-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Unterbrecher- oder Schaltmechanismus für einen Schalter, insbesondere einen Schutzschalter wie einen kunststoffgekapselten Leistungsschalter oder einen Fehlerstromschutzschalter, und betrifft insbesondere die Formen der Eingriffsflächen zwischen einem Verriegelungselement zur Verriegelung eines Kniegelenks, wenn die Kontakte des Schalters geschlossen sind, und einem Verriegelungselementaufnehmer, der mit dem Verriegelungselement verriegelnd im Eingriff steht.
-
Der Schaltmechanismus für einen derartigen Schalter umfaßt allgemein ein drehbar gelagertes Verriegelungselement und einen ebenfalls drehbar gelagerten Verriegelungsempfänger, der normalerweise mit dem Verriegelungselement verriegelnd im Eingriff steht, um letzteres an einer Drehung zu hindern. Das Verriegelungselement verriegelt seinerseits ein Kniegelenk oder Kniehebel, um eine Unterbrecherfeder im gespannten Zustand zu halten, wenn die Schaltkontakte geschlossen sind. Das Verriegelungselement wird aus dem Verriegelungseingriff mit dem Verriegelungsempfänger gelöst und dreht sich, um das Kniegelenk freizugeben und die Schaltkontakte mittels der in der gespannten Unterbrecherfeder gespeicherten Kraft zu öffnen, wenn ein die Schaltung durchfließender Überstrom eine Auslöseeinrichtung betätigt und diese den Verriegelungsempfänger dreht.
-
Die
DE 499 346 A beschreibt eine thermische oder elektromagnetische Überstromauslösung für elektrische Selbstschalter. Bei dieser wird, um ein Abschalten elektrischer Schalter bei Überstrom zu erreichen, der ausschaltende Teil des Schalter durch eine nur auf Abgleiten beanspruchte Halterung in der Einschaltlage festgehalten, auf den bei Überstrom eine magnetische oder thermische Kraft einwirkt.
-
JP 590 43 856 AA beschreibt, dass eine Oberfläche eines Abschnitts eines Schutzschalters, die mit einem Auslöseelement in Kontakt steht, nickelplattiert und oberflächengehärtet ist.
-
4 ist eine Seitenansicht, die ein Beispiel eines Schaltmechanismus dieses Typs zeigt. 5 ist eine Schnittansicht längs der Linie IV-IV in 4. In 5 umfaßt der Stromkreis für eine jeweilige Phase in dem Schalter einen Unterbrecherabschnitt mit einem Paar sich in Längsrichtung gegenüberliegenden festen Kontaktschuhen 1 und 2 und einem beweglichen Kontaktschuh 3 zur Überbrückung der festen Kontaktschuhe 1 und 2. Der bewegliche Kontaktschuh 3 wird von einem aus isolierendem Material bestehenden Kontaktschuhhalter 4 getragen, ist für jede Phase gesondert vorgesehen und wird mittels einer Kontaktfeder 5, einer Schraubendruckfeder, zwischen dem beweglichen Kontaktschuh 3 und einem nicht gezeigten Gehäuse, gegen die festen Kontaktschuhe 1 und 2 vorgespannt. Der bewegliche Kontaktschuh 3 ist in 5 in ausgezogenen Linien in einer geschlossenen Stellung und gestrichelt in einer geöffneten Stellung gezeichnet. In der geschlossenen Stellung des beweglichen Kontaktschuhs 3 verbindet dieser die beiden festen Kontaktschuhe 1 und 2 (die Schaltkontakte sind geschlossen), während diese Verbindung in der geöffneten Stellung des beweglichen Kontaktschuhs 3 unterbrochen ist (die Schaltkontakte sind geöffnet). Der bewegliche Kontaktschuh 3 gelangt dadurch aus der geschlossenen Stellung in die geöffnete Stellung, indem er durch einen Schalthebel 7 nach unten gedrückt und von den festen Kontaktschuhen 1 und 2 getrennt wird, wenn der Schalthebel 7 in der Darstellung in 5 im Uhrzeigersinn von der Kraft einer gespannten Unterbrecherfeder 6, bei der es sich um eine Torsionsfeder handelt, gedreht wird. Wenn der bewegliche Kontaktschuh 3 geschlossen ist, wird der Schalthebel 7 in der ausgezogen gezeichneten Stellung gehalten und halt seinerseits die Unterbrecherfeder 6 im gespannten Zustand.
-
In den 4 und 5 ist der Schaltmechanismus als Einheit ausgebildet, dessen einzelne Teile von einem Rahmen 8 mit einer rechten und einer linken Seitenplatte 8a getragen werden. Die dem Betrachter zugewandte Seitenplatte 8a ist in 4 weggelassen. Die vom Rahmen 8 gehaltenen Einzelteile umfassen unter anderem einen schmetterlingsförmigen Handhebel 9, der mittels einer Handhebelwelle 10 drehbar gelagert ist. Auf der Handhebelwelle 10 ist ein Verriegelungselement 11 frei drehbar gelagert. Das Verriegelungselement 11 ist mit Ausnahme eines L-förmig gebogenen Abschnitts 11a an seiner Spitze gabelartig und besitzt eine rechte und eine linke Seitenplatte, die den Handhebel 9 zwischen sich einschließen. Mit dem Handhebel 9 ist das obere Ende einer oberen Verbindungsstange 12 mittels einer Verbindungswelle 13 verbunden. Mit dem unteren Ende der Verbindungsstange 12 ist das obere Ende einer unteren Verbindungsstange 14 mittels eines U-förmigen Stifts 15 verbunden. Die Verbindungsstangen 12 und 14 besitzen je eine rechte und eine linke Seitenplatte. Die Verbindungsstange 12 schließt den Handhebel an dessen entgegengesetzten Seiten zwischen sich ein, während die Verbindungsstange 14 die Verbindungsstange 12 an deren entgegengesetzten Seiten zwischen sich einschließt. Das andere Ende des U-förmigen Stifts 15 steht im Eingriff mit dem Verriegelungselement 11, um die Verbindungsstangen 12 und 14 mit dem Verriegelungselement 11 zu koppeln. Die beiden Verriegelungsstangen 12 und 14 bilden ein Kniegelenk.
-
Am unteren Ende der unteren Verbindungsstange 14 ist ein Übertragungsstift 16 befestigt. Dessen beide Enden sind in einen Schlitz 17 eingesteckt und werden von diesem geführt, welcher in den beiden Seitenplatten 8a des Rahmens 8 ausgebildet ist. Ein anderer Übertragungsstift 18 ist am Schalthebel 7 montiert, so daß er sich quer zu dem Übertragungsstift 16 erstreckt. Dieser Mechanismus umfaßt somit ein Paar Schalthebel 7, deren entgegengesetzte Enden je mit einer Schaltwelle 19 gekoppelt und voneinander beabstandet sind, wobei die Schaltwelle 19 zum Öffnen und Schließen drehbar in einem nicht gezeigten Gehäuse gelagert ist. Der Übertragungsstift 18 ist so eingebaut, daß er sich zwischen den Schalthebeln 7 erstreckt. Auf die beiden Enden der Schaltwelle 19 ist jeweils eine Unterbrecherfeder 6 aufgesetzt, deren eines Ende mit dem Übertragungsstift 18 im Eingriff steht, während das andere Ende mit dem Rahmen 8 im Eingriff ist. Die Unterbrecherfedern 6 sind in einem gespannten Zustand verdrillt und üben über den Übertragungsstift 18 auf den Übertragungsstift 16 eine in 4 nach oben gerichtete Vorspannkraft P aus, um die Schalthebel 7 in der Darstellung von 5 im Uhrzeigersinn vorzuspannen.
-
Die erwähnte Vorspannkraft P versucht, den Übertragungsstift 16 der unteren Verbindungsstange 14 längs des Schlitzes 17 nach oben zu bewegen und die Verbindungsstange 14 in der Darstellung in 4 im Gegenuhrzeigersinn um den Übertragungsstift 16 als Lagerpunkt zu verdrehen. Da jedoch das obere Ende der Verbindungsstange 14 durch den U-förmigen Stift 15 ortsfest gehalten wird, kann sich die Verbindungsstange 14 nicht bewegen und bleibt in der dargestellten Position. Zugleich wirkt eine Zugkraft Q von der Verbindungsstange 14 über den U-förmigen Stift 15 auf das Verriegelungselement 11 ein. Dadurch wird das Verriegelungselement 11 in der Darstellung in 4 im Uhrzeigersinn um die Handhebelwelle 10 als Lagerpunkt vorgespannt. Da das Verriegelungselement 11 jedoch im Verriegelungseingriff mit dem Verriegelungsempfänger 20 steht, bleibt es in der dargestellten Position. Der Verriegelungsempfänger 20 ist in Form einer Platte ausgebildet, die sich in Vertikalrichtung erstreckt und zwei seitliche Arme 20a aufweist, die im wesentlichen in der Mitte abgebogen sind. Der Plattenteil des Verriegelungsempfängers 20 besitzt nahe jedes der Arme 20a einen quadratischen Fensterausschnitt. Der Verriegelungsempfänger 20 ist mittels einer die Arme 20a durchsetzenden Tragwelle 21 frei drehbar an dem Rahmen 8 gelagert und dadurch verriegelt, daß eine Eingriffsfläche an der Unterkante der Fensteröffnung mit einer Eingriffsfläche 11b des Verriegelungselements 11 im Eingriff steht, was eine Drehbewegung des Verriegelungselements 11 verhindert. Der Verriegelungsempfänger 20 nimmt die Kraft von dem Verriegelungselement 11 auf und wird von ihr in der Darstellung in 4 im Uhrzeigersinn vorgespannt. Eine seitlich vorstehende Zunge 20c stößt jedoch gegen eine Einschnittkante an der Seitenplatte 8a des Rahmens, was eine Drehung des Verriegelungsempfängers 20 verhindert. Somit wird der Verriegelungsempfänger 20 in der dargestellten stehenden Position gehalten. Eine Rückholfeder 22 in Form einer Schraubendruckfeder ist zwischen ein unteres Ende des Verriegelungsempfängers 20 und den Rahmen 8 gesetzt, um den Verriegelungsempfänger 20 in der Darstellung in 4 im Uhrzeigersinn vorzuspannen.
-
Wenn bei diesem Schaltmechanismus der den Schalter durchfließende Strom zu groß wird, unterliegt der Verriegelungsempfänger 20 einer Auslösekraft R von einer nicht gezeigten Überstromauslöseeinrichtung, was ihn in der Darstellung in 4 im Gegenuhrzeigersinn in die gestrichelt gezeichnete Position verdreht. Dadurch wird das Verriegelungselement aus dem Eingriff mit dem Verriegelungsempfänger gelöst und dreht sich im Uhrzeigersinn. Als Folge davon klappen die Verbindungsstangen 12 und 14 unter der Kraft der gespannten Unterbrecherfedern 6 zu einem V zusammen, was die Unterbrecherhebel 7 in der Darstellung in 5 im Uhrzeigersinn verdreht. Die Unterbrecherhebel 7 stoßen den beweglichen Kontaktschuh 3 über den Kontaktschuhhalter 4 nach unten, wodurch die Schaltkontakte in beschriebener Weise geöffnet werden und der Strom unterbrochen wird.
-
6 ist eine vergrößerte Vertikalschnittansicht, die den Eingriffsabschnitt zwischen dem Verriegelungselement 11 und dem Verriegelungsempfänger 20 beim Schaltmechanismus des oben beschriebenen Standes der Technik zeigt. In 6 besitzt das Verriegelungselement eine Eingriffsfläche 11b, die mit einer Eingriffsfläche 20b des Verriegelungsempfängers 20 im Eingriff steht. Beide Eingriffsflächen 11b und 20b sind flach. Wenn die beiden Eingriffsflächen einander berühren, beispielsweise am Punkt S, dann wirkt an diesem Punkt S eine Eingriffskraft T vom Verriegelungselement 11 auf den Verriegelungsempfänger 20 infolge der Kraft Q (4), die auf das Verriegelungselement 11 einwirkt.
-
Wenn in beschriebener Weise ein Überstrom auftritt, sind für eine Verdrehung des Verriegelungsempfängers 20 im Gegenuhrzeigersinn die folgenden vier Arten von Auslösekräften bzw. -lasten erforderlich: (1) Gleitreibungskräfte, die auftreten, wenn die Eingriffsfläche 11b von der Eingriffsfläche 20b abgleitet, (2) Reibkräfte, die zwischen dem Verriegelungsempfänger 20 und der Tragwelle 21 auftreten, (3) der Widerstand der Rückholfeder 22, und (4) ein Drehmoment M (6), das im Uhrzeigersinn infolge der Kraft T auftritt, die auf die Eingriffsfläche 20b einwirkt.
-
Wenn die Länge des Arms von der Achse der Tragwelle 21 zur Wirkungslinie der Kraft T mit r bezeichnet wird, dann ergibt sich das Drehmoment M = rT.
-
Wenn sich bei diesem bekannten Schaltmechanismus der Eingriffspunkt zwischen dem Verriegelungselement 11 und dem Verriegelungsempfänger 20 verschiebt, beispielsweise von S zu S' in 6, und zwar infolge von Fertigungsungenauigkeiten der Teile des Mechanismus oder infolge von Montagetoleranzen, dann ändert sich die Länge des Arms um Δr, was das Drehmoment M zu M = (r + Δr)T ändert. Das heißt, eine Änderung der Lage des Eingriffspunkts S beeinflußt direkt das Drehmoment M. Damit werden die Betriebslasten auf den Verriegelungsempfänger 20 leicht durch die Genauigkeit der Teile des Schaltmechanismus und/oder die Genauigkeit der Montage beeinflußt und damit auch die Auslösecharakteristik verändert. Genau genommen ändert sich bei einer Änderung der Lage des Eingriffspunkts S auch die Kraft T selbst. Da jedoch die Länge m (4) des Arms von der Handhebelwelle 10, die das Verriegelungselement 11 trägt, zur Wirkungslinie der Kraft T im Vergleich zur Änderung der Lage des Eingriffspunkts S ausreichend groß ist, ist die Änderung der Kraft T selbst vernachlässigbar.
-
Je höher der Nennstrom eines solchen Schalters, desto größer ist die Federkonstante der Unterbrecherfedern 6 und damit auch die Kraft T. Wenn also dasselbe Verriegelungselement 11 und derselbe Verriegelungsempfänger 20 in einem größeren Schalter eingesetzt werden, erhöht die Reibung zwischen den Eingriffsflächen 11b und 20b ihre Abnutzung, wodurch die Auslösecharakteristik mit der Zeit drastisch verändert wird.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, den Schaltmechanismus der angegebenen Art zu schaffen, bei dem eine Änderung der Lage des Eingriffspunkts zwischen dem Verriegelungselement und dem Verriegelungsempfänger verhindert oder zumindest beschränkt ist und möglichst auch die Abnutzung der Eingriffsflächen verhindert oder vermindert wird, damit über lange Zeit stabile Betriebseigenschaften erreicht werden.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Schaltmechanismus gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung geht die Wirkungslinie der Kraft T, die von dem Verriegelungselement auf den Verriegelungsempfänger ausgeübt wird, immer durch den Mittelpunkt der Krümmung der konkaven kreisbogenförmigen Fläche, unabhängig von der Lage des Eingriffspunkts S. Dies minimiert eine Änderung der Länge r des Hebelarms, infolge einer Änderung der Lage des Eingriffspunkts S.
-
Wenn darüber hinaus die Eingriffsflächen von Verriegelungselement und/oder Verriegelungsempfänger derart behandelt oder ausgebildet sind, daß sie geringe Reibung aufweisen, wird die Abnutzung der Eingriffsflächen auch bei großen Schaltern verringert, und stabile Betriebseigenschaften werden über lange Zeit aufrechterhalten.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Vertikalschnittansicht eines wesentlichen Teils eines Schaltmechanismus gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
-
2 eine Vertikalschnittansicht eines wesentlichen Teils eines Schaltmechanismus gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung,
-
3 eine Vertikalschnittansicht eines wesentlichen Teils eines Schaltmechanismus gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
-
4 eine Seitenansicht eines herkömmlichen Schaltmechanismus,
-
5 eine Schnittansicht längs der Linie IV-IV in 4, und
-
6 eine Vertikalschnittansicht eines wesentlichen Teils von 4.
-
1 ist eine Vertikalschnittansicht eines Eingriffsabschnitts zwischen einem Verriegelungselement 11 und einem Verriegelungsempfänger 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die in der Figur dargestellte Ausgestaltung unterscheidet sich vom Stand der Technik darin, daß die Eingriffsfläche 11b des Verriegelungselements 11, die mit dem Verriegelungsempfänger 20 im Eingriff steht, als eine konvexe kreisbogenförmige Fläche ausgebildet ist, während die Eingriffsfläche 20b des Verriegelungsempfängers 20, die mit der Fläche 11b im Eingriff steht, als konkave kreisbogenförmige Fläche mit einem Krümmungsradius ausgebildet ist, der größer als derjenige der konvexen Fläche 11b ist. Außerdem fällt bei dem Ausführungsbeispiel von 1 der Mittelpunkt X der Krümmung der konkaven Fläche 20b mit der Achse Y der drehbeweglichen Tragwelle 21 zusammen (Y = X). Damit geht in 1 die Wirkungslinie der Eingriffskraft T in dargestellter Weise durch die Achse Y der Tragwelle (r = 0), so daß kein Drehmoment M von der Kraft T auf den Verriegelungsempfänger 20 ausgeübt wird. Folglich ist das Drehmoment M unabhängig von der Lage des Eingriffspunkts, S oder S', immer null.
-
Vorzugsweise ist die Eingriffsfläche 20b des Verriegelungsempfängers 20 mit einer oberflächenbehandelten Schicht versehen, die an der Oberfläche aus einer Schicht α niedriger Reibung und unter der Schicht α aus einer gehärteten Schicht β besteht, wie in 3 gezeigt. Dabei ist das Basismaterial 7 des Verriegelungsempfängers 20 beispielsweise eine kaltgehärtete Stahlplatte (SPCC). Auf der Eingriffsfläche 20b wird zunächst durch Kohlenstoffeinsatzhärtung eine gehärtete Schicht β ausgebildet und zur Bildung der reibarmen Schicht α dann eine nickelplattierte Schicht auf die Oberfläche der gehärteten Schicht β aufgebracht. Die reibarme Schicht α verringert die Reibung, die entsteht, wenn die Eingriffsfläche 11b von der Eingriffsfläche 20b abrutscht, was die Auslösebetätigungslast verringert und die Lebensdauer der Eingriffsfläche 20b erhöht. Außerdem verhindert die gehärtete Schicht β, daß die Eingriffsfläche 20b durch die Kraft T verformt wird. Das heißt, diese oberflächenbehandelten Schichten α und β verringern die Reibung mit der Eingriffsfläche 20b durch Erhöhen von deren Festigkeit, was sich in reduzierten Lasten beim Auslösevorgang manifestiert und zu einer verlängerten Lebensdauer selbst dann führt, wenn der Verriegelungsempfänger 20 bei einem großen Schalter eingesetzt wird. Entsprechende Schichten α und β können zusätzlich an der Eingriffsfläche 11b des Verriegelungselements 11 oder auch nur and dieser Eingriffsfläche 11b vorgesehen werden.
-
Im Fall von 1 ist die Wirkungslinie der Kraft T gegenüber der Tragwelle 21 geneigt, so daß die Länge n des Hebelarms von der Handhebelwelle 10 zur Wirkungslinie der Kraft T kleiner ist als im Fall von 6 (n < m), wie sich aus 4 ergibt. Dies führt zu einer Vergrößerung der Reibkraft zwischen den Eingriffsflächen 11b und 20b. Zur Verringerung dieser Reibkraft kann der Mittelpunkt X der Krümmung der Eingriffsfläche 20b gegenüber der Achse der Tragwelle 21 auf die dem Verriegelungselement abgewandte Seite verschoben werden, wie dies bei einem in 2 gezeigten weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung der Fall ist. In 2 ist der Mittelpunkt X der Krümmung beispielsweise zur Umfangsfläche der Tragwelle 21 versetzt. Dies verringert die Neigung der Wirkungslinie der Kraft T unter Erhöhung der Länge des Hebelarms von n zu n' (n' > n), wie in 4 gezeigt, wodurch die Kraft T beschränkt wird. Wenn im Fall von 2 der Eingriffspunkt von S nach S' verschoben wird, ändert sich die Länge des Hebelarms von der Achse der Tragwelle 21 zur Wirkungslinie der Kraft T von r zu r'. Diese Änderung ist jedoch vernachlässigbar klein (r r'), und das Drehmoment M auf den Verriegelungsempfänger 20 durch die Kraft T bleibt praktisch unverändert.