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Hintergrund
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In Haushalten und Industrieörtlichkeiten werden viele resistive oder induktive Vorrichtungen elektrisch betrieben. Die Stromversorgung liefert eine relativ stabile Versorgungsspannung. Elektrische Schaltvorrichtungen werden mit jeder Versorgungsschaltung in Reihe geschaltet, um den Strompfad im Falle eines Überstroms, der bei einem Kurzschluss in der Schaltungsschleife auftreten kann, zu unterbrechen, was eine plötzliche Verringerung der Schleifenimpedanz bedeutet.
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Stand der Technik
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Diese Erfindungsoffenbarung behandelt automatische Stromunterbrechungsschaltvorrichtungen. Viele der vorhandenen Unterbrechervarianten beinhalten mehr als ein Auslöseverfahren, die auf verschiedene Arten von Überstrom zugeschnitten sind. Für schnell ansteigende Überströme mit einer Vielfalt an Nennströmen ist eine Zylinderspule State of the Art, die den Überstrom führt, einen ferromagnetischen Stößel beschleunigt, der einen mechanischen Auslösemechanismus freigibt und in einer weiteren Bewegungsphase den Strompfad an einem vorgesehenen Kontaktpunkt öffnet, indem einer der Kontaktpole entfernt wird und Halten dieses Pols in einer Offen-Stellung bis der mechanische Mechanismus vollständig freigegeben hat und diese Funktion übernimmt. Sobald geöffnet, fließt der Strom zwischen den Polen über einen Luftplasmabogen, der durch Lorentz-Kräfte in eine Löschkammer geleitet wird, wo der Plasmabogen gelöscht wird. Der Stromfluss ist nunmehr vollständig unterbrochen und die Schaltoperation ist beendet.
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Ein zweites Auslöseverfahren wird im Falle eines kleinen Überstroms verwendet. In diesem Fall ist eine längere Schaltzeit akzeptabel. Hier besteht ein State of the Art-Verfahren in der Verwendung eines Bimetallstreifens, der durch eine Heizspule aufgewickelt werden kann, die in Reihe in den Überstrompfad eingesetzt ist und/oder der Bimetallstreifen selbst ist in Reihe mit dem Überstrompfad geschaltet. In Abhängigkeit vom Strom wird der Bimetallstreifen auf eine Weise verbogen, dass er den oben erwähnten Stößel der magnetischen Auslösevorrichtung in dessen Freigabestellung bewegt.
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Eine dritte Auslöseoption besteht im manuellen Bewegen des beweglichen Kontakts in dessen Offen-Stellung über einen Hebelmechanismus.
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Ein kürzlich eingeführtes Betätigungsverfahren verwendet einen magnetisch ausdehnbaren MSMA-Kristall (MSMA - magnetic shape memory alloy - magnetische Formgedächtnislegierung), um den oben erwähnten mechanischen Auslösemechanismus freizugeben. Einbringen eines transversalen Magnetfelds kann eine Dehnung von einigen Prozent verursachen, die von den Materialeigenschaften des MSMA-Kristalls und dessen Form abhängt. Der Kristall beginnt sich auszudehnen sobald der Strom über einem gewissen Schwellenstrom liegt. Nach Überschreiten einer weiteren Stromschwelle hat der Kristall seine Maximaldehnung erreicht. Da die Dehnung als eine Funktion der magnetischen Flussdichte hochhysteretisch ist, bleiben die Kristalländerungen bestehen, wenn das Magnetfeld unter das erwähnte Schwellenmagnetfeld verringert wird (welches dem Strom in der Erregungsspule proportional ist). Durch die Anwendung einer Gegenkraft in Form einer Federkraft können der Einsatz von Dehnungsverringerung sowie der vorhergehende Einsatz von Dehnungsanstieg zu höheren B-Werten verschoben werden. Der Nachteil einer Gegenkraft ist eine gewisse Verringerung der Maximaldehnung.
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In den meisten Fällen werden die Gegenkräfte durch lineare oder nahezu lineare Federn erregt, entweder als Druck- oder Zugfedern.
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Problemstellung
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Insbesondere benötigen Stromunterbrecher für Schaltungen mit relativ hohen Nennströmen (etwa 100 A) einen niedrigen Widerstand, um die durch den Unterbrecher verursachten Leistungsverluste auf einem relativ geringen Niveau zu halten. Der Leistungsverlust hängt eng mit dem Widerstand der Spule zusammen, die das Magnetfeld für den MSMA-Aktuatorkristall erzeugt. Das heißt, dass Verringern der Windungszahl in Kombination mit einer optimalen Leiteranordnung mit hohem Leiterquerschnitt und kleiner Leiterlänge die stationären R*i2 Verluste verringern wird.
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Neuartige Merkmale
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Die Erfindung eines MSMA-getriebenen Magnetaktuators für NS-Hochstrom-Leistungsschalterautomaten (Sicherungsautomaten), die im folgenden Text beschrieben wird, kombiniert ein sehr kompaktes Design, das in den verfügbaren Designraum eines herkömmlichen Leistungsschaltergehäuses passt, was im geschlossenen Zustand sehr geringen elektrischen Verlust verursacht. Im Falle von Kurzschlusschaltung oder von Überstrom wird ein großer Wärmeanteil durch den Luftbogen mit der Kontaktöffnung verursacht. Maßnahmen zum Abschirmen der Bogenwärme vom MSMA-Aktuator könnten vielleicht das MSMA-Material davor schützen, seine Dehnung-gegenüber-B-Charakteristik während eines Unterbrechungsereignisses zu verlieren.
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Die Erfindung und weitere Vorteile und Ausführungsformen werden unten ausführlicher unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschrieben.
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1 bis 5 zeigen einen Aktuator 1 als Teil einer Installationsschaltvorrichtung, der eine gerade Sektion 7 eines Leiters 2 umfasst. Die Installationsschaltvorrichtung ist Teil einer elektrischen Versorgungsschaltung 3. Die Versorgungsschaltung 3, siehe 5, weist in Reihe geschaltet jeweils eine Wechselstrom-Spannungsquelle 4, einen elektrischen Stromverbraucher 5 oder einen Kurzschluss 6 auf.
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Bezugnehmend auf 1 weist die Installationsschaltvorrichtung einen Kontakt 20 auf, wo die Schaltung durch den Aktuator 1 unterbrochen werden kann.
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Die Leitersektion 7 weist eine Längsbohrung 8 auf, die einen Stößel 9 enthält und führt, der innerhalb eines gewissen Bereichs in Längsrichtung frei beweglich ist und durch einen Teil einer nicht leitenden und nicht magnetischen Struktur 15 geführt wird, wobei die Leitersektion 7 von einem Ring 10 aus ferromagnetischem Material umgeben ist, wobei der Ring durch mindestens einen Spalt 11 unterbrochen wird.
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Der Spalt oder die Spalte ist/sind jeweils mit einem MSMA-Kristall 12 gefüllt, der sich innerhalb eines gewissen Bereichs frei in Längsrichtung ausdehnen kann und durch die Spaltwände 13 und zusätzliche Wände 14 von einer nicht leitenden und nicht magnetischen Struktur 15 geführt wird.
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Der MSMA-Kristall 12 wird ausgedehnt, wenn der Strom 22 in der Versorgungsschaltung 3 einen gewissen Schwellenstrom 17 übersteigt, und einen transversalen magnetischen Fluss 16 in dem ferromagnetischen Ring erzeugt und somit auch einen transversalen magnetischen Fluss in dem Spalt, der den MSMA-Kristall 12 enthält, erzeugt.
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Daraufhin dehnt sich der MSMA-Aktuator aus und beschleunigt somit unter Verwendung eines Wipphebels 18 den Stößel, wobei die Längenausdehnung des MSMA-Kristalls 12 entlang dem Spalt 11 in eine umgekehrte Längsbeschleunigung des Stößels entlang der Bohrung 8 der Leitersektion 7 übertragen wird.
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Das Übertragungsverhältnis des Wipphebels 18 ist auf eine Weise eingestellt, dass die maximale Ausdehnung des MSMA-Kristalls 12 auf einen Hub des Stößels 9 übertragen wird, der den Kontakt 20 sicher öffnet.
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Der Stößel 9 überträgt seinen Impuls auf den Verbindungsmechanismus 19 zum beweglichen Pol 21 des Kontakts und der Stößel 9 wird schließlich in umgekehrter Richtung reflektiert.
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Die verbliebene kinetische Energie des Stößels wird dem MSMA-Kristall 12 unter Verwendung des Wipphebels 18 übermittelt, womit zum Rückschrumpfen des MSMA-Kristalls 12 auf dessen Anfangslänge beigetragen wird.
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Die Leitersektion 7 weist eine zylindrische Außenoberfläche 23 auf, wohingegen der Strom 22 der elektrischen Schaltung parallel zur Zylinderachse fließt, und die zylindrische Leitersektion 7 weist eine koaxiale zylindrische Bohrung 24 auf, wobei die zylindrische Bohrung einen Stößel 9 enthält und führt, der einen zylindrischen Körper und optional abgerundete Konturen an den Zylinderenden aufweist.
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Der Ring 10 weist eine zylindrische Außenoberfläche 25 und eine zylindrische Innenoberfläche 26, die die Bohrung 8 bildet, auf, wobei die zylindrische Innenoberfläche 26 relativ zur zylindrischen Außenoberfläche 25 exzentrisch ist, wodurch die Materialdicke des ferromagnetischen Rings auf einer Seite minimal und auf der entgegengesetzten Seite maximal ist, wobei der Spalt 11 in dem ferromagnetischen Ring 10 auf der Seite mit der maximalen Dicke ausgeschnitten ist, wobei die Spaltwandoberflächenebenen zueinander parallel und zu beiden Zylinderachsen des Rings 10 und dessen Bohrung 8 äquidistant sind, wobei die maximale und die minimale Wanddicke auf eine Weise eingestellt sind, dass auf der dünnen Seite mit dem erwähnten Schwellenstrom 17 maximale magnetische Permeabilität erhalten wird und dass die magnetische Flussdichte auf der dicken Seite das erforderliche Schwellenfeld erreicht, um den MSMA-Kristall 12 sicher in dessen Endstellung auszudehnen.
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An der Vorderseite der geraden Leitersektion 7 ist ein zweites Segment 25 des Leiters 2 mit einer individuellen Gestalt mit einem geringen Übergangswiderstand angebracht und an der Rückseite der geraden Leitersektion 7 ist ein drittes Segment 26 des Leiters 2 mit einer individuellen Gestalt mit einem geringen Übergangswiderstand angebracht.
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Das zweite Segment 25 des Leiters 2 weist eine flache Queroberfläche auf, die die Bewegung des MSMA-Kristalls 12 an der Vorderseite als ein Endanschlag begrenzt.
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Das dritte Segment 26 des Leiters 2 weist unmittelbar hinter dem geraden Leitersegment 7 einen radialen Schlitz mit parallelen Wänden auf, um eine freie Drehbewegung des Hebels des Wipphebels 18 in dessen Betriebsbereich zu ermöglichen.
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Die Achse des Wipphebels 18 ist gegenüber beiden Kontaktpunkten zwischen dem Wipphebel 18 und dem Kristall und zwischen dem Wipphebel 18 und dem Stößel 9 nach hinten versetzt, womit der mögliche Ausdehnungsbereich des MSMA-Kristalls ohne Kontakt zwischen dem Kristall und dem Lager der Wippenachse 24 des Wipphebels 18 vergrößert wird.
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Die Achse des Wipphebels 18 ist gegenüber beiden Kontaktpunkten zwischen dem Wipphebel 18 und dem Kristall und zwischen dem Wipphebel 18 und dem Stößel 9 nach hinten nicht signifikant versetzt, wobei die freie Bewegung des Kristalls durch zwei parallele Hebelkomponenten ermöglicht wird, die einen Abstand aufweisen, der freie Ausdehnung des Kristalls in dessen Ausdehnungsbereich ermöglicht, wobei die zwei Hebelkomponenten durch mindestens zwei zur Achse des Wipphebels 18 parallele Brücken verbunden sind.
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Während der Verlängerung des MSMA-Kristalls 12 gleiten der Kontaktpunkt zwischen dem Hebel des Wipphebels 18 und dem Kristall sowie der Kontaktpunkt zwischen dem Hebel des Wipphebels 18 und dem Stößel entlang einer Kontur des Hebelarms, die derart designt ist, dass das erforderliche Übersetzungsverhältnis erreicht wird.
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Eine Feder übt eine Gegenkraft gegen die Ausdehnungsrichtung auf den MSMA-Kristall aus, wodurch der Schwellenwert der magnetischen Flussdichte für die Ausdehnung des MSMA-Kristalls angepasst wird, und darüber hinaus ein Wiederzusammenziehen des Kristalls bei kleiner magnetischer Flussdichte erlaubt wird.
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Die Masse des Stößels 9 ist derart ausgelegt, dass dessen kinetische Energie nach dem Beschleunigen durch den sich ausdehnenden MSMA-Kristall 12 hinreichend ist zum Überwinden der Lastkräfte des Auslösemechanismus eines NS-Leistungsschalters 27 über die volle Hubstrecke.
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Die mechanische Steifigkeit des Auslösemechanismus eines NS-Leistungsschalters 27 verursacht eine mechanische Reflexion des Stößels am Ende des Hubs, woraufhin die kinetische Energie des Stößels wieder auf den MSMA-Kristall übertragen wird, übermittelt durch den Wipphebel, wodurch zu einem Wiederzusammenziehen des MSMA-Kristalls beigetragen wird.
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Der ferromagnetische Ring 10 weist in umgekehrter Auslöserichtung auf beiden Seiten des sich ausdehnenden MSMA-Kristalls 12 Vorsprünge auf, die als Lager für den Wipphebel 18 verwendet werden.
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Die Ausdehnung des MSMA-Kristalls kann alternativ durch einen Temperaturanstieg über einer Temperaturschwelle, die als eine Materialeigenschaft des MSMA-Materials vorhanden ist, verursacht werden.
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Bezugszeichenliste
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| 1 Aktuator |
1 |
| 2 Leiter |
2 |
| 3 Elektrische Versorgungsschaltung |
3 |
| 4 Spannungsquelle |
4 |
| 5 Elektrischer Stromverbraucher |
5 |
| 6 Kurzschluss |
6 |
| 7 Gerades Leitersegment |
7 |
| 8 Bohrung |
8 |
| 9 Stößel |
9 |
| 10 Ring aus ferromagnetischem Material |
10 |
| 11 Spalt |
11 |
| 12 MSMA-Kristall |
12 |
| 13 Spaltwände |
13 |
| 14 Zusätzliche Wände |
14 |
| 15 Nicht leitende und nicht magnetische Struktur |
15 |
| 16 Transversale magnetische Flussdichte |
16 |
| 17 Schwellenstrom |
17 |
| 18 Wipphebel |
18 |
| 19 Beweglicher Pol |
19 |
| 20 Kontakt |
20 |
| 21 Verbindungsmechanismus zum beweglichen Pol |
21 |
| 22 In der elektrischen Versorgungsschaltung fließender Strom |
22 |
| 23 Hebelarm des Wipphebels |
23 |
| 24 Achse des Wipphebels |
24 |
| 25 Zweites Leitersegment |
25 |
| 26 Drittes Kontaktorsegment |
26 |
| 27 NS-Leistungsschalter |
27 |