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Elektromagnetischer Selbstschalter Selbsttätige Ausschalter, welche
lediglich durch Einwirkung eines Elektromagneten zur Auslösung gebracht werden,
besitzen eine verhältnismäßig geringe Anpassungsfähigkeit an die im Gebrauch vorkommenden
Verhältnisse. Es ist bekannt, daß beim Einschalten von beispielsweise 11etalldrahtlampen
oder beim Anlauf eines Kurzschlußankermotors ein Stromstoß auftritt, welcher ein
Mehrfaches der Normalstromstärke. beträgt, aber nur sehr kurzzeitig andauert. Rein
elektromagnetische Selbstschalter können bei diesen Einschaltstromstößen bereits
ansprechen, - obwohl keinerlei Gefahr für die Leitung oder die angeschlossenen Stromverbraucher
vorliegt.
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Man hat daher bereits vorgeschlagen, Auslöseverzögerungen vorzusehen,
die in verschiedener Weise ausgebildet werden können. Bei einer bekannten Ausführung
ist der bewegliche Anker mit einer Hemmvorrichtung in Form eines mit Schmelzmasse
angefüllten Gefäßes oder eines Bimetallstreifens versehen, welche das Ansprechen
infolge von Einschaltstromstößen -#nerhindert und ihre Wirkung erst verliert, wenn
eine genügende Erwärmung eingetreten ist. Nach Durchführung der Auslöseverzögerung
hat der Thermostat seine Aufgabe erfüllt und ist für die weiteren Schaltvorgänge
bedeutungslos.
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Weitere bekannte Selbstschalter sind in der Weise ausgebildet, daß
durch einen Thermostaten eine Verstellung des beweglichen Ankers gegenüber den festen
Polen vorgenommen wird. Im kalten Zustande besitzt der Anker eine größere - Entfernung
von dem Magnetpole, die es verhindert, daß ein Ansprechen bei Einschaltstromstößen
erfolgt. Erst bei eingetretener Erwärmung bringt der Thermostat den Anker in größere
Nähe des Elektromagneten, so daß nunmehr bei Grenzstrom die Auslösung erfolgen kann.
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Diese bekannte Schwächung der Magnetkraft im kalten Zustande des Schalters
hat jedoch den Nachteil, daß sie die Auslösung bei während des Einschaltens auftretendem
Kurzschluß oder einer gefährlichen Überlastung erschwert. Die Ausschaltung erfolgt
dann nicht so rasch und kräftigt, wie es gerade bei diesen Überlastungen oder gar
Kurzschluß erwünscht ist. Weiterhin zeigen diese bekannten Einrichtungen ebenso
wie auch alle übrigen bisher bekannten Selbstschalter mit dem Elektromagneten zugeordnetem
Thermostaten den Nachteil, daß diesen lediglich die Durchführung der Auslöseverzögerung
zugewiesen ist, während die Auslösung selbst ausschließlich und stets nur dem Elektromagneten
überlassen bleibt. Bei einer der bekannten Ausführungen wirkt sogar der Thermostat
während der eigentlichen Ausschaltbewegung des Ankers diesem entgegen, da seine
Federung vom Anker überwunden werden muß.
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Diese Nachteile der bekannten Ausführungen werden nach der Erfindung
dadurch vermieden, daß auf die Auslöse- oder Schalterteile eine durch die Stromwärme
mittelbar oder unmittelbar beheizte Vorrichtung (Thermostat
) einwirkt,
welche im kalten Zustande derart den Magnetanker beeinflußt, daß dieser trotz Ein-wirkun.g
des Elektromagneten in seiner Stellung verharrt, welche jedoch, im warmen Zustande
die unterstützt. Ein derartiger Selbstschalter besitzt nicht nur den Vorzug, daß
die elektromagnetische Auslösung bei auftretender ,starker Belastung oder Kurzschluß
rasch und kräftig erfolgt, da ja keinerlei Schwächung (ler Magnetkraft vorgenommen
ist, sondern er nutzt auch die gerade bei geringen, aber lang andauernden Überlastungen
erwünschte Hilfe des Thermostaten aus, welcher dafür sorgt, daß auch bei diesen
verhältnismäßig geringen Belastungen eine rasche Auslösung stattfindet. Damit ist
der Thermostat in viel weitgehenderem Maße zur Durchführung der Ausschaltung herangezogen,
was vor allem bei Installationsselbstschaltern in Stöpselform von besonderem Vorteil
sein kann.
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Der Thermostat kann als Feder (Blatt-oder Spiralfeder) ausgebildet
sein, die sich im kalten Zustande z. B. an den Auslöseinagneten anlegt und ihn auf
diese Weise, ohne ihn dabei zu sperren, festhält, bei geringer Erwärmung freigibt
und bei weiterer Erwärmung während der Auslösung unterstützt. Als Thermostat kann
auch eine vom Strom unmittelbar oder mittelbar z. B. durch die Spule des Elektromagneten
beheizte luftdicht abgeschlossene und mit Membranen versehene Kapsel Verwendung
finden. Die Auslösekraft kann durch zwei von Spannung und Strom abhängige Kräfte
erzeugt werden, wobei die eine Kraft elektromagnetisch, -die andere durch Wärmewirkung
hervorgerufen wird. Beide Kräfte können im gleichen oder im entgegengesetzten Sinne
wirken. Bei Selbstschaltern mit Freiauslösung kann die Freigabe der Handeinschaltung
allein durch den Elektromagneten erfolgen, aber auch hierzu kann der Thermostat
mit herangezogen «-erden, indem er entweder allein oder zttammen mit dem Elektromagneten
die Freiauslösung durchführt.
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In den Abb. i bis 6 sind einige Ausführungsbeispiele dargestellt.
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In Abb. i stellt a die bekannte Strombrücke dar, b, b' die
kontaktschließenden Bürsten und c die Achse -der Kontaktbrücke. Der Elektromagnet
e wirkt mit dem auf dem Schaft k sitzenden Kopf i. auf den Ausklinkhebel d, den
eine Feder in die gezeichnete Stellung zu drehen sucht. Auf dem Rahmen r ist die
stromdurchflossene Feder f so gelagert, claß sie sich in erwärmtem Zustand nach
oben durchbiegt. An dieser Feder, die der Schaft h in einer genügend großen Öffnung
durchsetzt, sind zwei Blattfedern g befestigt. Im kalten Zustande ist die Feder
f nur schwach, nach oben gebogen, die Blattfedern g werden gegen den Schaft h gedrückt,
so daß der Magnet bei kurzzeitigen Belastungen an einer Aufw ärtsbewegung gehindert
wird. Bei Kurzschluß überwindet der Magnet die Reibung zwischen den Federn g und
dem Schaft h und löst kräftig aus. Bei lang andauernden Grenzstrombelastungen biegt
sich die stromführende Feder f nach oben durch, die Blattfedern g werden an ihren
oberen Enden voneinander entfernt, der Schaft h somit freigegeben und hierdurch
die Auslösung durch den Hagneten erleichtert. Tritt eine weitere Erwärmung ein,
so legen sich die Federn g von unten gegen den Kopf i des Magneten und unterstützen
durch Anheben des Magneten die Auslösung.
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Abb. z zeigt die Ausführung mit einer Luftkapsel als Thermostat. a,
b, c, d, e haben dieselbe Bedeutung wie in Abb. i; z ist eine oben und unten
durch je eine kreisförmig gerillte Membran abgeschlossene Luftkapsel. Auf der oberen
Membran sind zwei Blattfedern g in derselben Weise befestigt wie die Federn g im
Ausführungsbeispiel nach Abb. i auf der Feder f. Eine Heizspule
w dient zur Erwärmung der Luft in der Kapsel z. Im kalten Zustand legen sich
die beiden Blattfedern g gegen den Magneten e und verhindern so eine Auslösung bei
kurzer Überlast. Bei Kurzschluß überwindet die magnetische Anziehung die Reibung
zwischen dem Anker e und den Federn g. Bei längerer Grenzstrombelastung erwärmt
sich in der Kapsel die Luft, die Membranen bauchen sich aus; die untere stützt sich
gegen die Stellschraube s und hebt so Kapsel und Magnet hoch, die obere hebt ihrerseits
den Magneten, außerdem werden durch die nach oben konvexe Ausbauchung die oberen
Enden der beiden Blattfedern g vom Magneten entfernt, und die verzögernde Reibung
wird aufgehoben.
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Abb. 3 zeigt eine Ausführung, bei der Magnet und Spule im Innern einer
Luftkapsel angeordnet sind. a,. b, c, d, e haben dieselbe Bedeutung wie in
Abb. i ; z ist die Luftkapsel, die von zwei gerillten Membranen abgeschlossen ist.
An der oberen Membran ist der Magnet mittels seines Schaftes verstellbar befestigt.
An der unteren sind zwei Blattfedern g angeordnet. An der zylindrischen Kapselwand
ist die Spule w befestigt. In kaltem Zustande legen sich die beiden Blattfedern
g gegen die Kegelfläche k des Magneten e. Der Kegelwinkel dieser Fläche ist kleiner
als der doppelte Reibungswinkel, so daß die Aufwärtsbewegung des Magneten verzögert
wird. Erwärmt sich die Luft im Innern der Kapsel, so biegen sich beide Membranen
nach außen durch, der Magnet e wird
gegenüber den Blattfedern g
gehoben, während sich die oberen Enden der Blattfedern zu nähern trachten. Die Pressung
zwischen Magnet und Blattfedern wird jedoch dank der Konusform des ersteren nicht
größer. Hat die Erwärmung einen gewissen Grad erreicht, so kommen die Federenden
auf die Kegelfläche L zu liegen, deren Kegelwinkel größer als der doppelte Reibungswinkel
ist, so daß die Aufwärtsbewegung des Magneten kräftig unter--stützt wird. Durch
Wahl und Ausbildung der Kegelflächen und durch Einstellen der Höhe des Magneten
lassen sich bei dieser Anordnung beliebig viele verschiedene Wirkungsmöglichkeiten
erzielen.
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Abb.4 zeigt eine im Sinne der Erfindung durchgebildete Anordnung mit
Spannungsspule, etwa für Motorschutzschalter verwendbar. a, b, b', c, d bezeichnen
.auch hier Strombrücke, Kontaktbürsten, Achse und Auslösehebel. Auf das wagerechte
Ende des letzteren wirkt ein besonders ausgebildeter Hebel aa, der, um einen festen
Punkt drehbar, an einer Zu- und Druckstange h den Elektroinagneten e im Felde
der Spannungsspule v
trägt. Die Bewegung des Hebels n im Uhrzeigersinne ist
durch Anschlag o begrenzt. Ein Bimetallstreifen f trägt eine Feder g, die wie in
ler #-\-ebenal)b. 4a dargestellt ausgebildet und durch die Bolzen y gespannt ist.
Die Enden der Feder g pressen sich gegen das spulenseitige Ende des Hebels n, dessen
Querschnitt etwa keilförmige Gestalt besitzt. Eine besondere Vorrichtung wirkt in
der Weise, claß beim Anheben des Federsystems g durch den Bimetallstreifen f das
spulenseitige Ende des Hebels n etwas nach abwärts gedrückt wird. Dies geschieht
durch einen kurzen Hebel x, der, um einen festen Punkt drehbar, einerseits im Federsystem
g mit dem Bolzen m entsprechend gelagert ist und sich andererseits gegen den Hebel
ia in der dargestellten Weise abstützt. Die Vorrichtung muß so eingestellt sein,
daß die Auslösung rasch und sicher erfolgt, wenn die Spannung auf Null sinkt. In
normalem Betriebszustand wird der Magnet c durch die Spule v entsprechend der konstanten
Spannung hochgehalten und drückt mit Stange h. den Hebel it nach oben. Tritt Kurzschluß
ein, wird also die Spannung plötzlich Null, so tritt sofortige Auslösung ein. Bei
kurzzeitiger Überlast wird das Feld der Spule v zwar schwächer, jedoch die Feder
g hält den Hebel n fest, so daß ein Auslösen verhindert wird. Bei länger andauerndem
Grenzstrom erwärmt sich der Bimetallstreifen f, das Federsystem wird langsam hochgezogen,
wobei in doppelter Beziehung die Auslösung vorbereitet wird. Einerseits wird der
Anpressungsdruck zwischen Feder g und Hebel n infolge der Keilform des letzteren
immer kleiner, je höher die Feder g gehoben wird, andererseits drückt Hebel x das
spulenartige Ende von n. nach abwärts, der Magnet e kommt in ein schwächeres Feld,
so daß bei weiterem Sinken der Spannung die Auslösung sofort erfolgen kann. Endgültig
erfolgt die Auslösung, wenn die Feder g den Hebel n freigibt. Der Hebel
x könnte auch weggelassen oder durch einen Einstellvorgang außer Wirksamkeit
gesetzt werden. Ferner lassen sich durch verschiedene Formgebung des Profils des
Hebels x beliebig viele Anpassungsformen, etwa an die Erwärmungsverbältnisse der
zu schützenden Motoren erreichen.
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Abb. 5 und 6 zeigen ein Beispiel für Installationsselbstschalter mit
Freiauslösung, die mit Wärmevorrichtung im Sinne der Erfindung ausgestattet sind.
Abb.5 zeigt eine "Seitenansicht einer Ausführungsform und Abb. 6 die Ansicht von
oben bei abgenommenem Griff. i ist ein Magnetjoch mit zwei festen und einem beweglichen
Schenkel 2, der um den Zapfen 3 drehbar ist. Der mittlere Schenkel des Magnetjochs
i trägt die Wicklung. Es können auch beide Außenschenkel drehbar gelagert sein.
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An den beiden Außenschenkeln sind durch Isolierstücke 4, 4' elektrisch
isoliert die Arme 5, 5' aus unmagnetischem, gut leitendem Materiäl so angebracht,
daß die Isolierstücke . f, 4' außerhalb .des Bereiches von Lichtbögen liegen. Die
Arme 5, 5' tragen die Kontaktplatten b, b', die in dem oberen Ende der Arme
verschiebbar gelagert sind und durch gut leitende Federn 6, 6' gegen die Kontaktzylinder
7, 7' des Schaltteiles a. gedrückt werden. Der Stromlauf ist aus der Abbildung ersichtlich.
Der Schaltteil a hat Scheibenform und besteht aus Isoliermaterial, in das ein eiserner
Anker S mit dem zapfenförmigen Fortsatz c und der Nase 9 in ganz bestimmter Lage
gegenüber i und 2 eingebettet ist; ferner trägt der Schaltteil a den Sperrzahn io
und die möglichst massiv ausgebildeten Kontaktzylinder 7, 7', die über den Scheibenumfang
herausragen und durch einen in dem Schaltteil eingebetteten, durch den Anker isoliert
lhindurchgeführten Leiter i i etwa in der gezeichneten Weise verbunden sein können.
Der Schaltteil ist wagerecht drehbar und senkrecht verschiebbar mittels des Zapfens
c im Griff 12 gelagert, der seinerseits auf übliche Art im Gehäuse 13 geführt ist
und die Nase 9' trägt. Die Schraubenfeder 14 ist sowohl an der Unterseite des Schaltteiles
a als auch im Mittelteil des Joches i befestigt. Der bewegliche Jochteil 2 ist vom
Jochkörper durch einen Luftspalt 15 getrennt, der so aus-; gebildet sein muß, daß
die Hauptanzi.ehungskraft in der Horizontalen und nicht in der
Vertikalen
wirkt. Ein Bimetallstreifen f ist an dem Joch i mittels eines Isolierkörpers 16
und an dem beweglichen Jochteil e mittels eines Kontaktzapfens 17 so befestigt,
daß er in kaltem Zustande auf den Jochteil e einen Druck im Uhrzeigersinne ausübt,
so daß ein Anziehen des Schaltteiles bei großer Stromstärke möglich ist, dagegen
bei einer bestimmten Erwärmung eine Bewegung dieses Teiles im Gegenzeigersinne unterstützt.
Als Verbindung zwischen Stromzuleitung und Kontakt b ist der Streifen
f stromführend gedacht. Eine isolierende Platte 18 schützt die Wicklung vor
etwa überspringenden Lichtbögen.
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In normalem Betriebszustand befindet sich der Schalter in der gezeichneten
Einschaltstellung. Die Feder 1:I, die als Druck- und Drehfeder wirkt, ist als Drehfeder
gespannt. Der Zahn io liegt gegen den Pol des Jochteiles 2 an, die Federn 6, 6'
drücken die Kontaktplatten b, b' gegen den Kontaktzylinder 7, 7'. Bei Kurzschluß
entsteht im Joch i ein sehr kräftiges Feld, infolgedessen wird durch Anziehung bei
15 der Zahn io entkuppelt, der Schaltteil a entgegen der Wirkung der Feder 14 und
den Reibungskräften bei b-7, b'-7' und bei 2-io heruntergezogen und, sobald die
Nasen 9, 9' außer Eingriff sind, im Gegenzaigersinne gedreht, wobei zwei Momente
zur Wirkung gelangen, einerseits das magnetische Moment des Ankers 8 im Felde 2,
das aus noch zu erläuternden Gründen nicht sofort erlischt, wenn die Kontakte 7,
7' die Kontaktplatten b, b' verlassen haben, andererseits das Moment der
Feder 1q., die im Einschaltzustand als Drehfeder gespannt war. Die Trennbewegung
wird also sehr energisch erfolgen. Sobald die Kontakte 7, 7' die Platten
b, b' verlassen haben, wird zwischen diesen Teilen ein Lichtbogen stehenbleiben,
auf dem um so stärker das magnetische Feld zwischen Polende 2 bzw. i und den entsprechenden
Enden des Ankers 8 als Blasfeld wirkt, je länger der Lichtbogen mit der Drehung
des Schaltteiles wird. Ist der Lichtbogen abgeblasen, das magnetische Feld also
erloschen, so schnellt die Feder 14. den Schaltteil wieder hoch und dreht den Schaltteil
aus eigener Kraft in die Ausschaltstellung, die durch die gestrichelte Lage der
Kontakte, 7, 7' in Abb. 6 angedeutet ist. Um ein Steckenbleiben zu vermeiden, muß
durch Bemessung und Formgebung der Kontaktplatten b, b' und des Polendes
2 dafür gesorgt werden, daß der Stromfluß nicht unterbrochen wird, bevor der Zahn
io den Polschuh 2 passiert hat. Besteht der Kurzschluß fort, so wiederholt sich
der Ausschaltvorgang sogleich, wenn wieder eingeschaltet wird, und zwar noch während
der Schaltbewegung. Bei kurzzeitiger Überlast drückt die kalte Feder f die Kontaktplatte
b so stark gegen 7, daß die Strom- bzw. Feldstärke noch nicht genügt, die Federkraft
und die Reibungskraft zwischen b und 7, b' und 7', io und 2 zu überwinden und den
Anker zu entkuppeln. Selbst ein stärkerer Stromstoß, der imstande wäre, den Schaltteil
bis zur Entkupplung zu ,senken, hat keine Auslösung zur Folge, da der Zahn dank
der Wirkung der kalten Feder f nicht freigegeben ist. Dabei ist vorausgesetzt, daß
der Stromstoß nicht hinreicht, das Polende :2 auszuschwenken. Bei länger dauernder
Grenzs.trombelastung bewegt die erwärmte Feder f den Polschuh 2 nach links. Der
Zahn io wird freigegeben, die Reibung zwischen 7 und b wird vermindert, so daß also,
wie aus dem Früheren hervorgeht, zur Ausschaltung eine wesentlich geringe Kraft
genügt. Wird unmittelbar nach einer derartigen Auslösung wieder eingeschaltet und
ist die Stromstärke inzwischen nicht gesunken, so erfolgt die Wiederausschaltung
noch während des Einschaltvorganges. Ist aber die Stromstärke gesunken, so schnappt
wohl der Schalter in der Einschaltstellung ein, dadurch aber, daß die erwärmte Feder
f den Polschuh 2 noch nicht vollständig in seine Betriebsstellung zurückbewegt hat,
bleibt der Schalter für ein neuerliches Ausschalten bei einer geringen neuerlichen
Erhöhung der Stromstärke vorbereitet. Durch entsprechende Ausbildung des Sperrmechanismus
am Griff könnte man den Zahri io in Verbindung mit dem Polschuh 2 auch direkt als
Sperr- und Auslöseorgan benutzen.