MAGNETOSTRIKTIVES ELEKTRISCHES SCHALTGERÄT

MAGNETOSTRIKTIVES ELEKTRISCHES SCHALTGERAT

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Schaltgerät mit wenigstens einer Kontaktstelle, die mittels eines Aktuators direkt oder über ein Schaltschloss mit einer Verklinkungsstelle geöffnet wird, wobei Aktuator die Verklinkungsstelle und/oder die Kontaktstelle öffnet.

Elektrische Schaltgeräte in diesem Sinne sind Leitungsschulzschalter, Fehlerstromschutzschalter, Motorschutzschalter und dergleichen und Schütze.

Bei Leitungsschutzschaltern ist ein Schaltschloss vorhanden, welches eine Verklinkungsstelle aufweist, die einerseits von einem thermischen Auslöser, beispielsweise von einem Thermobimetall oder einem Streifen aus einer Formgedächtnislegierung, entklinkt wird, so dass die Kontaktstelle geöffnet wird; der thermische Auslöser löst dabei bei Auftreten eines Überstromes aus. Da ein Leitungsschutzschalter auch Kurzschlüsse abschalten muss, ist weiterhin ein elektromagnetischer Auslöser vorgesehen, der eine Spule, ein Magnetjoch, einen Magnetkern und einen Anker aufweist; der Anker schlägt gegebenenfalls über eine Spindel oder Stange auf den Kontakthebel des Leitungsschutzschalters und betätigt über eine als Schieber ausgebildete Kupplung die Verklinkungsstelle, so dass nach Öffnen des Kontakthebels durch den Anker der Kontakthebel in Offenstellung gehalten wird, weil die Verklinkungsstelle entklinkt ist. Leitungsschutzschalter haben ihre Aufgabe zu erfüllen unter Last beziehungsweise bei Auftreten eines Kurzschlussstromes.

Ähnliches gilt auch für Motorschutzschalter. Bei diesen allerdings ist die Kontaktstelle durch eine Doppelkontaktstelle ersetzt, wobei zwei feststehende Kontaktstücke vorgesehen sind, die durch eine Kontaktbrücke überbrückt sind. Im Kurzschlussfall wird die Kontaktbrücke von dem elektromagnetischen Auslöser in Öffnungsstellung verbracht und gleichzeitig die Verklinkungsstelle gelöst; aufgrund eines Überstromes wird wie beim Leitungsschutzschalter die Ausbiegung eines thermischen Auslösers ausgenutzt, um die Verklinkungsstelle zu öffnen.

Fehlerstromschutzschalter haben die Aufgabe, eine Kontaktstelle bei Auftreten eines Fehlerstromes zu öffnen. Da der Fehterstrom im Allgemeinen im milli-Ampare Bereich liegt, kann ein elektromagnetischer Auslöser, wie er für einen Leitungsschutzschalter gedacht ist, wenigstens bei einer netzspannungsunabhängigen Auslösung nicht verwendet werden. Die Detektion eines Fehlerstromes erfolgt über einen Fehlerstromwandler, wobei die Leitungen die Primärwicklung bilden. Dem Wandler ist eine Sekundärwicklung zugeordnet, die mit einem elektromagnetischen Auslöser verbunden ist. Ein derartiger Auslöser besitzt üblicherweise ein U-förmiges Joch, dessen Schenkelenden von einem Klappanker überdeckt sind, der mittels einer Feder dauerhaft in Ausschaltrichtung beaufschlagt wird. Dem Joch ist ein Permanentmagnet zugeordnet, der einen Permanentmagnetfluss im Joch erzeugt, durch die der Anker in geschlossener Stellung gehalten wird, das heißt in einer Stellung, in der der Anker auf den Jochschenkelenden aufliegt. Über einen dem Joch zugeordnete Spule, die einen der Jochschenkel oder den Steg umgreift, wird die von der Sekundärwicklung des Wandlers herrührende Spannung in einen Magnetfluss umgewandelt, der dem durch den Permanentmagnet erzeugten Magnetfluss entgegengesetzt gerichtet ist. Dadurch werden die Anziehungskraft auf den Anker reduziert und der Anker von der Feder in Öffnungsstel- lung verbracht, wodurch über einen mit dem Anker gekoppelten Stift ein Verklinkungs- mechanismus entkliήkt wird, so dass die Schaltkontakte des Fehlerstromschutzschalters in Öffnungsstellung verbracht werden. Das Problem bei einem derartigen Auslöser kann darin bestehen, dass eine Öffnung des Klappankers manchmal nicht möglich ist, weil an der Jochfläche, von der der Anker abgezogen wird, aufgrund von Umwelteinflüssen und sonstigen Einflüssen ein Klebevorgang möglich ist, so dass ein Fehlerstromschutzschalter auch bei Auftreten eines Fehlerstromes nicht auslöst. Aufgrund der Empfindlichkeit eines derartigen Auslösers ist es auch erforderlich, diesen in ein Gehäuse einzusetzen, welches gegenüber der Umgebung abgedichtet sein muss. Gleichwohl ist nicht zu verhindern, dass durch die Öffnung, durch die der Stift nach außen geführt ist, Feuchtigkeit und dergleichen ins Innere des Gehäuses eintreten kann. Aus diesem Grunde wird von allen Fehlerstromschutzschalterherstellem empfoh len, den Fehlerstrom durch Drücken einer Prüftaste zu testen; durch die Prüftaste wird ein Fehlerstrom simuliert, der einen Auslösestrom in der Sekundärwicklung und in der dem Magnetauslöser zugeordneten Spule erzeugt wird, so dass der Fehlerstromschutzschalter ausgeschaltet wird.

Anstatt eines derartigen Permanentmagnetauslösers kann auch ein so genannter HaI- temagnetauslöser verwendet werden. Bei diesem Haltemagnetauslöser ist ein Joch vorhanden, dass einen vergleichsweise schmalen Abschnitt aufweist, in dem bei Auftreten eines Fehlerstromes das Material in die Sättigung gelangt, so dass der Anker mittels einer Feder von dem Joch abgezogen werden kann.

Jedenfalls ist die Ausführung eines solchen elektromagnetischen Auslösers recht aufwendig.

Elektrische Schaltgeräte, die lediglich ein- und ausschalten, werden als Schütze bezeichnet, die meist einen U- oder E-förmigen Magnetkern aufeisen, dem ein Anker zugeordnet ist, wobei dem Joch eine Wicklung zugeordnet ist, die bei Durchleitung eines elektrischen Stromes den Anker anzieht oder ein Abfallen de Ankers erzeugt, wodurch eine Kontaktstelle geöffnet oder geschlossen werden kann. Im Allgemeinen sind bei diesen Schützen Doppelkontaktstellen vorgesehen, die jeweils von einer Kontaktbrücke überbrückt werden.

Alle Antriebsarten sind im Grundsatz völlig unterschiedlich, wobei lediglich Ähnlichkeiten bei einem Leitungsschutzschalter und einem Motorschutzschalter vorhanden sind. Ein Auslöser für einen Fehlerstromschutzschalter ist allerdings weder für ein Schütz noch für einen Leitungsschutzschalter geeignet; umgekehrt ist ein elektromagnetischer Auslöser, der in einem Leitungsschutzschalter untergebracht sein kann, wenigstens dann für einen Fehlerstromschutzschalter umgeeignet, wenn der Auslöser netzspannungsunabhängig ansprechen soll.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Auslöser zu schaffen, der für alle Arten von solchen Schaltgeräten eingesetzt werden kann, wobei die Grundkonstruktion die Gleiche sein soll und Anpassungen lediglich auf die Stromstärke vorgenommen werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß also umfasst der Aktuator ein Element mit einer vorbestimmten Länge, das aus einer Formgedächtnislegierung besteht, die ihre Länge unter dem Einfluss eines elektromagnetischen Feldes ändert.

Dabei kann das Element in direkter Nähe zu einer ein elektromagnetisches Feld erzeugenden Einrichtung gelegen sein, so dass dieses Feld das Element beeinflusst.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung kann die Einrichtung eine Spule sein, die - das als lang gestreckte Spindel ausgebildete Element umgibt.

Aus der WO 98/08261 sind solche Formgedächtnislegierungen bekannt, siehe S. 2 - 5, Ende des 2. Abs.. Dabei ist auch angegeben, bei welcher elektrischen Feldstärke das Material anspricht; über Anwendungen ist zunächst nicht ausgesagt.

Eine weitere Druckschrift, in der derartige Formgedächtnislegierungen beschrieben . sind, ist unter Nummer WO 99/45631 veröffentlicht worden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.

Anhand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen und weitere Vorteile näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigen

Fig. 1 ein Schaltgerät in schematischer Darstellung in Einschaltstellung,

Fig. 2 das Schaltgerät gemäß Fig. 1 , in, ausgeschaltetem Zustand,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Fehlerstromschutzschalters,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Schützes in eingeschalteter Stellung,

Fig. 5 eine Fernantrieb für ein elektrisches Schaltgerät und

Fig. 6 einen Fernantrieb gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung

Es sei Bezug genommen auf die Fig. 1. In Fig. 1 ist schematisch ein Schaltgerät 1 mit einem Gehäuse 2, einem elektromagnetischen Auslöser 20 und einem Schaltwerk 36 im nicht ausgelösten Zustand gezeigt. In Fig. 2 ist das Schaltgerät nach Fig. 1 im ausgelösten Zustand gezeigt, wobei gleiche oder ähnlich wirkende Baugruppen oder Teile mit denselben Bezugsziffern bezeichnet sind. Zwischen einem Eingangsklemmstück 14 und einem Ausgangsklemmstück 16 verläuft ein Strompfad über eine bewegliche Litze 18, einen in einem Kontakthebellager 12 gelagerten Kontakthebel 10, eine ein an dem Kontakthebel 10 befindliches bewegliches Kontaktstück 6 und ein festes Kontaktstück 8 umfassende Kontaktstelle 4, und eine Auslösespule 22. In der in Fig. 1 gezeigten Schaltstellung ist die Kontaktstelle 4 geschlossen. Mit der Auslösespule 22 und dem festen Kontaktstück 8 ist über ein oh- renförmiges Zwischenstück 42 noch ein Joch 40 verbunden.

Nicht dargestellt ist ein in manchen Schaltgeräten zusätzlich noch enthaltener thermischer Auslöser, der bei Auftreten eines Überstromes auf das Schaltwerk einwirkt, so dass dieses dann die Kontaktstelle dauerhaft öffnet.

Der elektromagnetische Auslöser 20 umfasst die Auslösespule 22 und einen Auslöseanker 24, der hier balkenförmig ausgeführt und im Inneren der Auslösespule 22 so angeordnet ist, dass die Spulenlängsachse und die Auslöseanker-Längsachse zusammenfallen.

An einem ersten, festen Ende 24' ist der Auslöseanker 24 in einem mit dem Gehäuse 2 verbundenen Auslöseanker-Lager 28 gehalten. An seinem zweiten, freien Ende 24" steht der Auslöseanker 24 in Wirkverbindung mit einem Stößel 26. Die Wirkverbindung ist hier als formschlüssige Verbindung gezeigt, alternativ könnten jedoch auch kraft- oder stoffschlüssige Verbindungen realisiert werden.

An seinem freien Ende 24" weist der Auslöseanker 24 eine Einkerbung 25 auf, in die ein in einem Auslösehebel-Lager 32 gelagerter Auslösehebel 30, beispielsweise mit einer an seinem ersten freien Ende 30' befindlichen Gabel eingreift. Das zweite freie Ende 30" des Auslösehebels 30 greift in eine Ausnehmung 35 in einem Schieber 34 ein, der über eine Wirklinie 38 in Wirkverbindung mit dem Schaltwerk 36 steht.

Der Auslöseanker 24 besteht aus einer ferromagnetischen Formgedächtnislegierung auf Basis von Nickel, Mangan und Gallium. Solche ferromagnetischen Formgedächtnislegierungen sind prinzipiell bekannt und verfügbar, sie werden beispielsweise von der finnischen Firma AdaptaMat Ltd. hergestellt und vertrieben. Eine typische Zusammensetzung von ferromagnetischen Formgedächtnis-Legierungen für den erfindungsgemäßen Einsatz in Schaltgeräten ist gegeben durch die Strukturformel Niβs-x- _y Mn ₂₀₊ χGa i _5+y , wobei x zwischen 3 Atomprozent und 15 Atomprozent liegt und y zwischen 3 Atomprozent und 12 Atomprozent. Die hier verwendete ferromag netische Formgedächtnislegierung hat die Eigenschaft, dass in ihrer martensitischen Phase, das ist diejenige Phase, die das Material unterhalb der thermischen Transitionstemperatur einnimmt, unter Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes im mikroskopischen Maßstab ein Übergang zwischen zwei Kristallstrukturvarianten einer Zwillings-Kristallstruktur stattfindet, der makroskopisch mit einer Formänderung verbunden ist. Bei der hier gewählten Ausführung des Auslöseankers besteht die Formänderung in einer linearen Dehnung in Richtung der Balkenlängsachse.

Die thermische Transitionstemperatur bei den hier verwendeten ferromagnetischen Formgedächtnislegierungen liegt im Bereich der Raumtemperatur und ist durch Variation der Atomprozent-Anteile x und y innerhalb einer Bandbreite einstellbar. Damit ist der Arbeitstemperaturbereich, innerhalb dessen der elektromagnetische Auslöser arbeitet, innerhalb einer Bandbreite durch Wahl der Materialzusammensetzung einstellbar.

Fließt durch das Schaltgerät 2 im Kurzschlussfall ein hoher Kurzschlussstrom, so dehnt sich der Auslöseanker 24 aufgrund des oben beschriebenen Effektes aus, und infolgedessen schlägt der Stößel 26 das bewegliche Kontaktstück 6 vom festen Kontaktstück 8 weg, so dass die Kontaktstelle 4 geöffnet und das Schaltgerät ausgelöst wird, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Ausdehnung des ferromagnetischen Formgedächtnismaterials geschieht dabei sehr schnell und nahezu verzögerungsfrei. Die Verzögerungszeit als die Zeitdifferenz zwischen dem Auftreten des Kurzschlussstromes und der maximalen Längenausdehnung des Auslöseankers 24 liegt typischerweise in der Größenordnung von einer Millisekunde.

Die Auslösung wird hier durch den Auslösehebel 30 unterstützt, der bei Ausdehnung des Auslöseankers 24 sich im Uhrzeigersinn um das Auslösehebel-Lager 32 dreht und dabei den Schieber 34 in dessen Längserstreckungsrichtung, angedeutet durch den Richtungspfeil S, verschiebt, so dass der Schieber 34 über die Wirklinie 38 das Schaltwerk 36 betätigt. Nach der Auslösung des Schaltgerätes ist der Strompfad unterbrochen und das Magnetfeld der Auslösespule 22 bricht wieder zusammen. Infolgedessen wird sich der Auslöseanker 24 wieder auf seine Ausgangsmaße zusammenziehen, wodurch auch der Auslösehebel 30 wieder in die Ausgangsstellung, wie in Fig. 1 gezeigt, zurückbewegt wird. Die Kontaktstelle 4 wird jetzt durch hier nicht dargestellte Wirklinien durch das Schaltwerk 36 dauerhaft in Offenstellung gehalten.

Die Fig. 3 zeigt einen Fehlerstromschutzschalter, in schematischer Darstellung.

Eine schematische Darstellung dieser Anordnung ist der Fig. 13 zu entnehmen. Durch einen Wandlerkern 60 sind Primärleiter 61 und 62 hindurchgeführt, welche Kontaktstellen 63 und 64 aufweisen. Um den Wandlerkem 60 herum ist eine Sekundärwicklung 65 angeordnet, die mit einer Spule 66 verbunden ist, in der sich ein Stößel 67 aus einem Material mit magnetischem, gegebenenfalls aber auch mit magnetischem und thermischem Formgedächtniseffekt durchgriffen ist. Dieser Stößel 67 wirkt gemäß Pfeilrichtung P1 auf ein Schaltschloss 68 und nach Entklinkung wirkt das Schaltschloss entsprechend der Pfeilrichtung P2 auf die Kontaktstellen 63, 64. Im Vergleich zur Anordnung gemäß der Fig. 1 besitzt der Stößel 67 in der Fig. 1 die Bezugsziffer 24; das Schaltschloss 68 in der Fig. 1 die Bezugsziffer 36, die Spule 66 in der Anordnung gemäß Fig. 1 die Bezugsziffer 22, und, wie man erkennen kann, fehlt ein Stößelelement 26, weil eine direkte Einwirkung auf die Kontaktstellen 63, 64 bei einem solchen Fehlerstromschutzschalter nicht üblich ist.

Es sei nun Bezug genommen auf die Fig. 4.

Die Fig. 4 zeigt ein Schütz bzw. Teile eines Schützes 70 mit zwei in Abstand zueinander angeordneten, auf Kontaktträgern 71 und 72 angeordneten feststehenden Kontaktstücken 73 und 74, die von einer Kontaktbrücke 75 überbrückt sind, an der bewegliche Kontaktstücke 76, 77 angebracht sind. Die Fig. 4 zeigt das Schütz 70 im eingeschalteten Zustand, wenn sich die Kontaktstücke 73, 76; 74, 77 berühren.

Mit der Kontaktbrücke gekoppelt ist ein Stößel 78 aus einem Material mit magnetischem Formgedächtniseffekt, der als Längserstreckter Stößel ausgebildet ist, dessen eines Ende über eine Kontaktstromfeder 79 mit der Kontaktbrücke 75 verbunden und dessen anderes Ende in einer Lagerung 80, welche in einem Gehäuse befestigt ist, ortsfest gehalten ist. Der Stößel 78 ist umgeben von einem Elektromagnetsystem 81.

Wenn nun der Schalter geöffnet werden soll, dann verformt sich das Material des Stößels mit dem elektromagnetischen Formgedächtniseffekt; es besteht natürlich auch die Möglichkeit, dass im Normalzustand, also im spannungslosen Zustand, der Stößel 78 so angeordnet ist, dass die Kontaktstellen 73/76; 74/77 geöffnet sind Aufgrund eines Steuerstromes wird sich dann der Stößel wegen des von der Spule 81 erzeugten Magnetfeldes aufgrund des magnetischen Formgedächtniseffektes ausdehnen, und die Kontaktstellen schließen, wobei beim Einschalten in üblicher Weise die Kontaktdruckfeder 79 geringfügig zusammen gedrückt wird.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist ein Stößel 82 aus einem Material mit magnetischem Formgedächtniseffekt von einer Spule 83 umgeben, wobei die Spule 83 über Zugangsleitungen 84 und 85 über einen aus einem Kondensator 86 und einen Widerstand 87 gebildeten Hochpass mit Strom versorgt wird. Wenn sich der Stößel 82 aufgrund des magnetischen Feldes ausdehnt, betätigt er einen Kontakthebel 88 und öffnet eine aus einem beweglichen Kontakthebel 88 angebrachten Kontaktstück 89 und einem feststehenden Kontaktstück 90 gebildete Kontaktstelle 91.

Die Fig. 6 zeigt einen Einblick in einen Leitungsschutzschalter, wobei nur die für die Erfindung bedeutsamen Teile eingezeichnet sind.

Der Leitungsschutzschalter besitzt insgesamt die Bezugsziffer 92 mit einer vorderen Frontfläche 93, aus der der Schaltgriff 94 eines bei 95 drehbar gelagerten Schaltknebels 96 herausragt. Der Schaltgriff 94 ist an einer drehbaren Nabe 97 angeformt. An der Nabe 97 ist bei 98 ein Stößel 99 angelenkt, der mit einem längs gestreckten Element 100 aus einem Material mit magnetischem Formgedächtniseffekt gekoppelt ist. Das E- lement 100 ist von einer Spule 101 umgeben, und bei Stromdurchfluss verändert sich die Länge des Elementes 100, so dass der Stößel 99 die Nabe 97 und damit den Schaltgriff 94 betätigt. Da bei einem Leitungsschutzschalter üblicherweise der Schaltgriff mit dem Schaltschloss verknüpft und verbunden ist, wird auf diese Weise über das Element 100 mit dem Stößel 99 das Schaltgerät eingeschaltet.