SCHÜTZ MIT EINER ELEKTROMAGNETISCHEN BETÄTIGBAREN, BISTABILEN SCHALTANORDNUNG

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Schütz (1) mit einer elektromagnetisch betätigbaren, bistabilen Schaltanordnung (2), die zwei stabile Schaltkonfigurationen einnehmen kann, und mit einem Schaltapparat (3), wobei die Schaltanordnung (2) über einen Mitnehmer (4) auf den Schaltapparat (3) wirkt, und wobei jeder der beiden stabilen Schaltkonfigurationen ein stabiler Schaltzustand der Schaltanordnung (2) entspricht, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltanordnung (2) eine Steuerspule (5), zwei Schaltmagnete (6, 7) und ein mit der Steuerspule (5) beweglich gekoppeltes und die Steuerspule (5) in jeweils einer ersten und einer zweiten stabilen Endlage haltendes bistabiles Schnappschaltwerk (8) umfasst, wobei in einer ersten stabilen Schaltkonfiguration das Schnappschaltwerk (8) sich in einem ersten stabilen Schaltwerkszustand und die Steuerspule (5) sich in der ersten stabilen Endlage befindet, und in einer zweiten stabilen Schaltkonfiguration das Schnappschaltwerk (8) sich in einem zweiten stabilen Schaltwerkszustand und die Steuerspule (5) sich in der zweiten stabilen Endlage befindet, und dass ein Stromfluss durch die Steuerspule (5) den Übergang aus der einen stabilen Schaltkonfiguration in die andere stabile Schaltkonfiguration bewirkt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung geht aus von einem Schütz mit einer elektromagnetisch betätigbaren, bistabilen Schaltanordnung, die zwei stabile Schaltkonfigurationen einnehmen kann, und mit einem Schaltapparat, wobei die Schaltanordnung über einen Mitnehmer auf den Schaltapparat wirkt, und wobei jeder der beiden stabilen Schaltkonfigurationen ein stabiler Schaltzustand der Schaltanordnung entspricht.

[0002] Ein Schütz enthält typischerweise ein elektromagnetisches Aktorsystem, das, wenn es aktiviert wird, das Kontaktsystem mit den Haupt- und Hilfskontakten betätigt. Bei einem Schütz mit einer monostabilen Schaltkonfiguration wird, um das Kontaktsystem im eingeschalteten Zustand zu halten, eine kontinuierliche Halteenergie benötigt, also die Schaltspule des elektromagnetischen Aktorsystems muss dazu dauernd von einem Haltestrom durchflossen sein. Das erzeugt auf Dauer hohe Energieverluste und entsprechende Betriebskosten.

[0003] Die FR2992462 beschreibt ein Schütz mit einer bistabilen Schaltkonfiguration. Dort gibt es eine Steuerspule, die jeweils kurzzeitig aktiviert wird, um den Schaltzustand der Schaltkonfiguration zu ändern. Als Stand der Technik wird dort beschrieben, dass der Schaltaktor mittels einer mechanischen Verrastung oder mittels eines Magneten in seiner jeweiligen stabilen Stellung gehalten wird. Das senkt zwar den Energieverbrauch, da zum Halten des Kontaktsystems im eingeschalteten Zustand nicht mehr dauerhaft ein Spulenstrom fließen muss. Doch ist die mechanische Komplexität erhöht, die Vorrichtung erfordert mehr Bauteile und eine mechanische Anbaueinheit, die den Platzbedarf erhöht und daher aus Anwendersicht nicht gerne gesehen wird. Die FR2992462 schlägt eine elektromechanische Zusatzeinheit vor, die einen bistabilen Betrieb eines Schützes bei monostabiler Ansteuerung erlaubt, was aber ebenfalls die Komplexität der Schützanordnung erhöht.

[0004] Es ist daher die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, ein Schütz mit einer bistabilen Schaltkonfiguration zu schaffen, bei dem der mechanische Aufbau vereinfacht ist.

[0005] Die Aufgabe wird gelöst durch ein Schütz mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

[0006] Erfindungsgemäß also umfasst die Schaltanordnung eine Steuerspule, zwei Schaltmagnete und ein mit der Steuerspule beweglich gekoppeltes und die Steuerspule in jeweils einer ersten und einer zweiten stabilen Endlage haltendes bistabiles Schnappschaltwerk, wobei in einer ersten stabilen Schaltkonfiguration das Schnappschaltwerk sich in einem ersten stabilen Schaltwerkszustand und die Steuerspule sich in der ersten stabilen Endlage befindet, und in einer zweiten stabilen Schaltkonfiguration das Schnappschaltwerk sich in einem zweiten stabilen Schaltwerkszustand und die Steuerspule sich in der zweiten stabilen Endlage befindet, und wobei ein Stromfluss durch die Steuerspule den Übergang aus der einen stabilen Schaltkonfiguration in die andere stabile Schaltkonfiguration bewirkt.

[0007] Das elektromagnetische Aktorsystem des erfindungsgemäßen Schützes hat zwei mechanisch stabile Schaltzustände, die Steuerspule hat zwei mechanisch stabile Endlagen. Die Steuerspule wird in jeder ihrer Endlagen durch das bistabile Schnappschaltwerk gehalten. Es ist somit keine kontinuierliche elektrische Halteenergie nötig. Es genügt zum Umschalten der Schaltkonfiguration ein kurzer Strompuls durch die Steuerspule, gerade so viel, wie benötigt wird, um die jeweils andere stabile Endstellung einzunehmen.

[0008] Ein Schnappschaltwerk ist mechanisch sehr einfach und kann sehr kompakt aufgebaut werden. Ein Schnappschaltwerk hat in einer Übergangszone zwischen seinem ersten und seinem zweiten stabilen Endzustand eine Totpunktlage. Genau in der Totpunktlage befindet sich das Schnappschaltwerk in einem labilen Gleichgewicht. Ein sehr kleine Auslenkung aus der Totpunktlage in die eine oder andere Richtung bewirkt, dass durch die mechanische Schnappeigenschaft des Schnappschaltwerks dieses in seinen entsprechenden stabilen Endzustand hin beschleunigt wird. Für den Weg von der Totpunktlage zu dem entsprechenden stabilen Endzustand hin wird im Grunde keine weitere elektrische Energie für die Steuerspule mehr benötigt, die mechanische Energie, die in der Schnappvorrichtung des Schnappschaltwerks gespeichert ist, genügt im Grunde, um den Übergang aus der Totpunktlage in den entsprechenden stabilen Endzustand hin zu bewirken. Wenn allerdings noch zusätzlich elektrische Aktivierungsenergie für die Steuerspule zur Verfügung gestellt wird, so erfährt des Schnappschaltwerk eine zusätzlich Beschleunigung beim Umschalten auf dem zweiten Stück von der Totpunktlage hin zu dem entsprechenden stabilen Endzustand, denn die beschleunigende Kraft aufgrund der Schnappwirkung addiert sich zu der Kraft aufgrund des Aktivierungsstromes in der Steuerspule.

[0009] Somit lässt sich bei dem erfindungsgemäßen Schütz beim Umschalten noch weiter Energie sparen, denn der Umschalt-Stromimpuls braucht nur so lang zu sein, wie es dauert, um die Steuerspule aus ihrer ersten stabilen Endlage bis ein kurzes Stück über die Totpunktlage hinaus zu bewegen, von da an kann dann das Schnappschaltwerk den weiteren Antrieb hin zu der zweiten stabilen Endlage übernehmen. Ein Umschaltimpuls kann also bei dem erfindungsgemäßen Schütz ungefähr nur halb so lang sein wie bei einer bistabilen Schaltkonfiguration wie im Stand der Technik bekannt. Oder, wenn der Umschalt-Stromimpuls aufrechterhalten wird auch nach Überschreiten des Totpunktes bis zum Erreichen der zweiten stabilen Endlage der Steuerspule, so erfolgt das Umschalten schneller als bei einer bistabilen Schaltkonfiguration wie im Stand der Technik bekannt. Je schneller das Umschalten erfolgt, desto weniger stark wird sich ein Schaltlichtbogen ausbilden bzw. desto schneller auch wieder verlöschen, was günstig ist für die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Kontaktapparates. Vorteile der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Schützes sind also Platzersparnis, kompakter und einfacher mechanischer Aufbau, bei dennoch erhöhter Schaltleistung aufgrund schnellerem Umschalten und dadurch verringerter Schaltverluste, folglich auch erhöhte Lebensdauer aufgrund niedrigerer Temperatur.

[0010] Die Erfindung sowie weitere Ausführungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung sollen jetzt anhand der Figuren weiter erläutert werden.

[0011] Es zeigen

Figur 1

schematisch und exemplarisch eine Ausführungsform der Erfindung, in der ersten stabilen Schaltkonfiguration,

Figur 2

schematisch und exemplarisch die Ausführungsform nach Figur 1, in der zweiten stabilen Schaltkonfiguration.

[0012] Figur 1 zeigt schematisch und lediglich beispielhaft ein Schütz 1. Innerhalb eines Gehäuses 9 sind die für die bestimmungsgemäße Funktion des Schützes erforderlichen Untergruppen und Komponenten angeordnet. Hier sind nicht alle Komponenten und Baugruppen dargestellt, lediglich beispielhaft sind schematisch dargestellt eine Schaltanordnung 2 mit einem Schnappschaltwerk 8, sowie ein Schaltapparat 3 und eine elektronische Steuerschaltung 10. Die Steuerschaltung 10 hat eine Bedienschnittstelle, hier symbolisch angedeutet durch eine Linie 11. Diese kann für eine Kommunikationsleitung stehen, die das Schütz mit einer übergeordneten leit- oder Steuereinheit verbindet, oder für ein Betätigungsmittel für eine manuelle Betätigung des Schützes 1, etwa eine Bedienknopf oder eine Tastatur oder ein Touch-Panel oder dergleichen.

[0013] Der Schaltapparat 3 ist hier lediglich beispielhaft als eine doppelte Kontaktbrücke dargestellt. Zwischen den Anschlussklemmen 12, 12' eines ersten Klemmenpaares verläuft ein erster Strompfad, über eine erste Kontaktbrückenanordnung 13. Diese umfasst in an sich bekannter Weise zwei feste Kontaktstücke 14, 14', die über eine verschiebbare Kontaktbrücke 15, an der zwei bewegliche Kontaktstücke 16, 16' in den festen Kontaktstücken 14, 14' zugeordneten Positionen angebracht sind, verbunden werden können, um den Strompfad zu schließen.

[0014] Zwischen den Anschlussklemmen 17, 17' eines zweiten Klemmenpaares verläuft ein zweiter Strompfad, über eine zweite Kontaktbrückenanordnung 18. Diese umfasst in an sich bekannter Weise zwei feste Kontaktstücke 19, 19', die über eine verschiebbare Kontaktbrücke 20, an der zwei bewegliche Kontaktstücke 21, 21' in den festen Kontaktstücken 19, 19' zugeordneten Positionen angebracht sind, verbunden werden können, um den Strompfad zu schließen.

[0015] Die beiden Kontaktbrücken 15, 20 sind gemeinsam an einem Träger 30 befestigt, der mit einem Mitnehmer 4 verbunden ist. Der Mitnehmer 4 koppelt den Schaltapparat 3 mit der Schaltanordnung 2, über den Mitnehmer 4 wirkt die Schaltanordnung 2 auf den Schaltapparat 3.

[0016] Die Schaltanordnung 2 kann zwei stabile Schaltkonfigurationen annehmen. Eine erste Schaltkonfiguration ist in der Figur 1 gezeigt, die zweite Schaltkonfiguration ist in der Figur 2 gezeigt. In der ersten Schaltkonfiguration ist der Mitnehmer 4 nach oben gezogen, und dadurch schließt die bewegliche Kontaktbrücke 15 der ersten Kontaktbrückenanordnung 13 den ersten Strompfad, während die bewegliche Kontaktbrücke 20 der zweiten Kontaktbrückenanordnung 18 von deren festen Kontaktstücken 19, 19' weggezogen sind und damit der zweite Strompfad unterbrochen ist. In der zweiten Schaltkonfiguration ist der Mitnehmer 4 nach unten gedrückt, und dadurch schließt die bewegliche Kontaktbrücke 20 der zweiten Kontaktbrückenanordnung 18 den zweiten Strompfad, während die bewegliche Kontaktbrücke 15 der ersten Kontaktbrückenanordnung 13 von deren festen Kontaktstücken 14, 14' weggezogen sind und damit der erste Strompfad unterbrochen ist.

[0017] Die Schaltanordnung 2 umfasst eine Steuerspule 5, die zwischen zwei gehäusefest gelagerten Schaltmagneten 6, 7 verschieblich angeordnet ist. Die beiden Schaltmagnete 6, 7 begrenzen dabei den Verschiebeweg der Steuerspule 5. In ihrer ersten stabilen Endlage, siehe Figur 1, befindet sich die Steuerspule 5 in Anschlag an dem ersten Schaltmagnet 6. In ihrer zweiten stabilen Endlage, siehe Figur 2, befindet sich die Steuerspule in Anschlag an dem zweiten Schaltmagnet 7.

[0018] Die Steuerspule erhält ihre Aktivierungsenergie, den Steuerspulenstrom, über eine erste Leitung 22 von der Steuerschaltung 10. Die Schaltmagnete 6, 7 können Permanentmagnete oder Elektromagnete sein. In der Darstellung der Figuren 1 und 2 sind sie nur beispielhaft als Elektromagnete dargestellt, die über Leitungen 23, 24 von der Steuerschaltung 10 her versorgt werden. Die Steuerschaltung 10 sorgt dafür, dass die Elektromagnete 6, 7 und die Steuerspule 5 über kurze Aktivierungsimpulse nur dann aktiviert werden und Energie verbrauchen, wenn ein Umschalten aus einer der stabilen Endlagen in die jeweils andere stabile Endlage erfolgen soll. Wenn die Steuerspule 5 eine stabile Endlage erreicht hat, sind weder die Steuerspule 5 noch die Elektromagneten 6, 7 aktiviert, in der stabilen Endlage der Steuerspule wird keine Energie verbraucht.

[0019] Die Steuerspule 5 ist somit elektrisch mit der elektronischen Steuerschaltung 10 verbunden. Die elektronische Steuerschaltung 10 erzeugt die benötigten Schaltpulse für die Steuerspule 5 und die beiden Elektromagneten 6, 7 in der zum Umschalten des Schaltzustandes jeweils erforderlichen Polarität aus einem kontinuierlichen Eingangssignal, das der elektronischen Steuereinheit 10 beispielsweise über die Bedienschnittstelle 11 zugeführt wird.

[0020] Die Steuerspule 5 ist mit dem Mitnehmer 4 verbunden. Die Verschiebebewegung der Steuerspule wird auf den Mitnehmer 4 übertragen. Der Mitnehmer 4 bewegt sich mit der Steuerspule auf und ab. Wenn die Steuerspule 5 in ihrer ersten stabilen Endlage sich befindet, so ist der Mitnehmer 4 oben und der Schaltapparat 3 befindet sich in seinem ersten stabilen Schaltzustand, siehe Figur 1. Wenn die Steuerspule 5 in ihrer zweiten stabilen Endlage sich befindet, so ist der Mitnehmer 4 unten und der Schaltapparat 3 befindet sich in seinem zweiten stabilen Schaltzustand, siehe Figur 2.

[0021] Mit der Steuerspule 5 ist ein bistabiles Schnappschaltwerk 8 beweglich gekoppelt. Das bistabile Schaltwerk ist hier lediglich beispielhaft als Kniegelenk ausgeführt. Zwei Schenkel 25, 26 sind an einem Verbindungsgelenk 27 schwenkbar miteinander und mit der Steuerspule 5 verbunden. Ein erster Schenkel 25 ist gehäusefest an einem Schwenklager 28 schwenkbar angebracht. Der zweite Schenkel 26 ist mit einem eine Federdruckkraft aufbringendem Element 29, hier lediglich beispielhaft als eine Zylinderdruckfeder 29 dargestellt, verbunden. Die Zylinderdruckfeder 29 ist mit ihrem anderen Ende gehäusefest abgestützt. In jeder der stabilen Endlagen, siehe Figur 1 und 2, bilden die beiden Schenkel 25, 26 einen stumpfen Winkel miteinander, dessen Scheitel sich an dem Verbindungsgelenk 27 befindet. Die Zylinderdruckfeder 29 drückt daher das Verbindungsgelenk 27 in jeweils eine der beiden stabilen Endstellungen, jeweils begrenzt durch eine mechanische Begrenzungseinrichtung. Hier im Beispiel ist die mechanische Begrenzungseinrichtung dadurch gegeben, dass die Steuerspule, mit der das Verbindungsgelenk 27 ja ebenfalls verbunden ist, mit jeweils einem der Schaltmagnete 6, 7 in Anschlag kommt.

[0022] Wenn die Steuerspule 5 pulsförmig aktiviert wird, so wird sie von demjenigen der Magnete 6, 7, an dem sie gerade anliegt - in der Figur ist das der Magnet 6 - abgestoßen und in Richtung auf den anderen Magneten hin beschleunigt. Bei der Verschiebebewegung nimmt die Steuerspule 5 das Verbindungsgelenk 27 des Kniegelenks entgegen der rückstellenden Federkraft der Feder 29 mit. Die Feder 29 wird weiter komprimiert, das Kniegelenk gelangt aus seiner ersten stabilen Endposition, in Figur 1 die obere, in seine Totpunktlage, das ist die Lage, wenn die beiden Schenkel 25, 26 eine gerade Linie miteinander bilden. Der Impuls der abstoßenden Kraft auf die Steuerspule 5 reicht aus, um das Verbindungsgelenk 27 zumindest ein kleines Stück über die Totpunktlage hinaus zu drücken. Jetzt wirkt die rückstellend Federkraft der Feder 29 auf den Schenkel 26. Sie erzeugt eine zusätzliche Kraftkomponente in senkrechter Richtung nach unten auf den Magneten 7 zu. Dadurch wird das Kniegelenk in seine zweite stabile Endlage, siehe Figur 2, gedrückt und nimmt dabei die Steuerspule 5 mit. Die Bewegung des Verbindungsgelenks 27 und der Steuerspule 5 kommt zum Stillstand, wenn die Steuerspule an dem zweiten Magneten 7 anliegt, siehe Figur 2. Das ist die zweite stabile Endlage. In dieser Lage ist keine Halteenergie seitens der Steuerspule 5 erforderlich. Das Kniegelenk wird durch die rückstellende Federkraft der Feder 29 in dieser stabilen Lage gehalten. Der Aktivierungsimpuls der Steuerspule 5 braucht nur gerade so groß zu sein, dass das Verbindungsgelenk 27 ein Stück weit über seine Totpunktlage hinaus beschleunigt wird. Wenn die Magnete 6, 7 Elektromagnete sind, werden diese, von der Steuerschaltung 10 her, ebenfalls kurzzeitig aktiviert. Die Steuerschaltung 10 sorgt dafür, dass die Polarität der Aktivierung der Elektromagnete in der erforderlichen Art und Weise erfolgt. Also, wenn die Steuerspule 5 in der Ausgangslage nach Figur 1 sich befindet, so wird zum Umschalten die Steuerspule 5 und der Elektromagnet 6 aktiviert, so dass eine abstoßende Kraft zwischen den beiden entsteht. Der Elektromagnet 7 wird dagegen nicht aktiviert. Wenn aus der in Figur 2 gezeigten Stellung heraus umgeschaltet werden soll, so erfolgt die pulsförmige Aktivierung der Steuerspule 5 und des Magneten 7, aber nicht des Magneten 6.

Bezugszeichenliste

1	Schütz	25	Schenkel
2	Schaltanordnung	26	Schenkel
3	Schaltapparat	27	Verbindungsgelenk
4	Mitnehmer	28	Schwenklager
5	Steuerspule	29	Feder
6	Schaltmagnet	30	Träger
7	Schaltmagnet
8	Schnappschaltwerk
9	Gehäuse
10	Steuerschaltung
11	Linie, symbolisiert die Bedienschnittstelle
12	Anschlussklemme
12'	Anschlussklemme
13	erste Kontaktbrückenanordnung
14	festes Kontaktstück
14'	festes Kontaktstück
15	bewegliche Kontaktbrücke
16	bewegliches Kontaktstück
16'	bewegliches Kontaktstück
17	Anschlussklemme
17'	Anschlussklemme
18	zweite Kontaktbrückenanordnung
19	festes Kontaktstück
19'	festes Kontaktstück
20	bewegliche Kontaktbrücke
21	bewegliches Kontaktstück
21'	bewegliches Kontaktstück
22	erste Leitung
23	Leitung
24	Leitung

Ansprüche

1. Schütz (1) mit einer elektromagnetisch betätigbaren, bistabilen Schaltanordnung (2), die zwei stabile Schaltkonfigurationen einnehmen kann, und mit einem Schaltapparat (3), wobei die Schaltanordnung (2) über einen Mitnehmer (4) auf den Schaltapparat (3) wirkt, und wobei jeder der beiden stabilen Schaltkonfigurationen ein stabiler Schaltzustand der Schaltanordnung (2) entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltanordnung (2) eine Steuerspule (5), zwei Schaltmagnete (6, 7) und ein mit der Steuerspule (5) beweglich gekoppeltes und die Steuerspule (5) in jeweils einer ersten und einer zweiten stabilen Endlage haltendes bistabiles Schnappschaltwerk (8) umfasst, wobei in einer ersten stabilen Schaltkonfiguration das Schnappschaltwerk (8) sich in einem ersten stabilen Schaltwerkszustand und die Steuerspule (5) sich in der ersten stabilen Endlage befindet, und in einer zweiten stabilen Schaltkonfiguration das Schnappschaltwerk (8) sich in einem zweiten stabilen Schaltwerkszustand und die Steuerspule (5) sich in der zweiten stabilen Endlage befindet, und dass ein Stromfluss durch die Steuerspule (5) den Übergang aus der einen stabilen Schaltkonfiguration in die andere stabile Schaltkonfiguration bewirkt.

2. Schütz (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schütz eine elektronische Steuerschaltung (10) umfasst, die die benötigten Schaltpulse für die Steuerspule (5) erzeugt

3. Schütz (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bistabile Schnappschaltwerk (8) als Kniegelenk ausgebildet ist, dessen einer Schenkel (26) sich mittels einem eine Federdruckkraft aufbringendem Element (29) gehäusefest abstützt, und dessen zweiter Schenkel (25) sich an einem Schwenklager (28) gehäusefest abstützt.

4. Schütz (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schenkel (26, 25) des Kniegelenks an einem Verbindungsgelenk (27) miteinander und mit der Steuerspule (5) verbunden sind.

5. Schütz (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Federdruckkraft aufbringendem Element (29) eine Zylinderdruckfeder ist.

6. Schütz (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschiebeweg der Steuerspule (5) durch die Schaltmagnete (6,7) begrenzt ist.

7. Schütz (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmagnete (6, 7) Permanentmagnete sind.

8. Schütz (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmagnete (6,7) Elektromagnete sind., und dass die elektronische Steuerschaltung (10) die benötigten Schaltpulse für die Schaltmagnete (6,7) erzeugt.

9. Schütz (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltapparat mit einer Kontaktbrückenanordnung (13) ausgebildet ist.

Zeichnung