[0001] Die Erfindung geht aus von einem Auslöser mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1
angegebenen Merkmalen. Ein solcher Auslöser ist aus der DE-27 55 645 B2 bekannt geworden.
Er enthält ausser den im Oberbegriff angegebenen Elementen noch einen Dauermagneten,
welcher dem Joch anliegt; der von diesem Dauermagnet ausgehende magnetische Kraftfluß
bewirkt, dass der Anker entgegen der Wirkung einer am Anker angreifenden Rückzugfeder
vom Joch angezogen wird. Ausserdem ist eine das Joch umgebende Auslösespule vorgesehen.
Die Auslösespule hat die Aufgabe, einen vom Fehlerstrom abhängigen, dem vom Dauermagneten
ausgehenden Kraftfluß entgegengerichteten Kraftfluß zu erzeugen, so dass die Kraft,
mit welcher der Anker vom Joch angezogen wird, verkleinert wird und die Rückzugfeder
den Anker vom Joch abziehen kann.
[0002] Um eine hohe Empfindlichkeit des Auslösers zu erzielen, soll der Luftspalt zwischen
dem Anker und dem Joch möglichst klein sein. Ausserdem soll die Ansprechempfindlichkeit
des Auslösers über möglichst lange Zeit konstant bleiben. Um das zu erreichen, ist
es aus der DE-27 55 645 B2 bekannt, die Oberflächen der Polflächen des Ankers oder
des Joches mit einem korrosionsfesten und zähen Stoff mit guten Gleiteigenschaften,
nämlich mit einem Metall der ersten, zweiten oder achten Nebengruppe des Periodischen
Systems der Elemente oder deren Legierungen mit einer Schichtstärke von bis zu 1 µm
zu versehen. Dabei ist insbesondere an die Gruppe der Edelmetalle, vor allen Dingen
an Gold gedacht, welche durch elektrolytische Abscheidung oder durch Aufdampfen abgeschieden
werden sollen. Durch die Beschichtung soll ein Schmiereffekt erreicht werden, so
dass sich während der langen Lebensdauer kein Abrieb mehr bildet und der Luftspalt
insoweit konstant bleibt. Es ist in der DE-27 55 645 B2 allerdings angegeben, dass
die dünne Beschichtung für einen Korrosionsschutz nicht ausreicht, da sie nicht porenfrei
ist. Um Korrosion zu vermeiden, die den Luftspalt ebenfalls verändern könnte, ist
deshalb vorgesehen, sowohl als weichmagnetischen Werkstoff für den Anker und für
das Joch als auch für die Beschichtung korrosionsfeste Werkstoffe zu verwenden. Dickere
Beschichtungen aufzutragen, die einen wirksamen Korrosionsschutz bieten könnten, verbietet
sich, da sie die Empfindlichkeit des Auslösers herabsetzen würden.
[0003] Um diesen Nachteilen zu begegnen, ist in der DE-34 10 596 A1 vorgeschlagen worden,
mindestens die Oberflächen der Polflächen vom Anker oder Joch eines solchen Auslösers
für einen Fehlerstromschutzschalter aus einer pulvermetallurgisch hergestellten,
weichmagnetischen Eisen-Nickel-Legierung herzustellen, weil man weiß, dass eine pulvermetallurgisch
hergestellte Eisen-Nickel-Legierung oxidationsfester ist als eine schmelzmetallurgisch
hergestellte Eisen-Nickel-Legierung. Die Kosten für eine pulvermetallurgisch hergestellte
Eisen-Nickel-Legierung sind allerdings höher als für vergleichbare schmelzmetallurgisch
hergestellte Eisen-Nickel-Legierungen und die erwünschte zeitliche Konstanz des Luftspaltes
wird dennoch nicht erreicht.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Auslöser für
Fehlerstromschutzschalter zu schaffen, der mit vertretbarem Aufwand herstellbar ist
und dessen Luftspalt eine verbesserte zeitliche Konstanz aufweist.
[0005] Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Auslöser mit den im Patentanspruch 1 angegebenen
Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
[0006] Überraschenderweise hat es sich gezeigt, dass man dem Problem der zeitlichen Konstanz
des Luftspaltes mit einer dünnen Hartstoffbeschichtung der Polflächen des Ankers und
des Joches beikommen kann. Selbst bei Schichtstärken von weniger als 1 µm sind die
Hartstoffschichten gegenüber den beim Auslösevorgang und beim Wiedereinschalten des
Fehlerstromschutzschalters auftretenden mechanischen Belastungen so verschleißfest,
insbesondere abriebfest, dass die zeitliche Konstanz des Luftspaltes im Vergleich
zu bekannten Auslösern drastisch verlängert wird. Die optimale Schichtdicke liegt
zwischen 0,4 µm und 0,8 µm. Überraschenderweise hat sich weiterhin gezeigt, dass sich
bereits mit so dünnen Hartstoffschichten eine wesentliche Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit
des Joches und des Ankers erreichen läßt. Die aufgedampften Hartstoffschichten können
nämlich schon bei geringeren Schichtstärken als die in der DE-27 55 645 B2 beschriebenen
elektrolytisch aufgebrachten Schichten einen porenfreien Film bilden.
[0007] Vorzugsweise werden für die Hartstoffschicht Hartstoffe des Titans, insbesondere
Titannitrid gewählt. Gut geeignet sind aber auch die Karbide und die Karbonnitride
des Titans.
[0008] Zum Erzeugen einer solchen Hartstoffschicht eignen sich die Verfahren der chemischen
Dampfabscheidung (CVD-Verfahren) und der physikalischen Dampfabscheidung (PVD-Verfahren),
insbesondere das Ionenplattieren. Das Kathodenzerstäuben als häufig angewandtes PVD-Verfahren
findet bei Temperaturen unter 250° C statt und hat den Vorteil, dass es keinen Einfluß
auf die magnetischen Eigenschaften der zu beschichtenden Grundmaterialien des Ankers
und des Joches hat. CVD-Verfahren erfordern zwar U.U. das Arbeiten bei höherer Temperatur,
ermöglichen es jedoch, durch Variation der Abscheideparameter (Temperatur, Druck,
Beschichtungsdauer) im CVD-Reaktor die Oberflächenstruktur, nämlich die Mikrorauhigkeit
gezielt zu beeinflussen. Damit ist auch eine gezielte Beeinflussung des Luftspaltes
und - damit zusammen hängend - der Auslöseempfindlichkeit des Auslösers möglich,
wobei die eingestellte Empfindlichkeit infolge der harten Oberfläche langzeitstabil
bleibt. Erste Versuche haben gezeigt, dass sich die Langzeitstabilität der Auslöseschwelle
des Auslösers durch die erfindungsgemäße Hartstoffbeschichtung im Vergleich zu bekannten
Auslösern um einen Faktor 5 bis 25 erhöhen läßt.
[0009] Um die Auslöseschwelle des Auslösers durch die Abscheidebedingungen des CVD-Verfahrens
gezielt beeinflussen zu können, geht man am besten von einem Anker und von einem Joch
mit sehr glatter, polierter Oberfläche aus, welche durch die nachfolgende Beschichtung
mit Hartstoff eine etwas stärkere, aber wohl definierte, durch die Abscheidebedingungen
festgelegte,langzeitstabile Rauhigkeit erhält.
[0010] Die beigefügte Zeichnung zeigt schematisch einen elektromagnetischen Auslöser, bestehend
aus einem Anker 1, aus einem Joch 2, einem Dauermagneten 3 zum Erzeugen des Magnetflusses,
durch dessen Wirkung der Anker 1 vom Joch 2 angezogen wird und daran haftet, solange
nicht durch eine auf einem Schenkel des Joches 2 angeordnete Auslösespule 4 ein entgegengesetzt
gerichteter magnetischer Kraftfluß erzeugt wird, dessen Größe von einem Fehlerstrom
abhängig ist. Tritt ein solcher Fehlerstrom auf, wird der vom Dauermagneten 3 ausgehende
magnetische Kraftfluß ge schwächt und eine Rückzugfeder 5, welche am Anker 1 angreift,
kann den Anker 1 vom Joch 2 abziehen und dadurch einen zu überwachenden Stromkreis
unterbrechen. Wenn in der Auslösespule 4 kein Strom fließt, stellt der Dauermagnet
3 den Anker 1 zurück, indem er ihn gegen das Joch 2 zieht. Um die Größe des Luftspaltes
6 zwischen dem Joch 2 und dem Anker 1 über lange Zeit konstant zu halten, tragen ihre
dort liegenden Oberflächen eine dünne Schicht aus einem Hartstoff. Beispiele dafür
sind nachstehend angegeben. Vorzugsweise wird eine Hartstoffschicht auf die betreffenden
Oberflächen sowohl des Ankers 1 als auch des Joches 2 aufgetragen, nachdem diese plan
geschliffen und poliert worden sind.
Beispiel 1:
[0011] Zur PVD-Beschichtung werden die sorgfältig gereinigten Anker und Joche als zu beschichtende
Substrate auf Halterungen in einer evakuierbaren Beschichtungskammer einer Vakuumbeschichtungsanlage
deponiert. Die Kammer wird evakuiert und nach Erreichen eines Unterdruckes in der
Größenordnung von 10⁻⁶ mbar wird zum Sputterätzen der Substrate Argon mit einem Druck
von ca. 1 x 10⁻² mbar eingelassen. Unter Hochfrequenz wird bei etwa 1500 V 10 Minuten
lang geätzt, wodurch die Oxidschichten auf den Substraten abgelöst werden. Nach Schaltung
eines Titantargets als Kathode und Zugabe von etwa 5 % Stickstoff wird für ca. 10
Minuten bei einer Leistung von etwa 10 W/cm² eine 0,5 µm starke Titannitrid-Schicht
erzeugt. Während der Beschichtung findet keine Erwärmung durch eine Substratheizung
statt; erhöhte Substrat temperaturen zwischen 150° C und 200° C sind hauptsächlich
durch den Ionenbeschuß beim Sputterätzen bedingt. Durch die PVD-Beschichtung wird
eine Oberflächenschicht aufgetragen, bei der im wesentlichen die Substratgeometrie
bzw. Topographie abgebildet wird, d.h. es finden nur relativ kleine Änderungen der
Mikrorauhheiten statt. Die oben angegebenen Beschichtungszeiten beziehen sich auf
den Betrieb mit feststehendem Substratträger, bei Durchlauf- oder Batchanlagen mit
Trommelhalterung verlängern sich die Beschichtungszeiten entsprechend der gerade im
Eingriff befindlichen Flächen (im Verhältnis zur Gesamtfläche der Substratträger).
Beispiel 2:
[0012] Zur CVD-Beschichtung werden die sorgfältig gerinigten Anker und Joche als zu beschichtende
Substrate auf Halterungen einer evakuierbaren Beschichtungskammer deponiert. Die
Kamemr wird evakuiert und nach Erreichen eines Grobvakuums von ca. 1 mbar Druck wird
in die Kammer Wasserstoff eingeleitet und die Kammer unter der Wasserstoffatmosphäre
bei einem Druck von ca. 200 mbar auf 860° C aufgeheizt. Dann werden Stickstoff und
Titantetrachlorid (TiCl₄) in die Kammer eingeführt, wobei das Verhältnis von Wasserstoff
zu Stickstoff etwa 3,5 : 1 beträgt, und es wird dabei ein Druck von 900 mbar in der
Kammer eingestellt. Unter diesem Druck und der Temperatur von 860° C findet eine Abscheidung
von Titannitrid auf den Substraten statt. Nach 25 min Beschichtungsdauer ist die Dicke
der Titannitridschicht auf 0,5 µm angewachsen. Die Kammer wird nun mit kaltem Argon
gespult und abgekühlt und die beschichteten Teile werden entnommen. Ihre Mikrorauhheit
ist gegenüber den unbeschichteten Teilen leicht erhöht.
1. Elektromagnetischer Auslöser für einen Fehlerstromschutzschalter mit einem Anker
und mit einem Joch, welche beide aus einem weichmagnetischen Werkstoff bestehen und
bei geschlossenem Schalter mit ihren Polflächen unter Bildung eines minimalen Luftspaltes
aneinander anliegen, wobei mindestens eine der Polflächen des Ankers und/oder mindestens
eine der gegenüberliegenden Oberflächen des Joches eine dünne Schicht aus einem anderen
Werkstoff aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus einem Hartstoff besteht.
2. Auslöser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht eine Härte von
wenigstens 1000 HV aufweist.
3. Auslöser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus
Hartstoffen des Titans besteht.
4. Auslöser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus Titan-Nitrid
besteht.
5. Auslöser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Schicht zwischen 0,4 µm und 0,8 µm dick ist.
6. Anwendung eines Aufdampfverfahrens zur Erzeugung einer aus Hartstoffen bestehenden
Schicht auf dem Anker und/oder Joch eines Auslösers gemäß einem der vorstehenden
Ansprüche.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Aufdampfverfahren ein
PVD-Verfahren gewählt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Aufdampfverfahren ein
CVD-Verfahren gewählt wird.
9. Durch ein CVD-Verfahren hergestellter Auslöser nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenrauhigkeit der aus einem Hartstoff bestehenden
Schichten größer ist als die Rauhigkeit der bestehenden Oberflächen des Ankers bzw.
des Joches vor der Beschichtung mit dem Hartstoff.