock is used, which is provided with one or more springs as energy storage. The maximum permissible switch-off times in the event of a short circuit, which are typically set at 5 ms today, must be observed only with such a switch lock.
  • Switch lock an additional magnetic release needed.
  • Another disadvantage is that the mechanical switching ⁇ lock after triggering manually and directly on the device must be tightened. The switching device can thus not be reset to the operating state by remote maintenance after the rapid shutdown.
  • a further drive for the tensioning of such a switching mechanism for example, a stepping motor with gear box
  • a circuit breaker according to the preamble of claim 1 DE 103 39 214 B4 is known. However, this document does not disclose means for rapid shutdown in the event of a short circuit.
  • the invention has the object of specifying a switching device to ⁇ which enables both the operational switching on and off as well as the shutdown in case of overload and Schnellab ⁇ circuit in case of short circuit, the case but is also particularly simple and compact feasible. Desirable characteristics of the specified switching device further consist in that the rapid shutdown should be vorappelbar in the event of a short circuit by an electrical signal that the switching device after the quick shutdown automatically or by remote action in the operating state should be reset, and that the switching device "fail-save" (ie also error case operate surely) should be.
  • the switching device accordingly has a main contact system, an electromagnetic drive unit and a coupling member.
  • the main contact system is used for reversible closing and disconnecting a current path and for this purpose comprises at least one fixed contact and mindes ⁇ least one associated moving contact, wherein the moving contact between two switching positions, namely a closed position and an open position relative to the fixed contact is movable.
  • the main contact system in per se üb ⁇ Licher design two via a switching bridge firmly connected to each other moving contacts, each moving contact with an associated fixed contact corresponds and wherein the
  • Moving contacts can be brought together and at the same time with the associated fixed contacts in plant and lifted from this.
  • the switching device can also be used in the context be executed also multipolar.
  • the Hauptuttonsys ⁇ system can correspondingly have a plurality of intended for simultaneous closing or separating of the current paths fixed contacts and Be ⁇ wegmore.
  • the electromagnetic drive unit is a bipolar magnet system whose magnetic circuit comprises both one or more permanent magnets and magnetic coils.
  • the drive unit has a movable armature and a first fixed magnetic coil and a second stationary magnetic coil.
  • the armature can be reversibly moved between two armature positions, wherein the armature in each of the two armature positions is stabilized by the permanent magnet or magnets of the bipolar magnet system. Consequently, it is at the An ⁇ drive unit to a bistable magnetic system itself.
  • the coupling element finally serves to transmit a
  • the coupling member is for this purpose movable between an operating position and a release position, wherein the operating position of the coupling member with the closed position of the moving contact, and the release position of the coupling member corresponds to the opening ⁇ position of the moving contact.
  • the coupling member is at a closed (applied to the fixed ⁇ contact) moving contact regularly in its loading ⁇ operating position and with open (lifted from the fixed contact) moving contact in the release position.
  • the coupling member is connected in an expedient embodiment of the invention, in particular fixed to the armature of the drive system and linearly displaceable together with this between the operating position and the release position.
  • the coupling member is designed in particular as a plunger.
  • the main contact system, the drive ⁇ unit and the coupling member are in operative relationship that the moving contact in deenergized (ie at least substantially de-energized) magnetic coils - despite the bistable in itself Design of the drive unit - monostable in the opening ⁇ position is held.
  • the moving contact also returns from any other contact position back to the open position, if and as long as the solenoid coils are de-energized.
  • the switching device is still in such a decor with dark ⁇ tet that is movable by selective excitation of the first solenoid of the moving contact in the closed position.
  • the current path is concluded as intended by the fact that the first magnet coil is energized (ie energized) while the second magnet coil is de-energized or left in a de-energized state.
  • This switching function corresponds essentially to the functioning of a contactor.
  • the first magnetic coil used to close the main contact system is therefore also referred to below as a "contactor coil”.
  • the second magnetic coil serves to rapidly shut down the switching device in the event of a short circuit in the current path.
  • the switching device is designed such that by se ⁇ -selective excitation (so energization) of the second magnet coil, the moving contact is movable within an allowable for a short circuit in the current path Maximalausschaltzeit in the Publ ⁇ drying posture, so that the current flow in the current path is interrupted.
  • the mentioned maximum switch-off time is in this case in particular 5 ms.
  • the second magnet coil used for the fast cut-off is hereinafter also referred to as "short ⁇ circuit release coil".
  • the switching device in a preferred embodiment additionally comprises at least one contact spring, which the moving contact in the direction of a
  • the moving contact can be biased by the contact spring either in the manner of a circuit breaker through the contact springs in Rich ⁇ tion to its closed position or in the manner of a nes contactor be biased towards the open position.
  • the switching device preferably has at least one return spring, which biases the coupling member in the direction of the release position.
  • the monostable bearing of the moving contact in particular by the Georgiaam ⁇ menspiel of contact spring (s), return spring (s) and the drive unit to the moving contact he forces exerted ⁇ enough.
  • the switching device has the particular pre ⁇ part that both the operational switching and the overload cut-off and emergency shutdown in case of short circuit by means of a single electromagnetic arrival drive takes place, resulting in a compact, lightweight and efficient
  • the switching device goes in the event of a fault by itself in the off state, from which it can be switched on oh ⁇ ne further measures electrically.
  • no manual reset operations are required after a quick circuit in the event of a short circuit.
  • the high switching speed which is required for the Schnellabschal ⁇ tion in case of short circuit, is largely supported by the fact that the switching device due to the Monosta- stability of the open position automatically strives for this in the off state.
  • the high turn-off speed is, moreover, by the ge ⁇ optionally existing return spring (s) and optionally by the optional spring contact (s) supported.
  • the switching device is preferably an elec tronic ⁇ switching device, ie a switching device having an electronic control and an electronic current monitoring, in particular an electronic Auslettedetek- tion in case of overload and short circuit. Accordingly, the switching device comprises an electronic control circuit for on ⁇ control of the first magnetic coil and / or the second magnetic coil. To the holding force of the drive unit when closed
  • the control circuit is preferential ⁇ way to partially energize after closing the switching device, the first solenoid by a clocked holding current (ie at comparatively low Level to gen ⁇ gene), so that the moving contact - especially just si ⁇ cher - is held in the closed position.
  • the clocked partial excitation takes the control circuit in this case in particular by a pulse width modulation of the voltage applied to the contactor coil operating voltage.
  • the control circuit is preferably further directed to the one ⁇ to reduce by circuitry measures the switch-off time in case of short circuit on.
  • the control circuit comprises in a preferred embodiment, a de-energizing circuit which ensures in case of a short circuit in the current path an accelerated de-energizing - to be switched off in this case - contactor coil.
  • the excitation circuit comprises, in particular as a substantial component, a Zener diode and a freewheeling diode connected in series therewith , via which the contactor coil is bridged after switching off.
  • the control circuit preferably comprises an electrical energy store, in particular a capacitor.
  • capacitor via which the short circuit trip coil may be in the case ei ⁇ nes short circuit quickly and effectively it stimulates ⁇ in the current path.
  • the energy storage unit is in turn charged during normal operation of the switching device so that its performance processing a short circuit occurs immediately and in full to Availability checked ⁇ supply.
  • the short-circuit release coil is used exclusively for Schnellab- circuit in the event of a short circuit, but not for the operational shutdown of the current path or the overload ⁇ shutdown.
  • the contactor coil is de-energized (turned off) by the control circuit while the short-circuit release coil is left de-energized.
  • the moving contact returns in the ⁇ case automatically, possibly supported by the remindfe ⁇ the (n) and / or the contact spring (s) in the monostable open position back.
  • the coupling member is preferably in its Be ⁇ operating position in a decoupled from the moving contact state.
  • the coupling element is arranged in its operating position at a certain distance from the moving contact and the parts connected thereto.
  • This decoupling of the coupling member from the moving contact it is ⁇ sufficient that the coupling member with a short circuit in the current path - the Kurzröö ⁇ serspule and corresponding excitation - is accelerated at first without physical contact with the moving contact, so that the coupling member already with a non-zero momentum impinges directly or indirectly on the moving contact.
  • the moving contact is thus particularly fast accel ⁇ nigt by the coupling member, which êtt the collapse of the current flow in the current path loading.
  • At least one of the two magnet coils is expediently also in a de-energized state. was not completely energized. Rather, the contactor coil and / or the short-circuit release coil are also applied in a de-energized state with a low quiescent current.
  • the monitoring of the quiescent current which is chosen so low that it does not affect the force relationships in the drive kinematics wesent ⁇ Lich, allows a conclusion on the radio ⁇ tion capability of the magnetic coils.
  • a monotoni ⁇ ger line breakage in one of the magnetic coils is detected on the basis of also collapsing in this case, the quiescent current through the control circuit in advance.
  • the permanent magnet of the bipolar magnetic drive system are preferably fixedly arranged on a yoke of the Magnetsys ⁇ tems. In principle, however, they could also be mounted on the movable armature within the scope of the invention.
  • the switching device is characterized in particular by a bipolar, bistable electromagnetic drive unit with two stationary magnetic coils (namely a contactor coil and a short-circuit release coil), stationary permanent magnets and a moving armature. Furthermore, the switching device comprises an electronic module for controlling the bipola ⁇ ren magnet system.
  • the switch further comprises a main contact system, which is kept closed by contact springs either without interaction with the drive as in a typical circuit breaker, or which is open without interaction with the drive as in a contactor and is closed by the drive.
  • the contact system, the magnet system and usually at least one other spring act together in such a way that in the de-energized state of the magnetic coils, the balance of forces from permanent magnet contact spring (s) and
  • Backpressure spring keeps the main contact system open and for each condition the components of the switchgear are in
  • the rapid shutdown is triggered by switching off the voltage at the contactor coil and energizing the
  • the short-circuit release coil is energized in this case from a separate power source, such as a capacitor, and
  • the armature and a yoke surrounding it and the magnet coils are produced in a non-braided or non-braided design
  • planar or concentric cross-sections are chosen for the anchor and the overall configuration
  • the permanent magnets are arranged concentrically or only in segments in the coupling branch or on the coupling branches of the magnetic circuit, and / or
  • the coupling link is supplemented by an integrated translation and deflection mechanism.
  • the coupling member can also be constructed as a rotary system in order to obtain further advantages in terms of friction and dynamics.
  • the optionally existing contact spring can also be connected to the coupling member via a running counter-bearing to reduce the total force level of the drive.
  • the drive unit can be designed so that the holding power in the switched-on state of the switching device is very small
  • FIG. 1 shows a roughly schematic longitudinal section of a switching ⁇ device with a main contact system, a bipolar electromagnetic drive unit with a stationary yoke, two stationary held therein magnetic coils and a movable armature and with a coupling member in the form of a plunger for transmis ⁇ tion of a force of the drive unit on the main contact system with the main contact system closed,
  • Circuit diagram, a control circuit for controlling the two magnetic coils of the switching device according to FIG 1, 4 shows in diagram in FIG 1, an alternative exporting ⁇ approximate shape of the switching device with a closed main ⁇ contact system,
  • FIG 5 in illustration of FIG 1, the switching device according to FIG
  • FIG. 6 shows a schematic longitudinal section of a further embodiment of the main contact system.
  • the Figures 1 and 2 show very schematically a simplified ers ⁇ te embodiment of a switching device 1, which is a so-called compact starter for supplying an electric motor with a supply current.
  • the switching device 1 allows in a single device both the ⁇ be driving and switching off under normal load as well as an overload shutdown and an emergency shutdown in the event of a short circuit.
  • the switching device 1 comprises a main contact system 2, an on ⁇ drive unit 3 and a coupling member 4th
  • the fixed ⁇ contact 11 is in this case attached to the end of a power supply busbar 15, while the fixed contact 12th is attached to the end of a current-carrying busbar 16.
  • the two moving contacts 13 and 14 are mounted in juxtaposition to each other at the ends of a switching bridge 17.
  • the switching bridge 17 is displaceable together with the movement contacts 13 and 14 mounted therein between a closed position shown in FIG. 1 and an open position shown in FIG.
  • the switching bridge 17 is acted upon by means of a contact spring 18 in the direction of the busbars 15 and 16, so that the moving contacts 13 and 14 are each biased in the direction of their closed position.
  • the drive unit 3 is formed by a bipolar magnet system. It comprises a circumferential yoke 20 in which two magnetic coils are accommodated.
  • the remote from the main contact system 2 magnetic coil is hereinafter referred to as (contactor) coil 21.
  • the magnetic coil facing the main contact system 2 is referred to as a (short-circuit release) coil 22.
  • a plurality of permanent magnets 23 are arranged between the two aligned in series coils 21 and 22 .
  • the yoke 20 has one each as
  • Pole shoe 24 acting projection with which the yoke 20 protrudes slightly into the interior of the respective adjacent coil 21 and 22 respectively.
  • a cylindrical armature 25 is received from soft iron.
  • the armature 25 has a space between the pole pieces 24 substantially undershooting length and is thus parallel to the axis of the coils 21 and 22 between two anchor positions reversibly displaceable ⁇ bar.
  • the armature 25 dives primarily into the contactor coil 21 and in this case bears against the end face of the pole piece 24 of the yoke 20 remote from the main contact system 2.
  • the anchor 25 dives against it decisively in the short-circuit release coil 22 and is the end face of the main contact system 2 facing pole piece of the yoke 20 at.
  • the drive unit 3 is a bistable magnet system in which the armature 25 is stabilized in its two armature layers according to FIG. 1 and according to FIG. 2 as a result of the magnetic flux generated by the permanent magnets 23 as long as the coils 21 and 22 are de-energized means essentially are not energized.
  • the anchor 25 is replaced by a bistable magnet system in which the armature 25 is stabilized in its two armature layers according to FIG. 1 and according to FIG. 2 as a result of the magnetic flux generated by the permanent magnets 23 as long as the coils 21 and 22 are de-energized means essentially are not energized.
  • the anchor 25 is replaced by a bistable magnet system in which the armature 25 is stabilized in its two armature layers according to FIG. 1 and according to FIG. 2 as a result of the magnetic flux generated by the permanent
  • Back pressure spring 26 biased in the main contact system 2 facing anchor position (according to FIG 2).
  • the coupling member 4 serves to transmit a force from the drive unit 3 to the switching bridge 17, and thus to the movement of the moving contacts 13 and 14 between the closed ⁇ position and the open position.
  • the coupling member 4 here consists of a plunger 28 which is fixedly connected to the armature 25 and thus strigo ⁇ ben with this.
  • operating position position of the plunger 28 which is shown in FIG 1
  • the plunger 28 is retracted together with the armature 25 relative to the main contact system 2, so that the free end of the plunger 30 is arranged at a distance from the switching bridge 17 is.
  • the moving contacts 13 and 14 are in this case moved to its closed position under the action of pressing on the switching bridge 17 contact spring 18 of FIG.
  • the contact spring 18 and the return spring 26 are dimensioned and arranged with additional consideration of the forces generated by the permanent magnet 23 so that the plunger 28 together with the armature 25 in deenergized coils 21 and 22 always assumes the triggering position shown in FIG , This position is monostable in the sense that the plunger 28 moves automatically from any other position in the release position, as long as the coils 21 and 22 are ent ⁇ energized.
  • Contactor coil 21 is supplied with an operating voltage and thus excited.
  • the armature 25 is deflected by overcoming the forces exerted by the return spring 26 and the permanent magnets 23 in the armature position of FIG 1.
  • the plunger 28 is taken with the anchor 25 in its operating ⁇ position. Under the retraction of the plunger 28, in turn, the moving contacts 13 and 14 are moved under the action of the contact spring 18 in its closed position.
  • the contactor coil 21 is only for attracting the armature 25 for a predetermined period of time (tightening time) constantly excited. Rather, the contactor coil 21 is only partially energized in a holding phase after the closing time by the contactor coil 21 is subjected to a pulse width modulated, and thus temporally clocked voltage.
  • the pulse width ratio of this clocked holding voltage is such chosen that the anchor 25 is just kept safe in the anchor position shown in FIG.
  • the contactor coil 21 is de-energized by switching off the holding voltage.
  • the armature 25 and the plunger 28 are in this case pressed under the action of the return spring 26 in the release position shown in FIG 2, whereby the Be wegURIe 13 and 14 are moved back into its open position.
  • Switching device 1 moves particularly quickly in its release position.
  • the switching device 1 is in this case designed such that it can be switched off within 5 ms in the event of a short circuit.
  • 3 shows an electronic control circuit 30 of the switching device 1.
  • This control circuit 30 comprises a first circuit part 31 for controlling the contactor coil 21, a second circuit part 32 for controlling the short-circuit release coil 22 and a common control unit 33rd
  • the circuit part 31 is essentially formed by a voltage source 34 and a semiconductor switch 35, which are connected in series with the contactor coil 21.
  • a de-energizing circuit 37 is connected in the context of the circuit ⁇ part 31, which consists of a ner (reversely connected in the potential gradient generated by the voltage source 34) freewheeling diode 38 and an antiparallel thereto connected Zener diode 39 is formed.
  • the circuit part 32 also comprises a voltage source 40 and a semiconductor switch 41, which are connected together with a charging resistor 42 in series with the short-circuit release coil 22.
  • a resistor 43 which is shown in FIG. 3, again illustrates the ohmic resistance of the short-circuit release coil 22 in the manner of an equivalent circuit diagram.
  • the circuit part 32 furthermore comprises, as an electronic energy store, a capacitor 44 which is connected in parallel with the voltage source 40 and the charging resistor 42.
  • the semiconductor switches 35 and 41 are driven by the control unit 33, which is formed in particular by a microcontroller with a control software implemented therein.
  • the control unit 30 To energize or de-excite the contactor coil 21 of the semiconductor switch 35 is controlled by the control unit 30 (closed or electrically switched) or controlled (open or locked). In the hold phase, the semiconductor switch 35 is clocked up and closed by the control unit 33 with the preset pulse width ratio.
  • both coils are in the de-energized to stand ⁇ by the control circuit 30 with a low voltage applied, under the action by the coils is always flowing a small quiescent current.
  • the control unit 33 monitors this quiescent currents continuously, and causes in a ⁇ together lapsing of the quiescent current - for example due to a breakage Leis ⁇ processing in one of the coils 21 and 22 - the switching off of the switching device.
  • a second embodiment of the switching device 1 is shown in Figures 4 and 5 in the closed position or open position of the main contact system 2.
  • This embodiment of the switching device 1 is different from the embodiment ge ⁇ Gurss Figures 1 and 2, characterized in that the switching bridge 17 is mounted over the contact spring 18 directly to the plunger 28th
  • the coupling member 4 comprises for this purpose as with the plunger 28 mit- running abutment for the contact spring 18 a bearing plate 50, the ELId mineral on the - here by the switching bridge 17 projecting plunger - 28 is mounted.
  • the contact spring 18 and the return spring 16 thus act in the same direction on the plunger 28th
  • FIG. 6 also shows an alternative embodiment of the main contact system 2. This differs from the above embodiments in that the switching bridge 17 is not linearly displaceable, but about an axis 60 between (shown in FIG 6 with solid lines) closed position and (indicated in Figure 6 with dashed lines) opening position of the moving contacts 13 and 14 is pivotable.

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Abstract

Es wird ein kompaktes und einfach aufgebautes Schaltgerät (1), insbesondere zur Versorgung eines Elektromotors angegeben, das sowohl das Schalten unter Normallast als auch die Abschaltung bei Überlast und eine Schnellabschaltung im Kurzschlussfall ermöglicht. Das Schaltgerät (1) umfasst ein Hauptkontaktsystem (2), das mindestens einen Festkontakt (11,12) und mindestens einen zugehörigen Bewegkontakt (13,14) aufweist. Der Bewegkontakt (13,14) ist hierbei reversibel zum Schließen und Trennen eines Strompfades (10) zwischen zwei Schaltstellungen, nämlich einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung gegenüber dem Festkontakt (11,12) bewegbar. Das Schaltgerät (1) umfasst des Weiteren eine bipolare elektromagnetische Antriebseinheit (3). Die Antriebseinheit (3) umfasst einen beweglichen Anker (25) sowie eine erste ortsfeste Magnetspule (21) und eine zweite ortsfeste Magnetspule (22) zur reversiblen Bewegung des Ankers (25) zwischen zwei permanentmagnetisch stabilisierten Ankerlagen. Das Schaltgerät (1) umfasst schließlich ein Koppelglied (4) zur Übertragung einer Stellkraft von der Antriebseinheit (3) auf den Be- wegkontakt (13,14). Das Koppelglied (4) ist hierbei zwischen einer mit der Schließstellung des Bewegkontaktes (13,14) korrespondierenden Betriebsstellung und einer mit der Öffnungsstellung des Bewegkontaktes (13,14) korrespondierenden Auslösestellung bewegbar. Das Schaltgerät (1) ist derart ausgestaltet, dass bei entregten Magnetspulen (21,22) der Bewegkontakt (13,14) monostabil in der Öffnungsstellung gehalten ist, dass durch selektive Erregung der ersten Magnetspule (21) der Bewegkontakt (13,14) in die Schließstellung bewegbar ist, und dass durch selektive Erregung der zweiten Magnetspule (22) der Bewegkontakt (13,14) innerhalb einer für einen Kurzschluss in dem Strompfad (10) zulässigen Maximalabschaltzeit in die Öffnungsstellung bewegbar ist.

Description

Beschreibung
Schaltgerät mit elektromagnetischem Schaltschloss Die Erfindung bezieht sich auf ein Schaltgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich im Spe¬ ziellen auf einen fernbetätigbaren Motorabgang mit Schalt- und Schutzfunktion, insbesondere auf eine integrierte Lösung, die sowohl das betriebsmäßige Schalten bei Normallast als auch das Abschalten im Überlast- oder Kurzschlussfall mittels eines Geräts ermöglicht.
Herkömmliche Schaltgeräte dieser Art sind üblicherweise mit zwei Antrieben ausgestattet, von denen einer für das be- triebsmäßige Schalten und die Abschaltung im Überlastfall vorgesehen ist, während der andere Antrieb zur Schnellab¬ schaltung im Kurzschlussfall dient. Zum betriebsmäßigen
Schalten und Ausschalten bei Überlast ist insbesondere ein elektromagnetischer Reluktanzantrieb vorgesehen. Zur Schnell- abschaltung im Kurzschlussfall dient dagegen ein mechanisches Schaltschloss, das mit einer oder mehreren Federn als Energiespeicher versehen ist. Nur mit einem solchen Schaltschloss sind derzeit die maximal zulässigen Ausschaltzeiten im Kurzschlussfall einzuhalten, die heute typischerweise auf 5 ms festgelegt sind.
Nachteiligerweise führt das Vorhandensein zweier Antriebe bei einem herkömmlichen Kompaktabzweig zu einem vergleichsweise großen Bauraum des Schaltgerätes sowie großer Masse und hohen Herstellungskosten. Insbesondere wird zum Auslösen des
Schaltschlosses ein zusätzlicher Magnetauslöser benötigt. Nachteilig ist des Weiteren, dass das mechanische Schalt¬ schloss nach dem Auslösen manuell und unmittelbar am Gerät gespannt werden muss. Das Schaltgerät kann somit nach der Schnellabschaltung nicht per Fernwartung in den Betriebszustand zurückversetzt werden. Zwar ist es grundsätzlich mög¬ lich, für das Spannen eines solchen Schaltschlosses einen weiteren Antrieb (z.B. einen Schrittmotor mit Getriebe) vor- zusehen. Dieser würde aber die Herstellungskosten, die Masse und den Bauraum eines solchen Schalters nachteiligerweise weiter vergrößern. Ein Leistungsschalter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist DE 103 39 214 B4 bekannt. In diesem Dokument sind jedoch keine Mittel zur Schnellabschaltung im Kurzschlussfall offenbart . Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltgerät an¬ zugeben, das sowohl das betriebsmäßige Ein- und Ausschalten sowie auch das Abschalten bei Überlast und die Schnellab¬ schaltung im Kurzschlussfall ermöglicht, das dabei aber gleichzeitig besonders einfach und kompakt realisierbar ist. Wünschenswerte Eigenschaften des anzugebenden Schaltgeräts bestehen ferner darin, dass die Schnellabschaltung im Kurzschlussfall durch ein elektrisches Signal vornehmbar sein soll, dass das Schaltgerät nach der Schnellabschaltung selbsttätig oder durch Ferneinwirkung in den Betriebszustand rückstellbar sein sollte, und dass das Schaltgerät „fail- save" (also auch Fehlerfall sicher betreiben) sein sollte.
Die obige Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merk¬ male des Anspruchs 1. Das erfindungsgemäße Schaltgerät weist demnach ein Hauptkontaktsystem, eine elektromagnetische Antriebseinheit und ein Koppelglied auf. Das Hauptkontaktsystem dient zu reversiblen Schließen und Trennen eines Strompfades und umfasst hierzu mindestens einen Festkontakt und mindes¬ tens einen zugehörigen Bewegkontakt, wobei der Bewegkontakt zwischen zwei Schaltstellungen, nämlich einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung gegenüber dem Festkontakt bewegbar ist. Vorzugsweise weist das Hauptkontaktsystem in an sich üb¬ licher Bauform zwei über eine Schaltbrücke miteinander fest verbundene Bewegkontakte auf, wobei jeder Bewegkontakt mit einem zugehörigen Festkontakt korrespondiert und wobei die
Bewegkontakte gemeinsam und gleichzeitig mit den zugehörigen Festkontakten in Anlage gebracht und von diesen abgehoben werden können. Das Schaltgerät kann zudem im Rahmen der Er- findung auch mehrpolig ausgeführt sein. Das Hauptkontaktsys¬ tem kann entsprechend mehrere zum gleichzeitigen Schließen oder Trennen der Strompfade vorgesehene Festkontakte und Be¬ wegkontakte aufweisen.
Bei der elektromagnetischen Antriebseinheit handelt es sich um ein bipolares Magnetsystem, dessen Magnetkreis sowohl einen oder mehrere Permanentmagnete als auch Magnetspulen um- fasst. Konkret weist die Antriebseinheit einen beweglichen Anker sowie eine erste ortsfeste Magnetspule und eine zweite ortsfeste Magnetspule auf. Durch Bestromung der Magnetspulen kann der Anker hierbei reversibel zwischen zwei Ankerlagen bewegt werden, wobei der Anker in jeder der beiden Ankerlagen durch den oder die Permanentmagnete des bipolaren Magnetsys- tems stabilisiert ist. Mithin handelt es sich bei der An¬ triebseinheit um ein an sich bistabiles Magnetsystem.
Das Koppelglied dient schließlich zur Übertragung einer
Stellkraft von der Antriebseinheit auf den Bewegkontakt. Das Koppelglied ist hierzu zwischen einer Betriebsstellung und einer Auslösestellung bewegbar, wobei die Betriebsstellung des Koppelglieds mit der Schließstellung des Bewegkontakts, und die Auslösestellung des Koppelglieds mit der Öffnungs¬ stellung des Bewegkontakts korrespondiert. Mit anderen Worten befindet sich das Koppelglied bei geschlossenem (an den Fest¬ kontakt anliegenden) Bewegkontakt regelmäßig in seiner Be¬ triebsstellung und bei offenem (von dem Festkontakt abgehobenen) Bewegkontakt in der Auslösestellung. Das Koppelglied ist in zweckmäßiger Ausführung der Erfindung insbesondere fest mit dem Anker des Antriebssystems verbunden und zusammen mit diesem zwischen der Betriebsstellung und der Auslösestellung linear verschiebbar. In diesem Fall ist das Koppelglied insbesondere als Stößel ausgebildet. Erfindungsgemäß stehen das Hauptkontaktsystem, die Antriebs¬ einheit und das Koppelglied derart in Wirkbeziehung, dass der Bewegkontakt bei entregten (also zumindest im Wesentlichen unbestromten) Magnetspulen - trotz der an sich bistabilen Ausführung der Antriebseinheit - monostabil in der Öffnungs¬ stellung gehalten ist. Somit kehrt der Bewegkontakt auch ggf. aus jeder anderen Kontaktstellung wieder in die Öffnungsstellung zurück, wenn und solange die Magnetspulen entregt sind.
Erfindungsgemäß ist das Schaltgerät weiterhin derart gestal¬ tet, dass durch selektive Erregung der ersten Magnetspule der Bewegkontakt in die Schließstellung bewegbar ist. Der Strompfad wird mit anderen Worten bestimmungsgemäß dadurch ge- schlössen, dass die erste Magnetspule erregt (also bestromt) wird, während die zweite Magnetspule entregt wird oder in entregtem Zustand belassen wird. Diese Schaltfunktion entspricht im Wesentlichen der Funktionsweise eines Schützes. Die zum Schließen des Hauptkontaktsystems verwendete erste Magnetspule ist deshalb nachfolgend auch als „Schützspule" bezeichnet .
Die zweite Magnetspule dient dagegen zur Schnellabschaltung des Schaltgeräts bei einem Kurzschluss im Strompfad. Entspre- chend ist das Schaltgerät derart ausgebildet, dass durch se¬ lektive Erregung (also Bestromung) der zweiten Magnetspule der Bewegtkontakt innerhalb einer für einen Kurzschluss in dem Strompfad zulässigen Maximalausschaltzeit in die Öff¬ nungsstellung bewegbar ist, so dass der Stromfluss im Strom- pfad unterbrochen ist. Die genannte Maximalabschaltzeit be¬ trägt hierbei insbesondere 5 ms. Die zur Schnellabschaltung verwendete zweite Magnetspule ist nachfolgend auch als „Kurz¬ schlussauslöserspule" bezeichnet . Zur Unterstützung der vorstehend beschriebenen Wirkbeziehung zwischen dem Hauptkontaktsystem, der Antriebseinheit und dem Koppelglied umfasst das Schaltgerät in bevorzugter Ausführung zusätzlich mindestens eine Kontaktfeder, die den Bewegkontakt in Richtung auf eine seiner beiden Schaltstellungen vor- spannt. In alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann der Bewegkontakt hierbei durch die Kontaktfeder entweder nach Art eines Leistungsschalters durch die Kontaktfedern in Rich¬ tung auf seine Schließstellung vorgespannt oder nach Art ei- nes Schützes in Richtung auf die Öffnungsstellung vorgespannt sein .
Zusätzlich oder alternativ zu der Kontaktfeder weist das Schaltgerät vorzugsweise mindestens eine Rückdruckfeder auf, die das Koppelglied in Richtung auf die Auslösestellung vorspannt .
Bei Ausführungsformen des Schaltgeräts, die die Kontaktfe- der (n) und die Rückdruckfeder (n) enthalten, wird die monostabile Lagerung des Bewegkontakts insbesondere durch das Zusam¬ menspiel der von Kontaktfeder (n) , Rückdruckfeder (n) und der Antriebseinheit auf den Bewegkontakt ausgeübten Kräfte er¬ reicht .
Das erfindungsgemäße Schaltgerät hat insbesondere den Vor¬ teil, dass sowohl das betriebsmäßige Schalten als auch die Überlastabschaltung und die Schnellabschaltung im Kurzschlussfall mittels eines einzigen elektromagnetischen An- triebs erfolgt, was eine kompakte, leichte und rationelle
Herstellung des Schaltgeräts ermöglicht. Ein weiterer Vorteil des Schaltgerätes besteht darin, dass es im Fehlerfall von selbst in den abgeschalteten Zustand übergeht, aus dem es oh¬ ne weitere Maßnahmen elektrisch wieder eingeschaltet werden kann. Insbesondere sind keine manuellen Rücksetzvorgänge nach einer Schnellschaltung im Kurzschlussfall erforderlich. Auch die hohe Schaltgeschwindigkeit, die für die Schnellabschal¬ tung im Kurzschlussfall erforderlich ist, wird maßgeblich dadurch unterstützt, dass das Schaltgerät infolge der Monosta- bilität der Öffnungsstellung diese im abgeschalteten Zustand selbsttätig anstrebt.
Die hohe Abschaltgeschwindigkeit wird überdies durch die ge¬ gebenenfalls vorhandene Rückdruckfeder (n) sowie optional durch die gegebenenfalls vorhandenen Kontaktfeder (n) unterstützt . Bei dem Schaltgerät handelt es sich vorzugsweise um ein elek¬ tronisches Schaltgerät, d.h. um ein Schaltgerät mit einer elektronischen Ansteuerung und einer elektronischen Stromüberwachung, insbesondere einer elektronischen Auslösedetek- tion bei Überlast und Kurzschluss. Entsprechend umfasst das Schaltgerät einen elektronischen Steuerschaltkreis zur An¬ steuerung der ersten Magnetspule und/oder der zweiten Magnetspule . Um die Haltekraft der Antriebseinheit bei geschlossenem
Schaltgerät möglichst auf ein erforderliches Minimalmaß zu beschränken und somit auch die Leistungsaufnahme des Schalt¬ geräts gering zu halten, ist der Steuerschaltkreis vorzugs¬ weise dazu eingerichtet, nach dem Schließen des Schaltgeräts die erste Magnetspule durch einen getakteten Haltestrom teil- zuerregen (also auf vergleichsweise geringem Niveau zu erre¬ gen) , so dass der Bewegkontakt - insbesondere gerade noch si¬ cher - in der Schließstellung gehalten ist. Die getaktete Teilerregung nimmt der Steuerschaltkreis hierbei insbesondere durch eine Pulsweitenmodulation der an die Schützspule angelegten Betriebsspannung vor.
Der Steuerschaltkreis ist des Weiteren vorzugsweise dazu ein¬ gerichtet, durch schaltungstechnische Maßnahmen die Abschalt- zeit im Kurzschlussfall weiter zu reduzieren. Hierzu umfasst der Steuerschaltkreis in einer bevorzugten Ausführungsform eine Entregungsschaltung, die im Falle eines Kurzschlusses in dem Strompfad eine beschleunigte Entregung - der in diesem Fall abzuschaltenden - Schützspule sicherstellt. Die Erre- gungsschaltung umfasst in einer einfachen und effektiven Ausführungsform insbesondere als wesentlichem Bestandteil eine Zenerdiode und eine in Serie hierzu geschaltete Freilaufdio¬ de, über die die Schützspule nach dem Abschalten überbrückt ist .
Ebenfalls zur weiteren Beschleunigung der Schnellabschaltung im Kurzschlussfall umfasst der Steuerschaltkreis vorzugsweise einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere einen Kon- densator, über den die Kurzschlussauslöserspule im Falle ei¬ nes Kurzschlusses in dem Strompfad schnell und effektiv er¬ regt werden kann. Der Energiespeicher wird seinerseits im Normalbetrieb des Schaltgeräts geladen, so dass seine Leis- tung im Kurzschlussfall sofort und in voller Höhe zur Verfü¬ gung steht.
Im Sinne eines effektiven Betriebs des Schaltgeräts wird die Kurzschlussauslöserspule ausschließlich für die Schnellab- Schaltung im Kurzschlussfall herangezogen, nicht aber für das betriebsmäßige Abschalten des Strompfades oder die Überlast¬ abschaltung. In den letztgenannten Fällen wird vorzugsweise lediglich die Schützspule durch den Steuerschaltkreis entregt (abgeschaltet) , während die Kurzschlussauslösespule in ent- regtem Zustand belassen wird. Der Bewegkontakt kehrt in die¬ sem Fall selbsttätig, ggf. gestützt durch die Rückdruckfe¬ der (n) und/oder die Kontaktfeder (n) in die monostabile Öffnungsstellung zurück. Als weitere Maßnahme zur Beschleunigung der Schnellabschal¬ tung im Kurzschlussfall liegt das Koppelglied in seiner Be¬ triebsstellung vorzugsweise in einem von dem Bewegkontakt entkoppelten Zustand vor. Insbesondere ist das Koppelglied in seiner Betriebsstellung mit gewissem Abstand zu dem Bewegkon- takt und den damit verbundenen Teilen angeordnet. Durch diese Entkopplung des Koppelgliedes von dem Bewegkontakt wird er¬ reicht, dass das Koppelglied bei einem Kurzschluss in dem Strompfad - und entsprechender Erregung der Kurzschlussauslö¬ serspule - zunächst ohne physikalischen Kontakt zu dem Beweg- kontakt beschleunigt wird, so dass das Koppelglied bereits mit einem von Null verschiedenen Impuls mittelbar oder unmittelbar auf den Bewegkontakt stößt. Der Bewegkontakt wird hierdurch durch das Koppelglied besonders schnell beschleu¬ nigt, was den Zusammenbruch des Stromflusses im Strompfad be- günstigt.
Als Sicherheitsmaßnahme ist des Weiteren mindestens eine der beiden Magnetspulen zweckmäßigerweise auch in entregtem Zu- stand nicht gänzlich unbestromt. Vielmehr werden die Schützspule und/oder die Kurzschlussauslöserspule auch in entregtem Zustand mit einem geringen Ruhestrom beaufschlagt. Die Überwachung des Ruhestroms, der so gering gewählt wird, dass er die Kraftverhältnisse in der Antriebskinematik nicht wesent¬ lich beeinflusst, ermöglicht einen Rückschluss auf die Funk¬ tionsfähigkeit der Magnetspulen. Insbesondere wird ein etwai¬ ger Leitungsbruch in einer der Magnetspulen anhand des in diesem Fall ebenfalls zusammenbrechenden Ruhestroms durch den Steuerschaltkreis frühzeitig erkannt.
Die Permanentmagneten des bipolaren magnetischen Antriebssystems sind vorzugsweise ortsfest an einem Joch des Magnetsys¬ tems angeordnet. Sie könnten im Rahmen der Erfindung grund- sätzlich aber auch auf dem beweglichen Anker angebracht sein.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Schaltgerät insbesondere gekennzeichnet durch eine bipolare, bistabile elektromagnetische Antriebseinheit mit zwei ortsfesten Magnetspulen (nämlich eine Schützspule und eine Kurzschlussauslöserspule) , ortsfesten Permanentmagneten und einem bewegten Anker. Des Weiteren umfasst das Schaltgerät eine elektronische Baugruppe zur Ansteuerung des bipola¬ ren Magnetsystems. Der Schalter umfasst des Weiteren ein Hauptkontaktsystem, das entweder ohne Zusammenwirken mit dem Antrieb wie in einem typischen Leistungsschalter durch Kontaktfedern geschlossen gehalten wird, oder das ohne Zusammenwirken mit dem Antrieb wie bei einem Schütz geöffnet ist und durch den Antrieb geschlossen wird. Das Kontaktsystem, das Magnetsystem und in der Regel mindestens eine weitere Feder wirken hierbei derart zusammen, dass in entregtem Zustand der Magnetspulen das Kräftegleichgewicht aus Permanentmagneten Kontaktfeder (n) und
Rückdruckfeder (n) das Hauptkontaktsystem offenhält und für jeden Zustand, den die Komponenten des Schaltgeräts im
Rahmen der Konstruktion einnehmen können, das Öffnen sta- tisch sicher erzwingt, dass das betriebsmäßige Schließen des Hauptkontaktsystems durch Erregung der Schützspule erfolgt,
dass das betriebsmäßige Geschlossenhalten des Hauptkontaktsystems durch getaktete Erregung der Schützspule er- folgt,
dass ein betriebsmäßiges Öffnen des Hauptkontaktsystems durch Entregung (d.h. Abschalten der Spannung an) der Schützspule erfolgt,
dass die Schnellabschaltung im Kurzschlussfall durch Ab- schalten der Spannung an der Schützspule und Erregung der
Kurzschlussauslösespule realisiert wird,
dass die Kurzschlussauslöserspule in diesem Fall aus einer separaten Energiequelle, beispielsweise einem Kondensator erregt wird, und
- dass im Kurzschlussfall die Schützspule mittels einer
elektronischen Entregungsschaltung schnell entregt wird.
In weiteren Ausgestaltungsvarianten der Erfindung können
der Anker und ein diesen und die Magnetspulen umgebendes Joch in geblechter oder ungeblechter Ausführung hergestellt werden,
planare oder konzentrische Querschnitte für den Anker und den Gesamtausbau gewählt werden,
die Permanentmagnete konzentrisch oder nur segmentweise im Koppelzweig oder an den Koppelzweigen des Magnetkreises angeordnet werden, und/oder
das Koppelglied durch eine integrierte Übersetzungs- und Umlenkmechanik ergänzt werden. Des Weiteren ist neben der normalen Bestromung der Magnetspulen auch für die Schützspule und den Schützbetrieb eine Be¬ stromung aus einer Kondensatorladung möglich. Ferner kann das Koppelglied anstelle des linear verschiebbaren Stößels auch als rotatorisches System aufgebaut sein, um weitere Vorteile hinsichtlich Reibung und Dynamik zu erlangen. Schließlich kann die gegebenenfalls vorhandene Kontaktfeder auch über ein mitlaufendes Gegenlager zur Senkung des gesamten Kraftniveaus des Antriebs an das Koppelglied angebunden sein. Mit dem erfindungsgemäßen Schaltgerät und dessen Ausgestal¬ tungsvarianten werden insbesondere die Vorteile erreicht, dass nach einer Kurzschluss- oder Überlastauslösung eine Wiederinbetriebnahme aus der Ferne möglich ist,
dass mit der bipolaren Antriebseinheit sehr kleine Ab¬ schaltzeiten im Kurzschlussfall zu erzielen sind,
dass die Antriebseinheit so ausgelegt werden kann, dass die Halteleistung im eingeschalteten Zustand des Schaltgeräts sehr klein ist,
dass das Schaltgerät sehr kompakt realisiert werden kann, und
das die elektronische Kurzschlussauslöserfunktion ohne zusätzlichen Antrieb oder Aktor (zum Beispiel Magnetaktor oder Piezoaktor) erreicht wird.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispielse anhand der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
FIG 1 in einem grob schematischen Längsschnitt ein Schalt¬ gerät mit einem Hauptkontaktsystem, einer bipolaren elektromagnetischen Antriebseinheit mit einem ortsfesten Joch, zwei darin ortsfest gehaltenen Magnetspulen und einem verschiebbaren Anker sowie mit einem Koppelglied in Form eines Stößels zur Übertra¬ gung einer Stellkraft von der Antriebseinheit auf das Hauptkontaktsystem bei geschlossenem Hauptkontaktsystem,
FIG 2 in Darstellung gemäß FIG 1 das dortige Schaltgerät bei geöffnetem Hauptkontaktsystem,
FIG 3 in einem schematisch vereinfachten elektrischen
Schaltbild einen Steuerschaltkreis zur Ansteuerung der beiden Magnetspulen des Schaltgeräts gemäß FIG 1, FIG 4 in Darstellung gemäß FIG 1 eine alternative Ausfüh¬ rungsform des Schaltgeräts bei geschlossenem Haupt¬ kontaktsystem,
FIG 5 in Darstellung gemäß FIG 1 das Schaltgerät gemäß FIG
4 bei geöffnetem Hauptkontaktsystem, und
FIG 6 in einem schematischen Längsschnitt eine weitere Aus¬ führungsform des Hauptkontaktsystems.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die FIG 1 und 2 zeigen grob schematisch vereinfacht eine ers¬ te Ausführungsform eines Schaltgeräts 1, bei dem es sich um einen sogenannten Kompaktabzweig zur Versorgung eines Elektromotors mit einem Versorgungsstrom handelt. Das Schaltgerät 1 ermöglicht hierbei in einem einzigen Gerät sowohl das be¬ triebsmäßige Ein- und Ausschalten unter Normallast als auch eine Überlastabschaltung sowie eine Schnellabschaltung im Fall eines Kurzschlusses.
Das Schaltgerät 1 umfasst ein Hauptkontaktsystem 2, eine An¬ triebseinheit 3 sowie ein Koppelglied 4.
Das Hauptkontaktsystem 2 dient zum reversiblen Schließen und Trennen eines Strompfades 10. Hierzu umfasst es zwei Festkon¬ takte 11 und 12 sowie zwei Bewegkontakte 13 und 14. Der Fest¬ kontakt 11 ist hierbei an dem Ende einer stromzuführenden Stromschiene 15 angebracht, während der Festkontakt 12 an dem Ende einer stromabführenden Stromschiene 16 angebracht ist. Die beiden Bewegkontakte 13 und 14 sind in Gegenüberstellung zueinander an den Enden einer Schaltbrücke 17 angebracht. Die Schaltbrücke 17 ist zusammen mit den darin angebrachten Bewegkontakten 13 und 14 zwischen einer in FIG 1 dargestellten Schließstellung und einer in FIG 2 dargestellten Öffnungsstellung verschiebbar. In der Schließstellung gemäß FIG 1 liegen dabei der Bewegkontakt 13 an dem Festkontakt 11 und der Bewegkontakt 14 an dem zugehörigen Festkontakt 12 an, so dass über die Stromschiene 15, den Festkontakt 11, den Beweg¬ kontakt 13, die Schaltbrücke 17, den Bewegkontakt 14, den Festkontakt 12 und die Stromschiene 16 eine elektrisch lei- tende Verbindung geschaffen und der Strompfad 10 somit ge¬ schlossen ist. In der Öffnungsstellung gemäß FIG 2 sind beide Bewegkontakte 13 und 14 von ihren jeweils zugehörigen Fest¬ kontakten 11 bzw. 12 abgehoben, so dass der Strompfad 10 unterbrochen ist.
Die Schaltbrücke 17 wird mittels einer Kontaktfeder 18 in Richtung auf die Stromschienen 15 und 16 beaufschlagt, so dass die Bewegkontakte 13 und 14 jeweils in Richtung auf ihre Schließstellung vorgespannt sind.
Die Antriebseinheit 3 ist durch ein bipolares Magnetsystem gebildet. Sie umfasst ein umlaufendes Joch 20, in dem zwei Magnetspulen aufgenommen sind. Die von dem Hauptkontaktsystem 2 abgewandte Magnetspule ist hierbei nachfolgend als (Schütz- ) Spule 21 bezeichnet. Die dem Hauptkontaktsystem 2 zugewandte Magnetspule ist dagegen als (Kurzschlussauslöser- ) Spule 22 bezeichnet. Zwischen den beiden fluchtend hintereinander angeordneten Spulen 21 und 22 sind mehrere Permanentmagnete 23 angeordnet. An den jeweils voneinander abgewandten Stirnsei- ten der Spulen 21 und 22 hat das Joch 20 jeweils einen als
Polschuh 24 wirkenden Vorsprung, mit dem das Joch 20 geringfügig in das Innere der jeweils angrenzenden Spule 21 bzw. 22 hineinragt. Im Inneren der Spulen 21 und 22, und damit in dem axial von den Polschuhen 24 begrenzten Raum ist ein zylindri- scher Anker 25 aus Weicheisen aufgenommen. Der Anker 25 hat eine den Raum zwischen den Polschuhen 24 wesentlich unterschreitende Länge und ist somit parallel zur Achse der Spulen 21 und 22 zwischen zwei Ankerstellungen reversibel verschieb¬ bar. In einer in FIG 1 dargestellten ersten Ankerstellung taucht der Anker 25 vorrangig in die Schützspule 21 ein und liegt dabei stirnseitig an dem von dem Hauptkontaktsystem 2 abgewandten Polschuh 24 des Jochs 20 an. In der in FIG 2 dargestellten anderen Ankerstellung taucht der Anker 25 dagegen maßgeblich in die Kurzschlussauslöserspule 22 ein und liegt dabei stirnseitig an dem Hauptkontaktsystem 2 zugewandten Polschuh des Jochs 20 an. Bei der Antriebseinheit 3 handelt es sich um ein an sich bistabiles Magnetsystem, in dem der Anker 25 infolge des von den Permanentmagneten 23 erzeugten Magnetflusses in seinen beiden Ankerlagen gemäß FIG 1 und gemäß FIG 2 stabilisiert wird, solange die Spulen 21 und 22 entregt, das heißt im We- sentlichen unbestromt sind. Der Anker 25 wird durch eine
Rückdruckfeder 26 in die dem Hauptkontaktsystem 2 zugewandte Ankerstellung (gemäß FIG 2) vorgespannt.
In Hinblick auf das der Antriebseinheit 3 zugrunde liegende magnetische Funktionsprinzip wird auf DE 103 39 214 B4 und
DE 101 46 899 AI verweisen, wo ähnliche Magnetsysteme detail¬ liert beschrieben sind.
Das Koppelglied 4 dient zur Übertragung einer Stellkraft von der Antriebseinheit 3 auf die Schaltbrücke 17, und somit zur Bewegung der Bewegkontakte 13 und 14 zwischen der Schlie߬ stellung und der Öffnungsstellung.
Das Koppelglied 4 besteht hier aus einem Stößel 28, der fest mit dem Anker 25 verbunden ist und somit mit diesem verscho¬ ben wird. In einer im Folgenden als „Betriebsstellung" bezeichneten Stellung des Stößels 28, die in FIG 1 dargestellt ist, ist der Stößel 28 zusammen mit dem Anker 25 gegenüber dem Hauptkontaktsystem 2 zurückgezogen, so dass das Freiende des Stößels 30 mit Abstand zu der Schaltbrücke 17 angeordnet ist. Die Bewegkontakte 13 und 14 werden hierbei unter Wirkung der auf die Schaltbrücke 17 drückenden Kontaktfeder 18 in ihre Schließposition bewegt. Gemäß FIG 2 ist der Stößel 28 dagegen zusammen mit dem Anker 25 in eine „Auslösestellung" gegen die Schaltbrücke 17 vorge¬ schoben, so dass der Stößel 28 die Bewegkontakte 13 und 14 von den jeweils zugehörigen Festkontakten 11 und 12 abhebt. Die in FIG 2 dargestellte Auslösestellung des Stößels 28 kor¬ respondiert somit mit der Öffnungsstellung der Bewegkontakte
13 und 14. Die Kontaktfeder 18 und die Rückdruckfeder 26 sind unter zusätzlicher Berücksichtigung der durch die Permanentmagneten 23 erzeugten Kräfte derart dimensioniert und angeordnet, dass der Stößel 28 zusammen mit dem Anker 25 bei entregten Spulen 21 und 22 stets die in FIG 2 dargestellte Auslösestellung einnimmt. Diese Stellung ist monostabil in dem Sinne, dass der Stößel 28 sich aus jeder anderen Position selbsttätig in die Auslösestellung bewegt, solange die Spulen 21 und 22 ent¬ regt sind. Somit befinden sich auch die Bewegkontakte 13 und
14 bei entregten Spulen 21 und 22 stets in ihrer - ebenfalls monostabilen - Öffnungsstellung.
Zum Schließen des Schaltgeräts 1, mithin zur Bewegung der Bewegkontakte 13 und 14 in ihre Schließstellung wird die
Schützspule 21 mit einer Betriebsspannung beaufschlagt und somit angeregt. Hierdurch wird der Anker 25 unter Überwindung der durch die Rückdruckfeder 26 und die Permanentmagneten 23 ausgeübten Kräfte in die Ankerstellung gemäß FIG 1 ausgelenkt. Der Stößel 28 wird mit dem Anker 25 in seine Betriebs¬ stellung mitgenommen. Unter dem Zurückweichen des Stößels 28 werden wiederum die Bewegkontakte 13 und 14 unter Wirkung der Kontaktfeder 18 in ihre Schließstellung bewegt.
Um das Schaltgerät 1 in effektiver Weise in seinem geschlos¬ senen Zustand zu halten, und insbesondere um die Haltekraft der Antriebeinheit 3 auf ein erforderliches Mindestmaß zu be¬ schränken, wird die Schützspule 21 nur zum Anziehen des Ankers 25 für eine vorgegebene Zeitspanne (Anzugzeit) ständig erregt. Vielmehr wird die Schützspule 21 in einer Haltephase nach Ablauf der Anzugzeit nur noch teilerregt, indem die Schützspule 21 mit einer pulsweitenmodulierten, und somit zeitlich getakteten Spannung beaufschlagt wird. Das Pulsweitenverhältnis dieser getakteten Haltespannung ist derart gewählt, dass der Anker 25 gerade noch sicher in der in FIG 1 dargestellten Ankerstellung gehalten wird.
Zum betriebsmäßigen Abschalten des Schaltgeräts 1 sowie zur Zwangsabschaltung bei Überlast (also einem durch das Schalt¬ gerät 1 fließenden Überstrom) wird die Schützspule 21 durch Abschalten der Haltespannung entregt. Der Anker 25 und der Stößel 28 werden hierbei unter Wirkung der Rückdruckfeder 26 in die Auslösestellung gemäß FIG 2 gedrückt, wodurch die Be- wegkontakte 13 und 14 wieder in ihre Öffnungsstellung zurückbewegt werden.
Im Falle eines Kurzschlusses in dem durch das Schaltgerät 1 geschlossenen Strompfad 10 werden gleichzeitig die Schütz- spule 21 entregt und die Kurzschlussauslöserspule 22 erregt. Unter Zusammenwirkung der durch die Kurzschlusssauslöserspule 22 und die Rückdruckfeder 26 auf den Anker 25 wirkenden Kräfte wird dabei der Stößel 28 zur Schnellabschaltung des
Schaltgeräts 1 besonders schnell in seine Auslösestellung be- wegt .
Das Schaltgerät 1 ist hierbei derart ausgelegt, dass es im Kurzschlussfall innerhalb von 5 ms abgeschaltet werden kann. FIG 3 zeigt einen elektronischen Steuerschaltkreis 30 des Schaltgeräts 1. Dieser Steuerschaltkreis 30 umfasst einen ersten Schaltungsteil 31 zur Ansteuerung der Schützspule 21, einen zweiten Schaltungsteil 32 zur Ansteuerung der Kurzschlussauslöserspule 22 sowie eine gemeinsame Steuereinheit 33.
Der Schaltungsteil 31 ist im Wesentlichen gebildet durch eine Spannungsquelle 34 und einen Halbleiterschalter 35, die in Serie mit der Schützspule 21 geschaltet sind. Ein in FIG 3 eingetragener Widerstand 36 veranschaulicht nach Art eines
Ersatzschaltbilds den ohmschen Widerstand der Schützspule 21. Parallel zu der Schützspule 21 ist im Rahmen des Schaltungs¬ teils 31 eine Entregungsschaltung 37 geschaltet, die aus ei- ner (in Sperrrichtung in das von der Spannungsquelle 34 erzeugten Potentialgefälle geschalteten) Freilaufdiode 38 und einer antiparallel hierzu geschalteten Zenerdiode 39 gebildet ist .
Der Schaltungsteil 32 umfasst ebenfalls eine Spannungsquelle 40 und einen Halbleiterschalter 41, die zusammen mit einem Ladewiderstand 42 in Serie mit der Kurzschlussauslöserspule 22 geschaltet sind. Ein in FIG 3 eingetragener Widerstand 43 veranschaulicht wiederum nach Art eines Ersatzschaltbilds den ohmschen Widerstand der Kurzschlussauslöserspule 22. Der Schaltungsteil 32 umfasst Des Weiteren als elektronischer Energiespeicher einen Kondensator 44, der der Spannungsquelle 40 und dem Ladewiderstand 42 parallelgeschaltet ist.
Die Halbleiterschalter 35 und 41 werden durch die Steuereinheit 33 angesteuert, die insbesondere durch einen Mikro- controller mit einer darin implementierten Steuersoftware gebildet ist.
Zur Erregung bzw. Entregung der Schützspule 21 wird der Halbleiterschalter 35 durch die Steuereinheit 30 aufgesteuert (geschlossen bzw. elektrisch leitend geschaltet) bzw. zugesteuert (geöffnet bzw. gesperrt) . In der Haltephase wird der Halbleiterschalter 35 hierbei durch die Steuereinheit 33 mit dem voreingestellten Pulsweitenverhältnis getaktet auf- und zugesteuert .
Beim Abschalten der Schützspule 21 bewirkt die Entregungs- Schaltung 37 eine beschleunigte Entregung der Schützspule 21, das heißt einen beschleunigten Zusammenbruch des durch die Spule 21 fließenden Stroms, indem die Spule 21 nach dem Öffnen des Halbleiterschalters 35 über die Zenerdiode 39, die Freilaufdiode 38 zur Ableitung des Spulenstroms überbrückt wird.
Im Normalbetrieb des Schaltgeräts 1 wird im Schaltungsteil 32 der Kondensator 44 bei geöffnetem Halbleiterschalter 41 über den Ladewiderstand 42 geladen. Im Kurzschlussfall wird der Halbleiterschalter 41 durch die Steuereinheit 33 geschlossen, so dass der Kondensator 44 über die Kurzschlussauslöserspule 22 entladen wird. Durch die in dem Kodensator 44 vorgehaltene elektrische Energie wird die Spule 22 hier wesentlich schnel¬ ler erregt, als dies durch unmittelbare Aufschaltung der Spannungsquelle 40 möglich wäre.
Zur besonders schnellen Trennung der Bewegkontakte 13 und 14 von den zugeführten Festkontakten 11 und 12 - insbesondere im Kurzschlussfall - trägt des Weiteren auch bei, dass der Stö¬ ßel 28 in seiner Betriebsstellung gemäß FIG 1 mit Abstand zu der Schaltbrücke 17 gelagert ist. Hierdurch werden der Anker 25 und der Stößel 28 nämlich beim Auslösen zunächst losgelöst von der Schaltbrücke 27 und der auf diese wirkenden Kontakt¬ feder 18 beschleunigt und treffen hierdurch bereits mit hoher Geschwindigkeit auf die Kontaktbrücke 17. Durch Impulsüber¬ tragung werden die Bewegkontakte 13 und 14 hierbei besonders schnell in ihre Öffnungsstellung verlagert, was einen schnel- len Zusammenbruch des durch den Strompfad 10 fließenden Stromes begünstigt.
Als Sicherheitsmaßnahme werden beide Spulen im entregten Zu¬ stand durch den Steuerschaltkreis 30 mit einer geringen Span- nung beaufschlagt, unter deren Wirkung durch die Spulen stets ein geringer Ruhestrom fließt. Die Steuereinheit 33 überwacht diese Ruheströme fortlaufend und veranlasst bei einem Zusam¬ menbruch des Ruhestroms - beispielsweise infolge eines Leis¬ tungsbruchs in einer der Spulen 21 und 22 - die Abschaltung des Schaltgeräts.
Eine zweite Ausführungsform des Schaltgeräts 1 ist in den FIG 4 und 5 in der Schließstellung bzw. Öffnungsstellung des Hauptkontaktsystems 2 dargestellt. Diese Ausführungsform des Schaltgeräts 1 unterscheidet sich von der Ausführungsform ge¬ mäß FIG 1 und 2 dadurch, dass die Schaltbrücke 17 über die Kontaktfeder 18 unmittelbar an dem Stößel 28 gelagert ist. Das Koppelglied 4 umfasst hierzu als mit dem Stößel 28 mit- laufendes Widerlager für die Kontaktfeder 18 eine Lagerplatte 50, die freiendseitig an dem - hier durch die Schaltbrücke 17 hindurchstehenden Stößel - 28 angebracht ist. In der Ausführung des Schaltgeräts 1 gemäß FIG 4 und 5 wirken die Kontaktfeder 18 und die Rückdruckfeder 16 somit in die gleicher Richtung auf den Stößel 28.
In FIG 6 ist ferner eine alternative Ausführungsform des Hauptkontaktsystems 2 dargestellt. Dieser unterscheidet sich von den vorstehenden Ausführungsformen dadurch, dass die Schaltbrücke 17 nicht linear verschiebbar, sondern um eine Achse 60 zwischen der (in FIG 6 mit durchgezogenen Linien dargestellten) Schließstellung und der (in FIG 6 mit gestri- chelten Linien angedeuteten) Öffnungsstellung der Bewegkontakte 13 und 14 verschwenkbar ist.
Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die vorstehend be¬ schriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der verschiedenen Ausführungsbeispiele be¬ schriebenen Einzelmerkmale der Erfindung und deren Ausgestaltungsvarianten auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltgerät (1)
- mit einem Hauptkontaktsystem (2), das mindestens einen
Festkontakt (11,12) und mindestens einen zugehörigen Beweg¬ kontakt (13,14) aufweist, wobei der Bewegkontakt (13,14) reversibel zum Schließen und Trennen eines Strompfades (10) zwischen zwei Schaltstellungen (), nämlich einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung gegenüber dem Festkon- takt (11,12) bewegbar ist,
- mit einer bipolaren elektromagnetischen Antriebseinheit
(3) , die einen beweglichen Anker (25) sowie eine erste ortsfeste Magnetspule (21) und eine zweite ortsfeste Mag¬ netspule (22) zur reversiblen Bewegung des Ankers (25) zwi- sehen zwei permanentmagnetisch stabilisierten Ankerlagen aufweist, und
- mit einem Koppelglied (4) zur Übertragung einer Stellkraft von der Antriebseinheit (3) auf den Bewegkontakt (13,14), wobei das Koppelglied (4) zwischen einer mit der Schließ- Stellung des Bewegkontakts (13,14) korrespondierenden Betriebsstellung und einer mit der Öffnungsstellung des Bewegkontakts (13,14) korrespondierenden Auslösestellung bewegbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
- dass bei entregten Magnetspulen (21,22) der Bewegkontakt (13,14) monostabil in der Öffnungsstellung gehalten ist,
- dass durch selektive Erregung der ersten Magnetspule (21) der Bewegkontakt (13,14) in die Schließstellung bewegbar ist, und
- dass durch selektive Erregung der zweiten Magnetspule (22) der Bewegkontakt (13,14) innerhalb einer für einen Kurz- schluss in dem Strompfad (10) zulässigen Maximalabschalt¬ zeit in die Öffnungsstellung bewegbar ist.
2. Schaltgerät (1) nach Anspruch 1,
mit mindestens einer Kontaktfeder (18), die den Bewegkontakt (13,14) in Richtung auf eine seiner beiden Schaltstellungen vorspannt .
3. Schaltgerät (1) nach Anspruch 1 oder 2,
mit mindestens einer Rückdruckfeder (26), die das Koppelglied (4) in Richtung auf die Auslösestellung vorspannt.
4. Schaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem elektronischen Steuerschaltkreis (30) zur Ansteue- rung der ersten Magnetspule (21) und/oder der zweiten Magnetspule (22 ) .
5. Schaltgerät (1) nach Anspruch 4,
wobei der Steuerschaltkreis (30) dazu eingerichtet ist, die erste Magnetspule (21) durch einen getakteten Haltestrom teilzuerregen, so dass der Bewegkontakt (13,14) in der
Schließstellung gehalten ist.
6. Schaltgerät (1) nach Anspruch 4 oder 5,
wobei der Steuerschaltkreis () eine Entregungsschaltung (37) zur beschleunigten Entregung der ersten Magnetspule (21) bei einem Kurzschluss in dem Strompfad (10) aufweist.
7. Schaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Steuerschaltkreis (30) einen elektrischen Energie¬ speicher (44), insbesondere einen Kondensator zur Erregung der zweiten Magnetspule (22) bei einem Kurzschluss in dem Strompfad (10) aufweist.
8. Schaltgerät (1) nach den Ansprüchen 4 und 7,
wobei der Steuerschaltkreis (30) dazu eingerichtet ist, zum betriebsmäßigen Abschalten des Strompfades (10) bei Normal- last oder bei Überlast in dem Strompfad (10) beide Magnetspu¬ len (21,22) zu entregen bzw. in entregtem Zustand zu belassen .
9. Schaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Koppelglied (4) in seiner Betriebsstellung von dem Bewegkontakt (13,14) entkoppelt ist, und wobei das Koppel¬ glied (4) durch die Antriebseinheit (3) bei einem Kurzschluss in dem Strompfad (10) in Richtung auf seine Auslösestellung beschleunigbar ist, so dass es erst mit einem von Null verschiedenen Impuls mittelbar oder unmittelbar auf den Bewegkontakt (13,14) stößt.
10. Schaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die erste Magnetspule (21) und/oder die zweite Magnet¬ spule (22) in entregtem Zustand mit einem geringen Ruhestrom beaufschlagt sind.
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