ELEKTROMAGNETISCHER AUSLÖSER FÜR ELEKTROMAGNETISCHE SCHALTGERÄTE

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Auslöser für elektromagnetische Schaltgeräte mit einem durch eine Auslösefeder in Auslöserichtung beaufschlagten Stößel (5) sowie einer Spule (6), wobei ein Stromfluss durch die Spule (6) einen magnetischen Fluss H_Spule im Auslösefall erzeugt, sowie ein elektromagnetisches Schaltgerät mit diesem elektromagnetischen Auslöser.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Stößel (5) in einer ersten angezogenen Schaltstellung durch einen magnetischen Fluss H_Remanenz, welcher durch ein Magnetremanenzsystem (10) bedingt ist, in Schaltstellungsposition gehalten wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Auslöser für elektromagnetische Schaltgeräte mit einem durch eine Auslösefeder in Auslöserichtung beaufschlagten Stößel sowie einer Spule, wobei ein Stromfluss durch die Spule einen magnetischen Fluss H_Spule im Auslösefall erzeugt, sowie ein elektromagnetisches Schaltgerät mit diesem elektromagnetischen Auslöser.

[0002] Elektromagnetische Auslöser für elektromagnetische Schaltgeräte weisen einen Dauermagneten, eine Spule, eine Auslösefeder und einen beweglichem Anker für die Betätigung z. B. einer Schaltkinematik auf. Bei derartigen Aktoren schließt sich der magnetische Fluss eines Dauermagneten im Ruhezustand, d.h. im nichterregten Zustand, über den Anker sowie über einen magnetischen Rückschlusskreis. Dieser Fluss reicht aus, um den Anker gegen die Kraft einer gespannten Auslösefeder zu halten. Mittels einer sogenannten Gegenerregung in einer Auslösewicklung ist es möglich, den Fluss durch den Anker aufzuheben und auf einen magnetischen Nebenschluss zu verdrängen, so dass der Anker durch die Federkraft abfällt und beispielsweise eine Schaltkinematik betätigt.

[0003] Dazu ist aus der DE 100 26 813 B4 ein elektromagnetischer Auslöser, insbesondere für einen Fehlerstromschutzschalter bekannt, mit einem durch eine Feder in Auslöserichtung beaufschlagten Stößel, mit einer Permanentmagnetanordnung, einer Spule und einem Joch, wobei die Spule im Joch einen der Permanentmagnetenanordnung entgegengesetzten magnetischen Fluss im Auslösefall erzeugt. Dabei überwindet die Federkraft die Anzugskraft der Permanentanordnung, wobei die Permanentmagnetanordnung und wenigstens ein den magnetischen Fluss zum Stößel leitender Polschuh dem Joch und dem Stößel so zugeordnet sind, dass sich der Stößel in einer ersten Stellung im Wirkungsbereich der Permanentmagnetanordnung und des Polschuhs befindet.

[0004] Demgemäß wird nach dem Stand der Technik die Haltekraft zum vorgespannten Halten der Auslösefeder durch das Feld eines Permanentmagneten erzeugt. Im Freigabefall wird dieses Feld durch ein elektrisch erzeugtes und dem Permanentmagnetfeld genau entgegen gerichtetes, elektromagnetisches Feld kurzzeitig vollständig kompensiert. Die Haltekraft wird dabei zu Null. Die vorgespannte Auslösefeder gibt so die Verklinkung frei. Die dazu notwendige ggf. recht hohe elektrische Energie wird oft in Gestalt eines Kondensators bereitgestellt.

[0005] Eine Weiterentwicklung dieses aus dem Stand der Technik bekannten Konzepts könnte nun darin bestehen, dass in einem elektromagnetischen Schaltgerät mit mechanischer Schaltkinematik zum Öffnen von elektrischen Kontakten eine die Schaltkinematik verrastende Sperre vorliegt, also eine Verklinkung, die so ausgebildet ist, dass sie zunächst gegen eine Federkraft (Auslösefeder) vorgespannt ist und bei Bedarf z.B im Auslösefall mit einem elektrischen Impuls freigegeben werden kann. Nach der Freigabe (Auslösung) öffnet eine wiederum federvorgespannte Schaltkinematik die stromführenden Kontakte, der Stromfluss wird unterbrochen. Die benötigte elektrische bzw. elektronische Impulsenergie zur Auslösung der Verklinkung soll möglichst klein und im Ruhezustand vorzugsweise gleich Null sein.

[0006] Demgemäß besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin einen elektromagnetischen Auslöser sowie ein elektromagnetisches Schaltgerät mit einem erfindungsgemäßen Auslöser zu schaffen, welche eine wirtschaftlich kostengünstige technische Lösung bieten und dabei im Wesentlichen auf die Baugruppen der bekannten elektromagnetischen Auslöser zurückgreifen.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektromagnetischen Auslöser mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein elektromagnetisches Schaltgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind der Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

[0008] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen elektromagnetischer Auslöser für elektromagnetische Schaltgeräte mit einem durch eine Auslösefeder in Auslöserichtung beaufschlagten Stößel sowie einer Spule gelöst, wobei ein Stromfluss durch die Spule einen magnetischen Fluss H_Spule im Auslösefall erzeugt, sowie ein elektromagnetisches Schaltgerät mit diesem elektromagnetischen Auslöser. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Stößel in einer ersten angezogenen Schaltstellung durch einen magnetischen Fluss H_Remanenz, welcher durch ein Magnetremanenzsystem bedingt ist, in Schaltstellungsposition gehalten wird.

[0009] Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Kraft zum Halten der vorgespannten Auslösefeder durch erzeugte Remanenz (auch ohne äußere magnetische Anregung verbleibende Restflussdichte) in ferromagnetischen Metallkörpern erzeugt wird. Dazu wird ein geeignetes ferromagnetisches Material in der Formgebung eines Polstückes durch ein nur temporär anliegendes äußeres magnetisches Feld_Honach2, vorzugsweise erzeugt nach dem Prinzip eines Elektromagneten, magnetisiert. Die Magnetisierung erfolgt bis zu einer Flussdichte B_2-3. Nach Wegfall der äußeren Feldstärke H (Elektromagnet/ Magnetisierungsstrom ausgeschaltet) verbleibt im Polstück die Remanenz-Flussdichte B 4. Diese Flussdichte B 4, ursächlich für die entsprechende Magnethaltekraft F4, hält die Verklinkung gegen die vorgespannte Auslösefederkraft geschlossen.

[0010] Erkennt die Geräteauswerte-Elektronik einen Fehlerfall und soll demzufolge die Kinematikverklinkung zwecks Stromunterbrechung geöffnet werden, so muss in der erfindungsgemäß beschriebenen Lösung die Halte-Remanenzflussdichte B 4 bzw. die daraus resultierte Magnethaltekraft F4 zu Null oder zumindest unter das Niveau der Auslösefederkraft gebracht werden.
Dazu wird der bereits genannte Elektromagnet jetzt mit einem Strom beaufschlagt dessen Richtung dem ursprünglichen Magnetisierungs-Haltestrom genau entgegen gerichtet ist (Umpolung). Im Magnetisierungsdiagramm veranschaulicht, bedeutet dies: durch Aufbau einer entgegen gerichteten Feldstärke H_0nach5 wird die Remanenz B4 auf Werte zwischen 4 und vorzugsweise 5 (Koerzitivfeldstärke H 5) reduziert bzw. auf null gebracht. Die Verklinkung öffnet, und das Gerät löst aus.

[0011] Um nach einem Auslösefall das Schaltgerät wieder betriebsbereit zu schalten, muss hierzu die Kinematikverklinkung entgegen der Auslösefederkraft wieder mechanisch geschlossen werden. Außerdem soll sie bis zum nächsten Fehlerfall weiterhin magnetisch geschlossen gehalten werden. Um dies zu erreichen muss das Polstück wieder durch eine im Moment der geschlossen anliegenden Polflächen von der Elektromagnetwicklung verursachte Feldstärke H mindestens bis zum Erreichen bzw. Beibehalten der Remanenzflussdichte B 4 beaufschlagt werden. Es bildet sich wieder eine Remanenzflussdichte mit magnetischer Haltekraft aus. Ist diese erst herbeigeführt, kann die Verklinkung ohne weitere äußere Energiezufuhr entgegen der Auslösefeder bis zum nächsten Fehlerfall aufrecht erhalten werden.

[0012] Für das Polstück ist es vorteilhaft und bevorzugt, wenn Materialien mit hoher Remanenzflussdichte B 4 und gleichzeitig vergleichsweise niedriger Koerzitivfeldstärke H 5 verwendet werden, wie z.B. gängige ferromagnetische Materialien wie AINiCo, Ferrite oder Neodym. Es werden keine vergleichsweise teuren Permanentmagnete benötigt. Man kommt mit wenigen Bauteilen aus: gleiche Spule (Elektromagnet) für die Magnetisierung (Verklinken) und Entmagnetisierung (Auslösen).

[0013] Eine Fortführung des erfindungsgemäßen Konzepts kann darin bestehen, dass das Magnetsystem ein ferromagnetischer Metallkörper ist.

[0014] Eine spezielle Ausgestaltung dieses erfindungsgemäßen Konzepts kann darin bestehen, dass das Magnetsystem in der Formgebung eines Polstückes ausgebildet ist.

[0015] Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Konzepts kann darin bestehen, dass das Magnetsystem durch ein nur temporär anliegendes äußeres magnetisches Feld H_0nach2 magnetisiert ist.

[0016] Eine Fortführung des erfindungsgemäßen Konzepts kann darin bestehen, dass nach Wegfall des äußeren magnetischen Feldes H_0nach2 im Magnetremanenzsystem der magnetische Fluss H_Remanenz verbleibt, welcher eine mechanische Verklinkung des Schaltgeräts gegen eine vorgespannte Auslösefederkraft ermöglicht.

[0017] Eine spezielle Ausgestaltung dieses erfindungsgemäßen Konzepts kann darin bestehen, dass die zweite Schaltstellung des Stößels sich nach einem Stromfluss durch die Spule ergibt, wobei dieser Stromfluss den Aufbau einer entgegen der ursprünglich gerichteten Feldstärke H_0nach5 bewirkt, wodurch die mechanische Verklinkung im Schaltgerät gelöst wird.

[0018] Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Konzepts kann darin bestehen, dass zur Erreichung des ersten Schaltstellungszustands nach einem Auslösefall das Magnetremanezsystem wieder durch Anlegen eines äußeren magnetischen Feldes H_0nach2 zu magnetisieren ist.

[0019] Eine Fortführung des erfindungsgemäßen Konzepts kann darin bestehen, dass durch Verwendung eines ferromagnetischen Jochs eine Flussverstärkung zu erzielen ist.

[0020] Die Aufgabe wird außerdem durch ein erfindungsgemäßes elektromagnetisches Schaltgerät mit einem elektromagnetischen Auslöser mit den oben beschriebenen Eigenschaften gelöst.

[0021] Eine spezielle Ausgestaltung dieses erfindungsgemäßen Konzepts kann darin bestehen, dass das elektromagnetische Schaltgerät ein Leistungsschalter ist.

[0022] Der erfindungsgemäße elektromagnetische Auslöser weist eine Auslösefeder, welche in Auslöserichtung einen Stößel beaufschlagt, sowie eine Spule auf, wobei ein Stromfluss durch die Spule einen magnetischen Fluss H_Spule im Auslösefall erzeugt. Der Stößel ist mit einer Verklinkungsstelle und die Verklinkungsstelle mit einer Schaltkinematik verbunden. Die Schaltkinematik ist mit stromführenden Hauptkontakten mechanisch verbunden, welche im Ausgangszustand geschlossen sind und im Auslösefall geöffnet vorliegen. In der Spule ist ein Magnetremanenzsystem in Form eines Polstücks angeordnet. Für den Fall einer Flussverstärkung durch ein ferromagnetisches Joch ist die Anordnung aus Stößel und Magnetremanenzsystem im Joch positioniert. Das Joch ist dazu vorzugsweise U-förmig ausgebildet.

[0023] Weitere Ausführungen und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung erläutert.

[0024] Dabei zeigt:

Fig. 1

einen grafischen Auftrag der Flussdichte B gegen die Feldstärke H mit einem charakteristischen Kurvenverlauf;

Fig. 2

in einer schematischen Darstellung einen erfindungsgemäßen elektromagnetischen Auslöser ohne Flussverstärkung durch ein ferromagnetisches Joch mit einem Magnetremanenzsystem im Ausgangszustand;

Fig. 3

in einer schematischen Darstellung einen erfindungsgemäßen elektromagnetischen Auslöser ohne Flussverstärkung durch ein ferromagnetisches Joch mit einem Magnetremanenzsystem im Auslösefall;

Fig. 4

in einer schematischen Darstellung einen erfindungsgemäßen elektromagnetischen Auslöser mit Flussverstärkung durch ein ferromagnetisches Joch mit einem Magnetremanenzsystem im Ausgangszustand;

Fig. 5

in einer schematischen Darstellung einen erfindungsgemäßen elektromagnetischen Auslöser mit Flussverstärkung durch ein ferromagnetisches Joch mit einem Magnetremanenzsystem im Auslösefall.

[0025] In Fig. 1 ist ein grafischer Auftrag der Flussdichte B gegen die Feldstärke H mit einem charakteristischen Kurvenverlauf dargestellt. Durch ein temporär anliegendes äußeres magnetisches Feld_Honach2, vorzugsweise erzeugt nach dem Prinzip eines Elektromagneten, wird das erfindungsgemäße Magnetremanenzsystem magnetisiert. Die Magnetisierung erfolgt bis zu einer Flussdichte B_2-3 1. Nach Wegfall der äußeren Feldstärke H (Elektromagnet/ Magnetisierungsstrom ausgeschaltet) verbleibt im Magnetremanenzsystem die Remanenz-Flussdichte B 4 2. Diese Flussdichte B 4 2, ursächlich für die entsprechende Magnethaltekraft F4, hält die Verklinkung gegen die vorgespannte Auslösefederkraft geschlossen.

[0026] Erkennt die Geräteauswerte-Elektronik einen Fehlerfall und soll demzufolge die Kinematikverklinkung zwecks Stromunterbrechung geöffnet werden, so muss in der erfindungsgemäß beschriebenen Lösung die Halte-Remanenzflussdichte B 4 bzw. die daraus resultierte Magnethaltekraft F4 zu Null oder zumindest unter das Niveau der Auslösefederkraft gebracht werden.
Dazu wird der bereits genannte Elektromagnet jetzt mit einem Strom beaufschlagt dessen Richtung dem ursprünglichen Magnetisierungs-Haltestrom genau entgegen gerichtet ist (Umpolung). Im Magnetisierungsdiagramm veranschaulicht, bedeutet dies: durch Aufbau einer entgegen gerichteten Feldstärke H_0nach5 3 wird die Remanenz B4 2 auf Werte zwischen 4 und vorzugsweise 5 (Koerzitivfeldstärke H 5) reduziert bzw. auf null gebracht. Die Verklinkung öffnet, und das Gerät löst aus.

[0027] Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen elektromagnetischen Auslöser ohne Flussverstärkung durch ein ferromagnetisches Joch mit einem Magnetremanenzsystem im Ausgangszustand. Der erfindungsgemäße elektromagnetische Auslöser weist eine Auslösefeder 4, welche in Auslöserichtung einen Stößel 5 beaufschlagt, sowie eine Spule 6 auf, wobei ein Stromfluss durch die Spule 6 einen magnetischen Fluss H_Spule im Auslösefall erzeugt. Der Stößel 5 ist mit einer Verklinkungsstelle 7 und die Verklinkungsstelle 7 mit einer Schaltkinematik 8 verbunden. Die Schaltkinematik 8 ist mit stromführenden Hauptkontakten 9 mechanisch verbunden, welche im Ausgangszustand geschlossen sind und im Auslösefall geöffnet vorliegen. In der Spule 6 ist ein Magnetremanenzsystem 10 in Form eines Polstücks angeordnet. Im Diagramm unterhalb dieser Anordnung ist ein Auftrag Strom gegen Zeit dargestellt, welcher den Magnetisierungsstrompuls H2 für den Ausgangszustand zeigt.

[0028] Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen elektromagnetischen Auslöser ohne Flussverstärkung durch ein ferromagnetisches Joch mit einem Magnetremanenzsystem im Auslösefall. Die Hauptkontakte sind hier geöffent. Im Diagramm unterhalb dieser Anordnung ist ein Auftrag Strom gegen Zeit dargestellt, welcher den Strompuls für die Koerzitiv-Feldstärke H5 für den Auslösezustand zeigt.

[0029] In Fig. 4 ist ein erfindungsgemäßer elektromagnetischer Auslöser mit Flussverstärkung durch ein ferromagnetisches Joch 11 mit einem Magnetremanenzsystem im Ausgangszustand dargestellt. Im Diagramm unterhalb dieser Anordnung ist ein Auftrag Strom gegen Zeit dargestellt, welcher den Magnetisierungsstrompuls H2 für den Ausgangszustand zeigt.

[0030] Fig. 5 zeigt einen erfindungsgemäßen elektromagnetischen Auslöser mit Flussverstärkung durch ein ferromagnetisches Joch 11 mit einem Magnetremanenzsystem im Auslösefall. Im Diagramm unterhalb dieser Anordnung ist ein Auftrag Strom gegen Zeit dargestellt, welcher den Strompuls für die Koerzitiv-Feldstärke H5 für den Auslösezustand zeigt.

[0031] Der erfindungsgemäße elektromagnetische Auslöser für elektromagnetische Schaltgeräte zeichnet sich dadurch aus, dass die mechanische Verklinkung des Schaltgeräts ohne einen kostenintensiven Permanentmagneten vorgenommen werden kann, indem ein Magnetremanenzsystem verwendet wird, wobei auf die üblichen Bauteile für einen elektromagnetischen Auslöser zurückgegriffen werden kann.

Bezugszeichenliste

[0032] 

1

Flussdichte B_2-3 1

2

Remanenz-Flussdichte B 4

3

Feldstärke H_0nach5

4

Auslösefeder

5

Stößel

6

Spule

7

Verklinkungsstelle

8

Schaltkinematik

9

Hauptkontakten

10

Magnetremanenzsystem

11

Joch

Ansprüche

1. Elektromagnetischer Auslöser für elektromagnetische Schaltgeräte mit einem durch eine Auslösefeder (4) in Auslöserichtung beaufschlagten Stößel (5) sowie einer Spule (6), wobei ein Stromfluss durch die Spule (6) einen magnetischen Fluss H_Spule im Auslösefall erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (5) in einer ersten angezogenen Schaltstellung durch einen magnetischen Fluss H_Remanenz, welcher durch ein Magnetremanenzsystem (10) bedingt ist, in Schaltstellungsposition gehalten wird.

2. Elektromagnetischer Auslöser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetremanenzsystem (10) ein ferromagnetischer Metallkörper ist.

3. Elektromagnetischer Auslöser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetsremanenzystem (10) in der Formgebung eines Polstückes ausgebildet ist.

4. Elektromagnetischer Auslöser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetremanenzsystem (10) durch ein nur temporär anliegendes äußeres magnetisches Feld H_0nach2 magnetisiert ist.

5. Elektromagnetischer Auslöser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach Wegfall des äußeren magnetischen Feldes H_0nach2 im Magnetremanenzsystem (10) der magnetische Fluss H_Remanenz verbleibt, welcher eine mechanische Verklinkung des Schaltgeräts gegen eine vorgespannte Auslösefederkraft ermöglicht.

6. Elektromagnetischer Auslöser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schaltstellung des Stößels (5) sich nach einem Stromfluss durch die Spule (6) ergibt, wobei dieser Stromfluss den Aufbau einer entgegen der ursprünglich gerichteten Feldstärke H_0nach5 bewirkt, wodurch die mechanische Verklinkung im Schaltgerät gelöst wird.

7. Elektromagnetischer Auslöser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erreichung des ersten Schaltstellungszustands nach einem Auslösefall das Magnetremanzsystem (10) wieder durch Anlegen eines äußeren magnetischen Feldes H_0nach2 zu magnetisieren ist.

8. Elektromagnetischer Auslöser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verwendung eines ferromagnetischen Jochs (11) eine Flussverstärkung zu erzielen ist.

9. Elektromagnetisches Schaltgerät mit einem elektromagnetischen Auslöser nach einem der Ansprüche 1 bis 8.

10. Elektromagnetisches Schaltgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromagnetische Schaltgerät ein Leistungsschalter ist.

Zeichnung