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Elektromagnetisches Schaltgerät, insbesondere Schütz Bei elektromagnetischen
Schaltgeräten ist die Schaltgeschwindigkeit von entscheidendem Einfluß auf die Lebensdauer
sowohl der Schaltstücke, wie der mechanischen Konstruktion. Eine geringe Schaltgeschwindigkeit
hält die Schlagbeanspruchung aller Geräteteile während des Einschaltvorganges in
erträglichen Grenzen und ist Voraussetzung für einen geringen Verschleiß. Niedrige
Schaltgeschwindigkeit ist außerdem notwendig für ein prellfreies Schließen der Schaltstücke
und damit für die angestrebte Vermeidung von Einschaltabbrand und Schaltstückverschweißung.
Sie ist ferner gleichbedeutend mit einem höheren Einschaltverzug, der sich wiederum
auf den Ablauf von Schaltvorgängen günstig auswirkt und so die Steuerungsanlagen
betriebssicher macht. Eine weitere Forderung, die mit der Schaltgeschwindigkeit
in bestimmter Weise zusammenhängt, besteht darin, den bei zu tiefer Absenkung der
Erregerspannung ungenügenden Kontaktdruck zu vermeiden. Das kann nur erreicht werden,
wenn der Anzug des Magnetankers bei größerer Unterspannung überhaupt unterbunden
wird.
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Mit einer bekannten Anordnung hat man versucht, die nur mangelhaft
und mit großem Aufwand erfüllten Bedingungen einfacher und besser zu lösen, indem
man eine Rückstellfeder derart über einen Hebel auf den Anker eines Schaltgerätes
wirken läßt, daß sie mit zunehmender Längung eine auch in Abhängigkeit von der Lage
des Hebels sich ändernde Rückstellkraft erzeugt.
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Eine weit bessere Lösung stellt die Erfindung dar, die sich auf ein
elektromagnetisches Schaltgerät, insbesondere Schütz, bezieht, dessen Rückstellfeder
über ein Getriebe auf den Schützanker wirkt, das die Größe der Rückstellkraft in
Abhängigkeit vom Wege des Ankers ändert. Erfindungsgemäß ist die Größe der Rückstellkraft
am Beginn des Ankerhubes und bei unterster Betriebsspannung fast gleich der Größe
der Magnetkraft und im Moment der Kontaktberührung näherungsweise gleich Null.
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In der Abb. 1 ist eine vorzugsweise Ausführung dieses Gedankens dargestellt.
Abb. 2 gibt den Verlauf der Kraftverhältnisse in Abhängigkeit vom Ankerhub in Form
von Kennlinien wieder.
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In Abb. 1 sind mit 1 der feststehende und mit 2 der bewegliche Teil
(Anker) des Elektromagneten bezeichnet. Der Magnet wird von der Erregerspule 3 erregt.
Der Anker 2 des Magneten ist mit einem Winkelhebel 4 kraftschlüssig verbunden. Der
Winkelhebel 4 ist in dem gehäusefesten Drehpunkt 5 gelagert und überträgt die Anzugskraft
des Ankers 2 Über das Gestänge 6 auf die nicht dargestellten Schaltstücke. Mit dem
Winkelhebel 4 ist weiterhin die Druckfeder 7 kraftschlüssig verbunden, die einerseits
an dem beweglichen Drehpunkt 8 des Winkelhebels 4 und anderseits am gehäusefesten
Punkt 9 angreift. Die Feder 7 bildet mit dem Hebelarm 10 des Winkelhebels 4 ein
Kniegelenk.
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Die Abb. 1 zeigt den Zustand des elektromagnetischen Schaltgerätes
im Ausschaltzustand unmittelbar bei Beginn der Anzugsbewegung nach erfolgter Einschaltung
des Stromes in der Erregerspule 3. Die vom Anker 2 ausgeübte Zugkraft bzw. das in
bezug auf den gehäusefesten Drehpunkt 5 auftretende Drehmoment wird nahezu aufgehoben
durch ein Gegendrehmoment, das von der Federkraft 11 und dem auf den Drehpunkt 5
bezogenen Hebelarm 12 gebildet wird. Die Richtung der Federkraft 11 verläuft bei
Beginn der Ankerbewegung im Abstand 12 am Drehpunkt 5 vorbei.
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Mit zunehmendem Ankerhub verringert sich infolge der Drehung des Winkelhebels
4 der Abstand 12 der Kraftrichtung 11 vom Drehpunkt 5. Das Gegendrehmoment der Feder
7 nimmt ständig ab. Im Moment der Berührung der Hauptschaltkontakte ist erfindungsgemäß
die Bewegung des Winkelhebels 4 so eingerichtet, daß die Kraftrichtung 11 etwa durch
den Drehpunkt 5 verläuft. Das von der Feder erzeugte Gegendrehmoment ist in dieser
Bewegungsphase also Null. Die Anzugskraft des Magneten 1, 2 steht nunmehr voll für
den Durchzug der Schaltstücke bis Erreichung der endgültigen Einschaltstellung zur
Verfügung.
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Im Diagramm der Abb. 2 sind die Kraftverhältnisse in Abhängigkeit
vom Ankerhub schematisch dargestellt. Der Koordinatenursprung gilt für die Einschaltstellung
des Schützen. Die Kennlinie 13, 16, 18
gibt den nichtlinearen Verlauf
der Anzugskraft des Magneten in Abhängigkeit vom Ankerhub wieder. Am Beginn der
Ankerbewegung ist diese Kraft am kleinsten und nimmt kurz vor der Endstellung besonders
schnell zu. Die vom Schaltmechanismus tatsächlich benötigte Kraft ist durch die
Stufenkennlinie 14, 15, 16, 17 dargestellt (Kraftbedarfskurve). Vom Beginn des Ankerhubs
bis zur ersten Kontaktberührung ist der Kraftbedarf gemäß dem Kennlinienteil 14,
15 relativ gering. Im Moment der Kontaktberührung tritt infolge der Vorspannung
in den Kontaktfedern eine plötzliche Zunahme des Kraftbedarfes ein. Seine Größe
ist durch den Punkt 16 der Stufenkennlinie gekennzeichnet. Dieser Punkt 16 muß also
mindestens noch auf; nie über der Magnetkennlinie 13, 16, 18 liegen, wenn ein vollständiger
Durchzug der Schaltstücke gewährleistet sein soll. Im Bereich der Kennlinie 14,
15 besteht ein erheblicher Kraftüberschuß, der eine beträchtliche kinetische Energie
in der Ankermasse erzeugt. Dieser unerwünschte Kraftüberschuß wird durch Einführung
der Federgegenkraft wirksam verringert. Wie schon beschrieben, nimmt das von der
Feder 7 hervorgerufene Gegendrehmoment mit dem Ankerhub ab; was aus dem Verlauf
der Kennlinie 15, 18 zu erkennen ist. Die Winkelhebel n und 10 sind so bemessen,
daß das auf den Ankert wirkende Drehmoment am Beginn der Ankerbewegung fast gleich
aber entgegengesetzt ist dem Drehmoment durch die Anzugskraft des Magneten. Im Moment
der Kontaktberührung ist das von der Feder 7 .ausgeübte Gegendrehmoment gleich Null.
Von diesem Punkt an steht also die volle Anzugskraft für den vollständigen Durchzug
der Schaltstücke zur Verfügung.
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Durch die Anordnung nach Abb. 1 werden eine Reihe von Vorteilen erreicht.
Der Energiebetrag entspricht nicht mehr der vollen Fläche zwischen den Kurven 14,
15 und 16, 18, sondern ist jetzt der schraffierten Fläche zwischen den Kurven 15,
18 und 16, 18 gleichzusetzen. Der unerwünschte Kraftüberschuß; insbesondere am Beginn
der Ankerbewegung, wird also erheblich vermindert. Das bedeutet eine weit geringere
Ankerbeschleunigung und einen größeren Einschaltverzug mit den schon eingangs geschilderten
vorteilhaften Auswirkungen auf die Lebensdauer, auf die Prellfreiheit der Schaltstücke
und auf die Sicherheit von Schaltvorgängen.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus; daß sich der Magnetanker
bei zu tiefer Absenkung der Erregerspannung nicht mehr in Bewegung setzen kann,
weil in diesem Zustand die Gegenkraft der Feder größer als die Anzugskraft des Magneten
ist. Ohne die erfindungsgemäße Gegenkraft würde auch in diesem Fall der Magnet den
Anker anziehen, wobei seine Anzugskraft jedoch nicht mehr ausreicht um einen vollständigen
Durchzug der Schaltstücke herbeizuführen. Es würde also nur zu einer unzulässigen,
lockeren Kontaktberührung mit unzureichendem Kontaktdruck und damit zur Schaltstückverschweißung
kommen. Diese Gefahr wird durch die Erfindung mit Sicherheit beseitigt. Die Gegenkraft
der Feder 7 ist so bemessen, daß eine Erregerspannung, die erforderlich ist, den
Anker in Bewegung zu setzen, auch ausreicht das Schütz völlig einzuschalten.