Elektrischer Leistungsschalter

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Leistungsschalter, mit Anschlusselementen zum Anschließen an einen Stromkreis und wenigstens einer Kontaktanordnung zum Unterbrechen des Stromkreises, wobei die Kontaktanordnung ein bewegliches Kon ^¬ taktstück und ein Festkontaktstück umfasst und über Leiterbahnen mit den Anschlusselementen verbunden ist.

Die Erfindung betrifft insbesondere Niederspannungs-Leis- tungsschalter und -Lasttrennschalter der Gebrauchskategorie B nach DIN EN 60947-2. Derartige Schalter haben eine Bemessungs-Kurzzeitstromfestigkeit ( I _c w ) und müssen Betriebsströme und auftretende Kurzschlussströme bis zu einem bestimmten Mindestwert der Bemessungs-Kurzzeitstromfestigkeit über eine definierte Zeit bis zu einer gewollten Abschaltung tragen können. Aufgrund der Kurzschlussströme treten dabei erhebli ^¬ che Magnetfeldkräfte auf, denen entgegengewirkt werden muss, damit es nicht zu einer unerwünschten Stromkreisunterbrechung kommt, die unter Umständen zu einer Zerstörung des Schaltgerätes führen kann.

Aus dem Stand der Technik sind zum einen voluminöse ACB- Schalter (Luftleistungsschalter) der Gebrauchskategorie B bekannt, die zwar ein hohes Stromtragvermögen, aber nur eine geringe Dynamik aufweisen. Diese Schalter weisen entweder überhaupt keine, oder nur eine geringe Strombegrenzung auf. Die hohen Schließkräfte werden mit Hilfe eines mechanischen Schaltschlosses verwirklicht. Bei der Anordnung der Schalt ^¬ kontakte wird eine geradlinige Stromführung bevorzugt, die auf Schleifenbildung möglichst verzichtet. Aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannt sind strombegren ^¬ zende Kompaktleistungsschalter (MCCB) der Gebrauchskategorie A. Die gute Strombegrenzung wird dabei durch eine gezielte Schleifenführung bei der Stromzuführung erreicht, indem das Öffnen des Kontaktes unterstützt wird. Damit kann eine hohe Dynamik bei Kurzschlüssen erreicht werden. Das Stromtragvermögen solcher Leistungsschalter ist jedoch vergleichsweise gering . Es ist darüber hinaus bekannt, sogenannte „Haltemagnete" ein ^¬ zusetzen, um den Kontakt öffnende Magnetfeldkräfte magnetisch zu kompensieren. Die Wirksamkeit solcher in die Kontaktanord ^¬ nung eingebrachter ferromagnetisch wirksamer Komponenten ist jedoch beschränkt, da sie aufgrund der starken Magnetfelder bei Kurzschlussströmen schnell in Sättigung geraten und ihr Einfluss im Verhältnis zu den strominduzierten Lorentz- Kräften abnimmt.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Leistungsschalter mit hoher Stromtragfähigkeit bereitzustel ^¬ len, bei dem starke Schließkräfte auf das bewegliche Schalt ^¬ kontaktstück aufgebracht werden, ohne dass es hierzu mechani ^¬ scher Hilfsmittel oder zusätzlicher „Haltemagnete" bedarf. Diese Aufgabe wird durch einen elektrischen Leistungsschalter nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Eine Grundidee der Erfindung ist es, ein elektromechanisches Schaltgerät bereitzustellen, das vorteilhafte Eigenschaften von zuhaltenden Schaltern mit hohem I _cw -Wert der Gebrauchskategorie B einerseits und vorteilhafte Eigenschaften von strombegrenzenden Systemen der Gebrauchskategorie A mit be- sonders kompakter Bauform und hohen Magnetfeldkräften auf den Lichtbogen andererseits miteinander verbindet.

Erfindungsgemäß ist daher diejenige Leiterbahn, die das Fest ^¬ kontaktstück mit dem dazugehörigen Anschlusselement verbindet, nach Art einer Schleife so um das bewegliche Kontakt ^¬ stück herumgeführt ist, dass bei einem geschlossenen Kontakt wenigstens ein Magnetfeld erzeugt wird, das auf das bewegli ^¬ che Kontaktstück wirkt und eine den Kontakt zuhaltende Kraft erzeugt .

Durch eine geeignete Anordnung der stromführenden Teile ergibt sich eine inhärente Kompensation der Magnetfelder, auch bei sehr hohen Kurzschlussströmen.

Bei einer das bewegliche Kontaktstück zweifach kreuzenden Anschlussleiterbahn wirken bei geschlossenem Stromkreis sowohl von einem ersten Leiterbahnabschnitt (oberhalb) , als auch von einem zweiten Leiterbahnabschnitt (unterhalb) zuhaltende Kräfte auf das bewegliche Kontaktstück, wodurch die Kontakt ^¬ kraft mit steigendem Strom zunimmt und sich die Kontaktanord ^¬ nung selbst verriegelt. Somit ergibt sich eine magnetisch selbstsperrende Kontaktanordnung .

Daher ist es nicht mehr nötig, große mechanische Kräfte zur Kompensation aufzubringen. Der mechanische Teil des Schaltgerätes, der bei Leistungsschaltern mit hohem Bemessungskurz- schlussausschaltvermögen den größten Teil des Bauraums einnimmt, kann entsprechend kleiner dimensioniert werden. Zu ^¬ sätzliche ferromagnetische Teile („Haltemagnete") müssen nicht eingesetzt werden. Der Strombereich, in dem das erfindungsgemäße Funktionsprinzip anwendbar ist, ist im Gegensatz zu existierenden mechanischen und ferromagnetischen Lösungen grundsätzlich nicht begrenzt. In besonders vorteilhaften Aus führungs formen der Erfindung verläuft der erste Leiterbahnabschnitt auf der einen Seite des beweglichen Kontaktstückes, insbesondere neben dem beweg- liehen Kontaktstück oder oberhalb des beweglichen Kontaktstückes, wobei der Strom in dem Leiterbahnabschnitt und dem Kon ^¬ taktstück jeweils in unterschiedlichen Richtungen fließt, während der zweite Leiterbahnabschnitt auf der gegenüberlie ^¬ genden, anderen Seite des beweglichen Kontaktstückes, insbe- sondere unterhalb des beweglichen Kontaktstückes, verläuft, wobei der Strom in dem Leiterbahnabschnitt und dem Kontakt ^¬ stück jeweils in die gleiche Richtung fließt.

Somit entstehen bei geschlossenem Kontakt zwei Magnetfelder, die zwei in die gleiche Richtung wirkende, den Kontakt zuhal ^¬ tende Kraftkomponenten erzeugen. Mit einer solchen Anordnung ergibt sich eine um das bewegliche Kontaktstück herumgeführte Schleife in Gestalt einer das bewegliche Kontaktstück zwei ^¬ fach kreuzenden Bahnführung. Im Ergebnis bedeutet dies, dass im geschlossenen Zustand des Kontaktes ausschließlich zuhaltende Kräfte auf das bewegliche Kontaktstück wirken.

Vorteilhafterweise ist die Leiterbahn zum Anschluss des Fest ^¬ kontaktstückes so geführt, dass das Festkontaktstück derart von dem ersten Leiterbahnabschnitt beabstandet angeordnet ist, dass ein weiterer Leiterbahnabschnitt benötigt wird, der parallel oder im Wesentlichen parallel zur dem Lichtbogen verläuft, der bei einem Öffnen des Kontaktes entsteht. Eine solche Anordnung ist besonders vorteilhaft während des Öff- nungsvorganges .

Zum Öffnen der bei geschlossenem Kontakt verriegelten Schaltanordnung ist ein Schaltschloss oder eine ähnliche Öffnungs ^¬ vorrichtung notwendig, welche die wirkenden Zuhaltekräfte überwindet. Die Anordnung des beweglichen Kontaktstückes und der Leiterbahnen ist in einer bevorzugten Aus führungs form der Erfindung so gewählt, dass sich zumindest ein Teil des beweg ^¬ lichen Kontaktstückes oberhalb des ersten Leiterbahnabschnit- tes befindet, sobald der Kontakt geöffnet ist. Somit wird nach einem Öffnen des Kontaktes ein Magnetfeld erzeugt, das auf das bewegliche Kontaktstück wirkt und eine entgegen der Zuhaltekraft gerichtete Kraft erzeugt. Bei diesem Magnetfeld handelt es sich um das erste Magnetfeld, das jetzt in die entgegengesetzte Richtung wirkt.

Nach einer definierten, mechanisch hervorgerufenen Öffnung erfährt das nun oberhalb des ersten Leiterbahnabschnittes ge ^¬ legene bewegliche Kontaktstück durch diesen eine magnetische Beschleunigungskraft. Ab diesem Moment wirkt die Leiterbahn ^¬ führung wie in einem herkömmlichen Kontaktsystem, bei dem das erzeugte Magnetfeld zum Öffnen des Kontaktes genutzt wird.

Der Abstand zwischen dem ersten Leiterbahnabschnitt und dem beweglichen Kontaktstück kann für verschiedene Schaltervarianten variiert werden, um das Verhältnis der Kräfte je nach Anforderungen an Strombegrenzung, Stromtragfähigkeit und erzielbarer mechanischer Kraft einzustellen. So kann durch eine Variation dieses Abstandes beispielsweise bestimmt werden, ob der zuhaltende Effekt auf kleine Öffnungswinkel (bspw. bis max . 10°) beschränkt ist. Besonders vorteilhaft ist es, dass durch die Anordnung des ersten Leiterbahnabschnittes relativ zu dem beweglichen Kontaktstück der Übergang von einem zuhaltenden zu einem dynamisch strombegrenzenden System variabel gestaltet werden kann.

Als ganz besonders vorteilhaft hat sich die Erfindung auch für das Löschen des Lichtbogens erwiesen, nämlich dann, wenn die Leiterbahn so geführt ist, dass nach einem Öffnen des Kontaktes ein Magnetfeld erzeugt wird, das auf den zwischen den Kontaktstücken entstehenden Lichtbogen wirkt und eine den Lichtbogen von der Leiterbahn in Richtung eines Löschbleches abstoßende Kraft erzeugt. Hierzu ist das Festkontaktstück von dem ersten Leiterbahnabschnitt beabstandet angeordnet und der Berührungspunkt zwischen Festkontaktstück und beweglichem Kontaktstück liegt außerhalb der Schleifenführung und relativ zu der Leiterbahn derart, dass ein drittes Magnetfeld erzeugt wird, welches den Lichtbogen von dem Festkontaktstück weg und in Richtung entsprechend positionierter Löschbleche treibt.

Dies wirkt sich günstig auf die Stromverlöschung aus und ver ^¬ ringert zugleich den Abbrand der Kontaktflächen .

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:

FIG 1 eine schematische Darstellung der Kontaktanordnung bei geschlossenem Kontakt, FIG 2 eine schematische Darstellung der Kontaktanordnung bei geöffnetem Kontakt und

FIG 3 einen Doppelunterbrecher. Sämtliche Figuren zeigen die Erfindung lediglich schematisch und mit ihren wesentlichen Bestandteilen. Gleiche Bezugszeichen entsprechen dabei Elementen gleicher oder vergleichbarer Funktion . In FIG 1 ist ein Beispiel eines elektrischen Leistungsschal ^¬ ters 1 dargestellt. Neben der Kontaktanordnung 2 sind die Anschlusselemente 3 sowie eine Löschblechanordnung 4 angedeu ^¬ tet. Die Kontaktanordnung 2 weist ein bewegliches Kontakt ^¬ stück 5 und ein Festkontaktstück 6 auf. Das bewegliche Kon- taktstück 5 ist nach Art eines Kontaktarmes ausgebildet, wo ^¬ bei der Kontaktarm an seinem einen Ende eine Kontaktauflage 7 zur Ausbildung des Kontaktes mit einer entsprechenden Kontaktauflage 7 des Festkontaktstückes 6 aufweist. An der gege- nüberliegenden Seite des Kontaktarmes 5 ist dieser an einem Drehpunkt 8 um eine senkrecht zur Zeichnungsebene verlaufende Drehachse schwenkbar gelagert, so dass er von der in FIG 1 dargestellten geschlossenen Stellung in die in FIG 2 abgebildete offene Stellung verschwenkbar ist. Der Stromverlauf in den Leiterbahnen ist durch Pfeile gekennzeichnet.

Das Festkontaktstück 6 liegt bei geschlossenem Kontakt parallel zu dem Kontaktarm 5. Diejenige Leiterbahn 9, die das Festkontaktstück 6 mit dem dazugehörten Anschlusselement 3 verbindet, ist nach einer Art einer Schleife um den Kontakt ^¬ arm 5 herumgeführt, derart, dass die Leiterbahn 6 den Kon ^¬ taktarm 5 zweimal kreuzt. Ausgehend von dem Festkontaktstück 6 verläuft die Leiterbahn 9 bei geschlossenem Kontakt zunächst über den Kontaktarm 5 hinweg (erster Kreuzungspunkt 11) . Im Anschluss daran verläuft die Leiterbahn 9 parallel zu dem Kontaktarm 5. Dieser Bereich der Leiterbahn wird als erster Leiterbahnabschnitt 12 bezeichnet. Anschließend wird die Leiterbahn 9 erneut über den Kontaktarm 5 hinweggeführt

(zweiter Kreuzungspunkt 13) und verläuft in einem sich daran anschließendem Bereich wiederum parallel zu dem Kontaktarm 5, wobei dieser Bereich der Leiterbahn 9 als zweiter Leiterbahnabschnitt 14 bezeichnet wird.

Aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem ersten Leiterbahnab- schnitt 12 und dem Kontaktarm 5 ergibt sich eine erste Kraft ^¬ komponente 15 (abstoßende Kraft) , die als Zuhaltekraft auf den Kontakt wirkt. Zugleich ergibt sich aufgrund der Wechsel ^¬ wirkung zwischen dem Kontaktarm 5 und dem zweiten Leiterbahnabschnitt 14 eine zweite Kraftkomponenten 16 (anziehende Kraft) , die ebenfalls als zuhaltende Kraft auf den Kontakt wirkt .

Wird der Kontakt geöffnet, beispielsweise mit Hilfe eines Schaltschlosses (nicht abgebildet) , schwenkt der Kontaktarm 5 um seinen Drehpunkt 8 nach oben, wodurch zunächst sein mit der Kontaktauflage 7 versehenes Ende und im weiteren Bewe ^¬ gungsverlauf immer größere Abschnitte des Kontaktarmes 5 über den feststehenden ersten Leiterbahnabschnitt 12 positioniert werden. Der Stromfluss erfolgt dann über den zwischen den

Kontaktauflagen 7 entstehenden Lichtbogen 17. Zugleich wird ein Magnetfeld erzeugt, das auf den Kontaktarm 5 wirkt und eine entgegen der Zuhaltekraft 16 gerichtete Kraft 15 bzw. ein auf den Kontaktarm 5 wirkendes Drehmoment erzeugt. Bei diesem Magnetfeld handelt es sich um das erste Magnetfeld, das jetzt in die entgegengesetzte Richtung wirkt. Ab einem definierten, von der spezifischen Leiterbahnführung abhängigen Öffnungswinkel führt das wirkende Magnetfeld zu einem weiteren Öffnen des Kontaktes, ohne dass es dazu noch einer mechanischen oder sonstigen Unterstützung bedarf.

Der Bereich zwischen Kontaktarm 5 und Schleifenführung 9 ist vorteilhafterweise gegeneinander isoliert, damit sich dort kein Lichtbogen ausbildet.

Das Festkontaktstück 6 ist von dem ersten Leiterbahnabschnitt beabstandet angeordnet. In dem dargestellten Beispiel ist es unterhalb des Kontaktarmes 5 angeordnet. Hieraus ergibt sich, dass ein definierter dritter Leiterbahnabschnitt 18 erforder- lieh ist, der von dem Festkontaktstück 6 in Richtung des ersten Leiterbahnabschnittes 12 führt. Wegen der Wechselwirkung zwischen diesem Leiterbahnabschnitt 18 einerseits und dem Lichtbogen 17 andererseits ergibt sich auch an dieser Stelle ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld erzeugt eine abstoßende Kraft 19 auf den Lichtbogen 17, treibt diesen also von dem Festkontaktstück 6 weg und in die Löschbleche 4 hinein.

Die Erfindung ist nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere ist es möglich, das Erfindungsprin ^¬ zip auf mehrfach unterbrechende Kontaktanordnungen anzuwenden. Beispielhaft ist in FIG 3 ein Doppelunterbrecher 21 auf Basis der Erfindung bei geschlossenem Kontakt dargestellt. Das bewegliche Kontaktstück ist als zweiarmiger Hebel 22 mit einem zentralen Drehpunkt 23 ausgebildet. Das oben beschrie ^¬ bene Grundprinzip ist auf jede der beiden Seiten des Hebels 22 anwendbar. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in FIG 3 nur die Kontaktanordnung dargestellt, nicht aber Anschluss ^¬ elemente 3 und Löschblecheanordnungen 4.