DE3409513A1

DE3409513A1 - Elektromagnetische anordnung, insbesondere in einem schaltgeraet

Info

Publication number: DE3409513A1
Application number: DE19843409513
Authority: DE
Inventors: Konstantin Dr.-Ing. 6670 St. Ingbert Kelaiditis
Original assignee: Hager Electro GmbH and Co KG
Current assignee: Hager Electro GmbH and Co KG
Priority date: 1984-03-15
Filing date: 1984-03-15
Publication date: 1985-09-19
Also published as: GB2156156A; GB2156156B; GB8506347D0; FR2561435A1

Description

. W. Bernhardt - 2 - Kobenhüttenweg 43, 6600 Saarbrücken

Patentanwalt ^Telefon <⁰⁶⁸¹) ⁶⁵⁰⁰⁰

Hager Electro GmbH + Co, D-6601 Ensheim

"Elektromagnetische Anordnung, insbesondere in einem Schaltgerät"

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromagnetische Anordnung, insbesondere in einem Schaltgerät, mit einem durch eine stromführende Spule bei Überschreiten eines Schwellwertes der Stromstärke bewegten Anker.

Anordnungen dieser Gattung sind zu vielerlei Zwecken bekannt, wobei immer die Bewegung des Ankers in irgendeiner Weise genutzt wird. Verbreitet ist ihre Anwendung für Schaltgeräte, wie Leitungsschutzschalter, Schütze, Relais, andere Schalter und dergleichen mehr.

Ein Grundproblem dieser Anordnungen ist das Verhältnis zwischen dem Schwellwert, an dem sie ansprechen, und der Schnelligkeit, mit der ihre Bewegung dann abläuft, bzw. der Energie, die sie dabei für den Zweck, den sie zu erfüllen haben, verfügbar machen. Dieses ohnehin für bestimmte Zwecke ungünstige Verhältnis wird meist noch weiter verschlechtert durch die Erzeugung der bis zum Erreichen des Schwellwertes benötigten Haltekraft für den Anker mittels einer Feder. Die Feder spannt sich dann weiter während der Bewegung des Ankers und hindert diese damit in fortschreitendem Maße.

Um die den Anker bis zum Erreichen des Schwellwertes haltende Kraft danach wegfallen zu lassen, ist es bekannt, den Anker als Topfmagneten mit einem dauermagnetischen Kern auszubilden, der die Haltekraft erzeugt. Ein solcher Topfmagnet ist allerdings ein teures Präzisionsteil, und außerdem wird meist trotzdem noch in irgendeiner Weise eine Feder benötigt, vor allem zum Zurückholen des Ankers.

Einen weiteren Schritt zur Verbesserung des genannten Verhältnisses stellt ein noch unveröffentlichter Vorschlag dar, der den Inhalt der deutschen Patentanmeldung P 33 35 465 bildet.

Trotz aller dieser Bemühungen bleiben aber bisher die Kraft und die Energie begrenzt, die ein Anker in den in Betracht stehenden elektromagnetischen Anordnungen entwickeln kann.

Diese Kraft und Energie zu vergrößern, liegt der Erfindung als Aufgabe zugrunde.

Gemäß der Erfindung wird dieser Zweck erfüllt durch eine durch einen ersten Teil der Ankerbewegung aktivierte Einrichtung zur Erzeugung eines erhöhten auf den Anker wirkenden magnetischen Flusses.

Mit dieser Lösung läßt sich die elektromagnetische Anordnung einerseits auf den Schwellwert hin und andererseits auf die Kraft- und Energieerzeugung hin ausrichten ohne jegliche gegenseitige Beeinträchtigung.

Die Möglichkeiten zur Verwirklichung der Erfindung sind äußerst mannigfaltig.

Die Einrichtung zur Erzeugung eines höheren auf den Anker wirkenden magnetischen Flusses kann z.B. einer vorhandenen Spule eine höhere Spannung zuführen oder eine weitere Spule hinzuschalten oder die Leitfähigkeit des magnetischen Kreises erhöhen.

Das Zuführen einer höheren Spannung ist z.B. durch Wegfall eines Widerstandes, wie durch Überbrücken des Widerstandes, durch Umschalten auf eine andere Spannungsquelle oder durch Zuschalten eines Energiespeichers, der auch ein Kondensator sein kann, möglich.

Ein Erhöhen der magnetischen Leitfähigkeit ist z.B. möglich durch Beseitigen eines magnetischen Widerstands des magnetischen Kreises, wie durch Schließen einer Lücke in dem in der Regel vorhandenen Weicheisenkern·

Auch eine Kombination verschiedener solcher Möglichkeiten ist denkbar.

Aktiviert werden kann die Einrichtung durch einen Schalter, aber auch in anderer Weise. Man kann einen Schleifkontakt über einen Widerstand oder einen anderen Verbraucher derart streichen lassen, daß er diesen fortschreitend wegnimmt, oder über einen Transistor. Man kann auch den Transistor durch Änderung seines Basisstromes steuern.

Teilweise stellen diese Möglichkeiten, die Einrichtung zur Erzeugung eines erhöhten magnetischen Flusses zu aktivieren, auch diese Einrichtung selbst

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die genannte Einrichtung eine in Reihe mit der Spule geschaltete, konzentrisch um die erstere Spule herum angeordnete zweite Spule von höherem Widerstand und in eine? diese überbrückenden Leitung einen Schalter derart auf, daß bei dem ersten Teil der Ankerbewegung der Schalter geschlossen wird.

Die zweite Spule begrenzt dann zusammen mit der ersteren den bis zum Ansprechen der Anordnung in dieser fließenden Strom. Ist der Schwellwert des Stromes überschritten und hat die Anordnung dann angesprochen, wird durch die sofortige Überbrückung der in Reihe mit der ersteren Spule geschalteten zweiten Spule höheren Widerstands der Gesamtwiderstand der Anordnung auf dencfer ersteren Spule beschränkt. In dieser fließt nun ein verhältnismäßig starker Strom, woraus der Anker verhältnismäßig viel mechanische Energie entwickeln kann. Unter diesem Gesichtspunkt ist die Spule auch als die innere der beiden konzentrischen Spulen angeordnet.

Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist die genannte Einrichtung zwei parallel geschaltete Spulen in konzentrischer Anordnung und in der Leitung der inneren Spule einen Schalter derart auf, daß bei dem ersten Teil der Ankerbewegung der Schalter geschlossen wird.

Hier wird dann die innere Spule hinzugeschaltet. Diese hat vorzugsweise einen niedrigeren Widerstand als die andere.

Diese Anordnung hat den Vorteil, daß beide Spulen zur Energiegewinnung für die Ankerbewegung zur Verfugung stehen.

Welche der beiden Ausgestaltungen die günstigere ist, richtet sich nach den Umständen. Auch die Belange der mechanischen Verwirklichung können dabei von entscheidenden Einfluß sein.

Der Anker könnte auch mehrteilig ausgebildet sein mit einem Hilfsanker nur zur Betätigung des genannten Schalters.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung verdeutlicht.

Fig. 1 zeigt einen Leitungsschutzschalter mit einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen Anordnung.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 1 in einer anderen Stellung des Leitungsschutzschalters.

Fig. 3 zeigt einen Auschnitt aus Fig. 2 in einer weiteren Stellung des Leitungsschutzschalters.

Fig. 4 bis Fig. 6 zeigen Schaltschemen weiterer elektromagnetischer Anordnungen.

Durch den in Fig. 1 bis 3 dargestellten Leitungsschutzschalter führt ein

auf

Hauptstromweg 1, in dem ein¹ Überstrom ansprechender thermischer Auslöser 2, ein auf Kurzschluß ansprechender Magnetmechanismus 3 und eine von dem thermischen Auslöser 2 aus (nicht gezeichnet) sowie von dem Magnetmechanismus 3 betätigte Trennstelle 4 angeordnet sind.

Der Magnetmechanismus 3 und die Trennstelle 4 sind überbrückt durch einen Nebenstromweg 5. In diesem sind ein elektrischer Widerstand 6 von beispielsweise 0,1 bis 5 oder auch bis zu 10 Ohm für Nennstromstärken von 6 - 100 A, ein weiterer thermischer Auslöser 7 und eine zweite Trennstelle 8 angeordnet. Hinter den Trennstellen 4 und 8 zweigt ein weiterer Stromweg 9 über einen weiteren Magnetmechanismus 10 und eine dritte Trennstelle 11 zum Nulleiter ab. In dem weiteren Magnetmechanismus 10 führt der weitere Stromkreis 9 durch eine innere Spule 12 von z.B. 10 0hm und dann durch eine äußere Spule 13 von z.B. 100 0hm. Die Trennstelle 11 wird durch einen schwenkbaren Kontaktarm 16 und ein Schleifkontaktstück 17 gebildet, mit dem der Kontaktarm 16 zusammenwirkt. Zwischen den beiden Spulen zweigt bei 14 eine Überbrückungsleitung 15 ab. Sie führt über eine Trennstelle 45 und vereinigt sich dann bei 46 wieder mit dem weiteren Stromweg 9. Die Trennstelle 45 wird durch einen schwenkbaren Kontaktarm 47 und ein Schleifkontaktstück 48 gebildet.

Der thermische Auslöser 2 wirkt über ein nicht gezeichnetes Schaltschloß auf die zweite Trennstelle 8. Diese ist, was gleichfalls nicht gezeichnet ist, mit der Trennstelle 4 derart mechanisch gekoppelt, daß die Trennstelle unabhängig von der zweiten Trennstelle 8 öffnen und schliessen kann, aber bei Öffnen der zweiten Trennstelle 8 gleichfalls öffnet. Der weitere thermische Auslöser 7 wirkt ebenfalls über das erwähnte Schaltschloß auf die zweite Trennstelle 8.

Auch der Magnetmechanismus 3 und der weitere Magnetmechanismus 10 wirken auf die Trennstelle 4. Die dritte Trennstelle 11 ist mit der Trennstelle 4 so

gekoppelt, daß die eine öffnet, wenn die andere schließt. Diese Verbindungen sind mechanisch wie folgt verwirklicht:

Der weitere Magnetmechanismus 10 und eine Zugfeder 19 greifen in verschiedenem Drehsinn an einem bei 20 gelagerten zweiarmigen Hebel 21 an, der an seinem einen Ende ein mit einem an einem federnden Schwenkarm gelagerten Kontaktstück 22 zusammenwirkendes Kontaktstück 23 trägt. Die Kontaktstücke 22 und 23 stellen die Trennstelle 4 dar. An seinem anderen Ende ist der Hebel 21 mit einem Rastelement 24 versehen. Dieses wirkt mit einer Klinke 25 zusammen, die am einen Ende eines weiteren, bei 26 gelagerten zweiarmigen Hebels 27 eingerichtet ist, an dem der Magnetmechanismus 3 gegen die Kraft einer Zugfeder 28 im Sinne des Ausklinkens angreift. Von dem Rastelement 24 erstreckt sich, an ihren beiden Enden gelenkig befestigt, eine Stange 29 bis zum Kontaktarm 16. Eine Zugfeder 30 sichert lediglich den Anker 32 des Magnetmechanismus¹ 3 in seiner inaktiven Ausgangsstellung, während eine Zugfeder 31 den Anker 33 des Magnetmechanismus' 10 in seine Ausgangsstellung und zugleich über eine Stange 49 den Kontaktarm 47 in seine Öffnungsstellung zieht und eine Druckfeder 34 in der in Fig. 2 gezeigten normalen Funktionsstellung der Anordnung die Berührungskraft zwischen den Kontaktstücken 22 und 23 an der Trennstelle 4 bestimmt. In dieser Stellung ist das Rastelement 24 durch die Klinke 25 gehalten.

Der normale Stromfluß qeht bei geschlossener Trennstelle 4 (Fiq. 2) über den Hauptstromweg 1. Der gleichzeitige Stromfluß über den Nebenstromweg 5, in dem die Trennstelle 8 gleichfalls geschlossen ist, ist wegen des Widerstands unbedeutend. Der weitere Stromweg 9 ist durch die, geöffnete, Trennstelle unterbrochen.

Tritt ein Kurzschluß auf (Fig. 1), zieht bei dem dann sehr viel stärkeren Strom der Magnetmechanismus 3 an und bewegt den Hebel 27; die Klinke 25 klinkt aus. Die Zugfeder 19 zieht nun den Hebel 21 an und verschwenkt ihn bis zum Anschlag an einem Mitnehmer 35 des Ankers 33. Die Trennstelle 4 öffnet. Die Trennstelle 11 wird über die Stange 29 geschlossen.

Durch das Öffnen der Trennstelle 4 ist der Hauptstromweg 1 sofort unterbrochen.

Über den Nebenstromweg 5 fließt ein erheblich verminderter Strom weiter. Der weitere Stromweg 9 ist trotz der Schließung seiner Trennstelle 11 infolge des Potentialabfalls durch den Kurzschluß nahezu stromlos.

Liegt beispielsweise der Kurzschluß im Leitungsabschnitt zwischen dem vorliegenden Leitungsschutzschalter und einem nachgeschalteten Leitungsschutzschalter, so betätigt nach einer bestimmten Zeitspanne, auf die er ausgelegt ist, der thermische Auslöser 7 das erwähnte Schaltschloß und öffnet damit auch die Trennstelle 8. Die Unterbrechung durch den Leitungsschutzschalter ist nun vollständig und endgültig.

Liegt der Kurzschluß hinter einem nachgeschalteten Leitungsschutzschalter, so spricht dieser in der Regel etwa gleichzeitig mit dem Magnetmechanisirius 3, auf jeden Fall aber noch lange vor dem thermischen Auslöser 7 an und trennt die Kurzschlußstelle ab. Damit steigt die Spannung am Eingang des weiteren Stromwegs 9. In diesem entsteht nun ein Strom solcher Stärke, daß der Magnetmechanismus 10 anspricht und den Hebel 21 anzieht. Sobald bei der damit verbundenen Verschwenkung des Kontaktarms über die Stange der Kontaktarm das Schleifkontaktstück erreicht (Fig. 3) und damit die vierte Trennstelle 45 schließt, wird die äußere Spule 13 in dem Magnetmechanismus 10 überbrückt: Der Strom nimmt an dem Abzweig 14 den Weg ohne Widerstand durch die Überbrückungsleitung 15. Dadurch erhöht sich die Stromstärke in der inneren Spule 12 und damit die auf den Anker 33 ausgeübte Kraft. Der Anker erhält nun auf seinem weiteren Weg genügend Energie, die Trennstelle 4 unter Anspannung der Druckfeder 34 zu schließen und das Rastelement 24 an der Klinke 25 einzurasten, wobei die Klinke 25 unter Anspannung der Zugfeder von dem Rastelement 24, an diesem gleitend, beiseitegedrückt werden muß. Der Hebel 27 mit der Klinke 25 war infolge des Zugs der Zugfeder 28 sofort nach dem Öffnen der Trennstelle 4 zugleich mit dem Anker 32 in seine Ausgangsstellung zurückgekehrt.

Die Trennstelle 11 ist dann wieder geöffnet. Der weitere Stromweg 9 und der weitere Magnetmechanismus 10 sind stromlos. Die Zugfeder 31 zieht den Anker zurück und öffnet auch die Trennstelle 45.

Damit ist der Normalzustand des Leitungsschutzschalters wiederhergestellt. Alle anderen nachgeschalteten Verbraucher als derjenige, in dessen Zweig

- 8 sich der Kurzschluß befindet, haben weiterhin Spannung.

Tritt Überstrom auf, so spricht der thermische Auslöser 2 an und löst das erwähnte Schaltschloß aus. Disss öffnet die Trennstelle 8, die ihrerseits über die weiter erwähnten, nicht gezeichneten Kopplungen die Trennstelle 4 öffnet. Auch in diesem Fall ist die Unterbrechung durch den Leitungsschutz-. schalter vollständig und endgültig.

Solche Kopplungen sind, wie auch das Grundprinzip des beschriebenen Leitungsschutzschalters, bekannt aus der DE-OS 33 16 230.

Die Schaltschemen nach Fig. 4 und 5 entsprechen der Anordnung nach Fig. 1 bis 3, in Fig. 4 lediglich mit einer Abwandlung in der Anordnung der Trennstellen. In Fig. 4 wie in Fig. 5 finden sich die innere Spule 12 und die äußere Spule 13 wieder, in Fig. 4 auch die Trennstellen 11 und 45. In Fig. entspricht die Trennstelle oder der Schalter 37 der Trennstelle 11 und die Trennstelle oder der Schalter 39 der Trennstelle 45. Die Anordnung nach Fig. 5 hat den Vorteil, daß der Schalter 37 geschont wird.

Die in Fig. 6 dargestellten Spulen 40 und 41 sind parallel geschaltet. Die Spule 40 entspricht der inneren Spule 12 und die Spule 41 der äußeren Spule 13 insofern, als sie ebenso wie diese als innere und äußere Spule des Magnetmechanismus¹ 10 zu denken sind und die Spule 41 dazu dient, den Magnetmechanismus ansprechen zu lassen und die Spule 40 dazu dient, nach dem Ansprechen des Mechanismus' verstärkt Energie für die Arbeit des Ankers zu liefern. Für diese unterschiedlichen Zwecke könnte die Spule 41 z.B. 130 0hm und die Spule 40 z.B. 20 0hm aufweisen. Die Schalter 42 und 43 in Fig. 6 entsprechen den den Trennstellen 11 und 45 in der Weise, daß die erstere den in Betracht stehenden Magnetmechanismus überhaupt einschaltet und die letztere nach dem Ansprechen des Magnetmechanismus¹ betätigt wird und auf einen geringeren Widerstand in diesem umschaltet.

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Claims

. W. Bernhardt -X- Kobenhüttenweg 43,6600 Saarbrücken

Patentanwalt ^Telefon ^⁰⁶⁸¹) ⁶⁵⁰⁰⁰

Patentansprüche:

1/ Elektromagnetische Anordnung, insbesondere in einem Schaltgerät, mit einem durch eine stromführende Spule bei Überschreiten eines Schwellwertes der Stromstärke bewegten Anker, gekennzeichnet durch eine durch einen ersten Teil der Ankerbewegung aktivierte (45 bzw. 43) Einrichtung (12 - 15 bzw. 40) zur Erzeugung eines erhöhten auf den Anker wirkenden magnetischen Flusses.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die genannte Einrichtung einen in Reihe mit der Spule (12) geschalteten Widerstand (13) und in einer den Widerstand (13) überbrückenden Leitung (15) einen Schalter (45) derart aufweist, daß bei dem ersten Teil der Ankerbewegung der Schalter (45) geschlossen wird.
3. Anordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Widerstand eine zweite, vorzugsweise konzentrisch um die erstere (12) angeordnete, Spule (13) von höherem Widerstand ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die genannte Einrichtung zwei parallel geschaltete Spulen (40; 41), vorzugsweise in konzentrischer Anordnung, und in der Leitung der einen, vorzugsweise der inneren, Spule (40) einen Schalter (43) derart aufweist, daß bei dem ersten Teil der Ankerbewegung der Schalter (43) geschlossen wird.