DE102004056283A1

DE102004056283A1 - Schaltgerät mit einem thermischen und elektromagnetischen Auslöser

Info

Publication number: DE102004056283A1
Application number: DE200410056283
Authority: DE
Inventors: Patrick Dipl.-Ing. Claeys; Albrecht Dr. Vogel
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2004-11-22
Filing date: 2004-11-22
Publication date: 2006-06-08

Abstract

Schaltgerät (1, 1c) mit einem Gehäuse (2, 2c) und mit wenigstens einer ein festes und ein bewegliches Kontaktstück (8, 8c, 6, 6c) umfassenden Kontaktstelle (4, 4c) und mit einem thermischen und elektromagnetischen Auslöser (20, 20a, 20b, 20c, 20d, 20e) mit einer Auslösespule (22, 22a, 22b, 22c, 22d, 22e) und einem Schlaganker (26, 26a, 26b, 26c, 26d, 26e), dadurch gekennzeichnet, dass der thermische und elektromagnetische Auslöser (20, 20a, 20b, 20c, 20d, 20e) zwei mit dem Schlaganker (26, 26a, 26b, 26c, 26d, 26e) in Wirkverbindung stehende Schnappkörper (24, 24a, 24b, 24c, 24d, 24e; 25, 25a, 25b, 25c, 25d, 25e) umfasst und der eine Schnappkörper (24, 24a, 24b, 24c, 24d, 24e) aus einem Material mit einem magnetischen Formgedächtniseffekt besteht und der andere Schnappkörper (25, 25a, 25b, 25c, 25d, 25e) aus einem Thermobimetall oder aus einem Material mit thermischem Formgedächtniseffekt oder aus einem Material mit einem kombinierten thermischen und magnetischen Formgedächtniseffekt besteht, wobei unter Einfluss des Magnetfeldes der Auslösespule (22, 22a, 22b, 22c, 22d, 22e) im Kurzschlussstromfall der eine Schnappkörper (24, 24a, 24b, 24c, 24d, 24e) und unter Einfluss einer durch Überstrom hervorgerufenen Temperaturerhöhung der andere Schnappkörper (25, 25a, 25b, 25c, 25d, 25e) in zwei bistabile Stellungen umgesteuert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltgerät mit einem Gehäuse und mit wenigstens einer ein festes und ein bewegliches Kontaktstück umfassenden Kontaktstelle, und mit einem thermischen und elektromagnetischen Auslöser mit einer Auslösespule und einem Schlaganker, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiter betrifft die Erfindung die Verwendung eines Materials mit einem kombinierten thermischen und magnetischen Formgedächtniseffekt in einem eine Auslösespule und einen Schlaganker aufweisenden thermischen und elektromagnetischen Auslöser für ein Schaltgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11, sowie weiterhin die Verwendung eines Materials mit einem kombinierten thermischen und magnetischen Formgedächtniseftekt zur Überstrom- und Kurzschlussstromauslösung in einem eine Kontaktstelle und einen thermischen und elektromagnetischen Auslöser umfassenden Schaltgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13.

Bei gattungsgemäßen Schaltgeräten, beispielsweise Leitungsschutzschaltern oder Motorschutzschaltern, dient der elektromagnetische Auslöser zur Unterbrechung des Strompfades zwischen den Ein- und Ausgangsklemmen im Falle des Auftretens eines Kurzschlussstromes. Der thermische Auslöser dient zur Unterbrechung des Strompfades für den Fall, dass ein Überstrom auftritt, der den Nennstrom um einen bestimmten Betrag und über eine bestimmte Zeit hinweg überschreitet. Die im Stand der Technik heute bekannten elektromagnetischen Auslöser, wie beispielsweise in der DE 101 26 852 C1 oder der DE 100 10 093 A1 beschrieben, arbeiten dabei alle nach dem Prinzip, dass ein Auslöseanker bei Auftreten eines Kurzschlussstromes auf einen Magnetkern hin in Bewegung versetzt wird, und im Verlauf dieser Bewegung schlägt der Auslösean ker über einen mit ihm in Wirkverbindung stehenden Stößel das bewegliche Kontaktstück von dem festen Kontaktstück an der Kontaktstelle weg, so dass dadurch die Kontaktstelle geöffnet wird. Bekannte elektromagnetische Auslöser umfassen dazu eine Spule, die üblicherweise aus schraubenförmig gewickeltem Draht hergestellt ist, sowie einen mit einem die Spule außen umgebenden Joch fest verbundenen Magnetkern, der ins Innere der Spule eingreift. Der Auslöseanker ist entweder als Klappanker oder als Tauchanker ausgebildet, wobei sich letzterer ebenfalls innerhalb der Spule befindet. Der Anker wird vom Kern im Ruhezustand mittels einer Druckfeder auf Abstand gehalten. Wenn der Kurzschlussstrom durch die Auslösespule fließt, so bewirkt das dabei erzeugte Magnetfeld der Auslösespule, dass der Auslöseanker entgegen der rückstellenden Kraft der Druckfeder auf den Kern hin bewegt wird. Nach Abschalten des Kurzschlussstromes wird der Anker durch die rückstellende Kraft der Druckfeder wieder in seine Ausgangslage zurückbewegt.

Im Stand der Technik bekannte thermische Auslöser arbeiten in der Regel mit Auslöseelementen aus Thermobimetall oder thermischen Formgedächtnismetallen, die beispielsweise als Biegebalken oder als Schnappscheibe realisiert sind. Aus der DE 43 00 909 A1 ist ein thermischer Auslöser mit einem Thermobimetall-Biegebalken bekannt.

Thermische und magnetische Auslöser werden heute so realisiert, dass für jedes Auslöseprinzip ein eigenes Bauelement gefertigt wird. Dabei werden ein erster, thermischer Teil-Auslöser mit einem thermischen Auslöseanker aus Thermobimetall oder thermischem Formgedächtnismetall, wie oben erwähnt, und ein zweiter, magnetischer Teil-Auslöser mit einer Auslösespule und einem magnetischen Auslöseanker zusammengesetzt. Aus der DE 42 42 516 A1 ist ein thermisch-magnetischer Kombi-Auslöser bekannt, bei dem der thermische Teil-Auslöser als Schnappscheibe und der elektromagnetische Teil-Auslöser durch einen Schlaganker-Auslöser ausgebildet ist. Aber auch hier sind zwei getrennte Auslöser aufgebaut, die räumlich nahe beieinander in einer komplexen Baugruppe kombiniert sind.

Der Aufbau thermischer und elektromagnetischer Auslöser ist daher heute sehr aufwändig und mit hohen Kosten verbunden, da zwei komplette Auslöser aufgebaut und miteinander kombiniert werden müssen, wobei viele Einzelteile mit engen Toleranzen gefertigt und zusammen zu bauen sind.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Schaltgerät einfacher montierbar und damit kostengünstiger aufzubauen.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Schaltgerät mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, durch die Verwendung eines Materials mit einem kombinierten thermischen und magnetischen Formgedächtniseffekt in einem Schaltgerät gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 11 und durch die Verwendung eines Materials mit einem kombinierten thermischen und magnetischen Formgedächtniseffekt zur Kurzschlussstromauslösung in einem Schaltgerät gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 13.

Erfindungsgemäß also umfasst der thermische und elektromagnetische Auslöser zwei mit dem Schlaganker in Wirkverbindung stehende Schnappkörper, wobei der eine Schnappkörper aus einem Material mit einem magnetischen Formgedächtniseffekt besteht, und der andere Schnappkörper aus einem Thermobimetall oder aus einem Material mit thermischem Formgedächtniseffekt oder ebenfalls aus einem Material mit einem kombinierten thermischen und magnetischen Formgedächtniseffekt, das aber anders zusammengesetzt ist als das Material, aus dem der eine Schnappkörper besteht. Unter Einfluss des Magnetfeldes der Auslösespule im Kurzschlussstromfall wird dann der eine Schnappkörper, und unter Einfluss einer durch Überstrom hervorgerufenen Temperaturerhöhung wird der andere Schnappkörper in zwei bistabile Stellungen umgesteuert. Insbesondere kann der eine Schnappkörper aus einer ferromagnetischen Formgedächtnislegierung aus Nickel, Mangan und Gallium gebildet sein.

Auslöser, die einen Schnappkörper umfassen, sind heute im Stand der Technik ausschließlich als thermische Auslöser bekannt, deren Wirkungsweise auf dem Schnappscheiben-Prinzip beruht. Die Schnappscheibe ist dabei ein scheibenförmiges Bauelement mit einer tellerförmigen Wölbung. Unter mechanischer Deformationsbelastung ändert die Wölbung bei Überschreiten eines – von den federelastischen Bauelementeparametern abhängigen – Totpunktes sprungartig ihre Ausrichtung von ihrer ersten in ihre zweite bistabile Stellung, von konvex nach konkav oder umgekehrt. Bekannt sind Schnappscheibenauslöser mit Schnappscheiben aus thermischem Bimetall oder thermischen Formgedächtnislegierungen, beispielsweise Ni-Ti. Die mechanische Deformationsbelastung wird bei den thermisch aktivierten Schnappscheiben durch die thermisch bedingte Formänderung bei Temperaturänderung hervorgerufen. Im Falle von Thermobimetall ändert sich bei Temperaturänderung langsam die Form, bis der Totpunkt überschritten ist und sich sprungartig die Wölbungsrichtung der Schnappscheibe ändert. Bei Schnappscheiben aus thermischen Formgedächtnislegierungen ist unterhalb der Transitionstemperatur die Wölbung in die Einschaltstellung gerichtet, oberhalb der Transitionstemperatur geht die Schnappscheibe sprungartig in die Auslösestellung über.

Bei magnetischen Formgedächtnislegierungen kann in der martensitischen Phase eine Formänderung durch den Übergang zwischen zwei Kristallstrukturvarianten einer Zwillings-Kristallstruktur hervorgerufen werden, wobei der Übergang zwischen den Kristallstrukturvarianten durch ein äußeres Magnetfeld gesteuert wird. Die Magnetfeldstärke, bei der dieser Phasenübergang stattfindet, wird im Folgenden auch „Transitionsfeldstärke" genannt. Diese Materialien werden daher als magnetische Formgedächtnislegierungen oder „Magnetic Shape Memory Alloys" (MSM) bezeichnet.

Magnetische Formgedächtnislegierungen werden vorteilhafterweise als ferromagnetische Formgedächtnislegierungen aus Nickel, Mangan und Gallium gebildet. Genauere Erläuterungen zum Aufbau und der Funktionsweise von ferromagnetischen Formgedächtnislegierungen auf der Basis von Nickel, Mangan und Gallium sind beispielsweise der WO 98/08261 und der WO 99/45631 entnehmbar.

Durch die entsprechende Legierungszusammensetzung kann bestimmt werden, bei welcher Orientierung des äußeren Magnetfeldes die maximale Ausdehnung erreicht wird; z.B. kann das Magnetfeld senkrecht oder quer zu dem MSM – Material stehen, um die maximale Ausdehnung zu erreichen.

Formänderungen, die mit MSM-Materialien unter Einwirken eines äußeren Magnetfeldes erreicht werden, können lineare Ausdehnung, Verbiegung oder Verdrehung (Torsion) sein.

Bei MSM-Materialien findet ergänzend zu dem magnetisch stimulierten auch noch ein thermisch stimulierter Übergang zwischen der martensitischen und der austenitischen Phase statt.

Wenn das äußere Magnetfeld klein ist, so verhalten sich diese Materialien wie ein herkömmliches thermisches Formgedächtnismetall. Dort sind bekanntlich die beiden Formen, zwischen denen die Formänderung vonstatten geht, in unterschiedlichen Phasen des Materials ausgeformt: einer martensitischen Phase unterhalb und einer austenitischen Phase oberhalb einer sog. Transitionstemperatur des Materials. Überschreitet die Materialtemperatur die Transitionstemperatur, so findet der Phasenübergang statt, mit dem die Formänderung einhergeht. Dabei kann durch die entsprechende Legierungszusammensetzung die thermische Transitionstemperatur bestimmt und somit für die jeweilige Anwendung angepasst werden.

Bei MSM – Materialien kann somit unterhalb der Transitionstemperatur, in der Niedertemperatur- oder martensitischen Phase, eine der o.g. Formänderungen ausschließlich durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes hervorgerufen werden. Ohne äußeres Magnetfeld, oder bei sehr geringem äußerem Magnetfeld, erfolgt die Formänderung thermisch induziert bei Über- oder Unterschreiten der Transitionstemperatur.

Ein erfindungsgemäßer thermischer und elektromagnetischer Auslöser umfasst eine erste Schnappscheibe aus in geeigneter Weise zusammengesetztem MSM-Material, das unterhalb der thermischen Transitionstemperatur bei Anliegen eines hohen Magnetfeldes einen magnetischen Formgedächtniseffekt aufweist. Das Magnetfeld wird dabei durch eine stromdurchflossene Spule erzeugt. Die thermische Transitionstemperatur ist durch die Materialzusammensetzung so eingestellt, dass sie bei den üblichen Betriebstemperaturen nicht überschritten wird.

Eine zweite Schnappscheibe besteht aus einem Thermobimetall oder aus einem Material mit nur thermischem Formgedächtniseffekt, oder aus einem MSN-Material anderer Zusammensetzung, dessen thermische Transitionstemperatur durch die Materialzusammensetzung so eingestellt ist, dass sie bei Fließen eines Überstromes durch die Auslösespule überschritten wird. Dabei wird die Temperaturänderung der Schnappscheibe durch die Strahlungswärme der Auslösespule bewirkt.

Die beiden Schnappscheiben können dabei untereinander in einer Wirkverbindung stehen, so dass beim Übergang einer der beiden Schnappscheiben aus der ersten in die zweite bistabile Lage auch die zweite Schnappscheibe diesen Übergang vollzieht. Die beiden Schnappscheiben können aber auch in getrennter Wirkverbindung mit dem Schlaganker stehen.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass bei einem erfindungsgemäßen Schaltgerät beide Auslöseprinzipien, nämlich das thermische und das elektromagnetische, in einem einzigen Auslöseelement niedriger Komplexität realisiert sind. Damit wird der Aufbau eines thermischen und magnetischen Auslösers stark vereinfacht. Der erfindungsgemäße thermische und magnetische Auslöser lässt sich auch wesentlich kompakter und platzsparender realisieren als eine Kombination von zwei getrennten thermischen und magnetischen Auslösern gemäß dem Stand der Technik. Somit ist auch ein erfindungsgemäßes Schaltgerät mit einem erfindungsgemäßen thermischen und magnetischen Auslöser einfacher und kompakter aufbaubar.

Ein weiterer Vorteil eines erfindungsgemäßen Auslösers liegt darin, dass er, bedingt durch das Schnappscheiben-Prinzip, hochgenau auslöst und wenig empfindlich auf Fertigungsstreuungen sowohl der mechanischen Toleranzen als auch der Materialzusammensetzung ist. Da nur wenige Teile benötigt werden, ist nur ein geringer Bauraum im Gehäuse erforderlich.

Die beiden Schnappkörper können in einer vorteilhaften Ausgestaltungsform außerhalb der Auslösespule in deren Nahbereich angebracht sein.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die beiden Schnappkörper des erfindungsgemäßen Auslösers innerhalb eines die Auslösespule tragenden Spulenwickelkörpers gehalten. Die beiden Schnappkörper können dann vorteilhafterweise von der Auslösespule umfasst sein.

Somit ist eine optimale Raumausnutzung innerhalb des Schaltgerätegehäuses erreichbar, was zu kleineren und damit kostengünstigeren Bauformen der Schaltgeräte führt.

Es werden weniger Teile mit geringerer Anforderung an deren Maßgenauigkeit für den thermischen und elektromagnetischen Auslöser benötigt, und die Montage eines thermischen und elektromagnetischen Auslösers mit einem Schnappelement aus ferromagnetischem Formgedächtnismetall ist daher einfacher und billiger.

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

Anhand der Zeichnungen, in denen sechs Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.
Es zeigen:
1 in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes mit zwei in Wirkverbindung stehenden Schnappscheiben, wobei die eine Schnappscheibe aus ferromagnetischem Formgedächtnismetall besteht, angeordnet neben einer Auslösespule, im Ruhezustand,
2 in schematischer Darstellung die erste Ausführungsform nach 1 im ausgelösten Zustand,
3 in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Auslösers mit zwei im Innern eines die Auslösespule tragenden Wickelkörpers angeordneten Schnappscheiben aus ferromagnetischem Formgedächtnismetall, die miteinander in Wirkverbindung stehen, angeordnet neben einer Auslösespule,
4 in schematischer Darstellung eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Auslösers mit zwei im Innern eines die Auslösespule tragenden Wickelkörpers angeordneten Schnappscheiben aus ferromagnetischem Formgedächtnismetall, die miteinander in Wirkverbindung stehen, angeordnet im Innern einer Auslösespule,
5 in schematischer Darstellung eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes mit Schnappscheiben, die jede in getrennter Wirkverbindung mit dem Schlaganker stehen, wobei die eine Schnappscheibe aus ferromagnetischem Formgedächtnismetall besteht, angeordnet neben einer Auslösespule, im Ruhezustand,
6 in schematischer Darstellung die vierte Ausführungsform nach 5 im ausgelösten Zustand,
7 in schematischer Darstellung eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Auslösers mit zwei im Innern eines die Auslösespule tragenden Wickelkörpers angeordneten Schnappscheiben aus ferromagnetischem Formgedächtnismetall, die jede in getrennter Wirkverbindung mit dem Schlaganker stehen, angeordnet neben einer Auslösespule,
8 in schematischer Darstellung eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Auslösers mit zwei im Innern eines die Auslösespule tragenden Wickelkörpers angeordneten Schnappscheiben aus ferromagnetischem Formgedächtnismetall, die jede in getrennter Wirkverbindung mit dem Schlaganker stehen, angeordnet im Innern einer Auslösespule,
In 1 ist schematisch ein Schaltgerät 1 mit einem Gehäuse 2 und einem thermischen und elektromagnetischen Auslöser 20 im nicht ausgelösten Zustand gezeigt. In 2 ist das Schaltgerät nach 1 im ausgelösten Zustand gezeigt, wobei gleiche oder ähnlich wirkende Baugruppen oder Teile mit denselben Bezugsziffern bezeichnet sind.
Zwischen einem (hier nicht dargestellten) Eingangsklemmstück 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 1 gezeigten Schaltstellung ist die Kontaktstelle 4 geschlossen. Mit der Auslösespule 22 und dem festen Kontaktstück 8 ist über ein ohrenförmiges Zwischenstück 42 noch ein Joch 40 verbunden.
Der thermische und elektromagnetische Auslöser 20 umfasst die Auslösespule 22, eine aus ferromagnetischem Formgedächtnismetall gebildete Schnappscheibe 24 und eine aus einem thermischen Formgedächtnismetall gebildete zweite Schnappscheibe 25. Die zweite Schnappscheibe 25 könnte auch aus einem Thermobimetall oder einem ferromagnetischen Formgedächtnismetall unterschiedlicher Zusammensetzung bestehen.
Beide Schnappscheiben 24, 25 sind an der Stirnseite der Auslösespule 22 so angeordnet, dass die Schnappscheibenmittelpunkte sich beim Umschnappen auf einer gedachten Linie in Verlängerung der Auslösespulenlängsachse bewegen. Die Schnappscheibe 25 ist an ihrem Außenumfang in einem mit dem Gehäuse 2 verbundenen Schnappscheiben-Lager 28 gehalten. In dem in 1 gezeigten nicht ausgelösten Zustand weist die Wölbung beider Schnappscheiben in Richtung der Auslösespule 22. In ihrem Mittelpunkt steht die Schnappscheibe 25 in Wirkverbindung mit einem Schlaganker 26. Die Wirkverbindung ist hier als formschlüssige Verbindung gezeigt, alternativ könnten jedoch auch kraft- oder stoffschlüssige Verbindungen realisiert werden.
Die beiden Schnappscheiben 24, 25 befinden sich in ihrer Ruhestellung. Sie sind liegen mit ihrer Breitseite aneinander, so dass dadurch eine kraftschlüssige Wirkverbindung zwischen ihnen entsteht. Wenn die erste Schnappscheibe 24 umschnappt, so nimmt sie die zweite Schnappscheibe 25 mit, und über das Umschnappen der zweiten Schnappscheibe 25 wird der Schlaganker zu dem Schalthebel 10 hin bewegt und schlägt die Kontaktstelle 4 auf.
Die räumliche Anordnung der beiden Schnappscheiben 24, 25 im Verhältnis zu der Auslösespule 22 ist so gewählt, dass eine gute thermische und magnetische Kopplung an die Auslösespule 22 gegeben ist. Eine hierfür geeignete Auslegung der Auslösespule 22 und des Magnetkreises kann von einem Fachmann unter Zuhilfenahme seines normalen Fachwissens und unterstützt durch systematische Versuche vorgenommen werden.
Ferromagnetischen Formgedächtnislegierungen auf der Basis von Nickel, Mangan und Gallium 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 Ni_65-x-yMn_20+xGa_15+y, wobei x zwischen 3 Atomprozent und 15 Atomprozent liegt und y zwischen 3 Atomprozent und 12 Atomprozent. Die hier verwendete ferromagnetische 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 zwi schen zwei Kristallstrukturvarianten einer Zwillings-Kristallstruktur stattfindet, der makroskopisch mit einer Formänderung verbunden ist. Bei der hier gewählten Ausführung der Schnappscheibe besteht die Formänderung in einer Verbiegung hin zu der Form der zweiten bistabilen Schnappscheibenstellung.
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 thermische und elektromagnetische Auslöser als rein magnetischer Auslöser arbeitet, innerhalb einer Bandbreite durch Wahl der Materialzusammensetzung einstellbar.
Bei Überschreiten der thermischen Transitionstemperatur geht das ferromagnetische Formgedächtnismaterial – auch ohne äußeres Magnetfeld – in seine austenitische Phase über. Dieser Phasenübergang ist reversibel und ebenfalls mit einer Formänderung – verbunden, welche sich hier ebenfalls als eine Verbiegung hin zu der Form der zweiten bistabilen Schnappscheibenstellung manifestiert.
Die Kurzschlussstromauslösung geschieht nun folgendermaßen. Fließt durch das Schaltgerät 1 im Kurzschlussfall ein hoher Kurzschlussstrom, so verbiegt sich die erste Schnappscheibe 24 unter dem Einfluss des Magnetfeldes der Auslösespule aufgrund des magnetischen Formgedächtniseffektes aus der ersten bistabilen Stellung heraus so lange, bis der Totpunkt überschritten ist und sich sprungartig die Wölbungsrichtung der Schnappscheibe 24 in die zweite bistabile Stellung ändert. Infolgedessen wird auch die zweite Schnappscheibe 25 mit verbogen, bis diese ebenfalls umschnappt und als Folge der Stößel 26 das bewegliche Kontaktstück 6 vom festen Kontaktstück 8 wegschlägt, so dass die Kontaktstelle 4 geöffnet und das Schaltgerät ausgelöst wird, wie in 2 dargestellt. Die Verbiegung des ferromagnetischen Formgedächtnismaterials geschieht dabei sehr schnell und nahezu verzögerungsfrei. Die Verzögerungszeit als die Zeitdifferenz zwischen dem Auftreten des Kurzschlussstromes und dem Erreichen des Totpunktes liegt typischerweise in der Größenordnung von einer Millisekunde.
Die beiden Schnappscheiben 24, 25 könnten selbstverständlich auch einen Abstand voneinander aufweisen und über ein mechanisches Koppelglied, etwa eine kurze Stange, zusammenwirken.
Die Auslösung kann dabei selbstverständlich, wie in der Schaltgerätetechnik üblich und hier nicht dargestellt, durch einen Auslösehebel unterstützt werden, der ein die dauerhafte Öffnung der Kontaktstelle sicherndes Schaltwerk betätigt.
Nach der Auslösung des Schaltgerätes ist der Strompfad unterbrochen und das Magnetfeld der Auslösespule 22 bricht wieder zusammen. Infolgedessen wird sich die Schnappscheibe 24 wieder in ihre erste bistabile Stellung zurückbewegen. Zur Unterstützung der Rückverformung auch der zweiten der Schnappscheibe 25 nach Zusammenbrechen des Magnetfeldes der Auslösespule 22 infolge der Kontaktöffnung im Auslösefall ist in der Ausführungsform nach 1 und 2 eine Rückstellfeder 46 angebracht. Diese ist hier als Spiralfeder ausgebildet und umfasst den Schlaganker 26. Sie könnte aber auch als Blattfeder oder auf sonstige geeignete Art und Weise ausgebildet sein. Die Rückstellfeder 46 ist in nicht ausgelöstem Zustand (1) entspannt. Sie stützt sich mit einem Ende an einem mit dem Gehäuse verbundenen Federlager 50 ab, und mit ihrem anderen Ende an dem Mittelabschnitt der zweiten Schnappscheibe 25. Im Auslösefall (2) wird sie durch die in ihre zweite bistabile Lage geschnappte Schnappscheibe 24 zusammengedrückt.
Die thermische Überstromauslösung geschieht folgendermaßen: Überschreitet der im Strompfad durch das Schaltgerät 1 fließende Strom seinen Nennwert um einen höheren Wert und für einen längeren Zeitraum als zugelassen, so erwärmen sich die beiden Schnappscheiben 24, 25 aufgrund der Wärmeeinstrahlung von der Auslösespule 22 auf eine Temperatur, die unterhalb der thermischen Transitionstemperatur des ferromagnetischen Formgedächtnismetalls der ersten Schnappscheibe 24, aber oberhalb der thermischen Transitionstemperatur des Materials der zweiten Schnappscheibe 25 liegt. Infolgedessen findet die thermisch induzierte Formänderung der zweiten Schnappscheibe 25 statt, die sich hier wieder als eine Verbiegung hin zu der Form der zweiten bistabilen Schnappscheibenstellung manifestiert. Die Unterbrechung des Strompfades geschieht ansonsten auf die gleiche Weise wie oben für die magnetische Auslösung beschrieben.
Die elektromagnetische und die thermische Auslösung werden also von einem einzigen Bauelement bewirkt. Der Aufbau eines Schaltgerätes mit einem thermischen und magnetischen Auslöser wie beschrieben wird damit sehr einfach und aufgrund des Entfal lens einer kompletten Baugruppe kostengünstiger als bei herkömmlichen Schaltgeräten.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen thermischen und elektromagnetischen Auslösers 20a zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Schaltgerät gezeigt. Gleiche oder gleichwirkende Bauelemente oder Bauteile sind dabei mit den gleichen Bezugsziffern wie in 1 bezeichnet, jeweils ergänzt um den Buchstaben a.
Die Auslösespule 22a ist hier auf einen zylindrischen Wickelkörper aufgewickelt. Der Wickelkörper besteht aus einem gut wärmeleitenden und magnetisch nicht abschirmenden Material, beispielsweise einer Keramik oder einem geeigneten Kunststoff. An seinem der Kontaktstelle zugewandten Ende ist der Wickelkörper bauchartig aufgewölbt, derart, dass in seinem Innern ein Hohlraum 55a entsteht, durch dessen seitliche Begrenzung das Schnappkörper-Lager 28a gebildet wird und in dem die beiden Schnappscheiben 24a, 25a aufgenommen und gelagert sind. In einer Durchführung 58a an der der Kontaktstelle zugewandten Stirnseite des Wickelkörpers 56a ist der Schlaganker 26a gleitend geführt. Ebenfalls im Innern des Hohlraums 55a ist die Rückstellfeder 46a gelagert. Der Wickelkörper 56a kann beispielsweise aus zwei in Längsrichtung entlang der Mittelebene des Wickelkörpers geteilten Hälften bestehen, zwischen deren nach dem Zusammenfügen den Hohlraum bildende Teile die Schnappscheiben mit der Rückstellfeder und dem Schlaganker eingesetzt werden, bevor die beiden Hälften zu dem Wickelkörper 56a zusammengesetzt werden.
Der Wickelkörper 56a ist ortsfest mit der Gehäuseinnenwand des Schaltgerätes verbunden, so dass die Lagerung der Schnappscheiben hier nicht im Gehäuse, sondern im Innern des Wickelkörpers 56a erfolgt. Dadurch ist eine sehr kompakte Auslösebaugruppe wenigen Einzelteilen geschaffen.
Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen thermischen und elektromagnetischen Auslösers 20b zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Schaltgerät ist in 4 gezeigt. Gleiche oder gleichwirkende Bauelemente oder Bauteile sind dabei mit den gleichen Bezugsziffern wie in 1 oder 3 bezeichnet, jeweils ergänzt um den Buchstaben b. Die Ausführungsform nach 4 unterscheidet sich von derjenigen nach 3 insofern, als bei ersterer sich der in dem Wickelkörper 56b gebildete Hohl raum 55b und somit die Schnappscheiben 24b, 25b im Innern der Auslösespule 22b befindet.
Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes ist in den 5 und 6 gezeigt. Gleiche oder gleichwirkende Bauelemente und Teile tragen dabei dieselben Bezugsziffern wie in den 1 und 2, ergänzt jeweils um den Buchstaben c.
In 5 ist schematisch ein Schaltgerät 1c mit einem Gehäuse 2c und einem thermischen und elektromagnetischen Auslöser 20c im nicht ausgelösten Zustand gezeigt. In 6 ist das Schaltgerät nach 5 im ausgelösten Zustand gezeigt.
Der Unterschied zwischen der Ausführungsform nach 5 zw. 6 und derjenigen nach 1 bzw. 2 besteht darin, dass bei ersterer die beiden Schnappscheiben 24c und 25c an ihrem äußeren Rand verbunden sind und jede der beiden Schnappscheiben 24c, 25c getrennt mit dem Schlaganker 26c in Wirkverbindung tritt. Der Schlaganker 26c besitzt dazu an seinem dem Kontakthebel 10c abgewandten Ende eine gabelförmige Aufteilung in zwei Schlaganker-Fortsätze 27c, von denen je einer mit einer der beiden Schnappscheiben 24c und 25c, jeweils in deren Mittenregion, kraftschlüssig aber lösbar verbunden ist.
Bei magnetischer Kurzschlussstrom-Auslösung (6) schnappt die magnetisch aktivierte Schnappscheibe 24c um und bewegt über den Schlaganker-Fortsatz 27c den Schlaganker 26c zur Öffnung der Kontaktstelle 4c. Die Rückstellung erfolgt unter Wirkung einer Rückstellfeder 46c, die an einem mit dem Gehäuse 2c verbundenen Federlager 50c und an dem Schlaganker 26c angreift.
Bei thermischer Überstromauslösung würde die thermisch aktivierbare Schnappscheibe 25c umschnappen und in analoger Weise die Auslösung bewirken.
Die Ausführungsform nach 7 entspricht derjenigen nach 3, und diejenige nach 8 entspricht derjenigen nach 4, mit dem Unterschied, dass bei erstgenannten die beiden Schnappscheiben 24d bzw. 24e und 25d bzw. 25e an ihren äußeren Rändern verbunden sind und jede der beiden Schnappscheiben 24d bzw. 24e, 25d bzw. 25e getrennt mit dem Schlaganker 26d bzw. 26e über die Schlaganker-Fortsätze 27d bzw. 27e in Wirkverbindung treten.
Die in den 1 bis 8 dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele sind eine exemplarische, nicht abschließende Darstellung möglicher erfindungsgemäßer Schaltgeräte unter Verwendung eines thermischen und elektromagnetischen Auslösers mit einem Schnappkörper aus einer ferromagnetischen Formgedächtnislegierung. Es können auch aus allen anderen im Stand der Technik bekannten Schaltgerätevarianten mit thermischen und elektromagnetischen Auslösern durch die erfindungsgemäße Verwendung einer ferromagnetischen Formgedächtnislegierung zur Bildung eines Schnappkörpers erfindungsgemäße Schaltgeräte hergestellt werden.
Bezugszeichenliste:

Claims

Schaltgerät (1, 1c) mit einem Gehäuse (2, 2c) und mit wenigstens einer ein festes und ein bewegliches Kontaktstück (8, 8c, 6, 6c) umfassenden Kontaktstelle (4, 4c), und mit einem thermischen und elektromagnetischen Auslöser (20, 20a, 20b, 20c, 20d, 20e) mit einer Auslösespule (22, 22a, 22b, 22c, 22d, 22e) und einem Schlaganker (26, 26a, 26b, 26c, 26d, 26e), dadurch gekennzeichnet, dass der thermische und elektromagnetische Auslöser (20, 20a, 20b, 20c, 20d, 20e) zwei mit dem Schlaganker (26, 26a, 26b, 26c, 26d, 26e) in Wirkverbindung stehende Schnappkörper (24, 24a, 24b, 24c, 24d, 24e; 25, 25a, 25b, 25c, 25d, 25e) umfasst, und der eine Schnappkörper (24, 24a, 24b, 24c, 24d, 24e) aus einem Material mit einem magnetischen Formgedächtniseffekt besteht, und der andere Schnappkörper (25, 25a, 25b, 25c, 25d, 25e) aus einem Thermobimetall oder aus einem Material mit thermischem Formgedächtniseffekt oder aus einem Material mit einem kombinierten thermischen und magnetischen Formgedächtniseffekt besteht, wobei unter Einfluss des Magnetfeldes der Auslösespule (22, 22a, 22b, 22c, 22d, 22e) im Kurzschlussstromfall der eine Schnappkörper (24, 24a, 24b, 22c, 22d, 22e) und unter Einfluss einer durch Überstrom hervorgerufenen Temperaturerhöhung der andere Schnappkörper (25, 25a, 25b, 25c, 25d, 25e) in zwei bistabile Stellungen umgesteuert werden.
Schaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Schnappkörper (24, 24a, 24b, 24c, 24d, 24e) aus einer ferromagnetischen Formgedächtnislegierung aus Nickel, Mangan und Gallium gebildet ist.
Schaltgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der eine und der andere Schnappkörper (24, 24a, 24b, 24c, 24d, 24e; 25, 25a, 25b, 25c, 25d, 25e) aus unterschiedlich zusammengesetzten ferromagnetischen Formgedächtnislegierungen aus Nickel, Mangan und Gallium gebildet sind.
Schaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der eine und der andere Schnappkörper (24, 24a, 24b, 24c, 24d, 24e; 25, 25a, 25b, 25c, 25d, 25e) als Schnappscheiben ausgebildet sind.
Schaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der eine und der andere Schnappkörper (24b, 24e; 25b, 25e) von der Auslösespule (22b, 22e) umfasst sind.
Schaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der eine und der andere Schnappkörper (24, 24a, 24c, 24d, 25, 25a, 25c, 25d) außerhalb der Auslösespule (22, 22a, 22c, 22d) und in deren Nahbereich angeordnet sind.
Schaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der eine und der andere Schnappkörper (24a, 24b, 24d, 24e, 25a, 25b, 25d, 25e) innerhalb eines die Auslösespule (22a, 22b, 22d, 22e) tragenden Spulenwickelkörpers (56a, 56b, 56d, 56e) eingebaut und gehalten sind.
Schaltgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der eine und der andere Schnappkörper (24, 24a, 24b; 25, 25a, 25b) untereinander in Wirkverbindung stehen.
Schaltgerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der beiden Schnappkörper (24c, 24d, 24e; 25c, 25d, 25e) in getrennter Wirkverbindung mit dem Schlaganker (26c, 26d, 26e) steht.
Schaltgerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der beiden Schnappelemente (24, 24a, 24b, 25, 25a, 25b) mit einer dessen Umsteuern in die beiden bistabilen Stellungen unterstützenden Rückstellfeder (46, 46a, 46b) in Wirkverbindung steht.
Schaltgerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlaganker (26c, 26d, 26e) mit einer dessen Rückstellung unterstützenden Rückstellfeder 46c, 46d, 46e) in Wirkverbindung steht.
Verwendung eines Materials mit einem kombinierten thermischen und magnetischen Formgedächtniseffekt in einem eine Auslösespule (22, 22a, 22b, 22c, 22d, 22e) und einen Schlaganker (26, 26a, 26b, 26c, 26d, 26e) aufweisenden thermischen und elektromagnetischen Auslöser (20, 20a, 20b, 20c, 20d, 20e) für ein Schaltgerät (1, 1c), dadurch gekennzeichnet, dass der thermische und mag netische Auslöser (20, 20a, 20b, 20c, 20d, 20e) zwei mit dem Schlaganker (26, 26a, 26b, 26c, 26d, 26e) in Wirkverbindung stehende Schnappkörper (24, 24a, 24b, 24c, 24d, 24e; 25, 25a, 25b, 25c, 25d, 25e) umfasst, und der eine Schnappkörper (24, 24a, 24b, 24c, 24d, 24e) aus dem Material mit einem magnetischen Formgedächtniseffekt besteht, und der andere Schnappkörper (25, 25a, 25b, 25c, 25d, 25e) aus einem Thermobimetall oder aus einem Material mit thermischem Formgedächtniseffekt besteht, wobei unter Einfluss des Magnetfeldes der Auslösespule (22, 22a, 22b, 22c, 22d, 22e) im Kurzschlussstromfall der eine Schnappkörper (24, 24a, 24b, 24c, 24d, 24e) und unter Einfluss einer durch Überstrom hervorgerufenen Temperaturerhöhung der andere Schnappkörper (25, 25a, 25b, 25c, 25d, 25e) in zwei bistabile Stellungen umgesteuert werden.
Verwendung eines Materials mit einem kombinierten thermischen und magnetischen Formgedächtniseffekt nach Anspruch 12, bestehend aus einer ferromagnetischen Formgedächtnislegierung aus Nickel, Mangan und Gallium.
Verwendung eines Materials mit einem kombinierten thermischen und magnetischen Formgedächtniseffekt zur Überstrom- und Kurzschlussstromauslösung in einem eine Kontaktstelle (4, 4c) und einen thermischen und elektromagnetischen Auslöser (20, 20a, 20b, 20c, 20d, 20e) umfassenden Schaltgerät (1, 1c), dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltgerät (1, 1c) zwei mit dem Schlaganker (26, 26a, 26b, 26c, 26d, 26e) in Wirkverbindung stehende Schnappkörper (24, 24a, 24b, 24c, 24d, 24e; 25, 25a, 25b, 25c, 25d, 25e) umfasst, und der eine Schnappkörper (24, 24a, 24b, 24c, 24d, 24e) aus dem Material mit einem magnetischen Formgedächtniseffekt besteht, und der andere Schnappkörper (25, 25a, 25b, 25c, 25d, 25e) aus einem Thermobimetall besteht, wobei unter Einfluss des Magnetfeldes der Auslösespule (22, 22a, 22b,22c, 22d, 22e) im Kurzschlussstromfall der eine Schnappkörper (24, 24a, 24b, 24c, 24d, 24e) und unter Einfluss einer durch Überstrom hervorgerufenen Temperaturerhöhung der andere Schnappkörper (25, 25a, 25b, 25c, 25d, 25e) in zwei bistabile Stellungen umgesteuert werden.
Verwendung eines Materials mit einem kombinierten thermischen und magnetischem Formgedächtniseffekt zur Überstrom- und Kurzschlussstromauslösung nach Anspruch 14, bestehend aus einer ferromagnetischen Formgedächtnislegierung aus Nickel, Mangan und Gallium.