[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 |
|
|
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.