Schaltzustände elektromechanischer Schutzschaltgeräte sind durch Auslösevorgänge der Schaltermechanik gekennzeichnet und können demzufolge durch Detektion der Positionsänderung be- stimmter Komponenten, wie beispielsweise des Schaltgriffes des üblicherweise vorhandenen Magnetankers oder eines zuge- ordneten Bimetalls, und dem zugehörigen Auftreten kräftiger Magnetfelder bei Überstrom oder Kurzschlu erfa t werden.

In der älteren, nichtvorveröffentlichten DE 19 60 742 A0 werden magnetosensitive Sensoren wie Differential-Hall- Effekt(DHE)-Sensor, Ciant-Magneto-Resistive(GMR)-Sensor und Anisotropic-Nagneto(AMR) -Resistive Sensor dazu vorgesehen, insbesondere die Bewegung des Schaltgriffes eines Leitungs- schutzschalters aus der damit gekoppelten Drehbewegung des Antriebsbügels zu detektieren.

Letztere DHE-, GMR- und AMR-Sensoren enthalten jeweils eine integrierte Elektronik und liefern normierte Ausgangssignale, wobei speziell ein GMR-Sensor einen zusätzlichen Differenz- verstärker benötigt. Insbesondere die GMR-Sensoren haben noch die Besonderheit einer mangelhaften Stabilität der Sensor- eigenschaften gegen magnetische Übersteuerung. Insgesamt sind die vorbekannten Sensoren vergleichsweise aufwendig und teuer.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Schaltgerät mit robusten und preiswerten Sensorelementen für die Posi- tionsüberwachung magnetfeldführender Teile zu schaffen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemä dadurch gelöst, da eine Miniaturinduktivität mit Ferritkern als hochempfindlicher Magnetfeldsensor vorhanden ist, mit der die Position des Schaltgriffes oder eines damit gekoppelten Teiles überwacht wird und/oder der im Schaltgerät flie ende Strom erfa t wird.

Vorteilhafterweise sind solche an sich bekannte Miniatur- Induktivitäten zur Anwendung der Zustandserkennung bei Schaltgeräten geeignet.

Bei der Erfindung wird die Permeabilität des Ferritkerns der Miniaturinduktivität durch die Wirkung von äu eren Magnet- feldern verändert und liegt insbesondere bei ausgeprägter axialer Geometrie eine deutliche Feldrichtungsempfindlichkeit vor. Die veränderliche Induktivität der Miniaturinduktivität kann vorzugsweise mit einer Oszillatorschaltung ausgewertet werden.

Vom Stand der Technik sind Miniatur-Induktivitäten in unter- schiedlichster Ausführung bekannt, sie werden in Massenferti- gung hergestellt, so da sie als Massenprodukt ausgereift und vorteilhafterweise äu erst preiswert sind. Zum bestimmungsge- mä en Einsatz bei der Erfindung dient als eigentliches Sen- sormittel der Ferritkern der Miniatur-Induktivität, welcher durch die Wirkung äu erer Magnet felder die Permeabilität ändert.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispie- len anhand der Zeichnung in Verbindung mit weiteren Unter- ansprüchen. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung Figur 1 ein Schaltgerät mit einem Induktivitätssensor und zugehörigen Permanentmagneten, die au erhalb des Schaltergehäuses angebracht sind.

Figur 2 eine Explosionszeichnung der Sensoranordnung und des Antriebsbügels aus Figur 1 zur Verdeutlichung der Positionserfassung, Figur 3 eine Auswerteschaltung zur Messung der Induktivitäts- änderung des in Figur 1 verwendeten Induktivitäts- sensors, Figur 4 ein Oszillogramm zur Handausschaltung eines Leitungs- schutzschalters, Figur 5 eine symmetrische Auswerteschaltung zur Messung der Induktivitätsänderung eines Differenz-Induktivitäts- sensors, Figur 6 ein Oszillogramm der Handausschaltung eines Leitungs- schutzschalters mit einem Differenz-Induktivitäts- sensor,

Figuren 7 bis 9 verschiedene Oszillogramme zur Verdeutlichung des Schaltverhaltens, Figur 10 ein Schaltgerät entsprechend Figur 1, bei dem ein Indukt ivität ssensor und zugehöriger Permanentmagneten mit feldverstärkendem Eisenblech au erhalb des Schaltgerätes zur Strommessung in der Schalt spule angebracht sind, Figur 11 eine Explosionszeichnung zur Verdeutlichung von Figur 10, Figuren 12 bis 14 Oszillogramme des Schaltverhaltens beim Schaltgerät gemä Figur 10, Figur 15 die Anordnung einer Miniaturinduktivität mit Per- manentmagnet als Winkel- oder Näherungssensor und Figur 16 ein Oszillogramm zur Erläuterung der Wirkung von Figur 15.

Figur 1 zeigt die an einer Versuchseinrichtung gewählte, räumliche Anordnung einer Sensorik für einen Leitungsschutz- schalter, wobei sich die Sensorik au erhalb des Schalter- gehäuses in geringem Abstand zur Gehäuseseitenwand befindet und in Projektion auf das Schaltgerät dargestellt ist: Bei einem Schaltergehäuse 1 sind in bekannter Weise Anschlu - klemmen 2 und 3, eine Kontaktanordnung aus Festkontakt 4 und Bewegkontakt 5, zugehörige Anschlüssen mit einem Bimetall als Leitungsverbindung 7 sowie eine Magnetspule 8 vorhanden und in vereinfachter Darstellung wiedergegeben. Der Festkontakt 4 befindet sich auf einem starren Kontaktträger 40, der Beweg- kontakt 5 auf einem beweglichen Kontaktträger 50, der über einen Antriebsbügel 51 aus ferromagnetischem Material und einen Drehgriff 52 aktivierbar ist.

In projizierter Darstellung ist hunter" dem beweglichen Kontaktträger 50 ein Permanentmagnet 11 angebracht, dem ein Induktivitätssensor 60 mit elektrischen Anschlüssen 61, 62 zugeordnet ist. Der Permanentmagnet 11 ist mit einem feld- verstärkendem Eisenblech 12 versehen.

Um die Position des ferromagnetischen Antriebsbügels 51 mit dem Induktivitätssensor 60 zu erfassen, wird das Magnetfeld des Permanentmagneten 11 auf den Antriebsbügel 51 eingekop- pelt und zur Feldverstärkung das Eisenblech 12 auf der vom Antriebsbügel 51 abgewandten Seite des Permanentmagneten aufgebracht, welches den Induktivitätssensor 60 etwa bis zu dessen Mitte überragt.

Gemä Figur 2 befindet sich der Induktivitätssensor 60 zwi- schen den annähernd parallelen Schenkeln eines U-förmigen Magnetkreises aus Antriebsbügel 51 und Eisenblech 12, dessen Querschenkel durch den Permanentmagneten 11 gebildet wird.

Die Magnetisierungsrichtung ist dabei so gewählt, da das Magnetfeld senkrecht zur Zeichenebene der Figur 1 aus dem Permanentmagneten 11 austritt.

In der Auswerteschaltung gemä Figur 3 wird durch einen Rechteckgenerator 101 mit beispielsweise einer Amplitude von + 15 V, einer Frequenz - 1 MHz und einer Stromaufnahme - 1 mA ein Signalkreis gespeist und das Ausgangssignal über einen Differenzverstärker 111 weiter verarbeitet.

Durch die Änderung des magnetischen Flusses im Induktivitäts- sensor 60 bei der Drehung des ferromagnetischen Antriebs- bügels 51 aus der Ausschalt- in die Einschaltposition ändert

sich beispielsweise der Induktivitätswert von 450 yH (= Laufs) auf 470 HH (= Lein) . Um diese vergleichsweise geringe relative Induktionsänderung von 4 W messen zu können, enthält die Me - schaltung neben dem eigentlichen Me zweig einen Kompensa- tionszweig zur Festlegung der Nulldifferenzspannung. Beide Me zweige sind weitestgehend gleich aufgebaut, um eine Tempe- raturdrift der Ausgangsspannung, die abhängig von den Dioden- eigenschaften ist, zu vermeiden. Im einzelnen sind in den Me zweigen jeweils Widerstände 102, 102' mit mit R1 10 kQ und RC-Glieder 103, 103' mit C3 = 100 nF und R3 = 10 kQ vorhan- den. Mit L ist die veränderliche Induktivität des Induktivi- tätssensors 60 bezeichnet. Der Induktivität 60 ist eine Kapa- zität 104 mit C1 - 6,8 nF zu einem Auswertezweig nachgeschal- tet, zum anderen Auswertezweig ein Widerstand 105 mit R2 = 4,7 kQ nachgeschaltet, wobei in den Signalzweigen über die Dioden eine Gleichrichtung erfolgt. Die RC-Glieder dienen zur Signalintegration.

Figur 4 zeigt das zugehörige Me oszillogramm mit dem zeitli- chen Verlauf des Sensorsignals Is und dessen Beeinflussung durch das Magnetfeld des im Schalter flie enden elektrischen Stromes. Um eine Feldverzerrung durch Eisenteile, beispiels- weise von benachbarten Leitungsschutzschaltern, am Ort des Induktivitätssensors 60 zu vermeiden, ist eine Eisenabschir- mung, beispielsweise mit 0,8 mm Eisenblech, auf der Au en- seite der Sensoreinrichtung vorzusehen. Aus dem Oszillogramm ist ersichtlich, da das Magnetfeld sich dem Feld des Perma- nentmagneten überlagert und das Positionssignal des Induk- tivitätssensors 60 moduliert.

In Figur 5 ist die Auswerteschaltung gemä Figur 3 derart abgeändert, da eine Differenzschaltung zweier Induktivitäts- sensoren 60a und 60b mit Induktivitäten L1 und L2 erfolgt, wobei jeweils einer der Sensoren 60a und 60b über eine Kapa- zität 104 mit C1 - 6,8 nF an einen der Auswertezweige ge- schaltet ist. Ansonsten entspricht die Anordnung der in Figur 1 beschriebenen Anordnung. Ein solcher Differenz-Induktivi- tätssensor liefert ein erheblich kleineres Störsignal des im Schalter flie enden elektrischen Stromes.

Aus dem Oszillogramm in Figur 6 ist im einzelnen erkennbar, da im Vergleich zu Figur 4 die Signalmodulation durch das Magnetfeld beim Differenz-Induktivitätssensor erheblich ge- ringer ist. Im Idealfall ergibt sich, da bei der Differenz- auswertung das Positionssignal ungeschwächt bleibt, während das an beiden Sensoren etwa gleichgro e Störsignal unter- drückt wird.

Bei der Kurzschlu auslösung des anhand Figur 1 beschriebenen Leitungsschutzschalters mit etwa 100 A erreicht das Stör- signal des Differenzinduktivitätssensors 60' etwa den halben Signalhub zwischen Ein- und Ausschaltstellung. Der Magnet- feldeinflu rührt dabei hauptsächlich von der Auslösespule her, was im einzelnen aus den Oszillogrammen gemä den Figu- ren 7 bis 9 abgeleitet werden kann.

Die Magnetfeldempfindlichkeit von insbesondere magnetisch vorgespannten Induktivitätssensoren kann auch für eine grobe Strommessung ausgenutzt werden. Hierzu ist anhand Figur 10 und 11 die geometrische Anordnung des Schaltgerätes nach Figur 1 wiedergegeben, bei der im Bereich der Magnetspule 8

ein Induktivitätssensor 60' in 2 mm Abstand zur Gehäuseau en- seite angeordnet ist. Zugeordnet ist dem Induktivitätssensor 60' wiederum ein Permanentmagnet 11' mit feldverstärkendem Eisenplättchen 12'. Speziell aus Figur 11 wird deutlich, da mit dem Induktivitätssenstor 60' durch die Magnetfeldbestim- mung an der Auslöserspule eine grobe Strommessung möglich ist, da durch die magnetische Vorspannung des Sensors dessen Empfindlichkeit erhöht ist.

Unterschiedliche Stromverläufe wurden mit einer elektrischen Last an 220 V Wechselspannung mit verschiedenen Leistungs- stufen simuliert und ergeben sich aus den Figuren 12 bis 14 als Me oszillogramme. Man erhält eine relativ gute Proportio- nalität des Sensorsignals lis zum genauen Stromme signal Ist einer Stromzange. Die relative Abweichung der Me signalver- läufe beträgt im Beispiel weniger als 20 W. Voraussetzung hierfür ist, da durch eine stabile Generatorfrequenz und Generatoramplitude die Null-Differenzspannung tatsächlich auf 0 V abgeglichen wird.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der angegebenen Miniatur- Induktivität besteht bei Schaltgeräten als Näherungs- oder Winkelsensor, wenn als Geberelement ein Permanentmagnet be- nutzt wird. Dies wird anhand Figur 15 verdeutlicht.

Die Figur 15 zeigt im einzelnen die geometrische Zuordnung eines Induktivitätssensors 60'' zu einem drehbar gelagerten Permanentmagneten 11''. Das Induktivitätssignals des Sensors 60'' kann durch die Auswerteschaltung in Figur 3 weiter ver- arbeitet werden und ist als Oszillogramm in Figur 16 darge- stellt.

Figur 16 zeigt das oszillographisch gemessene Spannungssignal Ws in Abhängiggkeit vom Drehwinkel. Das Sensorsignal ist vom Abstand zwischen Sensor 60'' und Permanentmagnet 11' abhängig und seine Periode beträgt 1800 des Drehwinkels. Für die Halb- periode von 900 sind daher der Drehwinkel und das Sensor- signal eindeutig einander zugeordnet.

Der Me signalverlauf in Figur 16 wird durch die Abstimmung der Auswerteschaltung beeinflu t und hat in etwa einen Sinus- quadratverlauf. Dabei erstreckt sich der empfindliche Me - bereich über einen Drehwinkelbereich von etwa 250. Während das Me signal im Intervall von 60 bis 1200 entsprechend Figur 16 vom Sinusquadratverlauf stark abweicht, zeigt die Sensor- induktivität im Intervall von 0 bis 90" Drehwinkel einen monoton ansteigenden Verlauf zwischen Lo - 185 4H auf L90 90 H. Aufgrund des starken Permanentmagnetfeldes und des daraus resultierenden gro en Spannungshubes des Me signals von 2 V ist die Störempfindlichkeit durch magnetische Fremd- felder relativ gering.

Der mit der beschriebenen Miniatur-Induktivität aufgebaute Winkelsensor kann also zur Schaltzustandserkennung eines Motorschutzschalters eingesetzt werden, wobei die Schalt- stellung und die Kurzschlu auslösung durch die Drehwinkel- stellung der zugehörigen Wellen gekennzeichnet sind.

Insbesondere die Auswerteschaltungen in Figur 3 und 5 zeigen, da der elektronische Aufwand bei den beschriebenen Anwen- dungen der Miniatur-Induktivitäten gering ist und sich im wesentlichen auf einen Rechteckgenerator mit hoher Frequenz- und Amplitudenkonstanz bei geringer Strombelastung und einen Differenzverstärker zur Erzeugung eines auf 0 V bezogenen Ausgangssignals bezieht. Damit ist ein Schaltgerät mit Positionsüberwachung realisiert, das nur einen geringen zusätzlichen Aufwand benötigt.