DE1094865B

DE1094865B - UEberstromschalter

Info

Publication number: DE1094865B
Application number: DEM37377A
Authority: DE
Inventors: Charles Downing Flanagan
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1957-05-08
Filing date: 1958-04-18
Publication date: 1960-12-15
Also published as: US2953723A

Description

Die Erfindung betrifft einen Überstromschalter bzw. ein Überstromrelais mit thermischer und magnetischer Auslösung.

Es ist bereits ein Überstromschalter bekannt, der einen beweglichen Anker mit zwei Luftspalten aufweist, wobei in dem einen Luftspalt ein Widerstandsstück angeordnet ist. Durch die Erwärmung dieses Widerstandsstücks ergibt sich eine Erhöhung des magnetischen Widerstands, in dem einen Schenkel des Magnets, so daß der Anker vom anderen Magnetschenkel entgegen der Wirkung einer Feder angezogen wird. Diese Konstruktion hat den Nachteil, daß sie beispielsweise bei Eintreten einer hohen Erwärmung des zu schützenden Geräts, wie dies bei Kurzschluß der Fall ist, nicht rasch anspricht, da der Anker erst dann angezogen wird, wenn das Widerstandsstück die entsprechend hohe Temperatur erreicht hat. Außerdem ist bei dieser Konstruktion der Nachteil vorhanden, daß bei angezogenem Anker der Luftspalt im Widerstandsstück erheblich vergrößert und damit seine Wirkung nach der Abkühlung herabgesetzt wird. Hierdurch ist die Funktion dieses Geräts nicht mit Sicherheit vorherzubestimmen, da durch den Anker die Wirkung des abgekühlten Widerstandsstücks mit beeinflußt wird.

Ferner ist ein Überstromschalter bekannt, bei dem ein magnetischer Nebenschluß in Form eines Stabs zum Luftspalt angeordnet ist. Bei Erwärmung dieses Stabs spricht dann dieser Schalter an, doch wird durch den angezogenen Anker der Luftspalt erheblich verkleinert und damit der magnetische Nebenschluß praktisch unwirksam gemacht.

Auch hier ergibt sich also der Nachteil, daß sich die Wirkung des magnetischen Nebenschlusses entsprechend der Stellung des Ankers ändert.

Diese Nachteile werden bei Überstromschaltern bzw. Überstromrelais mit thermischer und magnetischer Auslösung mit einem zweischenkeligen, eine Magnetwicklung tragenden und mit einem schwenkbaren Anker zusammenwirkenden Kern, der einen magnetischen Nebenschluß aufweist, in dem ein Steuerstück angeordnet ist, dessen Permeabilität sich bei Erwärmung durch den elektrischen Strom ändert, gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß Anker und Nebenschluß so angeordnet sind, daß ihre Magnetflüsse parallel zueinander und vom Hauptmagnetfluß abgezweigt sind. Bei dieser Anordnung fließt also je ein getrennter Magnetfluß durch den magnetischen Nebenschluß und den Anker. Dadurch ist eine gegenseitige Beeinflussung dieser Magnetflüsse ausgeschaltet, und es kann nun ohne weiteres in einwandfreier Weise nicht nur das Schließen, sondern auch das öffnen des Schalters vorausbestimmt werden. Wenn sich beispielsweise das Steuerstück langsam abkühlt, so

Anmelder:

Texas Instruments Incorporated,
Dallas, Tex. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Höger, Dr.-Ing. E. Maier

und Dipl.-Ing. M. Sc. W. Stellrecht, Patentanwälte,

Stuttgart S, Uhlandstr. 16

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 8. Mai 1957

Charles Downing Flanagan, Attleboro, Mass.

(V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

nimmt im gleichen Maße die Wirkung des Neben-Schlusses zu, und entsprechend nimmt die auf den Anker ausgeübte Kraft ab.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf den Gegenstand der Erfindung,

Fig. 2 eine Seitenansicht gemäß Fig. 1, wobei einzelne Teile aufgebrochen und im Schnitt gezeigt sind, und ein Anker des Schalters ist hier in zurückgezogener Stellung gezeigt,

Fig. 3 einen Schnitt gemäß Linie 3-3 der Fig. 2,

Fig. 4 eine Ansicht ähnlich Fig. 2 auf eine andere Ausführungsform, die den Anker in seiner angezogenen Stellung zeigt.

In Fig. 1 und 2 ist eine erste Art des Schalters nach der Erfindung als Ganzes mit 1 bezeichnet. Dieser weist einen Elektromagneten mit einem Magnetkern 3 auf, der eine rechteckige Form hat und aus zwei Schenkel 5 und 7 und zwei diese Schenkel verbindenden Jochstücken 9 und 11 besteht. Zwischen den Jochstücken 9 und 11 ist ein Zwischenschenkel 13 angeordnet, der einen magnetischen Nebenschluß darstellt. Der Schenkel 7 weist eine Ausnehmung bzw. einen Spalt 15 und der Nebenschluß schenkel 13 einen Spalt 17 auf. Entlang der Seitenflächen des Schenkels 7 sind nichtmagnetische Streifen 19 vorgesehen, die den Spalt 15 dieses Schenkels überbrücken. Diese Streifen dienen zur Lagerung einer Welle 21, die einen Magnetanker 23 trägt, der sich innerhalb des Spalts 15 drehen kann. Der Anker wird durch eine

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Feder 25 in einer schrägen Stellung gehalten (Fig. 2). gezeigten Ausführungsbeispiel, handbetätigbar ist, Eine um den Schenkel 5 gewickelte Spule 27 dient zur wieder geschlossen werden. Bei geringfügigen Strom-Erregung des Kerns 3. Der Anker kann im Uhrzeiger- Überlastungen ist die zeitliche Verzögerung vorteilsinn aus der schrägen Stellung gemäß Fig. 2 in eine haft, wie dies beispielsweise bei einer Motorsicherung den Schenkel 7 überbrückende Stellung schwingen, 5 der Fall ist. So kann zum Beispiel ein Motor beim wenn eine solche magnetrsierende Kraft entwickelt Anlaufen für einen kurzen Zeitraum eine starke wird, daß die Federkraft überwunden wird. Hierbei Stromüberlastung verursachen, während das Element betätigt er einen Rückstellschalter 29, der auf einem 33 einen längeren Zeitraum benötigt, um seinen Curieam Schenkel 7 befestigten Winkelstück 31 angeord- Punkt zu erreichen. Da diese Stromüberlastung nur net ist. ίο vorübergehend ist, öffnet, wie dies erwünscht ist, der

Vorzugsweise weist der Nebenschluß schenkel 13 Anker 23 den Schalter 29 noch nicht,
einen kleineren Querschnitt als die Hauptschenkel 5 Bei hohen Überströmen oder Kurzschluß erreicht und 7 und die Jochstücke 9 und 11 auf. In dem Spalt der Nebenschluß schenkel 13 infolge seines geringen 17 des Nebenschlußschenkels befindet sich ein aus Querschnitts sehr rasch seine Sättigung, ehe der Curiethermomagnetischem Material bestehendes Element 33. 15 Punkt des Elements 33 erreicht ist, und der Hauptteil das durch Stromdurchfluß erwärmt wird und bei Er- des Kraftflusses fließt sofort durch den Schenkel 7 wärmung oberhalb einer gewissen Temperatur im und betätigt den Anker zur Unterbrechung des Stromwesentlichen unmagnetiscfr wird. Beispielsweise kann kreises. So arbeitet die Vorrichtung im wesentlichen ein Streifen 33 aus reinem Nickel verwendet werden als thermischer Unterbrecher bei kleinen Strom-(s. Fig. 2 und 3), der bis zu einer Temperatur von 20 belastungen und als magnetischer Unterbrecher bei etwa 350° C (Curie-Punkt) magnetisch ist. Andere größeren Überströmen oder Kurzschluß. Der Schalter geeignete Materialien sind Nickel-Eisen-Legierungen, 29 kann sich auch selbsttätig zurückstellen, und es Platinlegierungen usw. Das Element 33 dient zur können geeignete Mittel vorgesehen sein, um sein Steuerung des magnetischen Widerstands des Neben- Rückstellen zu verzögern, um so dem Element 33 Zeit schlußschenkels 13. In der dargestellten Ausführungs- ²5 zur Abkühlung zu geben, worauf ein automatisches form ist das Element 33 in einem Stromkreis 35 in Wiederschließen des Stromkreises erfolgt. Der Strom-Reihe mit der Spule 27 und dem Rückstellschalter 29 kreis bleibt dann geschlossen, wenn die Stromübergeschaltet. Die Punkte 37 und 39 stellen die Klemmen lastung oder die Störung in der Zwischenzeit behoben des Geräts dar, mit denen es in Reihe an einen Be- wurde. Beispielsweise kann eine hydraulische oder lastungsstromkreis L angeschlossen werden kann, in 3° pneumatische Dämpfungsvorrichtung vorgesehen werdem ein Handschalter S vorgesehen sein kann. den, um eine Rückkehr des Ankers zu verzögern, so

Bei einer ausgeführten Bauart des Geräts war der daß das Element 33 abkühlen kann, ehe der autoaus kaltgewalztem Stahl bestehende Magnetkern 3 matische Rückstellschalter wieder in Tätigkeit tritt.
50,8 mm lang, 38,1 mm hoch und 12,7 mm tief, die Fig. 4 zeigt eine zweite Art eines Erfindungsgegen-Schenkel 5 und 7 und die Jochstücke 9 und 11 6,4 mm 35 stands, die als Ganzes mit 41 bezeichnet ist. Die Kon- und der Nebenschlußschenkel 3,2 mm breit und der struktion entspricht im wesentlichen der in Fig. 1 im Nebenschlußschenkel vorhandene Spalt 0,25 mm bis 3 gezeigten. Doch ist hier in dem Nebenschlußlang. Das Element 33 war ein zentral im Zwischen- schenkel 13 kein Spalt und kein besonderes stromraum untergebrachter Streifen aus Reinnickel von beheiztes Element aus magnetischem Material in 0,15 mm Stärke, der nicht in elektrischer Verbindung 40 einem Spalt vorgesehen, das einen vorbestimmten mit dem Nebenschlußschenkel stand. Der Anker war Curie-Punkt aufweist, sondern der Nebenschlußschen-19,05 mm lang, und die Länge des Spalts zwischen kel ist hier einstückig mit einem Element 43 von kleiden Ankerenden und dem Schenkel 7 betrug 0,13 mm. nerem Querschnitt. Dieses Element ist mit einer Die Spule 27 bestand aus zehn Windungen eines iso- äußeren Heizvorrichtung in Form einer Widerstandslierten Kupferdrahts. 45 spule 45 versehen. Diese in Fig. 4 gezeigte Wider-

Treten Belastungsströme auf, die nicht ausreichen, standsspule kann in derselben Art in Reihe mit der um das Element 33 bis zu seinem Curie-Punkt zu er- Spule 27 im Stromkreis 35 geschaltet sein, wie dies wärmen, so wird der magnetische Kraftfluß vom bei dem Element 33 bei dem Stromunterbrecher 1 der Schenkel 7 über den Nebenschluß schenkel 13 abgelei- Fall ist. In dieser Ausführungsform der Erfindung tet, da der magnetische Widerstand des Nebenschluß- 5° wird das Element 43 durch Strahlung und Konvektion schenkeis 13 wegen magnetischer Charakteristik des von der strombeheizten Spule 45 erwärmt, was im all-Elements 33 verhältnismäßig niedrig ist. Ebenso ist gemeinen die zeitliche Verzögerung vergrößert, mit die auf den Anker 23 ausgeübte Kraft verhältnismäßig welcher der Schalter 29 betätigt wird. Da das EIeniedrig und reicht nicht aus, um diesen so zu schwen- ment 43 aus Material mit einem vorbestimmten Curieken, daß er den Schalter 29 betätigt. Steigt die Strom- 55 Punkt besteht, sind die benachbarten Teile des Schenbelastung jedoch genügend an, um das Element 33 kels 13, falls sie einstückig mit dem Element 43 sind, über seinen Curie-Punkt hinaus zu erwärmen und es aus demselben Material. Dies hat sich für viele Fälle im wesentlichen unmagnetisch zu machen, so nimmt als vorteilhaft erwiesen. Andererseits kann das den der magnetische Widerstand des Nebenschluß sehen- vorbestimmten Curie-Punkt aufweisende Material mit kels 13 so weit zu, daß der Kraftfluß im Schenkel 7 ⁶° den benachbarten Endteilen des Schenkels 13, beieine magnetisieren de Kraft auf den Anker ausübt, die spielsweise durch Schweißen, verbunden sein, so daß ausreicht, um ihn in seine Schalterbetätigungsstellung das übrige Material des magnetischen Stromkreises zu schwenken, so daß der Stromkreis unterbrochen nicht denselben Curie-Punkt aufweist,
wird. Ist der Stromkreis unterbrochen, so kühlt das Die Wirkungsweise des in Fig. 4 gezeigten Schal-Element 33 bis unterhalb seines Curie-Punktes ab, so 65 ters 41 entspricht der im Zusammenhang mit Fig. 2 daß es wieder magnetisch wird und die Nebenschluß- beschriebenen, mit dem Unterschied, daß das Element wirkung des Nebenschlußschenkels wieder eintritt. 43 indirekt durch Strahlung von dem Stromkreis und Dadurch wird der Anker infolge der Federbelastung nicht direkt durch den Strom erwärmt wird,
wieder in seine schräge Stellung zurückgeschwenkt, Wenn es erwünscht ist, daß die Vorrichtung nur als und der Schalter 29 kann dann, falls er, wie in dem 70 thermischer Überlastungs-Stromunterbrecher und nicht

zusätzlich als magnetischer Stromunterbrecher wirkt, können die Querschnitte der Schenkel 13 so groß gehalten sein, daß sie bei Überlastung nicht gesättigt werden.

Die Bewegung des Ankers 23 kann dazu verwendet werden, außer dem im Stromkreis der Spule 27 liegenden elektrischen Schalter 29 noch weitere Teile zu steuern. Beispielsweise kann der Schalter 29 ganz aus diesem Stromkreis herausgenommen und der Stromkreis lediglich dazu benutzt werden, um mittels eines Schalters 5¹ Strom zur Erwärmung des Elements 33 bzw. 43 zu liefern. Dabei ergibt sich eine zeitliche Verzögerung bei der Betätigung des Ankers 23, und in diesem Fall kann die Welle 21 dieses Ankers dazu dienen, den betreffenden Teil mit der gewünschten zeitlichen Verzögerung nach der Betätigung des Schalters 5¹ zu betätigen. Eine Magnetisierung des durch die Schenkel 5, 7 und die Jochstücke 9, 11 hergestellten magnetischen Rahmens kann auch dadurch bewirkt werden, daß man einzelne oder alle Teilstücke aus permanent magnetischem Material herstellt. In diesem Falle braucht der das thermomagnetische Element 33 (Fig. 2) bzw. 45 (Fig. 4) mit Strom versorgende Stromkreis L keine elektromagnetische Spule 27 aufzuweisen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Überstromschalter bzw. Überstromrelais mit thermischer und magnetischer Auslösung mit einem zweischenkeligen, eine Magnetwicklung tragenden und mit einem schwenkbaren Anker zusammenwirkenden Kern, der einen magnetischen Nebenschluß aufweist, in dem ein Steuerstück angeordnet ist, dessen Permeabilität sich bei Erwärmung durch den elektrischen Strom ändert, dadurch gekennzeichnet, daß Anker und Nebenschluß so angeordnet sind, daß ihre Magnetflüsse parallel zueinander und vom Hauptmagnetfluß abgezweigt sind.

2. Schalter bzw. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein rahmenartiger Kern vorhanden ist, auf dessen Basisstück die Magnetwicklung und in dessen gegenüberliegendem Jochstück der Anker angeordnet ist und dessen Schenkel durch einen den magnetischen Nebenschluß bildenden Steg überbrückt sind.

3. Schalter bzw. Relais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich bei hohem Erregerstrom, beispielsweise bei Eintreten eines Kurzschlusses, der magnetische Nebenschluß rasch sättigt.

4. Schalter bzw. Relais nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerstück einen Spalt aufweist, in dem ein getrenntes, einen Curiepunkt besitzendes Steuerelement vorgesehen ist, dessen Material sich von dem übrigen Material des Kernes unterscheidet, wobei vorzugsweise nur das Steuerelement heizbar ist.

5. Schalter bzw. Relais nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerstück mit dem Steuerelement und gegebenenfalls mit dem ganzen Kern einstückig ist.

6. Schalter bzw. Relais nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Steuerelements kleiner als der des Steuerstückes ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 890 992, 658 555, 846, 438 121.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen