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Dokumentenidentifikation DE102005047549A1 19.04.2007
Titel Schalter zur Schaltung mindestens eines elektrischen Stromes
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Schneider, Petra, 92272 Freudenberg, DE;
Soukup, Michael, 92245 Kümmersbruck, DE
DE-Anmeldedatum 30.09.2005
DE-Aktenzeichen 102005047549
Offenlegungstag 19.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.04.2007
IPC-Hauptklasse H01H 71/40(2006.01)A, F, I, 20061006, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen Schalter zur Schaltung mindestens eines elektrischen Stromes, der einen Anker und mindestens einen stromführenden Leiter mit einer schlaufenähnlichen Führung oder Windung, der zur Erzeugung einer elektromagnetischen Kraft zur Änderung der Schaltposition des Ankers vorgesehen ist, aufweist. Die Aufgabe des Schalters ist es, ein sicheres und unverzögertes Schalten durch eine Erhöhung der elektromagnetischen Kraftwirkung durch ein Mehrfachleitersystem zu gewährleisten.
Durch mehrere Windungen eines einzelnen leitenden Elementes oder durch eine Vielzahl in Serie geschalteter leitender Elemente werden mehrere Amperewindungen realisiert, die bei Stromdurchfluss eine erhöhte elektromagnetische Kraft erzielen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Schalter zur Schaltung mindestens eines elektrischen Stromes, wobei der Schalter einen Anker aufweist, der als bewegbares Element mittels Kraftübertragung zur elektrischen Kontaktierung vorgesehen ist, und der mindestens eine Schaltposition aufweist, und der Schalter mindestens einen stromführenden Leiter mit einer schlaufenähnlichen Führung oder Windung aufweist, der zur Erzeugung einer elektromagnetischen Kraft vorgesehen ist, die zur Änderung der Schaltposition des Ankers vorgesehen ist.

Ein derartiger Schalter kommt auf dem Gebiet der Leistungsschalter und/oder Stromschalter zum Einsatz. Weiterhin werden derartige Schaltern in elektronischen Geräten verwendet, die unter anderem ähnliche Schaltfunktionen aufweisen. Derartige Leistungsschalter basieren in der Regel auf magnetischen Auslösesystemen, die beispielsweise zur unverzögerten Kurzschlussauslösung verwendet werden.

Durch die elektromagnetische Kraftwirkung des durch die Strombahn laufenden Stromes wird in der Regel ein Magnetanker derartig bewegt, dass ein Schaltvorgang mittels einer Kraftübertragung an einen Auslöser oder ein Schlosssystem möglich ist. Die Strombahn weist eine Windung auf, wobei die elektromagnetischen Kräfte, die durch den Stromfluss in den einzelnen Strombahnsegmenten entstehen, entsprechend zu einer größeren elektromagnetischen Kraft vektoriell akkumuliert werden. Auf diese Weise wird die magnetische Kraftwirkung auf den Magnetanker konzentriert. Man spricht in diesem Zusammenhang von einem Einleitersystem, da Die Strombahn hierzu einfach gewickelt oder geführt ist. Die elektromagnetische Kraft, die durch solch ein Einleitersystem erzielt wird, ist sehr gering und führt in aller Regel dazu, dass nur ein kleiner Magnetanker, der leicht genug ist, um von der elektromagnetischen Kraft bewegt zu werden, verwendbar ist.

Einige stromdurchflossene Elemente der Strombahn sind typischerweise als Blech ausgeführt. Die meist flachen stromdurchflossenen Elemente dienen oft auch als Wärmeübergang für ein zu beheizendes Bimetall. Dieses Bimetall kann eine zusätzliche Schaltfunktion übernehmen. Die Strombahn, beziehungsweise deren Elemente haben hierbei zusätzlich die Funktion das Bimetall zu erwärmen.

Zum heutigen Stand der Technik sind weiterhin Magnetsysteme bekannt, die das magnetische Feld, das durch den Stromfluss entsteht, räumlich führen können. Hierbei wird der gewundene Teil der Strombahn als so genannte Amperewindung in einfacher Durchführung mit einem oder mehreren Magnetflussleitern kombiniert, wobei der magnetische Fluss durch die Magnetflussleiter dirigierbar ist.

Aus EP 0 377 479 B1 ist eine Auslösevorrichtung für einen elektrischen Schalter bekannt, die ein Joch aus magnetischem Material, das einen beweglich angeordneten langgestreckten Anker trägt, von welchem ein Endabschnitt nach außen aus dem Joch vorsteht, enthält. Die Auslösevorrichtung sieht ein elektromechanisches Bewegen des Ankers vor, wobei ein Permanentmagnet und eine Federvorrichtung zur optimalen Positionierung des Ankers eingesetzt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein sicheres und unverzögertes Schalten durch eine Erhöhung der elektromagnetischen Kraftwirkung zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird bei einem Schalter der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Schalter ein aus leitenden Elementen gebildetes Leiterschleifensystem oder Mehrleitersystem, des Weiteren Mehrfachleitersystem genannt, zur Erhöhung der elektromagnetischen Kraft aufweist, wobei mindestens ein leitendes Element mindestens einfach schlaufenähnlich geführt ist, oder mindestens eine Windung aufweist. Mindestens ein elektrischer Strom ist durch den Anker, der als bewegbares Element vorgesehen ist, meist mit externer Hilfsvorrichtung schaltbar. Der Anker kann sich in mindestens einer Schaltposition befinden, die einem bestimmten Betriebszustand oder Schaltzustand entspricht. Ein Schaltvorgang besteht aus dem Wechsel des Ankers aus einer Schaltposition in eine andere Schaltposition. Die hierzu verwendete Kraft ist eine elektromagnetische Kraft, die durch den Stromfluss durch die leitenden Elemente hervorgerufen wird. Es kommt zu einer Erhöhung der elektromagnetischen Kraft durch die Aufsummierung der elektromagnetischen Kräfte, die durch mindestens ein leitendes Element, beziehungsweise durch eine Vielzahl leitender Elemente im Mehrfachleitersystem entstehen. Das Mehrfachleitersystem enthält mindestens ein leitendes Element, das einfach schlaufenähnlich geführt ist. Durch mehrere Windungen eines einzelnen leitenden Elementes oder durch eine Vielzahl in Serie geschalteter leitender Elemente werden mehrere Amperewindungen realisiert, die bei Stromdurchfluss eine größere elektromagnetische Kraft erzielen. Die Mehrfachwindungen der leitenden Elemente können auch schlaufenähnlich geführt sein, oder den Umständen entsprechend an den Schaltmechanismus angepasst sein. Die leitenden Elemente sind beispielsweise als Bleche ausgeführt, die durch Stapelung oder Aufschichtung zur Reihenschaltung der leitenden Elemente vorgesehen sind.

Zur Führung der magnetischen Feldlinien bzw. zur Verstärkung des magnetischen Feldes werden Magnetflussleiter, wie zum Beispiel Magnetbügel, verwendet. Die erhöhte Magnetfeldinduktion ist geeignet, mit einem in den Schalter integriertes Magnetsystem eine vorteilhaftere Kraftwirkung zu erzielen. Die Kraftwirkung wird über die Magnetflussleiter gebündelt und direkt auf den Anker gerichtet. Die verwendeten leitenden Elemente können gleichzeitig als Heizleiter zur Erhitzung von Bimetallen eingesetzt werden bzw. die leitenden Elemente können aus Bimetall bestehen oder dasselbe aufweisen.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind der stromführende Leiter und/oder mindestens ein leitendes Element als Wärmeleiter zur Erhitzung eines Bimetalls vorgesehen. Auf diese Weise kann durch die Wärmeentwicklung bei Stromdurchfluss ein redundanter Schaltvorgang durch das Bimetall erzielt werden. Weiterhin ist es möglich, mittels des Bimetalls einen weiteren oder weitere Ströme separat zu schalten.

Vorteilhafterweise ist mindestens ein leitendes Element als flaches Blech ausgebildet, um durch das Übereinanderlegen der schlaufenähnlichen Blechteile eine Reihenschaltung der Blechteile zu erreichen. Die als Blechteile ausgeführten leitenden Elemente bilden hierbei eine oder mehrere Leiterschleifen, wobei die Blechteile gegeneinander isoliert sind und nur an definierten Stellen elektrisch kontaktiert oder kontaktierbar sind. Auf diese Weise ist das Mehrfachleitersystem günstig und einfach aufbaubar bzw. erweiterbar.

Erfindungsgemäß sind die leitenden Elemente hinsichtlich ihrer Form nicht festgelegt, solange die gewählte Form die Erzeugung der elektromagnetischen Kraft unterstützt. Deshalb ist die Ausführung der leitenden Elemente als Blechteile zwar vorteilhaft, aber nicht zwingend.

Vorteilhafterweise ist mindestens ein erstes leitendes Element mit einem zweiten leitenden Element des stromführenden Leiters elektrisch verbindbar oder verbunden. Durch die elektrische Verbindbarkeit ist der Aufbau des Mehrfachleitersystems sehr einfach gehalten und reduziert Kosten bei der Herstellung. Weiterhin ist eine Reihenschaltung leitender Elemente erwünscht, da auf diese Weise die Anzahl der Leiterschleifen bzw. Amperewindungen auf simple Weise erhöht oder verringert werden kann. Dadurch ist die elektromagnetische Kraft, die am Anker angreift, definiert regulierbar. Eine weitere Vereinfachung ist gegeben, wenn das erste und das zweite leitende Element baugleich ausgeführt sind. Eine Reduktion der Vielfalt der leitenden Elemente reduziert die Kosten des Schalters.

Vorteilhafterweise weisen die leitenden Elemente mindestens ein Isolationsmittel auf, welches eine elektrische Kontaktierung an unerwünschten Stellen vermeidet. Mögliche Isolationsmittel sind unter anderen Kunststoffe oder Lackierungen.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind der Figurenbeschreibung und/oder den Unteransprüchen zu entnehmen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert.

Es zeigen:

1 eine dreidimensionale Ansicht des Ausführungsbeispiels eines Schalters, und

2 eine weitere dreidimensionale Ansicht des Ausführungsbeispiels.

1 zeigt eine dreidimensionale Ansicht des Ausführungsbeispiels eines Schalters 1. Der Schalter 1 weist ein Mehrfachleitersystem 6 auf, das eine erstes leitendes Element 5A und ein zweites leitendes Element 5B aufweist, die beide als Bleche ausgeführt sind. Die elektrische Kontaktierung der leitenden Elemente 5A, 5B ist an deren Enden realisiert, wobei die flachen Auflageflächen der leitenden Elemente 5A, 5B durch eine Lackierung isoliert sind. Das Mehrfachleitersystem 6 enthält neben dem ersten und zweiten leitenden Element 5A, 5B weiterhin zwei Magnetflussleiter M1, M2, die als Magnetbügel ausgeführt sind. Die Magnetflussleiter M1, M2 bilden an der offenen Seite durch ihre U-förmige Gestalt vier plane Auflageflächen, die für einen Anker 2 vorgesehen sind. Die Auflageflächen liegen im Ausführungsbeispiel in einer Ebene, so dass ein gleichzeitiges planes Aufliegen des Ankers 2 auf den Auflageflächen gewährleistet ist. Der Anker 2 kann weiterhin neben dieser vertikalen Position eine andere, z.B. eine horizontale Position einnehmen. Beide Positionen entsprechen einer unterschiedlichen Schaltung des relevanten Stromes. Mittels des Ankers 2 kann sowohl eine Eigenschaltung, beispielsweise eine Schaltung eines Stromes I erfolgen oder eines anderes Stromes.

Der Strom I fließt aus dem hinteren Teil des Schalters 1 über das erste leitende Element 5A einmalig in einer schlaufenähnlichen Führung durch beide U-förmigen Magnetflussleiter M1, M2 hindurch. Durch die Kontaktierung des ersten leitenden Elementes 5A und des zweiten leitenden Elementes 5B unterhalb der Magnetflussleiter M1, M2 wird der Strom I nochmals durch die halboffenen Magnetflussleiter M2 und M1 hindurchgeführt. Dieses Mehrfachleitersystem 6 kann durch das Hinzufügen bzw. In-Reiheschalten weiterer leitender Elemente, ähnlich wie das erste und zweite leitende Element 5A, 5B erweitert werden. Die elektromagnetische Kraftwirkung wird dadurch stufenweise geändert. Eine Änderung der elektromagnetischen Kraftwirkung ist auch durch die Formgebung der Magnetflussleiter M1, M2 erreichbar. Durch die U-Form der Magnetflussleiter M1, M2 wird das magnetische Feld innerhalb der Magnetflussleiter M1, M2 in Richtung Anker verstärkt.

2 zeigt eine weitere dreidimensionale Ansicht des Ausführungsbeispiels. Aufgrund der Lagerung des Ankers 2 ist dessen Bewegung während des Schaltvorganges eine Drehbewegung um eine Achse, die innerhalb des plattenförmigen Ankers 2 lokalisiert ist. Dir Wirkrichtung der elektromagnetischen Kraft, die durch die Stromstärke und die Anzahl der Amperewindungen regulierbar ist, ist in 2 in Form eines Pfeils angedeutet. Durch die Reihenschaltung mehrerer leitender Elemente 5A, 5B ist die magnetische Kraftwirkung auf den Anker 2 stufenweise regulierbar. Alternativ ist es durch die Reihenschaltung möglich, die Stromschwelle für die Auslösung des Schalters herab bzw. heraufzusetzen.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung einen Schalter zur Schaltung mindestens eines elektrischen Stromes, der einen Anker, mindestens einen stromführenden Leiter mit einer schlaufenähnlichen Führung oder Windung, der zur Erzeugung einer elektromagnetischen Kraft zur Änderung der Schaltposition des Ankers vorgesehen ist, aufweist. Die Aufgabe des Schalters ist es, ein sicheres und unverzögertes Schalten durch eine Erhöhung der elektromagnetischen Kraftwirkung durch ein Mehrfachleitersystem zu gewährleisten.

Durch mehrere Windungen eines einzelnen leitenden Elementes oder durch eine Vielzahl in Serie geschalteter leitender Elemente werden mehrere Amperewindungen realisiert, die bei Stromdurchfluss eine erhöhte elektromagnetische Kraft erzielen.


Anspruch[de]
Schalter zur Schaltung mindestens eines elektrischen Stromes (I), wobei

– der Schalter einen Anker (2) aufweist, der als bewegbares Element zur elektrischen Kontaktierung vorgesehen ist, und der mindestens eine Schaltposition aufweist, und

– der Schalter mindestens einen stromführenden Leiter (3) mit einer schlaufenähnlichen Führung oder Windung aufweist, der zur Erzeugung einer elektromagnetischen Kraft (F) vorgesehen ist, die zur Änderung der Schaltposition des Ankers (2) vorgesehen ist,

dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter

ein aus leitenden Elementen (5A, 5B) gebildetes Mehrfachleitersystem (6) zur Erhöhung der elektromagnetischen Kraft (F) aufweist, wobei mindestens ein leitendes Element (5A, 5B) mindestens einfach schlaufenähnlich geführt ist, oder mindestens eine Windung aufweist.
Schalter nach Anspruch 1, wobei der stromführende Leiter (3) und/oder mindestens ein leitendes Element (5A, 5B) als Wärmeleiter zur Erhitzung eines Bimetalls vorgesehen sind. Schalter nach Anspruch 1 oder 2, wobei der stromführende Leiter (3) und/oder mindestens ein leitendes Element (5A, 5B) ein Bimetall aufweisen. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein leitendes Element (5A, 5B) als flaches Blech ausgebildet ist. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein erstes leitendes Element (5A) mit einem zweiten leitenden Element (5B) elektrisch verbindbar oder verbunden ist. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens das erste leitende Element (5A) und das zweite leitende Element (5B) baugleich sind. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch eine Reihenschaltung der leitenden Elemente (5A, 5B) die elektromagnetische Kraft (F) stufenweise änderbar ist. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die leitenden Elemente (5A, 5B) ein Isolationsmittel aufweisen. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Verbindungsstelle mindestens eines leitenden Elementes (5A, 5B) als flacher Anschluss ausgeführt ist.






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