EP3221880A1 - Leitungsschutzschalter mit passiv beheiztem und auf einen eisenrückschluss eines elektromagnetischen auslösers wirkendes bimetall-element - Google Patents

Leitungsschutzschalter mit passiv beheiztem und auf einen eisenrückschluss eines elektromagnetischen auslösers wirkendes bimetall-element

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EP3221880A1
EP3221880A1 EP15798409.7A EP15798409A EP3221880A1 EP 3221880 A1 EP3221880 A1 EP 3221880A1 EP 15798409 A EP15798409 A EP 15798409A EP 3221880 A1 EP3221880 A1 EP 3221880A1
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EP
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bimetallic element
circuit breaker
iron
electromagnetic release
bimetallic
Prior art date
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EP15798409.7A
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French (fr)
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EP3221880B1 (de
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Matthias KATZENSTEINER
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Eaton Intelligent Power Ltd
Original Assignee
Eaton Industries Austria GmbH
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Publication date
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Publication of EP3221880B1 publication Critical patent/EP3221880B1/de
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    • H01H2071/407—Combined electrothermal and electromagnetic mechanisms the thermal element being heated by the coil of the electromagnetic mechanism

Definitions

  • the invention relates to a circuit breaker comprising at least two terminal contacts, which within the circuit breaker via a
  • Switching contact are electrically connected, acting on the switching contact electromagnetic release whose coil between the at least two
  • Connection contacts is connected, and acting on the switching contact bimetallic actuator respectively acting on the switching contact bimetallic element.
  • Circuit breakers are used to protect a line against excessive current load. Becomes a
  • the tripping in conventional circuit breakers can usually be done electromagnetically, by means of a bimetallic element, manually and in many cases also via an external connection.
  • the electromagnetic release is aimed primarily at the disconnection of the circuit at high overcurrent. Because the coil of the electromagnetic release of the circuit breaker is flowed through by the current, which also on the
  • the force generated by the electromagnetic release is dependent on the current. Above a certain threshold, the switching contact is opened by this force.
  • the electromagnetic release responds very quickly, whereby the delay time between the occurrence of an overcurrent and the opening of the switch contact is only very short.
  • the triggering via the bimetallic element takes place much slower and is intended above all to prevent excessively long-lasting current, which is only slightly above a set limit.
  • the bimetallic element is for this purpose in the electrical connection between the
  • the bimetallic element Connected terminal contacts of the circuit breaker and is therefore flowed through by the current flowing through the terminal contacts current.
  • the bimetallic element is gradually heated according to its electrical resistance and switches off after a delay time, which depends on the magnitude of the current. A higher overcurrent leads to an earlier shutdown, a lower current to a later shutdown.
  • the electromagnetic release or the bimetallic element can act directly or indirectly on the switching contact.
  • the electromagnetic release / the bimetallic element may in particular act on a lever system connected to the switching contact.
  • Ohmic resistance acts, a considerable power loss and thus leads to a poor efficiency of the circuit breaker.
  • An object of the invention is therefore to provide an improved circuit breaker.
  • a current load of the bimetallic element should be reduced or avoided and / or falling on the circuit breaker
  • Power loss can be reduced and / or the structure of a circuit breaker can be simplified.
  • the bimetallic element is passively heated, that is, heated only by the waste heat of the electromagnetic release.
  • the power loss at the circuit breaker can also be reduced.
  • the thermal and electromagnetic short-circuit release are combined spatially and functionally, ie they can form an assembly. This simplifies the construction of a circuit breaker.
  • the disclosed arrangement is particularly suitable for use in existing systems. The switching contact or the lever system do not need to be changed, since the bimetallic element acts indirectly via the one iron circuit or iron yoke of the electromagnetic release on the switching contact / the lever system. From the perspective of
  • the thermal trip unit of a circuit breaker i.e., the bimetallic element
  • the thermal trip unit of a circuit breaker tends to be largely independent of the prior art
  • the "working temperature” ie the temperature at which the curvature of the bimetallic element is so large that the switching contact is opened, comparatively high (eg above 100 ° C) .
  • the bimetallic element should have a sufficient working capacity for the This means that the product of travel and force at the free end of the bimetallic element should be sufficiently large, for which there is sufficient distance between the working temperature and the circuit breaker
  • Reference temperature e.g., 20 ° C
  • Overload range is usually given a temperature that is sufficient as the working temperature for the bimetal. Furthermore, the heating power of said electromagnetic release is sufficient in most cases to the bimetallic To heat element and ensure safe triggering of the circuit breaker by the bimetallic element.
  • Coils for large rated currents have a low number of turns at large
  • electromagnetic release in particular spaced from the coil, is arranged.
  • a good electrical insulation between the electromagnetic release, in particular its coil, and the bimetallic element can be achieved.
  • a short circuit of the coil by the bimetallic element is thus avoided even if the insulation of the coil should be defective for some reason.
  • the bimetallic element and the electromagnetic release, in particular its coil are arranged directly adjacent in the circuit breaker. In this way, the bimetallic element can be well heated by thermal radiation.
  • the electromagnetic trigger in particular its coil
  • the bimetallic element in the relevant for the heat transfer by radiation zone no significant shielding by other components.
  • at least 90% of the radiation emitted by the electromagnetic release, in particular its coil, in this zone rays should impinge unhindered on the bimetallic element. This is 90% of the rays emitted by the electromagnetic release and due to the spatial position of the electromagnetic release and the bimetal element can meet each other in principle to the bimetallic element.
  • the bimetallic element is / are provided with a coating at least in the region of the thermal coupling with the electromagnetic release and / or the electromagnetic release at least in the region of the thermal coupling with the bimetal element, which is at least 90%.
  • the infrared radiation absorbs.
  • the bimetallic element and / or the electromagnetic release may be coated accordingly for this purpose.
  • the absorption capacity in the infrared range is relevant, in the visible wavelength range, the elements mentioned may well have a different color than black.
  • bimetallic element is arranged above the electromagnetic release, in particular above the coil, or one
  • Guiding device for directing hot air from the electromagnetic release is provided on the bimetallic element.
  • the bimetallic element can be well heated by convection. Warm air rising from the electromagnetic release sweeps around the bimetallic element and heats it. It is particularly advantageous in this case if a turbulent flow is generated, in particular by the shape of the electromagnetic release, its coil or the guide device.
  • the bimetallic element forms at least part of a yoke of the electromagnetic release.
  • the bimetallic element can in turn be heated by eddy currents, on the other hand, it forms part of the magnetic yoke of the electromagnetic release, resulting in a particularly strong synergistic effect.
  • This variant of the invention works particularly well when the bimetallic element has a comparatively high iron content.
  • eddy currents at a frequency of 50 Hz contribute only a comparatively small proportion to heating of the bimetallic element.
  • the coils are made of different thickness wire and have substantially the same diameter, in particular outer diameter. As a result, a series of circuit breakers with relatively few different types of its components can be constructed, since all coils have the same diameter (preferably the same outer diameter) and the components of the circuit breaker without larger
  • the differently thick coil wires are also wound on bobbin tubes with different diameters, so that within the series of circuit breakers result in coils with substantially the same outer diameter.
  • Heat transfer from the electromagnetic actuator to the bimetallic element within a series of circuit breakers having different thicknesses of coil wire is substantially the same.
  • circuit breaker results further when the bimetallic element acts directly or indirectly on the impact armature / plunger of the electromagnetic release on the switching contact or an associated lever system. This allows even more influence on the electromagnetic release can be taken.
  • Impact armature / plunger-acting leaf spring comprises, which is fixedly mounted at one end to the electromagnetic release and connected at the other end to the bimetallic element, in particular articulated and / or
  • the leaf spring acts on that end of the impact armature / plunger that faces away from the switching contact or the lever system.
  • the interface between the impact armature / plunger and the switching contact or the lever system can be kept simple.
  • such an arrangement can also be used for existing systems, since the said interface does not need to be changed.
  • leaf spring / bimetallic element has forked ends into which a notch in the bimetallic element / in the leaf spring engages.
  • a rotary joint between the leaf spring and the bimetallic element can be realized in a simple manner.
  • the leaf spring / the plunger has a recess into which engages a notch in the plunger / in the leaf spring.
  • a rotary joint between the leaf spring and the plunger can be realized in a simple manner. It is advantageous if the bimetal element when heated from
  • a compression spring acts on the impact armature / plunger whose force is directed away from the switching contact or the lever system. As a result, the impact armature / plunger is pulled away from the switching contact or the lever system, regardless of the leaf spring. This variant is particularly advantageous if the leaf spring rests only on the impact armature / plunger but not connected / hooked with this.
  • the bimetal element acts indirectly on the iron contact or iron yoke of the electromagnetic release on the switching contact.
  • repercussions on the bimetal element where they can arise when the bimetallic element acts on the plunger of the electromagnetic release, can be avoided or at least reduced.
  • the at least one bimetallic element is inserted into an iron or iron yoke of the electromagnetic release such that a magnetic flux through the iron / iron yoke in a first position of the at least one bimetallic element at a first temperature smaller is the magnetic flux through the iron circle / iron yoke in a second position of the at least one bimetallic element at a second temperature.
  • the at least one bimetallic element is inserted into an iron or iron yoke of the electromagnetic release such that a magnetic flux through the iron / iron yoke in a first position of the at least one bimetallic element at a first temperature smaller is the magnetic flux through the iron circle / iron yoke in a second position of the at least one bimetallic element
  • Trigger be influenced.
  • the bimetallic influence indirectly influences the switching contact via the electromagnetic release.
  • the force that must apply the bimetal element very low, since this acts essentially as a switch.
  • the bimetallic element can therefore be kept very small.
  • the circuit breaker comprises a variable in function of the temperature of the at least one bimetallic element air gap in the iron / iron yoke.
  • the magnetic flux in the iron circle / iron yoke of the electromagnetic release can be relatively strongly influenced, since the magnetic resistance formed by the air gap depends linearly on the size of the air gap.
  • Bimetallic element is changeable. This results in a comparatively simple construction of the electromagnetic release, since one end of the bimetal element can be fixedly connected to the iron circle / iron yoke.
  • Bimetallic elements are changeable. In this way, the influence of the bimetallic element can be enhanced. It is advantageous if an air gap existing at the first temperature is closed at the second temperature. In this way, the influence of the bimetal element on the iron circle / iron yoke of the electromagnetic release is particularly large.
  • Iron circle / iron yoke are inserted. With appropriate design, an emergency function of the electromagnetic release can be maintained even if a bimetallic element should fail for any reason. It is also advantageous if the at least one bimetal element is arranged parallel to a direction of movement of a plunger of the electromagnetic release. This results in a particularly compact design of the
  • plastic tube having electromagnetic release arranged plastic tube.
  • the friction between the plastic tube and the inner leg, in the plastic pipe in particular also
  • Fig. 1 shows a first example of a triggering mechanism of a
  • Circuit breaker and; Fig. 2 shows a second example of a triggering mechanism of a
  • FIG. 3 shows an example of a trigger mechanism in which a bimetallic element acts indirectly via a leaf spring on a plunger of an electromagnetic release
  • FIG. 4 shows the arrangement shown in FIG. 3 in a triggering state
  • Fig. 5 shows another example of a trigger mechanism in which a
  • Bimetallic element acts indirectly via a leaf spring on a plunger of an electromagnetic release
  • Fig. 6 is an exemplary leaf spring in plan view
  • Fig. 7 shows an exemplary bimetallic element in plan view
  • Fig. 8 shows an example of a trigger mechanism in which a bimetallic element, the iron or iron yoke of a
  • Electromagnetic trigger influenced.
  • Fig. 1 shows a first example of a triggering mechanism of a
  • a circuit breaker comprises at least two terminal contacts, which are electrically connected within the circuit breaker via a switching contact 1. Furthermore, the
  • the coil 3 is connected between the at least two terminals and acting on the switching contact 1 bimetallic element 4.
  • the electromagnetic release 2 comprises in addition to the coil 3, a yoke 5 and a in Fig. 1st not visible because retracted impact anchor respectively ram.
  • the bimetallic element 4 is fixed to a bimetallic support 6 and can be adjusted in its position (in FIG. 1 vertically) by means of a screw 7 which is guided by a nut 8 fixed to the housing.
  • the bimetallic support 6 is supported on the (in Fig. 1 only partially shown) housing 10 of the
  • Line circuit breaker 1 off, and is thus secured against rotation.
  • the switching point or the triggering point of the bimetallic element 4 can be adjusted. Furthermore, the distance of the bimetallic element 4 to the electromagnetic release 2 can be adapted to coils 3 of different sizes. Although for different currents different sized wire cross sections of the coils 3 are required and the coils 3 may also have otherwise different dimensions, thereby
  • the switching contact 1 comprises a fixed fixed contact 1 1 and a movable contact piece 12, which is also part of a lever system 13.
  • the switching piece 12 is marked for reasons of clarity with small rings in order to better explain the function of the lever system 13 below.
  • the lever system 13 further comprises a contact piece carrier 14, which is rotatably mounted about a housing-fixed axis 15 and with points
  • the switching piece 12 is rotatably mounted about the arranged on the contact piece carrier 14 axis 16.
  • the lever system 13 comprises a pawl 17 which is rotatably mounted about an arranged on the contact piece carrier 14 axis 18 and is also marked with dots.
  • the lever system 13 comprises a latch support 19, which is rotatably mounted about the axis 15 and is characterized by small crosses.
  • the lever system 13 comprises a torsion spring 20, which presses the pawl 17 and the pawl support 19 against each other, and a tension spring 21, whose force acts on the contact piece 12.
  • Fig. 1 shows a bracket 24, which the pawl 17 with a lever of
  • Circuit breaker connects.
  • the bimetallic element 4 In an ON position, the bimetallic element 4 is straight, so that the torsion spring 20 presses the pawl support 19 on the pawl 17 and hooks the pawl 17 with its extension in the pawl support 19.
  • the contact piece carrier 14, the pawl 17 and the pawl support 19 can only be moved together, that is, rotated about the housing-fixed axis 15.
  • the spring 21 pulls the switching piece 12 in a clockwise direction about the axis 16, whereby the switching contact 1 remains closed in the ON position.
  • the bracket 24 pulls the contact piece carrier 14, the pawl 17 and the pawl rest 19, which are hooked into one another, counterclockwise and causes the axis 16 is moved to the right which is opened as a result of the switch contact 1.
  • the tripping of the circuit breaker can be effected by the electromagnetic release 2. If the current is too high, the impact armature presses on the latch support 19, so that the locking between the pawl 17 and the latch support 19 is released. The latch support 19 and the pawl 17 are then in the position shown in Fig. 1.
  • the tension spring 21 of the contact piece carrier 14 is now rotated about the axis 15 in the counterclockwise direction, wherein the pawl 17 deviates upward and thereby performs a clockwise rotation.
  • the arranged on the contact piece carrier 14 axis 16 moves to the right, whereby the switching contact 1 is opened.
  • the tripping mechanism of the circuit breaker illustrated in FIG. 1 has the following further features:
  • the bimetallic element 4 is spaced from the
  • electromagnetic release 2, in particular its coil 3, and the bimetallic element 4 can be achieved.
  • a short circuit of the coil 3 by the bimetallic element 4 is thus avoided even if the insulation of the coil 4 should be defective for some reason.
  • the bimetal element 4 and the electromagnetic release 2, in particular its coil 3, are arranged directly adjacent in the circuit breaker.
  • the bimetallic element 4 can be well heated by thermal radiation, because between the electromagnetic actuator 2, in particular its coil 3, and the bimetallic element 4 takes place in the relevant for the heat transfer by radiation zone no significant
  • the bimetal element 4 is oriented such that the heat transfer takes place on the largest possible area.
  • the bimetal element 4 is provided with a coating at least in the region of the thermal coupling with the electromagnetic release 2 and / or the electromagnetic release 2, at least in the region of thermal coupling with the bimetallic element 4 / are, which absorbs at least 90% of the infrared radiation. In this way, the heat transfer by radiation from the electromagnetic release 2 to the bimetallic element 4 succeeds particularly well. It is furthermore advantageous if the bimetallic element 4, as shown in FIG. 1, is arranged above the electromagnetic release 2, in particular above the coil 3. In this way, the bimetallic element 4 is not only by
  • a guide device for directing hot air from the electromagnetic release 2 to the bimetallic element 4 may be provided.
  • intermediate layer e.g., teflon, glass silk.
  • the bimetallic element 4 the electromagnetic release 2, in particular the coil 3, also touch, whereby the bimetallic element 4 is well heated by heat conduction.
  • the bimetal element 4 forms at least part of the yoke 5 of the electromagnetic release 2.
  • the yoke 5 can be moved past the top of the coil 3.
  • the bimetallic element 4 is heated on the one hand by eddy currents, on the other hand, it forms part of the yoke 5 of the electromagnetic release 2, resulting in a particularly strong synergistic effect.
  • This variant of the invention works particularly well when the bimetal element 4 is a comparatively high
  • a layer of a bimetal element 4 is often made of magnetic steel anyway and can then simultaneously serve as part of the iron yoke or yoke 5 of the electromagnetic release 2.
  • Short-circuit currents are taken into account, and also that eddy currents at a frequency of 50 Hz, a comparatively small proportion to heat the
  • Bimetallic element 4 contribute.
  • FIG. 2 now shows a variant of a triggering mechanism of a
  • Circuit breaker which is very similar to the variant shown in FIG is. Inn difference, however, the coil 3 of the electromagnetic release 2 has a substantially larger cross-section than the coil 3 shown in FIG. 1 and is therefore suitable for a higher rated current. Moreover, that is
  • Circuit breaker of a series of circuit breakers as shown in Figures 1 and 2 substantially the same diameter (here
  • Circuit breakers are constructed with relatively few different types of its components. Ideally, no need at all
  • Circuit breakers is substantially the same size, as shown in Figures 1 and 2. As a result, the heat transfer from the electromagnetic release 2 to the bimetallic element 4 within a series of
  • Circuit breakers with different thickness coil wire substantially the same.
  • the different thickness coil wires can be wound on bobbins of different diameter, so that within the series of circuit breakers, coils 3 having substantially the same outer diameter.
  • the bimetallic element 4 curves towards the coil 3 when heated.
  • the trigger mechanism can also be constructed so that the bimetallic element 4 bends away when heated from the coil 3.
  • the bimetallic element 4 could be arranged in Figures 1 and 2 under the coil 3 and attack, for example, on a projection of the latch support 19.
  • the bimetal element 4 is in its (unheated) initial position very close to the coil 3. Bends the bimetallic element 4 when heated then down, the latch support 19 against the
  • the bimetallic element 4 can, as shown in Figures 1 and 2, actively apply a thermoelastic force for unlatching a trigger mechanism. Alternatively, it would also be possible that the bimetal element 4 is biased and holds the trigger mechanism in the ON state. If this force returns when the bimetallic element 4 is heated, the triggering mechanism is triggered, that is, the switching contact 1 is disconnected.
  • FIGS 3 and 4 now show an embodiment of a trigger mechanism of a circuit breaker, in which the bimetallic element 4 acts indirectly via the electromagnetic release 2 on the switching contact 1 respectively on a lever system connected to the switching contact.
  • the electromagnetic release 2 comprises a movably mounted impact armature 25 respectively plunger, on which the bimetallic element 4 acts indirectly via a leaf spring 26 arranged transversely to the direction of movement of the impact armature / plunger 25.
  • the leaf spring 26 is fixedly mounted at one end to the electromagnetic release 2 and at the other end with the bimetallic element 4th
  • the leaf spring 26 is at one end via a fixed
  • the electromagnetic release 2 comprises a first and second sleeve 27 and 28 of the magnetic circuit, which are made in particular of ferromagnetic material.
  • the preferably made of plastic impact armature / plunger 25 is slidably mounted in the first sleeve 27 and is by means of a compression spring 29 in the direction of the leaf spring 26 and thus independent of the leaf spring 26 of
  • the impact anchor / plunger 25 is further mounted in the second sleeve 28, which in turn is slidably mounted in the sleeve 30, which is preferably made of plastic. Furthermore, the electromagnetic release 2 comprises a fastening screw 31 for fastening the bimetallic element 4.
  • Figs. 3 and 4 The operation of the triggering mechanism shown in Figs. 3 and 4 is now as follows, with Fig. 3 showing the triggering mechanism in an idle state, Fig. 4 in the tripped state:
  • Impact armature / plunger 25 triggers the lever system, not shown, and thus the switching contact is disconnected. Supporting acts thereby, that the air gap between The two sleeves 27 and 28 while getting close and thus the magnetic flux or the electromagnetic force are getting bigger.
  • the current through the coil 3 also leads to a heating of the bimetallic element 4, which bends against the force of the leaf spring 26 and against the force of the compression spring 29 to the outside. Characterized the leaf spring 26 is pulled into a more or less elongated shape and thus presses the impact armature / plunger 25 against the lever system, not shown. Also in this case, the ever narrowing air gap between the two sleeves 27 and 28 leads to an increase in the electromagnetic force.
  • the triggering of the circuit breaker thus depends both on the temperature of the bimetallic element 4 and the current through the coil 3.
  • the temperature of the bimetallic element 4 represents a temporal integral of the current through the coil 3, so that the influence of the bimetallic element 4 predominates in currents which are indeed long-lasting but only slightly above a permissible value. However, if the current rises very rapidly and very far above a permissible value, then the influence of the electromagnetic force on the impact armature / plunger 25 prevails.
  • Lever system 13 is turned away. This allows the interface between the
  • Impact armature / plunger 25 and the switch contact 1 and the lever system 13 are kept simple. In addition, such an arrangement can also be used for existing systems, since the said interface does not need to be changed.
  • the leaf spring 16 is only on the impact armature / plunger 25, resulting in a simple construction of the circuit breaker.
  • the leaf spring 26 may also have fork-shaped ends, in which a notch in the bimetallic element 4 engages (see also Fig. 6 and 7). This can easily pivot between the leaf spring 26 and the
  • Bimetallic element 4 can be realized. Of course, too, for the same purpose conceivable that the bimetallic element 4 has fork-shaped ends, in which a notch in the leaf spring 26 engages.
  • the bimetallic element 4 bends when heated to
  • FIG. 5 now shows an embodiment which is similar to the embodiment shown in FIGS. 3 and 4. However, now the bimetallic element 4 is bent upwards in the initial state (shown in solid lines) and bends downwards when heated (drawn in broken lines). Accordingly, the leaf spring 26 is curved upon heating of the bimetallic element 4 forward and pushes the
  • the impact armature / plunger 25 is pulled away from the lever system 13 at low current solely by the leaf spring 26 until the impact armature / plunger 25 rests on a housing wall 10. Another spring is not provided, the use of which is not excluded.
  • the impact anchor / plunger 25 is mounted in the front region in the yoke 5, in the rear part in the plastic sleeve 30.
  • the illustrated arrangement also comprises an insulation 32.
  • FIG. 5 The function of the triggering mechanism shown in FIG. 5 is similar to FIG.
  • the fork-like extensions of the leaf spring 26 engage in the notches of the bimetallic element 4, whereby a kind of articulated connection is formed.
  • the leaf spring 26 is mounted in the lower region in the yoke 5.
  • the bimetal element 4 has fork-shaped ends, in which a notch in the leaf spring 26 engages.
  • the arrangement shown is not limited to that shown in FIG. 5
  • triggering mechanism applicable, but can also be used in the trigger mechanism shown in Figures 3 and 4.
  • the arrangement shown in FIG. 5 still has the following features:
  • the leaf spring 26 again acts on that end of the
  • Lever system 13 is turned away. This allows the interface between the
  • Impact armature / plunger 24 and the switch contact 1 and the lever system 13 in turn kept simple or even used for existing systems.
  • the leaf spring 26 is also connected / hooked to the impact armature / plunger 25. As a result, both tensile and compressive forces between the leaf spring 26 and the impact armature / plunger 25 can be transmitted.
  • the bimetallic element 4 bends when heated beyond the electromagnetic release 2 out.
  • Bimetallic element 4 is covered.
  • FIG. 8 shows a further example of a triggering mechanism in which the bimetallic element 4 acts indirectly via the electromagnetic release 2 on a switching contact or on a lever system connected to the switching contact (shown here only symbolically) of the circuit breaker.
  • the bimetallic element 4 acts indirectly via the electromagnetic release 2 on a switching contact or on a lever system connected to the switching contact (shown here only symbolically) of the circuit breaker.
  • two bimetallic elements 4 are inserted into the iron circuit or iron yoke 5 of the electromagnetic release 2 such that a magnetic flux through the
  • Iron circle / iron yoke in a first position (shown in solid line) of the at least one bimetallic element 4 at a first temperature is less than the magnetic flux through the iron circle / iron yoke in a second position (dashed line) of the at least one bimetallic element 4 at a second temperature.
  • the electromagnetic release 2 comprises, in addition to a coil 3 and a centrally arranged and preferably made of plastic sleeve 30 two sleeves 27 and 28, a front disc 33 and a rear disc 24 which form parts of the iron / iron yoke.
  • the bimetal elements form 4 parts of the iron circle / iron yoke.
  • Iron circle / iron back is inserted / are.
  • the bimetallic elements 4 are in this example parallel to a direction of movement of the plunger 15 of the
  • the bimetallic elements 4 are more or less straight in this example, resulting in the iron / iron yoke air gaps, which adjoin the bimetallic elements 4.
  • the illustrated electromagnetic release 2 thus has air gaps in the iron circle / iron yoke, which are variable as a function of the temperature of the bimetallic element 4. From a certain temperature, the bimetallic elements 4 are so strongly curved that the air gaps are closed.
  • Iron circuit / iron yoke provided, which are variable depending on the temperature of said bimetallic element 4. It would also be conceivable that exactly one air gap per bimetallic element 4 in the iron circle / iron yoke is variable as a function of the temperature of said bimetallic element 4. For example, one end each of a bimetal element 4 could be fixedly connected to the disk 33 or the disk 34.
  • the temperature of the bimetallic elements 4 also influences the force acting on the impact armature / plunger 25.
  • the triggering of the circuit breaker thus depends both on the temperature of the bimetallic element 4 and the current through the coil 3.
  • the temperature of the bimetallic element 4 represents a time integral of the current through the coil 3, which is why the influence of the bimetallic element 4 predominates in currents which are indeed long-lasting but only slightly above a permissible value.
  • the influence of the electromagnetic force on the impact armature / plunger 25 prevails, which pulls it in the direction of the yoke 5 or in the direction of the lever system 13.
  • the first temperature which is associated with a larger air gap
  • the second temperature which is a smaller air gap
  • triggering mechanisms are suitable in which the bimetallic element 4 acts indirectly via the electromagnetic release 2 on a switching contact or on a lever system 13 of the circuit breaker connected to the switching contact (see in particular FIGS. 3 to 8), especially for use in existing systems ,
  • the lever system 13 does not need to be changed, since the bimetallic element 4, as shown above, acts indirectly on the lever system 13 via the plunger 4. From the perspective of the lever system 13, nothing changes with the use of such a triggering mechanism.
  • the triggering mechanisms shown in FIGS. 1 and 2 are mutatis mutandis applicable to the triggering mechanisms shown in FIGS. 3 to 8.
  • the bimetallic element 4 may be arranged at a distance from the electromagnetic release 2.
  • the bimetallic element 4 and the electromagnetic release 2 can also be arranged directly adjacent in the circuit breaker.
  • the bimetal element 4 is at least in the thermal coupling with the electromagnetic release 2 and / or the electromagnetic release 2 at least in the thermal coupling with the bimetallic element 4 is provided with a coating / which at least 90% of the infrared radiation absorbed. It is also possible that the bimetallic element 4 above the
  • electromagnetic initiator 2 is arranged or a guide device for conducting hot air from the electromagnetic release 2 is provided on the bimetallic element 4.
  • the bimetallic element 4 forms part of the yoke 5 of the electromagnetic release 2.
  • a series of multiple circuit breakers to form in which the coils 3 are made of different thickness wire and substantially the same diameter, in particular outer diameter, have (compare Figures 1 and 2).
  • the distance between the bimetallic element 4 and the electromagnetic release 2 in the case of several circuit breakers may be substantially the same.
  • the triggering device is not necessarily shown to scale and therefore may have other proportions. Furthermore, the triggering device may also comprise more or fewer components than shown. Location information (for example, “top”, “bottom”, “left”, “right”, etc.) are based on the respective figure described in each case and are to be adapted in a position change in accordance with the new situation. For example, the

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Abstract

Es wird ein Leitungsschutzschalter mit zumindest zwei Anschlusskontakten angegeben, die innerhalb des Leitungsschutzschalters über einen Schaltkontakt (1) elektrisch verbunden sind. Weiterhin umfasst der Leitungsschutzschalter einen auf den Schaltkontakt (1) wirkenden elektromagnetischen Auslöser (2), dessen Spule (3) zwischen die zumindest zwei Anschlusskontakte geschaltet ist, sowie ein auf den Schaltkontakt (1) wirkendes Bimetall-Element (4). Bei dem genannten Leitungsschutzschalter ist die elektrische Verbindung zwischen den zumindest zwei Anschlusskontakten am Bimetall-Element (4) vorbei geführt, und das Bimetall-Element ist mit dem genannten elektromagnetischen Auslöser (2) thermisch gekoppelt. Darüber hinaus wirkt das Bimetall-Element (4) indirekt über einen Eisenkreis beziehungsweise Eisenrückschluss des elektromagnetischen Auslösers (2) auf den Schaltkontakt (1).

Description

Leitungsschutzschalter mit passiv beheiztem und auf einen Eisenrückschluss eines elektromagnetischen Auslösers wirkendes Bimetall-Element
TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft einen Leitungsschutzschalter, umfassend zumindest zwei Anschlusskontakte, die innerhalb des Leitungsschutzschalters über einen
Schaltkontakt elektrisch verbunden sind, einen auf den Schaltkontakt wirkenden elektromagnetischen Auslöser, dessen Spule zwischen die zumindest zwei
Anschlusskontakte geschaltet ist, und einen auf den Schaltkontakt wirkenden Bimetall-Aktuator respektive ein auf den Schaltkontakt wirkendes Bimetall-Element.
STAND DER TECHNIK Leitungsschutzschalter (kurz„LS-Schalter" beziehungsweise engl,„circuit breaker") dienen dem Schutz einer Leitung vor zu hoher Strombelastung. Wird ein
vorgegebenen Grenzwert überschritten, so wird der zwischen den
Anschlusskontakten liegende Schaltkontakt geöffnet und damit der Stromkreis unterbrochen. Die Auslösung in herkömmlichen Leitungsschutzschaltern kann in der Regel elektromagnetisch, mit Hilfe eines Bimetall-Elements, manuell sowie in vielen Fällen auch über einen externen Anschluss erfolgen.
Die elektromagnetische Auslösung zielt vor allem auf das Trennen des Stromkreises bei hohem Überstrom ab. Weil die Spule des elektromagnetischen Auslösers des Leitungsschutzschalters vom Strom durchflössen ist, welcher auch über die
Anschlusskontakte fließt, ist die vom elektromagnetischen Auslöser erzeugte Kraft abhängig von der Stromstärke. Über einem bestimmten Schwellwert wird der Schaltkontakt durch diese Kraft geöffnet. Der elektromagnetische Auslöser spricht sehr schnell an, wodurch die Verzögerungszeit zwischen dem Auftreten eines Überstroms und dem Öffnen des Schaltkontakts nur sehr kurz ist. Die Auslösung über das Bimetall-Element (zumeist in Streifenform) erfolgt deutlich langsamer und soll vor allem übermäßig lang anhaltenden Strom, welcher nur geringfügig über einem festgesetzten Grenzwert liegt, verhindern. Das Bimetall- Element ist zu diesem Zweck in die elektrische Verbindung zwischen den
Anschlusskontakten des Leitungsschutzschalters geschaltet und wird demzufolge von dem über die Anschlusskontakte fließenden Strom durchflössen. Dabei wird das Bimetall-Element entsprechend seinem elektrischen Widerstand allmählich erwärmt und schaltet nach einer Verzögerungszeit ab, die von der Höhe des Stroms abhängt. Ein höherer Überstrom führt dabei zu einem früheren Abschalten, ein niedrigerer Strom zu einem späteren Abschalten.
Generell können der elektromagnetische Auslöser beziehungsweise das Bimetall- Element direkt oder indirekt auf den Schaltkontakt wirken. In letzterem Fall können der elektromagnetische Auslöser/das Bimetall-Element insbesondere auf ein mit dem Schaltkontakt verbundenes Hebelsystem wirken. Nachteilig an bekannten Leitungsschutzschaltern ist, dass das Bimetall-Element durch die mitunter sehr hohen über die Anschlusskontakte des
Leitungsschutzschalters fließenden Ströme belastet wird. Weiterhin ist der Aufbau eines Leitungsschutzschalters aufgrund der vielen Einzelteile aufwändig. Schließlich verursacht der über das Bimetall-Element fließende Strom, welcher auch als
Ohmscher Widerstand wirkt, eine erhebliche Verlustleistung und führt damit zu einem schlechten Wirkungsgrad des Leitungsschutzschalters.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen verbesserten Leitungsschutzschalter anzugeben. Insbesondere soll eine Strombelastung des Bimetall-Elements verringert oder vermieden werden und/oder die am Leitungsschutzschalter abfallende
Verlustleistung verringert werden und/oder der Aufbau eines Leitungsschutzschalters vereinfacht werden.
Diese Aufgabe wird durch einen Leitungsschutzschalter der eingangs genannten Art gelöst, bei dem
- die elektrische Verbindung zwischen den zumindest zwei Anschlusskontakten am Bimetall-Element vorbei geführt ist und das Bimetall-Element mit dem genannten elektromagnetischen Auslöser thermisch gekoppelt ist und
das Bimetall-Element indirekt über einen Eisenkreis beziehungsweise
Eisenrückschluss des elektromagnetischen Auslöser auf den Schaltkontakt wirkt.
Auf diese Weise wird das Bimetall-Element passiv beheizt, das heißt lediglich durch die Abwärme des elektromagnetischen Auslösers erwärmt. In Folge kann auch die am Leitungsschutzschalter abfallende Verlustleistung verringert werden. Darüber hinaus werden der thermische und elektromagnetische Kurzschlussauslöser räumlich und funktionell vereint, das heißt sie können eine Baugruppe bilden. Dadurch wird der Aufbau eines Leitungsschutzschalters vereinfacht. Darüber eignet sich die offenbarte Anordnung besonders für den Einsatz in bestehenden Systemen. Der Schaltkontakt beziehungsweise das Hebelsystem brauchen dazu ja nicht verändert werden, da das Bimetall-Element indirekt über den einen Eisenkreis beziehungsweise Eisenrückschluss des elektromagnetischen Auslösers auf den Schaltkontakt/das Hebelsystem wirkt. Aus Sicht des
Schaltkontakts/Hebelsystems ändert sich bei Einsatz eines solchen
Auslösemechanismus nichts.
In der Regel strebt man für den thermischen Auslöser eines Leitungsschutzschalters (d.h. für das Bimetall-Element) eine weitgehende Unabhängigkeit von der
Umgebungstemperatur an. Deswegen wählt man die„Arbeitstemperatur", also jene Temperatur bei der die Krümmung des Bimetall-Elements so groß ist, dass der Schaltkontakt geöffnet wird, vergleichsweise hoch (z.B. über 100°C). Außerdem sollte das Bimetall-Element ein ausreichendes Arbeitsvermögen für die Auslösung des Auslösemechanismus des Leitungsschutzschalters aufweisen. Das heißt, das Produkt aus Weg und Kraft am freien Ende des Bimetall-Elements sollte ausreichend groß sein. Dafür ist ein ausreichender Abstand der Arbeitstemperatur zur
Referenztemperatur (z.B. 20°C) nötig.
In der Spule eines Magnetauslösers eines Leitungsschutzschalters ist im
Überlastbereich in der Regel eine Temperatur gegeben, die als Arbeitstemperatur für das Bimetall ausreichend ist. Weiterhin ist auch die Heizleistung des genannten elektromagnetischen Auslösers in den meisten Fällen ausreichend, um das Bimetall- Element zu beheizen und eine sichere Auslösung des Leitungsschutzschalters durch das Bimetall-Element zu gewährleisten.
Weiterhin ist folgender Umstand für das genannte Funktionsprinzip von Vorteil:
Spulen für große Nennströme weisen eine geringe Windungszahl bei großem
Leiterquerschnitt auf, wohingegen Spulen für kleine Nennströme eine im Vergleich dazu große Windungszahl mit geringem Leiterquerschnitt aufweisen. Dadurch werden größenordnungsmäßig im Wesentlichen gleiche magnetische Kräfte über einen großen Nennstrombereich erzielt. Demgemäß ist auch die in Wärme
umgesetzte Leistung größenordnungsmäßig gleich. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung in Zusammenschau mit den Figuren.
Günstig ist es aber auch, wenn das Bimetall-Element beabstandet zum
elektromagnetischen Auslöser, insbesondere beabstandet zur Spule, angeordnet ist. Dadurch kann eine gute elektrische Isolation zwischen dem elektromagnetischen Auslöser, insbesondere dessen Spule, und dem Bimetall-Element erzielt werden. Ein Kurzschluss der Spule durch das Bimetall-Element wird somit auch dann vermieden, wenn die Isolation der Spule aus irgendeinem Grund defekt sein sollte.
In einer bevorzugten Variante des Leitungsschutzschalters sind das Bimetall- Element und der elektromagnetische Auslöser, insbesondere dessen Spule, im Leitungsschutzschalter direkt benachbart angeordnet. Auf diese Weise kann das Bimetall-Element gut durch thermische Strahlung erwärmt werden.„Direkt
benachbart" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass zwischen dem
elektromagnetischen Auslöser, insbesondere dessen Spule, und dem Bimetall- Element in der für die Wärmeübertragung durch Strahlung relevanten Zone keine nennenswerte Abschirmung durch andere Bauteile erfolgt. Bevorzugt sollen wenigstens 90% der vom elektromagnetischen Auslöser, insbesondere dessen Spule, in dieser Zone ausgehenden Strahlen ungehindert auf das Bimetall-Element auftreffen. Das sind 90% jener Strahlen, welche vom elektromagnetischen Auslöser ausgehen und aufgrund der räumlichen Lage des elektromagnetischen Auslösers und des Bimetall-Elements zueinander prinzipiell auf das Bimetall-Element treffen können.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Bimetall-Element wenigstens im Bereich der thermischen Kopplung mit dem elektromagnetischen Auslöser und/oder der der elektromagnetische Auslöser wenigstens im Bereich der thermischen Kopplung mit dem Bimetall-Element mit einer Beschichtung versehen ist/sind, welche wenigstens 90% der Infrarotstrahlung absorbiert. Auf diese Weise gelingt die Wärmeübertragung vom elektromagnetischen Auslöser auf das Bimetall-Element besonders gut. Das Bimetall-Element und/oder der elektromagnetische Auslöser können zu diesem Zweck entsprechen beschichtet sein. Für eine gute Wärmeübertragung ist dabei das Absorptionsvermögen im Infrarotbereich relevant, im sichtbaren Wellenlängenbereich können die genannten Elemente durchaus eine andere Farbe als schwarz haben.
Günstig ist es, wenn das Bimetall-Element oberhalb des elektromagnetischen Auslösers, insbesondere oberhalb der Spule, angeordnet ist oder eine
Leitvorrichtung zum Leiten heißer Luft vom elektromagnetischen Auslöser auf das Bimetall-Element vorgesehen ist. Auf diese Weise kann das Bimetall-Element gut durch Konvektion erwärmt werden. Vom elektromagnetischen Auslöser aufsteigende warme Luft streicht dabei um das Bimetall-Element und erwärmt dieses. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn dabei eine turbulente Strömung erzeugt wird, insbesondere durch die Form des elektromagnetischen Auslösers, dessen Spule oder der Leitvorrichtung.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Leitungsschutzschalters bildet das Bimetall-Element wenigstens einen Teil eines Jochs des elektromagnetischen Auslösers. Einerseits kann das Bimetall-Element wiederum durch Wirbelströme erwärmt werden, andererseits bildet es einen Teil des magnetischen Jochs des elektromagnetischen Auslösers, wodurch sich ein besonders starker synergetischer Effekt ergibt. Diese Variante der Erfindung funktioniert dann besonders gut, wenn das Bimetall-Element einen vergleichsweise hohen Eisenanteil hat. Generell tragen Wirbelströme bei einer Frequenz von 50 Hz nur einen vergleichsweise kleinen Anteil zu Erwärmung des Bimetall-Elements bei. Bei einer Baureihe von mehreren Leitungsschutzschaltern ist es darüber hinaus von Vorteil, wenn die Spulen aus unterschiedlich dickem Draht gefertigt sind und im Wesentlichen denselben Durchmesser, insbesondere Außendurchmesser, aufweisen. Dadurch kann eine Baureihe von Leitungsschutzschaltern mit relativ wenigen unterschiedlichen Bauformen seiner Bestandteile aufgebaut werden, da alle Spulen denselben Durchmesser (vorzugsweise denselben Außendurchmesser) aufweisen und die Bauteile des Leitungsschutzschalters ohne größere
Adaptierungen zueinander passen. Im Idealfall brauchen überhaupt keine
unterschiedlichen Bauformen der Bestandteile der Leitungsschutzschalter vorgesehen sein. In einer vorteilhaften Variante werden die unterschiedlich dicken Spulendrähte zudem auf Spulenhülsen mit unterschiedlichem Durchmesser gewickelt, sodass sich innerhalb der Baureihe von Leitungsschutzschaltern Spulen mit im Wesentlichen demselben Außendurchmesser ergeben.
Günstig ist es bei einer Baureihe von mehreren Leitungsschutzschaltern schließlich, wenn der Abstand zwischen dem Bimetall-Element und dem elektromagnetischen Auslöser, insbesondere dessen Spule, bei mehreren Leitungsschutzschaltern im Wesentlichen gleich groß ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass der
Wärmeübergang von dem elektromagnetischen Auslöser auf das Bimetall-Element innerhalb einer Baureihe von Leitungsschutzschaltern mit unterschiedlich dickem Spulendraht im Wesentlichen gleich ist.
Eine vorteilhafte Bauform des Leitungsschutzschalters ergibt sich weiterhin, wenn das Bimetall-Element direkt oder indirekt auf dem Schlaganker/Stößel des elektromagnetischen Auslösers auf den Schaltkontakt oder ein damit verbundenes Hebelsystem wirkt. Dadurch kann noch stärker Einfluss auf den elektromagnetischen Auslöser genommen werden.
Vorteilhaft ist es dabei, wenn der Leitungsschutzschalter eine quer zur
Bewegungsrichtung des Schlagankers/Stößels angeordnete und auf den
Schlaganker/Stößel wirkende Blattfeder umfasst, welche an einem Ende gegenüber dem elektromagnetischen Auslöser fix gelagert und am anderen Ende mit dem Bimetall-Element verbunden ist, insbesondere gelenkig gelagert und/oder
verbunden. Günstig ist es, wenn die Blattfeder auf jenes Ende des Schlagankers/Stößels wirkt, dass dem Schaltkontakt beziehungsweise dem Hebelsystem abgewandt ist. Dadurch kann die Schnittstelle zwischen dem Schlagankers/Stößel und dem Schaltkontakt beziehungsweise dem Hebelsystem einfach gehalten werden. Darüber hinaus kann eine solche Anordnung auch für bestehende Systeme eingesetzt werden, da die besagte Schnittstelle dazu nicht geändert werden braucht.
Günstig ist es zudem, wenn die Blattfeder auf dem Schlaganker/Stößel lediglich aufliegt. Dadurch ergibt sich eine einfache Bauweise des Leitungsschutzschalters.
Günstig ist es darüber hinaus, wenn die Blattfeder mit dem Schlaganker/Stößel verbunden/verhakt ist. Dadurch können sowohl Zug- als auch Druckkräfte zwischen dem der Blattfeder und dem Schlaganker/Stößel übertragen werden.
Vorteilhaft ist es, wenn die die Blattfeder / das Bimetall-Element gabelförmige Enden aufweist, in welche eine Einkerbung im Bimetall-Element / in der Blattfeder eingreift. Dadurch kann auf einfache Weise ein Drehgelenk zwischen der Blattfeder und dem Bimetall-Element realisiert werden.
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Blattfeder / der Stößel eine Ausnehmung aufweist, in welche eine Einkerbung im Stößel / in der Blattfeder eingreift. Dadurch kann auf einfache Weise ein Drehgelenk zwischen der Blattfeder und dem Stößel realisiert werden. Vorteilhaft ist es, wenn sich das Bimetall-Element bei Erwärmung vom
elektromagnetischen Auslöser weg biegt. In Kombination mit einer Blattfeder ergibt sich dadurch degressiver Verlauf der auf den Stößel wirkenden Kraft. Ebenso ergibt sich dabei ein progressiver Verlauf des vom Stößel zurückgelegten Wegs bezogen auf den Weg, der von dem freien Ende des Bimetall-Elements zurückgelegt wird. Vorteilhaft ist es aber auch, wenn sich das Bimetall-Element bei Erwärmung zum elektromagnetischen Auslöser hin biegt. Dadurch kann das Bimetall-Element direkt auf den Stößel des elektromagnetischen Auslösers drücken. Bei Kombination mit einer Blattfeder ergibt sich darüber hinaus ein progressiver Verlauf der auf den Stößel wirkenden Kraft. Ebenso ergibt sich dabei ein degressiver Verlauf des vom Stößel zurückgelegten Wegs bezogen auf den Weg, der von dem freien Ende des Bimetall-Elements zurückgelegt wird.
Günstig ist es, wenn auf den Schlaganker/Stößel eine Druckfeder wirkt, deren Kraft vom Schaltkontakt beziehungsweise dem Hebelsystem weg gerichtet ist. Dadurch wird der Schlaganker/Stößel unabhängig von der Blattfeder vom Schaltkontakt beziehungsweise dem Hebelsystem weg gezogen. Diese Variante ist insbesondere von Vorteil, wenn die Blattfeder nur auf dem Schlaganker/Stößel aufliegt aber nicht mit diesem verbunden/verhakt ist.
Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn das Bimetall-Element indirekt über den Eisenkreis beziehungsweise Eisenrückschluss des elektromagnetischen Auslösers auf den Schaltkontakt wirkt. Dadurch können Rückwirkungen auf das Bimetall- Element, wo wie sie entstehen können, wenn das Bimetall-Element auf den Stößel des elektromagnetischen Auslösers wirkt, vermieden oder zumindest verringert werden. Vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn das zumindest eine Bimetall- Element derart in einen Eisenkreis beziehungsweise Eisenrückschluss des elektromagnetischen Auslösers eingefügt ist, dass ein magnetischer Fluss durch den Eisenkreis/Eisenrückschluss in einer ersten Stellung des zumindest einen Bimetall- Elements bei einer ersten Temperatur kleiner ist als der magnetische Fluss durch den Eisenkreis/Eisenrückschluss in einer zweiten Stellung des zumindest einen Bimetall-Elements bei einer zweiten Temperatur. Vorteilhaft kann so der
magnetische Fluss im Eisenkreis beziehungsweise Eisenrückschluss und damit die erzeugte elektromagnetische Kraft auf einen Stößel des elektromagnetischen
Auslösers beeinflusst werden. Damit nimmt das Bimetall-Element Einfluss indirekt über den elektromagnetischen Auslöser Einfluss auf den Schaltkontakt. Vorteilhaft ist die Kraft, die das Bimetall-Element aufbringen muss, sehr gering, da dieses im Wesentlichen als Schalter wirkt. Das Bimetall-Element kann daher sehr klein gehalten werden.
Günstig ist es dabei, wenn die erste Temperatur kleiner ist als die zweite
Temperatur. Dadurch sind der magnetische Fluss und damit die auf einen Stößel des elektromagnetischen Auslösers wirkende Kraft bei der höheren Temperatur größer. Eine Zunahme des Stroms bewirkt daher stets eine Erhöhung der genannten Kraft, egal ob dies durch den Strom durch die Spule des elektromagnetischen Auslösers oder durch einen Wechsel des Bimetall-Elements von der ersten in die zweite
Stellung aufgrund des erhöhten Stroms erfolgt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Leitungsschutzschalter einen in Abhängigkeit der Temperatur des zumindest einen Bimetall-Elements veränderlichen Luftspalt im Eisenkreis/Eisenrückschluss umfasst. Dadurch kann der magentische Fluss im Eisenkreis/Eisenrückschluss des elektromagnetischen Auslösers relativ stark beeinflusst werden, da der durch den Luftspalt gebildete magnetische Widerstand linear von der Größe des Luftspalts abhängt.
Günstig ist es weiterhin, wenn genau ein Luftspalt je Bimetall-Element im
Eisenkreis/Eisenrückschluss in Abhängigkeit der Temperatur des genannten
Bimetall-Elements veränderlich ist. Dadurch ergibt sich ein vergleichsweise einfacher Aufbau des elektromagnetischen Auslösers, da ein Ende des Bimetall-Elements mit dem Eisenkreis/Eisenrückschluss fix verbunden werden kann.
Günstig ist es aber auch, wenn genau zwei Luftspalte je Bimetall-Element im
Eisenkreis/Eisenrückschluss in Abhängigkeit der Temperatur des genannten
Bimetall-Elements veränderlich sind. Auf diese Weise kann der Einfluss des Bimetall- Elements verstärkt werden. Vorteilhaft ist es, wenn ein bei der ersten Temperatur vorhandener Luftspalt bei der zweiten Temperatur geschlossen ist. Auf diese Weise ist der Einfluss des Bimetall- Elements auf den Eisenkreis/Eisenrückschluss des elektromagnetischen Auslösers besonders groß.
Günstig ist es, wenn genau ein Bimetall-Element in den Eisenkreis/Eisenrückschluss eingefügt ist. Dadurch ergibt sich ein vergleichsweise einfacher Aufbau des elektromagnetischen Auslösers.
Günstig ist es aber auch, wenn genau zwei Bimetall-Elemente in den
Eisenkreis/Eisenrückschluss eingefügt sind. Bei entsprechender Auslegung kann dadurch eine Notfunktion des elektromagnetischen Auslösers auch dann aufrecht erhalten werden, wenn ein Bimetall-Element aus irgendeinem Grund ausfallen sollte. Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn das zumindest eine Bimetall-Element parallel zu einer Bewegungsrichtung eines Stößels des elektromagnetischen Auslösers angeordnet ist. Dadurch ergibt sich eine besonders kompakte Bauweise des
Leitungsschutzschalters. Günstig ist es schließlich, wenn der Leitungsschutzschalter ein zwischen einem Innenschenkel des Eisenkreises/Eisenrückschlusses und der Spule des
elektromagnetischen Auslösers angeordnetes Kunststoff- Rohr aufweist. Bei entsprechender Wahl des Kunststoffs kann die Reibung zwischen dem Kunststoff- Rohr und dem Innenschenkel, der im Kunststoff-Rohr insbesondere auch
verschiebbar gelagert sein kann, gering gehalten werden. Zudem wird auch der magnetische Fluss auf den genannten Innenschenkel konzentriert.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung lassen sich auf beliebige Art und Weise kombinieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
Fig. 1 ein erstes Beispiel für einen Auslösemechanismus eines
Leitungsschutzschalters und; Fig. 2 ein zweites Beispiel für einen Auslösemechanismus eines
Leitungsschutzschalters mit größerem Querschnitt eines Spulendrahts;
Fig. 3 ein Beispiel für einen Auslösemechanismus, bei dem ein Bimetall-Element indirekt über eine Blattfeder auf einen Stößel eines elektromagnetischen Auslösers wirkt; Fig. 4 die in Fig. 3 dargestellte Anordnung in einem Auslösezustand;
Fig. 5 ein weiteres Beispiel für einen Auslösemechanismus, bei dem ein
Bimetall-Element indirekt über eine Blattfeder auf einen Stößel eines elektromagnetischen Auslösers wirkt; Fig. 6 eine beispielhafte Blattfeder in Draufsicht;
Fig. 7 ein beispielhaftes Bimetall-Element in Draufsicht und
Fig. 8 ein Beispiel für einen Auslösemechanismus, bei dem ein Bimetall-Element den Eisenkreis beziehungsweise Eisenrückschluss eines
elektromagnetischen Auslösers beeinflusst.
DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Fig. 1 zeigt ein erstes Beispiel für einen Auslösemechanismus eines
Leitungsschutzschalters. Generell umfasst ein Leitungsschutzschalter zumindest zwei Anschlusskontakte, die innerhalb des Leitungsschutzschalters über einen Schaltkontakt 1 elektrisch verbunden sind. Weiterhin umfasst der
Leitungsschutzschalter respektive sein Auslösemechanismus einen auf den
Schaltkontakt 1 wirkenden elektromagnetischen Auslöser 2, dessen Spule 3 zwischen die zumindest zwei Anschlusskontakte geschaltet ist sowie ein auf den Schaltkontakt 1 wirkendes Bimetall-Element 4. Konkret umfasst der elektromagnetische Auslöser 2 neben der Spule 3 auch ein Joch 5 sowie einen in der Fig. 1 nicht sichtbaren weil eingezogenen Schlaganker respektive Stößel. Das Bimetall-Element 4 ist an einem Bimetall-Träger 6 befestigt und kann mit einer Schraube 7, welche durch eine gehäusefeste Mutter 8 geführt ist, in seiner Lage (in der Fig. 1 vertikal) eingestellt werden. Der Bimetall-Träger 6 stützt sich am (in der Fig. 1 nur ausschnittsweise dargestellten) Gehäuse 10 des
Leitungsschutzschalters 1 ab, und wird solcherart gegen Verdrehen gesichert.
Auf diese Weise kann der Schaltpunkt beziehungsweise der Auslösepunkt des Bimetall-Elements 4 justiert werden. Weiterhin kann der Abstand des Bimetall- Elements 4 zum elektromagnetischen Auslöser 2 an verschieden große Spulen 3 angepasst werden. Obwohl für unterschiedliche Stromstärken unterschiedlich große Drahtquerschnitte der Spulen 3 benötigt werden und die Spulen 3 auch ansonsten unterschiedliche Abmessungen aufweisen können, können dadurch
Leitungsschutzschalter für unterschiedliche Ströme im Wesentlichen gleich aufgebaut sein. Der Schaltkontakt 1 umfasst einen feststehenden Festkontakt 1 1 sowie ein bewegliches Schaltstück 12, das gleichzeitig Teil eines Hebelsystems 13 ist. Das Schaltstück 12 ist aus Gründen der besseren Verständlichkeit mit kleinen Ringen gekennzeichnet, um die Funktion des Hebelsystems 13 nachfolgend besser erläutern zu können. Das Hebelsystem 13 umfasst weiterhin einen Schaltstück-Träger 14, der um eine gehäusefeste Achse 15 drehbar gelagert ist und mit Punkten
gekennzeichnet ist. Das Schaltstück 12 ist um die auf dem Schaltstück-Träger 14 angeordnete Achse 16 drehbar gelagert. Weiterhin umfasst das Hebelsystem 13 eine Klinke 17, die um eine auf dem Schaltstück-Träger 14 angeordnete Achse 18 drehbar gelagert ist und ebenfalls mit Punkten gekennzeichnet ist. Darüber hinaus umfasst das Hebelsystem 13 eine Klinkenauflage 19, die um die Achse 15 drehbar gelagert ist und mit kleinen Kreuzen gekennzeichnet ist. Schließlich umfasst das Hebelsystem 13 eine Torsionsfeder 20, welche die Klinke 17 und die Klinkenauflage 19 gegeneinander drückt, sowie eine Zugfeder 21 , deren Kraft auf das Schaltstück 12 wirkt.
In der Fig. 1 sind schließlich noch Anschlussdrähte 22 und 23 dargestellt, welche den elektromagnetischen Auslöser 2 beziehungsweise das Schaltstück 12 mit den nach außen geführten Anschlusskontakten des Leitungsschutzschalters verbinden.
Dagegen ist die elektrische Verbindung zwischen den zumindest zwei
Anschlusskontakten am Bimetall-Element 4 vorbei geführt. Zuletzt zeigt Fig. 1 noch einen Bügel 24, welcher die Klinke 17 mit einem Schalthebel des
Leitungsschutzschalters verbindet.
Die Funktion des in der Fig. 1 dargestellten Auslösemechanismus ist nun wie folgt:
In einer EIN-Stellung ist das Bimetall-Element 4 gerade, sodass die Torsionsfeder 20 die Klinkenauflage 19 auf die Klinke 17 drückt und sich die Klinke 17 mit ihrem Fortsatz in der Klinkenauflage 19 verhakt. Dadurch können der Schaltstück-Träger 14, die Klinke 17 und die Klinkenauflage 19 nur gemeinsam bewegt, das heißt um die gehäusefeste Achse 15 gedreht werden. Die Feder 21 zieht das Schaltstück 12 im Uhrzeigersinn um die Achse 16, wodurch der Schaltkontakt 1 in der EIN-Stellung geschlossen bleibt. Wird der Schalthebel des Leitungsschalters nun in die Ausstellung bewegt, so zieht der Bügel 24 den Schaltstück-Träger 14, die Klinke 17 und die Klinkenauflage 19, die ineinander verhakt sind, gegen den Uhrzeigersinn und bewirkt damit, dass die Achse 16 nach rechts bewegt wird wodurch in Folge der Schaltkontakts 1 geöffnet wird.
Als weitere Möglichkeit kann die Auslösung des Leitungsschutzschalters durch den elektromagnetischen Auslöser 2 bewirkt werden. Bei zu hohem Strom drückt der Schlaganker auf die Klinkenauflage 19, sodass die Verriegelung zwischen der Klinke 17 und der Klinkenauflage 19 aufgehoben wird. Die Klinkenauflage 19 und die Klinke 17 befinden sich dann in der in Fig. 1 dargestellten Position. Durch die Zugfeder 21 wird der Schaltstück-Träger 14 nun um die Achse 15 gegen den Uhrzeigersinn gedreht, wobei die Klinke 17 nach oben ausweicht und dabei eine Drehung im Uhrzeigersinn vollführt. Dadurch wandert die auf dem Schaltstück-Träger 14 angeordnete Achse 16 nach rechts, wodurch der Schaltkontakt 1 geöffnet wird.
In ähnlicher weise erfolgt die Auslösung des Leitungsschutzschalters mit Hilfe des Bimetall-Elements 4. Dieses drückt bei starker Erwärmung auf einen Vorsprung der Klinkenauflage 19, wodurch diese wiederum um die Achse 15 gegen den
Uhrzeigersinn gedreht und damit die Verriegelung zwischen der Klinke 17 und der Klinkenauflage 19 aufgehoben wird. Diese Situation ist in der Fig. 1 dargestellt. Der weitere Bewegungsablauf ist völlig analog zu jenem, der bei der Auslösung durch den elektromagnetischen Auslöser ausgeführt wird.
Die Auslösung durch den elektromagnetischen Auslöser 2 und das Bimetall-Element 4 sind also im Wesentlichen gleichwirkend. Lediglich die Angriffspunkte, die
Richtungen sowie gegebenenfalls die Größe der vom elektromagnetischen Auslöser 2 respektive dem Bimetall-Element 4 auf die Klinkenauflage 19 aufgebrachten Kräfte sind unterschiedlich. In beiden Fällen wird jedoch eine Drehung der Klinkenauflage 19 um die Achse 15 gegen den Uhrzeigersinn bewirkt. Durch die Anordnung des Bimetall-Elements 4 in unmittelbarer Nähe des
elektromagnetischen Auslösers 2 wird das Bimetall-Element 4 durch die Abwärme des elektromagnetischen Auslösers 2 erwärmt. Der elektromagnetische Auslöser 2, dessen Hauptfunktion das Detektieren von Kurzschlussströmen und das Öffnen des Schaltkontakts 1 bei Überstrom ist, wirkt also gleichzeitig als Heizwicklung. Dadurch ergibt sich eine Doppelnutzung des elektromagnetischen Auslösers 2. Der in der Fig. 1 dargestellte Auslösemechanismus des Leitungsschutzschalters weist noch folgende weitere Merkmale auf:
Im vorliegenden Beispiel ist das Bimetall-Element 4 beabstandet zum
elektromagnetischen Auslöser 2, insbesondere beabstandet zur Spule 3,
angeordnet. Dadurch kann eine gute elektrische Isolation zwischen dem
elektromagnetischen Auslöser 2, insbesondere dessen Spule 3, und dem Bimetall- Element 4 erzielt werden. Ein Kurzschluss der Spule 3 durch das Bimetall-Element 4 wird somit auch dann vermieden, wenn die Isolation der Spule 4 aus irgendeinem Grund defekt sein sollte. Je näher das Bimetall-Element 4 am elektromagnetischen Auslöser 2 angeordnet ist, umso besser ist jedoch die Wärmeübertragung vom elektromagnetischen Auslöser 2 an das Bimetall-Element 4.
Weiterhin sind das Bimetall-Element 4 und der elektromagnetische Auslöser 2, insbesondere dessen Spule3, im Leitungsschutzschalter direkt benachbart angeordnet. Auf diese Weise kann das Bimetall-Element 4 gut durch thermische Strahlung erwärmt werden, denn zwischen dem elektromagnetischen Auslöser 2, insbesondere dessen Spule 3, und dem Bimetall-Element 4 erfolgt in der für die Wärmeübertragung durch Strahlung relevanten Zone keine nennenswerte
Abschirmung durch andere Bauteile. Bevorzugt trifft wenigstens 90% der vom elektromagnetischen Auslöser 2, insbesondere dessen Spule 3, in der relevanten Übertragungszone ausgehenden Strahlung ungehindert auf das Bimetall-Element 4. In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn das Bimetall-Element 4 so ausgerichtet, dass die Wärmeübertragung auf einer möglichst großen Fläche stattfindet.
Von Vorteil ist es in diesem Zusammenhang auch, wenn das Bimetall-Element 4 wenigstens im Bereich der thermischen Kopplung mit dem elektromagnetischen Auslöser 2 und/oder der elektromagnetische Auslöser 2 wenigstens im Bereich der thermischen Kopplung mit dem Bimetall-Element 4 mit einer Beschichtung versehen ist/sind, welche wenigstens 90% der Infrarotstrahlung absorbiert. Auf diese Weise gelingt die Wärmeübertragung durch Strahlung vom elektromagnetischen Auslöser 2 auf das Bimetall-Element 4 besonders gut. Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn das Bimetall-Element 4 wie in der Fig. 1 dargestellt oberhalb des elektromagnetischen Auslösers 2, insbesondere oberhalb der Spule 3, angeordnet ist. Auf diese Weise wird das Bimetall-Element 4 nicht nur durch
Strahlung sondern auch durch Konvektion in Form von warmer Luft, die vom elektromagnetischen Auslöser 2 aufsteigt und um das Bimetall-Element 4 streicht, erwärmt. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Leitvorrichtung zum Leiten heißer Luft vom elektromagnetischen Auslöser 2 auf das Bimetall-Element 4 vorgesehen sein.
Obwohl die in der Fig. 1 dargestellte Variante des Auslösemechanismus eines Leitungsschutzschalters von Vorteil ist, sind auch andere Ausführungsformen denkbar. Generell ist es möglich, zwischen dem Bimetall-Element 4 und dem elektromagnetischen Auslöser 2 ein Zwischenelement beziehungsweise eine
Zwischenschicht (z.B. Teflon, Glasseide) vorzusehen. Beispielsweise kann das Bimetall-Element 4 den elektromagnetischen Auslöser 2, insbesondere dessen Spule 3, auch berühren, wodurch das Bimetall-Element 4 gut durch Wärmeleitung erwärmt wird.
Von Vorteil ist es auch, wenn das Bimetall-Element 4 wenigstens einen Teil des Jochs 5 des elektromagnetischen Auslösers 2 bildet. Beispielsweise kann das Joch 5 dazu oben an der Spule 3 vorbeigeführt werden. Dadurch wird das Bimetall-Element 4 einerseits durch Wirbelströme erwärmt, andererseits bildet es einen Teil des Jochs 5 des elektromagnetischen Auslösers 2, wodurch sich ein besonders starker synergetischer Effekt ergibt. Diese Variante der Erfindung funktioniert dann besonders gut, wenn das Bimetall-Element 4 einen vergleichsweise hohen
Eisenanteil aufweist. Eine Schicht eines Bimetall-Elements 4 ist oft ohnehin aus magnetischem Stahl und kann dann gleichzeitig als Teil des Eisenrückschlusses beziehungsweise Jochs 5 des elektromagnetischen Auslösers 2 dienen. Bei dieser Variante sollte die magnetische Kraft auf das Bimetall-Element 4 bei
Kurzschlussströmen berücksichtigt werden, und auch dass Wirbelströme bei einer Frequenz von 50 Hz einen vergleichsweise kleinen Anteil zu Erwärmung des
Bimetall-Elements 4 beitragen.
Die Fig. 2 zeigt nun eine Variante eines Auslösemechanismus eines
Leitungsschutzschalters, welcher der in der Fig. 1 dargestellten Variante sehr ähnlich ist. Inn Unterschied dazu weist die Spule 3 des elektromagnetischen Auslösers 2 jedoch einen wesentlich größeren Querschnitt auf als die in der Fig. 1 gezeigten Spule 3 und ist daher für einen höheren Nennstrom geeignet. Zudem ist das
Bimetall-Element 4 im vorderen Bereich nach unten gekröpft. Im Wesentlichen ist die Funktionsweise des in der Fig. 2 dargestellten Auslösemechanismus aber gleich wie für den in der Fig. 1 dargestellten Auslösemechanismus.
Von Vorteil ist es, wenn die Spulen 3 mehrerer unterschiedlicher
Leitungsschutzschalter einer Baureihe von Leitungsschutzschaltern wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt im Wesentlichen denselben Durchmesser (hier
Innendurchmesser) aufweisen. Dadurch kann eine Baureihe von
Leitungsschutzschaltern mit relativ wenigen unterschiedlichen Bauformen seiner Bestandteile aufgebaut werden. Im Idealfall brauchen überhaupt keine
unterschiedlichen Bauformen der Bestandteile der Leitungsschutzschalter vorgesehen sein. Vorteilhaft ist es zudem, wenn der Abstand zwischen den Bimetall-Elementen 4 und den elektromagnetischen Auslöser 2, insbesondere deren Spulen 3, bei mehreren unterschiedlichen Leitungsschutzschaltern einer Baureihe von
Leitungsschutzschaltern im Wesentlichen gleich groß ist, so wie dies in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist. Dadurch ist der Wärmeübergang vom elektromagnetischen Auslöser 2 auf das Bimetall-Element 4 innerhalb einer Baureihe von
Leitungsschutzschaltern mit unterschiedlich dickem Spulendraht im Wesentlichen gleich.
Bei der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Baureihe von unterschiedlichen
Leitungsschutzschaltern weisen die Spulen 3 im Wesentlichen denselben
Innendurchmesser auf. Dies ist jedoch keineswegs zwingend. Denkbar wäre beispielsweise auch, dass die Spulen 3 alle im Wesentlichen denselben
Außendurchmesser aufweisen. Dadurch ist der Wärmeübergang vom
elektromagnetischen Auslöser 2 auf das Bimetall-Element 4 innerhalb einer Baureihe von Leitungsschutzschaltern mit unterschiedlich dickem Spulendraht auch ohne Anpassung des Abstands des Bimetall-Elements 4 mit Hilfe der Schraube 7 im
Wesentlichen gleich groß. Dazu können die unterschiedlich dicken Spulendrähte auf Spulenhülsen mit unterschiedlichem Durchmesser gewickelt werden, sodass sich innerhalb der Baureihe von Leitungsschutzschaltern Spulen 3 mit im Wesentlichen demselben Außendurchmesser ergeben.
Eine weitere Möglichkeit, den Auslösemechanismus an verschieden große Spulen 3 anzupassen, ist auch dadurch gegeben, dass ein austauschbares Übertragungsstück vorgesehen werden kann, über welches das Bimetall-Element 4 auf der
Klinkenauflage 19 angreift. Alternativ kann auch eine unterschiedlich lange Kröpfung (vergleiche Fig. 2) zu diesem Zweck vorgesehen sein.
In den dargestellten Beispielen krümmt sich das Bimetall-Element 4 bei Erwärmung zur Spule 3 hin. Der Auslösemechanismus kann aber auch so aufgebaut sein, dass sich das Bimetall-Element 4 bei Erwärmung von der Spule 3 weg biegt.
Beispielsweise könnte das Bimetall-Element 4 in den Figuren 1 und 2 unter der Spule 3 angeordnet sein und beispielsweise an einem Vorsprung der Klinkenauflage 19 angreifen. Vorteilhaft liegt das Bimetall-Element 4 in seiner (unerwärmten) Anfangslage sehr nahe an der Spule 3. Biegt sich das Bimetall-Element 4 bei Erwärmung dann nach unten, so wird die Klinkenauflage 19 gegen den
Uhrzeigersinn bewegt, wodurch der Auslösemechanismus in der bereits weiter oben beschriebenen Weise ausgelöst wird.
Das Bimetall-Element 4 kann, so wie dies in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, aktiv eine thermoelastisch bedingte Kraft zum Entklinken eines Auslösemechanismus aufbringen. Alternativ wäre aber auch möglich, dass das Bimetall-Element 4 vorgespannt ist und den Auslösemechanismus im EIN-Zustand hält. Geht diese Kraft bei Erwärmung des Bimetall-Elements 4 zurück, so wird der Auslösemechanismus ausgelöst, das heißt der Schaltkontakt 1 getrennt.
Die Figuren 3 und 4 zeigen nun eine Ausführungsform eines Auslösemechanismus eines Leitungsschutzschalters, bei dem das Bimetall-Element 4 indirekt über den elektromagnetischen Auslöser 2 auf den Schaltkontakt 1 respektive auf ein mit dem Schaltkontakt verbundenes Hebelsystem wirkt. In den Figuren 3 und 4 ist nur der elektromagnetischen Auslöser 2 inklusive des darauf wirkenden Bimetall-Elements 4 sowie der Festkontakt 1 1 dargestellt. Das Hebelsystem mit dem Schaltstück, das so ausgestaltet sein kann wie das in den Figuren 1 und 2 dargestellte, ist jedoch nicht gezeigt. Konkret umfasst der elektromagnetische Auslöser 2 einen beweglich gelagerten Schlaganker 25 respektive Stößel, auf den das Bimetall-Element 4 indirekt über eine quer zur Bewegungsrichtung des Schlagankers/Stößels 25 angeordnete Blattfeder 26 wirkt. Die Blattfeder 26 ist an einem Ende gegenüber dem elektromagnetischen Auslöser 2 fix gelagert und am anderen Ende mit dem Bimetall-Element 4
verbunden. Insbesondere ist die Blattfeder 26 an einem Ende über ein fixes
Drehgelenk gelagert und am anderen Ende gelenkig mit dem Bimetall-Element 4 verbunden.
Weiterhin umfasst der elektromagnetische Auslöser 2 eine erste und zweite Hülse 27 und 28 des Magnetkreises, welche insbesondere aus ferromagnetischem Material gefertigt sind. Der vorzugsweise aus Kunststoff gefertigte Schlaganker/Stößel 25 ist in der ersten Hülse 27 verschiebbar gelagert und wird mit Hilfe einer Druckfeder 29 in Richtung der Blattfeder 26 und damit unabhängig von der Blattfeder 26 vom
Hebelsystem weggezogen. Der Schlaganker/Stößel 25 ist weiterhin in der zweiten Hülse 28 gelagert, die ihrerseits in der Hülse 30, welche vorzugsweise aus Kunststoff gefertigt ist, verschiebbar gelagert ist. Weiterhin umfasst der elektromagnetische Auslöser 2 eine Befestigungsschraube 31 zum Befestigen des Bimetall-Elements 4.
Die Funktion des in den Figuren 3 und 4 dargestellten Auslösemechanismus ist nun wie folgt, wobei die Fig. 3 den Auslösemechanismus in einem Ruhezustand, die Fig. 4 im ausgelösten Zustand zeigt:
In dem in Fig. 3 dargestellten Zustand ist der über den Leitungsschutzschalter geführte Strom innerhalb des zulässigen Bereichs, sodass der Schlaganker/Stößel 25 durch die Druckfeder 29 eingezogen wird. Steigt nun der über den
Leitungsschutzschalter und damit über die Spule 3 geführte Strom an, so werden einerseits die beiden Hülsen 27 und 28 durch die elektromagnetische Kraft angezogen, andererseits wird auch das Bimetall-Element 4 erwärmt und biegt sich zusehends nach außen. Steigt der Strom (in kurzer Zeit) über den Auslösewert, so werden die beiden Hülsen 27 und 28 durch die elektromagnetische Kraft so stark gegen die Kraft der Druckfeder 29 aneinander gezogen, dass der
Schlaganker/Stößel 25 das nicht dargestellte Hebelsystem auslöst und damit der Schaltkontakt getrennt wird. Unterstützend wirkt dabei, dass der Luftspalt zwischen den beiden Hülsen 27 und 28 dabei immer enger und damit der magnetische Fluss beziehungsweise die elektromagnetische Kraft immer größer werden.
Der Strom durch die Spule 3 führt aber auch zu einer Erwärmung des Bimetall- Elements 4, das sich gegen die Kraft der Blattfeder 26 und gegen die Kraft der Druckfeder 29 nach außen biegt. Dadurch wird die Blattfeder 26 in eine mehr oder minder gestreckte Form gezogen und drückt damit den Schlaganker/Stößel 25 gegen das nicht dargestellte Hebelsystem. Auch in diesem Fall führt der stetig enger werdende Luftspalt zwischen den beiden Hülsen 27 und 28 zu einer Zunahme der elektromagnetischen Kraft. Die Auslösung des Leitungsschutzschalters hängt damit sowohl von der Temperatur des Bimetall-Elements 4 als auch dem aktuellen Strom durch die Spule 3 ab. Die Temperatur des Bimetall-Elements 4 stellt dabei gleichsam ein zeitliches Integral des Stroms durch die Spule 3 dar, weswegen der Einfluss des Bimetall-Elements 4 bei Strömen überwiegt, welche zwar lang andauernden aber nur wenig über einem zulässigen Wert liegen. Steigt der Strom aber sehr rasch und sehr weit über einen zulässigen Wert, dann überwiegt der Einfluss der elektromagnetischen Kraft auf den Schlaganker/Stößel 25.
Generell weist die in den Figuren 3 und 4 dargestellte Anordnung noch folgende Merkmale auf: Die Blattfeder 26 wirkt in diesem Beispiel auf jenes Ende des
Schlagankers/Stößels 25, das dem Schaltkontakt 1 beziehungsweise dem
Hebelsystem 13 abgewandt ist. Dadurch kann die Schnittstelle zwischen dem
Schlaganker/Stößel 25 und dem Schaltkontakt 1 beziehungsweise dem Hebelsystem 13 einfach gehalten werden. Darüber hinaus kann eine solche Anordnung auch für bestehende Systeme eingesetzt werden, da die besagte Schnittstelle dazu nicht geändert werden braucht.
Weiterhin liegt die Blattfeder 16 auf dem Schlaganker/Stößel 25 lediglich auf, wodurch sich eine einfache Bauweise des Leitungsschutzschalters ergibt. Vorteilhaft kann die die Blattfeder 26 auch gabelförmige Enden aufweisen, in welche eine Einkerbung im Bimetall-Element 4 eingreift (vergleiche auch Fig. 6 und 7). Dadurch kann auf einfache Weise ein Drehgelenk zwischen der Blattfeder 26 und dem
Bimetall-Element 4 realisiert werden. Für denselben Zweck ist natürlich auch denkbar, dass das Bimetall-Element 4 gabelförmige Enden aufweist, in welche eine Einkerbung in der Blattfeder 26 eingreift.
In diesem Beispiel biegt sich das Bimetall-Element 4 bei Erwärmung zum
elektromagnetischen Auslöser 2 hin. Durch die Kombination mit der Blattfeder 26 ergibt sich ein progressiver Verlauf der auf den Stößel 25 wirkenden Kraft. Ebenso ergibt sich dabei ein degressiver Verlauf des vom Stößel 25 zurückgelegten Wegs bezogen auf den Weg, der von dem freien Ende (beziehungsweise von dem auf die Blattfeder 26 wirkenden Ende) des Bimetall-Elements 4 zurückgelegt wird.
Die Fig. 5 zeigt nun eine Ausführungsform, welche der in den Figuren 3 und 4 gezeigten Ausführungsform ähnlich ist. Allerdings ist nun das Bimetall-Element 4 im Ausgangszustand nach oben gebogen (durchgezogen gezeichnet) und biegt sich bei Erwärmung nach unten (strichliert gezeichnet). Demzufolge wird die Blattfeder 26 bei Erwärmung des Bimetall-Elements 4 nach vorne gekrümmt und schiebt den
Schlaganker/Stößel 25 in Richtung des lediglich schematisch dargestellten
Hebelsystems 13. In diesem Beispiel wird der Schlaganker/Stößel 25 bei niedrigem Strom allein durch die Blattfeder 26 vom Hebelsystem 13 weg gezogen, bis der Schlaganker/Stößel 25 auf einer Gehäusewand 10 aufliegt. Eine weitere Druckfeder ist nicht vorgesehen, der Einsatz derselben ist jedoch nicht ausgeschlossen. Der Schlaganker/Stößel 25 ist im vorderen Bereich im Joch 5, im hinteren Teil in der Kunststoffhülse 30 gelagert. Zusätzlich umfasst die dargestellte Anordnung noch eine Isolation 32.
Die Funktion des in Fig. 5 gezeigten Auslösemechanismus ist ähnlich zu der
Funktionsweise der in den Figuren 3 und 4 dargestellten Anordnung. Auch hier hängt die Auslösung des Leitungsschutzschalters sowohl von der Temperatur des Bimetall- Elements 4 als auch dem aktuellen Strom durch die Spule 3 ab. Die Temperatur des Bimetall-Elements 4 stellt wiederum ein zeitliches Integral des Stroms durch die Spule 3 dar, weswegen der Einfluss des Bimetall-Elements 4 bei Strömen überwiegt, welche zwar lang andauernden aber nur wenig über einem zulässigen Wert liegen. Steigt der Strom aber sehr rasch und sehr weit über einen zulässigen Wert, dann überwiegt der Einfluss der elektromagnetischen Kraft auf den Schlaganker/Stößel 25, welche diesen in Richtung des Jochs 5 respektive in Richtung des Hebelsystems 13 zieht. Die Fig. 6 zeigt die Blattfeder 26, die Fig. 7 das Bimetall-Element 4 nun im Detail in Draufsicht. Gut zu erkennen sind die Ausnehmungen, mit denen die beiden Teile ineinander verhakt werden. Dabei greifen die gabelartigen Fortsätze der Blattfeder 26 in die Einkerbungen des Bimetall-Elements 4 ein, wodurch eine Art gelenkige Verbindung entsteht. In ähnlicher Weise ist die Blattfeder 26 im unteren Bereich im Joch 5 gelagert. Für denselben Zweck ist natürlich auch denkbar, dass das Bimetall- Element 4 gabelförmige Enden aufweist, in welche eine Einkerbung in der Blattfeder 26 eingreift. Die gezeigte Anordnung ist natürlich nicht nur auf den in Fig. 5
dargestellten Auslösemechanismus anwendbar, sondern kann auch bei dem in den Figuren 3 und 4 dargestellten Auslösemechanismus eingesetzt werden.
Generell weist die in der Fig. 5 dargestellte Anordnung noch folgende Merkmale auf: Die Blattfeder 26 wirkt in diesem Beispiel wiederum auf jenes Ende des
Schlagankers/Stößels 25, das dem Schaltkontakt 1 beziehungsweise dem
Hebelsystem 13 abgewandt ist. Dadurch kann die Schnittstelle zwischen dem
Schlaganker/Stößel 24 und dem Schaltkontakt 1 beziehungsweise dem Hebelsystem 13 wiederum einfach gehalten beziehungsweise auch für bestehende Systeme eingesetzt werden.
In diesem Beispiel ist die Blattfeder 26 mit dem Schlaganker/Stößel 25 darüber hinaus verbunden/verhakt. Dadurch können sowohl Zug- als auch Druckkräfte zwischen der Blattfeder 26 und dem Schlaganker/Stößel 25 übertragen werden.
Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsvariante biegt sich das Bimetall-Element 4 bei Erwärmung darüber hinaus zum elektromagnetischen Auslöser 2 hin. Durch
Kombination mit der Blattfeder 26 ergibt sich damit ein progressiver Verlauf der auf den Stößel 25 wirkenden Kraft. Ebenso ergibt sich dabei ein degressiver Verlauf des vom Stößel 25 zurückgelegten Wegs bezogen auf den Weg, der von dem freien Ende (beziehungsweise von dem auf die Blattfeder 26 wirkenden Ende) des
Bimetall-Elements 4 zurückgelegt wird.
Die Fig. 8 zeigt nun ein weiteres Beispiel für einen Auslösemechanismus, bei dem das Bimetall-Element 4 indirekt über den elektromagnetischen Auslöser 2 auf einen Schaltkontakt respektive auf ein mit dem Schaltkontakt verbundenes Hebelsystem (hier nur symbolisch dargestellt) des Leitungsschutzschalters wirkt. Im Unterschied zu den zuvor gezeigten Varianten sind nun aber zwei Bimetall-Elemente 4 derart in den Eisenkreis beziehungsweise Eisenrückschluss 5 des elektromagnetischen Auslösers 2 eingefügt, dass ein magnetischer Fluss durch den
Eisenkreis/Eisenrückschluss in einer ersten Stellung (durchgezogen gezeichnet) des zumindest einen Bimetall-Elements 4 bei einer ersten Temperatur kleiner ist als der magnetische Fluss durch den Eisenkreis/Eisenrückschluss in einer zweiten Stellung (strichliert gezeichnet) des zumindest einen Bimetall-Elements 4 bei einer zweiten Temperatur.
Konkret umfasst der elektromagnetische Auslöser 2 neben einer Spule 3 und einer zentrisch angeordneten und vorzugsweise aus Kunststoff gefertigten Hülse 30 zwei Hülsen 27 und 28, eine vordere Scheibe 33 und eine hintere Scheibe 24 welche Teile des Eisenkreises/Eisenrückschlusses bilden. Zudem bilden auch die Bimetall- Elemente 4 Teile des Eisenkreises/Eisenrückschlusses.
Im vorliegenden Beispiel sind genau zwei Bimetall-Elemente 4 in den
Eisenkreis/Eisenrückschluss eingefügt. Denkbar wäre aber auch, dass lediglich ein Bimetall-Element 4 oder noch mehr Bimetall-Elemente 4 in den
Eisenkreis/Eisenrückschluss eingefügt ist/sind. Die Bimetall-Elemente 4 sind in diesem Beispiel parallel zu einer Bewegungsrichtung des Stößels 15 des
elektromagnetischen Auslösers 2 angeordnet. Dadurch ergibt sich eine besonders kompakte Bauweise des Leitungsschutzschalters.
Die Funktion des in der Fig. 8 dargestellten Auslösemechanismus ist nun wie folgt:
In einem Ruhezustand sind die Bimetall-Elemente 4 in diesem Beispiel mehr oder weniger gerade, wodurch sich im Eisenkreises/Eisenrückschlusses Luftspalte ergeben, welche an die Bimetall-Elemente 4 angrenzen. Bei zunehmender
Erwärmung krümmen sich die Bimetall-Elemente 4 zur Spule 3 hin, wodurch die Luftspalte kleiner werden. Der gezeigte elektromagnetische Auslöser 2 weist also Luftspalte im Eisenkreis/Eisenrückschluss auf, welche veränderlich in Abhängigkeit der Temperatur des Bimetall-Elements 4 sind. Ab einer bestimmten Temperatur sind die Bimetall-Elemente 4 so stark gekrümmt, dass die Luftspalte geschlossen sind. Vorteilhaft kann so der magnetische Fluss im Eisenkreis beziehungsweise
Eisenrückschluss und damit die erzeugte elektromagnetische Kraft auf einen Stößel 25 des elektromagnetischen Auslösers 2 beeinflusst werden. Damit nimmt das Bimetall-Element 4 indirekt über den elektromagnetischen Auslöser 2 Einfluss auf den Schaltkontakt respektive das mit diesem zusammenwirkende Hebelsystem 13. Vorteilhaft ist an dieser Anordnung, dass die Kraft, die das Bimetall-Element 4 aufbringen muss, sehr gering ist, da dieses im Wesentlichen als Schalter wirkt. Die Bimetall-Elemente 4 können daher sehr klein gehalten werden.
Im vorliegenden Beispiel sind genau zwei Luftspalte je Bimetall-Element 4 im
Eisenkreis/Eisenrückschluss vorgesehen, welche in Abhängigkeit der Temperatur des genannten Bimetall-Elements 4 veränderlich sind. Denkbar wäre aber auch, dass genau ein Luftspalt je Bimetall-Element 4 im Eisenkreis/Eisenrückschluss in Abhängigkeit der Temperatur des genannten Bimetall-Elements 4 veränderlich ist. Beispielsweise könnte je ein Ende je eines Bimetall-Elements 4 fix mit der Scheibe 33 oder der Scheibe 34 verbunden sein.
Durch einen Strom durch die Spule 3 wird eine elektromagnetische Kraft auf die Hülse 28 und damit auf den Stößel 25 erzeugt, welche diesen gegen die Kraft der Druckfeder 29 in Richtung des Hebelsystems 13 zieht. Durch den stetig enger werdenden Luftspalt wird die elektromagnetische Kraft ebenfalls immer größer. Der magnetische Fluss und damit die elektromagnetische Kraft werden aber auch durch die Luftspalte beeinflusst, welche an die Bimetall-Elemente 4 angrenzen. Bei kleineren Luftspalten sind auch der magnetische Fluss und damit die
elektromagnetische Kraft größer, bei größeren Luftspalten dementsprechend kleiner. Daher nimmt auch die Temperatur der Bimetall-Elemente 4 Einfluss auf die Kraft, die auf den Schlaganker/Stößel 25 wirkt.
Auch bei dem in Fig. 8 gezeigten Auslösemechanismus hängt die Auslösung des Leitungsschutzschalters damit sowohl von der Temperatur des Bimetall-Elements 4 als auch dem aktuellen Strom durch die Spule 3 ab. Die Temperatur des Bimetall- Elements 4 stellt wiederum ein zeitliches Integral des Stroms durch die Spule 3 dar, weswegen der Einfluss des Bimetall-Elements 4 bei Strömen überwiegt, welche zwar lang andauernden aber nur wenig über einem zulässigen Wert liegen. Steigt der Strom aber sehr rasch und sehr weit über einen zulässigen Wert, dann überwiegt der Einfluss der elektromagnetischen Kraft auf den Schlaganker/Stößel 25, welche diesen in Richtung des Jochs 5 respektive in Richtung des Hebelsystems 13 zieht. Vorzugsweise ist die erste Temperatur, welche einem größeren Luftspalt zugeordnet ist, kleiner ist als die zweite Temperatur, welche einem kleineren Luftspalt
zugeordnet ist. Dadurch sind der magnetische Fluss und in Folge die auf den Stößel 4 des elektromagnetischen Auslösers 2 wirkende Kraft bei der höheren Temperatur größer. Eine Zunahme des Stroms bewirkt daher stets eine Erhöhung der genannten Kraft, egal ob dies durch den Strom durch die Spule 3 des elektromagnetischen Auslösers 2 oder durch einen Wechsel des Bimetall-Elements 4 von der ersten in die zweite Stellung aufgrund des erhöhten Stroms begründet ist.
Generell eignen sich Auslösemechanismen, bei dem das Bimetall-Element 4 indirekt über den elektromagnetischen Auslöser 2 auf einen Schaltkontakt respektive auf ein mit dem Schaltkontakt verbundenes Hebelsystem 13 des Leitungsschutzschalters wirkt (siehe insbesondere die Figuren 3 bis 8), besonders für den Einsatz in bestehenden Systemen. Das Hebelsystem 13 braucht dazu ja nicht verändert werden, da das Bimetall-Element 4 wie oben gezeigt wurde indirekt über den Stößel 4 auf das Hebelsystem 13 wirkt. Aus Sicht des Hebelsystems 13 ändert sich bei Einsatz eines solchen Auslösemechanismus nichts.
Weiterhin wird angemerkt, dass die zu den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Auslösemechanismen Varianten sinngemäß auch auf die in den Figuren 3 bis 8 dargestellten Auslösemechanismen anwendbar sind. Beispielsweise kann das Bimetall-Element 4 beabstandet zum elektromagnetischen Auslöser 2 angeordnet sein. Das Bimetall-Element 4 und der elektromagnetische Auslöser 2 können im Leitungsschutzschalter auch direkt benachbart angeordnet sein. Zudem ist denkbar, dass das Bimetall-Element 4 wenigstens im Bereich der thermischen Kopplung mit dem elektromagnetischen Auslöser 2 und/oder der elektromagnetische Auslöser 2 wenigstens im Bereich der thermischen Kopplung mit dem Bimetall-Element 4 mit einer Beschichtung versehen ist/sind, welche wenigstens 90% der Infrarotstrahlung absorbiert. Möglich ist auch, dass das Bimetall-Element 4 oberhalb des
elektromagnetischen Auslösers 2 angeordnet ist oder eine Leitvorrichtung zum Leiten heißer Luft vom elektromagnetischen Auslöser 2 auf das Bimetall-Element 4 vorgesehen ist. In den in Fig. 3 bis 5 dargestellten Varianten ist zudem vorstellbar, dass das Bimetall-Element 4 einen Teil des Jochs 5 des elektromagnetischen Auslösers 2 bildet. Schließlich ist es auch mit den in den Figuren 3 bis 8 gezeigten Ausführungsformen möglich, eine Baureihe von mehreren Leitungsschutzschaltern zu bilden, bei denen die Spulen 3 aus unterschiedlich dickem Draht gefertigt sind und im Wesentlichen denselben Durchmesser, insbesondere Außendurchmesser, aufweisen (vergleiche dazu die Figuren 1 und 2). Insbesondere kann der Abstand zwischen dem Bimetall-Element 4 und dem elektromagnetischen Auslöser 2 bei mehreren Leitungsschutzschaltern im Wesentlichen gleich groß sein.
Abschließend wird angemerkt, dass die Auslösevorrichtung nicht notwendigerweise maßstäblich dargestellt ist und daher auch andere Proportionen aufweisen kann. Weiterhin kann die Auslösevorrichtung auch mehr oder weniger Bauteile als dargestellt umfassen. Lageangaben (z.B.„oben",„unten",„links",„rechts", etc.) sind auf die jeweils beschriebene Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäß an die neue Lage anzupassen. Beispielsweise können der
elektromechanische Auslöser 2 und das Bimetall-Element 4 anstatt wie dargestellt horizontal auch vertikal ausgerichtet sein. Schließlich wird angemerkt, dass sich die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung auf beliebige Art und Weise kombinieren lassen.

Claims

Patentansprüche
1 . Leitungsschutzschalter, umfassend
zumindest zwei Anschlusskontakte, die innerhalb des Leitungsschutzschalters über einen Schaltkontakt (1 ) elektrisch verbunden sind,
einen auf den Schaltkontakt (1 ) respektive auf ein mit dem Schaltkontakt (1 ) verbundenes Hebelsystem (13) wirkenden elektromagnetischen Auslöser (2), dessen Spule (3) zwischen die zumindest zwei Anschlusskontakte geschaltet ist und
zumindest ein auf den Schaltkontakt (1 ) respektive auf ein mit dem
Schaltkontakt (1 ) verbundenes Hebelsystem (13) wirkendes Bimetall-Element (4), dadurch gekennzeichnet, dass
die elektrische Verbindung zwischen den zumindest zwei Anschlusskontakten am Bimetall-Element (4) vorbei geführt ist und das Bimetall-Element (4) mit dem genannten elektromagnetischen Auslöser (2) thermisch gekoppelt ist und
- das Bimetall-Element (4) indirekt über einen Eisenkreis beziehungsweise Eisenrückschluss des elektromagnetischen Auslöser (2) auf den Schaltkontakt (1 ) wirkt und
das zumindest eine Bimetall-Element (4) derart in einen Eisenkreis
beziehungsweise Eisenrückschluss des elektromagnetischen Auslösers (2) eingefügt ist, dass ein magnetischer Fluss durch den Eisenkreis/Eisenrückschluss in einer ersten Stellung des zumindest einen Bimetall-Elements (4) bei einer ersten
Temperatur kleiner ist als der magnetische Fluss durch den
Eisenkreis/Eisenrückschluss in einer zweiten Stellung des zumindest einen Bimetall- Elements (4) bei einer zweiten Temperatur.
2. Leitungsschutzschalter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperatur kleiner ist als die zweite Temperatur.
3. Leitungsschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet durch einen in Abhängigkeit der Temperatur des zumindest einen Bimetall-Elements (4) veränderlichen Luftspalt im Eisenkreis/Eisenrückschluss.
4. Leitungsschutzschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass genau ein Luftspalt je Bimetall-Element (4) im Eisenkreis/Eisenrückschluss in Abhängigkeit der Temperatur des genannten Bimetall-Elements (4) veränderlich ist.
5. Leitungsschutzschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass genau zwei Luftspalte je Bimetall-Element (4) im Eisenkreis/Eisenrückschluss in
Abhängigkeit der Temperatur des genannten Bimetall-Elements (4) veränderlich sind.
6. Leitungsschutzschalter nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein bei der ersten Temperatur vorhandener Luftspalt bei der zweiten Temperatur geschlossen ist.
7. Leitungsschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass genau ein Bimetall-Element (4) in den
Eisenkreis/Eisenrückschluss eingefügt ist.
8. Leitungsschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass genau zwei Bimetall-Elemente (4) in den
Eisenkreis/Eisenrückschluss eingefügt sind.
9. Leitungsschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Bimetall-Element (4) parallel zu einer Bewegungsrichtung eines Stößels (25) des elektromagnetischen Auslösers (2) angeordnet ist.
EP15798409.7A 2014-11-20 2015-11-20 Leitungsschutzschalter mit passiv beheiztem und auf einen eisenrückschluss eines elektromagnetischen auslösers wirkendes bimetall-element Active EP3221880B1 (de)

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