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Bereich der Erfindung
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Gemäß einem
ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung Stromkreisunterbrechungsschalter
der in der Präambel
von Anspruch 1 definierten Art. Im zweiten, dritten und vierten
Aspekt betrifft die Erfindung eine mit einem solchen elektrischen Stromkreisunterbrechungsschalter
ausgestattete elektrische Anlage, die Verwendung eines solchen elektrischen
Stromkreisunterbrechungsschalters bzw. ein Verfahren zum Unterbrechen
eines elektrischen Stroms.
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Stromkreisunterbrechungsschalter
dieser Art werden in elektrischen Anlagen, wie beispielsweise in
elektrischen Schaltausrüstungen
verwendet, um zu ermöglichen,
dass der elektrische Strom bei Bedarf unterbrochen wird. Zusätzlich dazu,
dass der Stromkreisunterbrechungsschalter in der Lage ist, normale
Lastströme
zu unterbrechen und einzuschalten, sollte ein Stromkreisunterbrechungsschalter
vor allem in der Lage sein, jene einen Kurzschluss verursachenden
Ströme
zu unterbrechen, die entstehen, wenn eine Störung in dem System auftritt.
Die Hauptkomponenten eines Stromkreisunterbrechungsschalters sind
seine Unterbrechungsschalterkammer und sein Betriebselement. Der
Stromkreis wird durch zwei in der Unterbrechungsschalterkammer angeordnete
elektrische Kontakte geöffnet
und geschlossen, von denen ein Kontakt üblicherweise fest und der andere
beweglich ist. Der bewegliche Kontakt wird mit Hilfe des Betriebselements
in Kontakt mit dem festen Kontakt gebracht oder von ihm getrennt.
Die vorliegende Erfindung stellt hauptsächlich eine Verbesserung des
Betriebselements bereit. Die tatsächliche Stromkreisunterbrechungsfunktion, d.h.,
die Ausgestaltung der Stromkreisunterbrechungsschalterkammer kann
variieren. Die Funktion kann beispielsweise eine Vakuumschaltungsfunktion,
eine SF6-Schaltungsfunktion oder eine Ölminimumschaltungsfunktion
sein. Der erfinderische Stromkreisunterbrechungsschalter ist hauptsächlich zur
Verwendung mit Mittelspannungen und Hochspannungen, d.h., Spannungen
zwischen ungefähr
1 kV und einigen hundert kV bestimmt.
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Hintergrund der Erfindung
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Das
Betriebselement eines elektrischen Stromkreisunterbrechungsschalters
umfasst üblicherweise
Stromkreisschließungs-
und -unterbrechungsfedern, in denen ausreichend Energie zum Unterbrechen
und Schließen
eines Stromkreises gespeichert wird. Das Betriebselement kann entweder automatisch
oder manuell ausgelöst
werden. Die Stromkreisschließungsfeder
arbeitet zum Schließen des
Stromkreisunterbrechungsschalters und zum Spannen der Stromkreisöffnungs-
oder Abschaltungsfeder. Die Abschaltungsfeder kommt zur Wirkung,
wenn der Stromkreis unterbrochen ist. Die Stromkreisschließungsfeder
wird von einem Elektromotor gespannt
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Ein
federbetriebender Stromkreisunterbrecherschalter hat jedoch eine
Anzahl von Nachteilen. Die Bewegung des beweglichen Kontakts wird
durch die Eigenschaften der Federn und des Bewegungsübertragungsmechanismus
nicht vollständig
bestimmt. Das Bewegungsmuster des beweglichen Kontakts kann von
dem Benutzer nicht verändert werden,
da das Muster durch die Konstruktion der Anordnung vorbestimmt ist.
Wenn die Stromkreisschließungsfeder
oder die Stromkreisöffnungsfeder ausgelöst wird,
wird der bewegliche Kontakt dementsprechend einem vorher festgelegten
Bewegungsprofil folgen. Des Weiteren wird die Menge der von dem
Betriebselement an den beweglichen Kontakt abgegebenen Energie im
Zusammenhang mit der Unterbrechungsbetriebsbewegung ein und für alle Mal
bestimmt werden. Daher ist es nicht möglich, die Bewegung des beweglichen
Kontakts an die Art des Öffnungs-
oder Schließungsmuster
anzupassen, welches in jedem einzelnen Fall notwendig ist. Es ist des
Weiteren nicht möglich,
die Geschwindigkeit oder Beschleunigung dieser Bewegung zu steuern.
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Federbetriebene
Vorrichtungen haben auch von Natur aus aufgrund der relativ großen Anzahl
von Komponenten, aus denen solche Vorrichtungen bestehen, eine schlechte
Genauigkeit. Aufgrund dieser hohen Anzahl von Komponenten ist es
des Weiteren notwendig, die Betriebselemente zunächst zu justieren, wobei es
sich um eine komplizierte und somit zeitaufwändige Aufgabe handelt. Die
schlechte Genauigkeit hinsichtlich der Positionierung des beweglichen
Kontakts und die Unfähigkeit,
die Bewegung des Kontakts zu steuern, bedeutet außerdem,
dass es notwendig sein kann, Dämpfvorrichtungen
an den Punken einzufügen,
bei denen die Stromkreisöffnungssequenz
oder die Stromkreisschließungssequenz
endet, um unkontrollierte mechanische Folgen zu verhindern. Ein
weiterer Nachteil ist, dass eine federbetriebene Vorrichtung im
Betrieb sehr laut ist. Das kann es notwendig machen, das Betriebselementgehäuse geräuschundurchdringlich
zu machen. Aufgrund der hohen Anzahl von Komponenten einer federbetriebenen
Vorrichtung ist es ferner notwendig, die Vorrichtung regelmäßig zu warten,
um die Funktion der Vorrichtung aufrecht zu erhalten und durch Verschleiß und Alter
verursachte Abweichungen in dem beweglichen Kontakt auszugleichen.
Letztendlich hat eine federbetriebene Vorrichtung eine relativ lange
Zeitverzögerung
von dem Moment, an dem ein Betriebsbefehl ausgegeben wird, bis zu
dem Moment, an dem der bewegliche Kontakt seine Bewegung beginnt.
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Es
ist des Weiteren bekannt, hydraulische Betriebsvorrichtungen herzustellen,
bei denen die Bewegung des beweglichen Kontakts auf hydraulische
Weise bewirkt wird. Eine hydraulische Betriebsvorrichtung ist in
der Lage, eine Anzahl dieser Nachteile zu beseitigen, die mit einem
federbetriebenen Stromkreisunterbre chungsschalter zusammenhängen. Eine
hydraulische Betriebsvorrichtung hat jedoch weitere Nachteile, die
sich aus dem Vorhandensein von hydraulischen Flüssigkeiten ergeben. Die Viskosität der Flüssigkeit
ist oftmals temperaturabhängig,
welche Einfluss auf die Funktion der Vorrichtung und ihr Bewegungsprofil
hat. Ein anderer Nachteil kommt durch das Risiko des Austritts von hydraulischer
Flüssigkeit
in die Umgebungen zustande. Das Problem von hohen Geräuschpegeln
und der Bedarf nach regelmäßiger Wartung
sind im Fall eines hydraulisch betriebenen Stromkreisunterbrechungsschalters
ebenfalls zu finden.
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Elektromagnetisch
betriebene Stromkreisunterbrechungsschalter sind in der Technik
ebenfalls bekannt. Im Fall von elektromagnetisch betriebenen Vorrichtungen
liegt die den Kontakt betreibende Kraft entweder in Form von Lorentzkraft
oder in Form von gegenseitig wirkenden magnetischen Feldern, die von
Elektromagneten erzeugt werden, vor. Bei der Lorentzkraft handelt
es sich um die Kraft, die auf einen stromführenden Leiter wirkt, wenn
der Leiter in einem Magnetfeld platziert wird. Das Prinzip wird
beispielsweise in Lautsprecherspulen angewandt und es ist bekannt,
das Prinzip in einer Stromkreisunterbrecherschalterbetriebsvorrichtung, beispielsweise
in einem Vakuum-Stromkreisunterbrecherschalter anzuwenden. Eine
solche Lautsprecherspule ist in
PCT/US96/07114 beschrieben.
Ein schwerwiegender Nachteil dieser Art von Stromkreisunterbrechungsschalter
ist jedoch, dass die Hublänge
relativ klein ist. Seine Verwendung zum Betreiben eines Stromkreisunterbrechungsschalters
ist somit auf Unterbrechungsschalter beschränkt, die kurze Hublängen haben.
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Eine
magnetisch betriebene Anordnung verwendet zahlreiche Elektromagnete
zum Betrieb oder Bewegen des beweglichen Kontakts eines Stromkreisunterbrechungsschalters.
Das Arbeitsprinzip dieser Vorrichtung umfasst die Bewegung eines Elektromagneten,
der zwischen zwei Endpositionen mit dem beweglichen Kontakt verbunden
ist, wodurch ein Luftspalt in einem magnetischen Kreis geöffnet oder
geschlossen wird. Ein Beispiel einer solchen Vorrichtung ist in
der
PCT/SE96/01341 beschrieben.
In dieser bekannten Vorrichtung ist der bewegliche Kontakt des Stromkreisunterbrechungsschalters
mit einem Rotor verbunden, der eine Vielzahl von in Rotationssymmetrie
angeordneten Eisenarmaturen aufweist. Die Drehvorrichtung ist auf
einem äußeren, festen
Eisenkern angeordnet, der mit Spulen ausgestattet ist. Wenn elektrischer
Strom zu den Spulen geleitet wird, dreht sich der Rotor zwischen
zwei Endpositionen, in denen die elektromagnetischen Polflächen der
Armatur in Kontakt mit den Polflächen
des Eisenkerns kommen. Wenn sich der Rotor dreht, bewegt sich ein
Arm an jeder Armatur in jede Spule, um so einen Luftspalt zwischen
den Polflächen
entweder zu schließen
oder zu vergrößern. Der
Luftspalt muss groß sein,
um eine ausreichend große
Hublänge
zu erhalten. Da ein großer
Luftspalt zu einer hohen magnetischen Energie führt, ist eine große Menge
an Energie notwendig, um die elektromagnetische Betriebsvorrichtung
zu versorgen. Ferner wird die Zeitverzögerung groß sein, da ein großer Luftspalt
magnetisiert werden soll. Ähnlich
wie bei den von einem Stromkreisunterbrechungsschalter betriebenen
Vorrichtungen, die eine Lautsprecherspule aufweisen, ist die Länge des
Hubes begrenzt.
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Die
von einem Betriebselement an den beweglichen Kontakt abgegebene
Energie entspricht der Betriebskraft, multipliziert mit der Länge des
Hubes oder, im Fall des Drehbetriebs oder der Drehbewegung, dem
mit der Winkelbewegung multiplizierten Drehmoment. Im Fall von bekannten
elektromagnetisch betriebenen Vorrichtungen ist die Länge des Hubes
oder der Kreisbewegung vorbegrenzt, da die Bewegung Endpositionen
hat. Dementsprechend muss die durch jede Bewegung erzeugte Kraft
sehr hoch sein, um ausreichend Energie an den beweglichen Kontakt
abzugeben. Dies trifft hauptsächlich
zu, wenn hohe Energien für
Bewegungen des beweglichen Kontakts notwendig sind, wie es der Fall
ist, wenn der Stromkreisunterbrechungsschalter für hohe Spannungen verwendet
wird.
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Schlussendlich
ist es bekannt, einen Stromkreisunterbrechungsschalter zu konstruieren,
der mit einem elektrischen Drehmotor betrieben wird. Solche Stromkreisunterbrechungsschalter
sind beispielsweise in der
US-Patentschrift
4 913 380 , der europäischen
Patentschrift
EP 772 214 und
der
WO 99/60 591 beschrieben.
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US 4 912 380 beschreibt
einen Stromkreisunterbrechungsschalter, der von einem Elektromotor angetrieben
wird. Die Bewegung der Motorwelle wird mit einem Schneckengetriebe,
das eine Abtriebswelle aufweist, die mit dem beweglichen Kontakt
des Unterbrechungsschalters über
einen Drehmomentbegrenzer verbunden ist, untersetzt. Die tatsächliche Stromkreisunterbrechungsbewegung
wird nicht ausführlich
beschrieben, sondern ist offensichtlich eine Drehbewegung von 105°.
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EP 772 214 beschreibt einen
Stromkreisunterbrechungsschalter, der von einem in seiner Drehzahl
veränderlichen
gesteuerten Gleichstrommotor betrieben wird. Bei der Stromkreisunterbrechungsbewegung
des beweglichen Kontakts handelt es sich um eine translatorische
Bewegung. Die Übersetzung der
Drehbewegung des Motors in die translatorische Bewegung wird durch
eine Hebelübersetzung
umgesetzt.
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WO 99/60 591 beschreibt
ferner einen Stromkreisunterbrechungsschalter, bei dem die Bewegung
des beweglichen Kontakts eine translatorische Bewegung ist und bei
dem der Unterbrechungsschalter von einem elektrischen Drehmotor
angetrieben wird. Die Drehbewegung wird durch einen bewegungsübersetzenden
Mechanismus in eine translatorische oder lineare Bewegung umgewandelt.
In einem Fall umfasst dieser Mechanismus ein Zahnrad zum Herunterwandeln
und eine Kurbel, die mit dem angetriebenen Zahnrad fest verbunden
ist. In einer weiteren Ausführungsform
wirkt ein Zahnrad auf der Motorwelle zusammen mit einer Zahnstange,
die mit dem Betriebsgestänge
kombiniert ist.
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DE 32 24 265 beschreibt
einen Stromkreisunterbrechungsschalter, bei dem die Bewegungsübertragung
durch einen Schraubenmutter-Mechanismus
umgesetzt wird. Außer,
wenn spezielle Maßnahmen
ergriffen werden, wird jedoch nicht angenommen, dass ein Mechanismus
der in diesem Stand der Technik beschriebenen Art in der Lage wäre, ausreichend
Geschwindigkeit im Hinblick auf die translatorische Bewegung des
beweglichen Kontakts zu erzeugen. Darüber hinaus ist die Schraube
in diesem Mechanismus ebenfalls als ein beweglicher Kontaktteil
aktiv, was die Optionen der Anwendung einschränkt. Das Dokument
DE 32 24 165 offenbart eine Vorrichtung,
die der Präambel
von Anspruch 1 entspricht.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein
Stromkreisunterbrechungsschalter, der eine translatorische Bewegung
des beweglichen Kontakts umfasst, und der von einem elektrischen Drehmotor
angetrieben wird, bietet maßgebliche
Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen
Stromkreisunterbrechungsschaltern. Eine große Anzahl der Nachteile bezüglich herkömmlichen
Stromkreisunterbrechungsschaltern, die zuvor beschrieben wurden, können beseitigt
werden. Ein zentraler konstruktiver Aspekt eines Stromkreisunterbrechungsschalters, der
von einem Elektromotor angetrieben wird, liegt in der Umwandlung
einer Drehbewegung des Motors in die translatorische oder lineare
Bewegung des beweglichen Kontakts. Es ist wichtig, eine translatorische
Hochgeschwindigkeitsbewegegung zu erreichen, um den Stromkreis schnell
zu unterbrechen. Diese Umwandlung sollte mit den kleinstmöglichen Verlusten
stattfinden. Ferner sollte die Umwandlung mit einem hohen Maß an Zuverlässigkeit
und Genauigkeit stattfinden, so dass das Bewegungsprofil des beweglichen
Kontakts zu einem höchstmöglichen Grad
das Bewegungsprofil, welches mit einem gegebenen Bewegungsmuster
des Elektromotors erreicht werden soll, widerspiegeln wird.
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Vor
diesem Hintergrund betrachtet, ist es die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, einen Stromkreisunterbrechungsschalter bereitzustellen,
der von einem Elektromotor angetrieben wird und der eine translatorische
Bewegung des beweglichen Kontakts umfasst, so dass die Umwandlung
der Bewegung in einer optimalen Weise hinsichtlich des Erfüllens der zuvor
erwähnten
Bedürfnisse
vornehmlich mit Bezug auf das Erreichen eines schnellen Betriebs
des Stromkreisunterbrechungsschalters erreicht wird.
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Diese
Aufgabe wurde gemäß der Erfindung mit
einem Stromkreisunterbrechungsschalter der in der Präambel von
Anspruch 1 definierten Art gelöst, welcher
die speziellen Merkmale aufweist, die in dem kennzeichnenden Teil
dieses Anspruchs dargelegt wurden.
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Da
die Umwandlung der Bewegung mit Hilfe von zwei Elementen umgesetzt
wird, die durch Schraubengänge,
d.h., gemäß dem Schrauben/Mutter-Prinzip,
zusammenwirken, kann auf einfache Weise die Drehbewegung des einen
Elementes in eine lineare oder translatorische Bewegung des anderen
Elementes umgewandelt werden. Ein solcher Bewegungsumwandlungsmechanismus
kann so aufgebaut sein, dass nur kleine Reibungsverluste erreicht
werden. Darüber
hinaus kann er in einer raumsparenden Weise aufgebaut und teilweise
mit dem Rotor des Motors und/oder der Auslösevorrichtung des beweglichen
Kontakts integriert werden. Eine hohe Geschwindigkeit kann im Hinblick
auf die Bewegung des beweglichen Kontakts durch geeignete Wahl der
Gewindesteigung oder des Steigungswinkels erreicht werden. Der Mechanismus
ist außerdem
relativ gut vor äußeren Kräften geschützt. Zusammen
mit dem einfachen Aufbau des Mechanismus führt dieser zu einer sehr hohen
funktionalen Sicherheit. Im Hinblick auf das Bewegungsprofil der translatorischen
Bewegung im Verhältnis
zur Drehbewegung wird eine gute Genauigkeit erreicht, wodurch eine
gute Möglichkeit
der Steuerung und Anpassung der translatorischen Bewegung bereitgestellt
wird. Die Einfachheit der Vorrichtung und seine Zuverlässigkeit
im Betrieb ermöglicht,
dass die Vorrichtung bei geringen Kosten hergestellt und gewartet
werden kann.
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Da
das Gewinde der Schraube mehrere Gänge hat, kann eine ausreichend
große
Steigung oder ein ausreichend großer Steigungswinkel erreicht
werden, um ein schnelles Auslösen
des Unterbrechungsschalters ohne Überlastung der Gewindeflanken
zu ermöglichen.
Dies wird erreicht, da der Axialschub auf mehrere Gewindegänge verteilt
wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung handelt es sich bei dem ersten Element um eine Schraube
und bei dem zweiten Element um eine Mutter. Es wird angenommen,
dass es sich dabei um die praktischste Ausführungsform zum Implementieren
der Konstruktion der die Bewegung umsetzenden Vorrichtung handelt.
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In
manchen Fällen
kann es von Vorteil sein, wenn die Mutter nicht drehbar mit dem
Rotor des Elektromotors verbunden ist, und wenn die Schraube nicht
drehbar mit dem beweglichen Kontakt verbunden wird. Dies wird praktischerweise
ermöglichen, dass
der Elektromotor und der bewegliche Kontakt mit entsprechenden Elementen
integriert werden können.
Auf diese Weise kann die Mutter mit dem Rotor vollständig integriert
werden, so dass der Rotor per se die Mutter bildet. Dies trägt dazu
bei, dass die axiale Länge
der Betriebsvorrichtung verringert wird.
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Von
bestimmten Aspekten her kann es jedoch von Vorteil sein, dass die
Schraube nicht drehbar an dem Rotor des Elektromotors befestigt
wird und dass die Mutter der bewegliche Kontakt ist. Die Tatsache,
dass die Mutter somit die translatorische Bewegung und die Mutter
die Drehbewegung ausführen
wird, ermöglicht,
dass das Drehmoment minimiert wird. Das trägt dazu bei, dass die Größe des Elektromotors
und die Größe der Stromquelle
minimiert wird. Diese zwei Alternativen stellen daher bevorzugte
alternative Ausführungsformen
der Erfindung dar.
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Die
Schraube und die Mutter eines erfinderischen Übersetzungmechanismus werden
normalerweise gekapselt und daher nicht ohne Weiteres zur Wartung
während
der Lebensdauer der Vorrichtung zugänglich sein. Es ist daher wichtig,
dass die Schraubengewinde so aufgebaut sind, dass sie in der Lage
sind, trotz des Fehlens von Wartungsmöglichkeiten bei geringer Reibung
miteinander zusammenzuwirken.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung handelt es sich bei der Mutter um eine Kugelmutter. Dies
ermöglicht,
dass die Reibungsverluste in der bewegungsübersetzenden Vorrichtung niedrig
gehalten werden, ohne, dass eine externe Schmierung notwendig ist.
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In
einer alternativen Ausführungsform
sind die Schraubengewinde von mindestens einem Element mit einem
reibungs- und/oder abriebmindernden Werkstoff beschichtet. Es ist
möglich,
Reibungsverluste und Abrieb auf eine Weise zu verringern, dass die
Notwendigkeit der Wartung beseitigt wird, ohne den Mechanismus zu
komplizieren. Die Beschichtung wird vorzugsweise eine Schlupflackierung,
beispielsweise molykote® aufweisen, oder durch
nedox®-Behandlung
erreicht werden. Das wird zu einer sehr harten und haltbaren Schicht
oder Beschichtung führen,
die hohe Oberflächenbelastungen und
hohe Gleitgeschwindigkeiten aushalten wird, und die im Hinblick
auf Abrieb ebenfalls haltbar ist. Die Gleiteigenschaften kommen
aufgrund der schnellen Beschleunigung des beweglichen Stromkreisunterbrechungsschalterkontakts
sofort zur Wirkung. Dies wird auch nach einem langen Zeitraum der
Inaktivität
sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Temperaturen zutreffen.
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Gemäß einer
weiteren alternativen Ausführungsform
umfasst die Mutter eine mit Schmiermittel gefüllte Kammer, die in Richtung
der Flanken des Schraubengewindes hin offen ist. Die Gewindegänge werden
daher sofort gründlich
geschmiert werden, wenn es eine relative Bewegung zwischen der Mutter und
der Schraube gibt. Das Schmiermittel wird vorzugsweise von der Art
sein, das seine Schmierleistung innerhalb eines weiten Temperaturbereichs,
beispielsweise ein Temperaturbereich zwischen –40° und +70°, aufrecht erhält.
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In
einer bevorzugten Variante der letzteren Ausführungsform verjüngen sich
die radialen Dimensionen der Kammer in Richtung hin zu einem oder beiden
axialen Enden der Kammer. Die Seiten der Kammer können sich
beispielsweise neigen und somit das Schmiermittel veranlassen, ansprechend
auf die schnelle Beschleunigung, die entsteht, wenn der Stromkreisunterbrechungsschalter
ausge löst
wird, nach innen gegen die Flanken des Gewindes der Schraube gedrückt zu werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
das Schmiermittel in Pulver- oder Pastenform, wodurch dem Risiko
vorgebeugt wird, dass das Schmiermittel aus der Kammer ausläuft.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung besteht das Schmiermittel aus Molybdändisulfidpartikeln und/oder
Graphit. Im Hinblick auf ein Schmiermittel, das die zuvor erwähnten wünschenswerten
Eigenschaften hat, ist das eine geeignete Wahl.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist eine lose Platte oder Unterlegscheibe in der Kammer angeordnet.
Die Platte bewegt sich ansprechend auf die Beschleunigungskräfte, und
treibt somit das Schmiermittel weiter, um so den Druck auf das Öl weiter
zu erhöhen.
Die Schmierung wird dadurch effektiver und positiver werden.
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Um
die schnellstmögliche
Unterbrechungsbewegung zu erreichen, wird die Gewindesteigung vorzugsweise
groß sein,
damit die angekündigte translatorische
Bewegung mit jeder Umdrehung des Motors erhalten werden wird. Dementsprechend
wird der durch das Schraubengewinde und das Muttergewinde erreichte
Steigungswinkel in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mindestens
10 mm/Umdrehung, vorzugsweise mindestens 30 mm/Umdrehung sein.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung haben die Gewindegänge eine
Trapezform. Die Gewindegänge
werden als Ergebnis der schnellen Bewegung und der angekündigten
Beschleunigungskräfte
großen
externen Kräften ausgesetzt.
Die trapezförmigen
Gewindegänge
ermöglichen,
dass die Flanken der Gewindegänge
in einem geringeren Maß abgeschrägt sind,
so dass ein relativ großer
Teil der Kontaktkraft zwischen den Gewindegängen für die Übertragung der axial gerichteten
Kraft verwendet werden wird.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird die Vorrichtung von einer Vielzahl von Elektromotoren
angetrieben, wodurch die Zuverlässigkeit
durch die Tatsache verbessert wird, dass der Stromkreisunterbrechungsschalter
sogar in dem Fall arbeitet, wenn einer der Motoren eine Fehlfunktion
hat. Die Motoren können
Seite an Seite angeordnet werden und haben gemeinsam parallele Wellen.
Alternativ können
die Motoren axial in Reihe mit einander, d.h., mit übereinstimmenden
axialen Wellen angeordnet sein. Die Verwendung von zahlreichen Motoren
fördert
auch die Möglichkeit
eines Modulkonzepts, bei dem ein und dieselbe Motorgröße für Stromkreisunterbrechungsschalter
unterschiedlicher Größen verwendet
werden kann, indem zwei oder mehrere solche Motoren aufgenommen werden,
wenn es geeignet ist.
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Die
vorteilhaften Ausführungsformen
des zuvor beschriebenen erfinderischen Stromkreisunterbrechungsschalters
sind in den von Anspruch 1 abhängigen
Ansprüchen
dargelegt.
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Eine
elektrische Anlage gemäß dem zweiten Aspekt
der Erfindung, die Verwendung des erfinderischen Stromkreisunterbrechungsschalters
gemäß dem dritten
Aspekt der Erfindung und ein Verfahren zum Unterbrechen eines elektrischen
Stroms gemäß dem vierten
Aspekt der Erfindung sind in den entsprechenden Ansprüchen 16,
17 und 18 dargelegt.
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Die
erfinderische elektrische Anlage, die erfinderische Verwendung und
das erfinderische Verfahren bieten Vorteile, die mit den zuvor erwähnten Vorteilen
hinsichtlich des erfinderischen elektrischen Stromkreisunterbrechungsschalters übereinstimmen.
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Die
Erfindung wird nun mit Bezug zu bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
und außerdem
mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung eines elektrischen Stromkreisunterbrechungsschalters;
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2 ist
eine Längsschnittsdarstellung
der den Stromkreisunterbrechungsschalter betreibenden Vorrichtung
gemäß einer
ersten Ausführungsform der
Erfindung;
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3 ist
eine der Darstellung von 2 entsprechende Querschnittsdarstellung
und stellt eine zweite Ausführungsform
der Erfindung dar;
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4 stellt
eine alternative Ausführungsform eines
Teils der Darstellung von 3 dar;
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5 stellt
einen Teil der Darstellung von 2 dar;
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6 ist
ein ein Diagramm darstellender Teil einer erfinderischen Schaltausrüstung; und
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7 ist
eine schematische Darstellung einer alternativen Antriebsvorrichtung.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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1 erläutert schematisch
die Prinzipien eines elektrischen Stromkreisunterbrechungsschalters,
welcher eine Unterbrechungsschalterkammer 1, eine Betriebsvorrichtung 2 und
eine Betriebsstange 3 aufweist. Der Stromkreisunterbrechungsschalter weist
einen festen Kontakt 4 und einen beweglichen Kontakt 5 auf.
Jeder der Kontakte ist mit einem entsprechenden Leiter elektrisch
verbunden. Unter normalen Bedingungen stehen die Kontakte 4, 5 in
Kontakt mit einander und Strom wird durch den Unterbrechungsschalter
von einem Leiter zu dem anderen Leiter geleitet. Wenn es notwendig
ist, den Strom aus irgendeinem Grund zu unterbrechen, beispielsweise als
Ergebnis eines durch eine Störung
entstandenen Kurzschlussstrom, wird der bewegliche Kontakt 5 mit einer
sehr hohen Geschwindigkeit von seinem Kontakt mit dem festen Kontakt 4 weg
bewegt werden. Dies führt
zunächst
zu einer Lichtbogenbildung zwischen den Kontakten, wodurch der Lichtbogen,
kurz nachdem die Kontakte voneinander getrennt wurden, gelöscht wird.
Der Stromkreis wird wieder geschlossen, indem der bewegliche Kontakt 5 wieder
in Kontakt mit dem festen Kontakt 4 gebracht wird. Die
Einleitung des Öffnens
und Schließens
des Stromkreisunterbrechungsschalters kann manuell oder automatisch
durchgeführt
werden. Das Öffnen
und Schließen
des Stromkreisunterbrechungsschalters wird durch die Betriebsstange 3 durchgeführt, die
mit dem beweglichen Kontakt und außerdem der Antriebsvorrichtung
in der Unterbrechungsschalterbetriebseinheit verbunden ist. Dieses
Konstruktionsprinzip eines Unterbrechungsstromkreises ist zahlreichen
Arten von Unterbrechungsschaltern gemein und kann natürlich viele
unterschiedliche Konfigurationen haben. Eine große Anzahl der üblicherweise
in einem Stromkreisunterbrechungsschalter vorhandenen Komponenten
wurden bei der Figur weggelassen, so dass das tatsächliche
Arbeitsprinzip des Unterbrechungsschalters klarer zu erkennen ist.
Die fortlaufende Beschreibung betrifft insbesondere Teil 2 in 1,
anderes ausgedrückt
die Betriebsvorrichtung. Die Vorrichtung wurde als Einheit beschrieben,
die getrennt von der Unterbrechungsschalterkammer angeordnet ist,
obwohl klar erkennbar ist, dass diese zwei Komponenten in Wirklichkeit
zusammengebaut sind.
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2 stellt
eine erste Ausführungsform
der Betriebsvorrichtung 2 eines elektrischen Stromkreisunterbrechungsschalters
dar, der ein Konstruktionsprinzip einer ähnlichen wie der mit Bezug
zu 1 beschriebenen Art hat. Die Betriebsvorrichtung 2 umfasst
einen Elektromotor 6, der in einem Gehäuse 7 angeordnet ist.
Ein Ende des Gehäuses
ist an einer Befestigungsplatte 8 befestigt, die von einem
Gestell in geeigneter Weise, beispielsweise mit Hilfe von Befestigungsschraubenbolzen,
die durch Löcher 9 in der
Platte 8 verlaufen, getragen wird. Ein aus Porzellan hergestellter
hohler Isolierungspfosten 9' erstreckt
sich beispielsweise in der Figur nach oben, von der dem Motor abgewandten
Seite der Platte. Flansche oder Grate 10 sind auf der Außenseite
des Isolierungspfostens 9' angeordnet,
um eine verlängerte
Kriechstrecke bereitzustellen. Die Betriebsstange 3 ist
im Inneren des Isolierungspfostens angeordnet. Das obere Ende (nicht
dargestellt) des Isolierungspfostens weist die Strom kreisunterbrechungsschalterkammer
auf, und der bewegliche Kontakt des Unterbrechungsschalters ist
mit der Betriebsstange 3 fest verbunden. Die Betriebsstange 3,
der Isolierungspfosten 9 und der Motor 6 sind
alle koaxial miteinander.
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Ein
Bewegungsübersetzungsmechanismus ist
zur Umwandlung der Drehbewegung des Rotors 13 des Motors
in eine translatorische Bewegung der Betriebsstange 3,
zum Unterbrechen oder Schließen des
Stromkreisunterbrechungsschalters gemäß dem zuvor mit Bezug zu 1 Beschriebenen,
bereitgestellt. Der Bewegungsübersetzungsmechanismus wird
weiter hinten detaillierter beschrieben werden.
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Jedes
Ende des Rotors 13 des Motors ist in dem Motorgehäuse 11 mit
Hilfe eines entsprechenden Lagers 14 und 15 befestigt.
Der Stator 12 des Motors ist an dem Motorgehäuse 11 und
das Motorgehäuse
an der Platte 8 befestigt. Der Rotor 13 hat eine
zentrische axiale Bohrung 30, die sich entlang des größeren Teils
der Länge
des Rotors erstreckt. Die Platte 8 hat eine Öffnung,
die koaxial mit der Motorwelle ist, und in der eine Mutter 16 zur
Umdrehung in einem zweifachwirkenden Schrägkugellager 18 befestigt
ist. Der Außenring 19 des
Lagers 18 ist mit Schraubenbolzen (nicht dargestellt),
die in Bohrungen 20 durch einen Flansch auf dem Außenring
angeordnet sind, an der Platte 8 befestigt. Der Innenring 21 des
Lagers 18 ist nicht drehbar mit der Mutter 16 verbunden.
Der Innenring 21 ist ebenfalls nicht drehbar mit dem Rotor 13 verbunden.
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Eine
Schraube 17, nämlich
eine Gewindestange, erstreckt sich durch die Mutter. Die Gewindegänge der
Mutter 16 und der Schraube 17 wirken im Eingriff
miteinander. Die relative Drehung zwischen der Mutter und der Schraube
wird somit die Schraube veranlassen, axial relativ zur Mutter bewegt
zu werden. Das dem Motor abgewandte Ende der Schraube 17,
d.h., in der Figur das obere Ende der Schraube, ist durch das andere
Ende der Schraube, die sich in eine Bohrung 23 in dem unteren
Ende 24 der Betriebsstange 3 erstreckt, mit der
Betriebsstange 3 des Strom kreisunterbrechungsschalters
verbunden. Die Verbindung wird durch einen diametrisch angeordneten
Zapfen gesichert, der sich durch die Enden der Schraube und Betriebsstange
erstreckt.
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Eine
die Schraube 17 umgebende Führungshülse 26 erstreckt sich
von der Platte 8. Die Führungshülse ist
mit diametrial gegenüberliegenden, sich
axial erstreckenden Führungsschlitzen
oder -bahnen 27 ausgestattet. Der Zapfen 25 erstreckt sich
durch jede Führungsbahn 27 und
ist mit einer Sicherungsscheibe 28 an jedem Ende ausgestattet. Die
Breite der Führungsbahn 27 stimmt
mit dem Durchmesser des Zapfens 25 überein. Die Schraube 17 ist
somit nicht drehbar mit der Führungshülse 26 verbunden.
Umgekehrt wird die Drehung der Führungshülse 26 dadurch
verhindert, dass die Hülse
mit Hilfe von Schraubenbolzen (nicht dargestellt), die durch die
Bohrungen 29 passen, an der Platte 8 befestigt
ist. Der Innendurchmesser der Führungshülse 26 ist
so angepasst, dass die Betriebsstange 3 mit einem kleinen
Abstand dort hinein geschoben werden kann.
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Da
die Mutter 16 aufgrund der Mutterbefestigung axial befestigt
ist, und da die Schraube 17 gegen Drehung durch die zuvor
beschriebene Anordnung fixiert ist, wird die Drehbewegung der Mutter
die Schraube veranlassen, in die Richtung ihrer Längsachse
bewegt zu werden.
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2 stellt
den Unterbrechungsschalterbetriebsteil dar, wenn der Unterbrechungsschalter
in seinem Normalzustand ist, d.h., wenn er geschlossen ist.
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Wenn
der Unterbrechungsschalter zum Unterbrechen des Stroms aktiviert
werden soll, wird der Motor 6 gestartet, so dass sich sein
Rotor 13 vom Anfang der Figur gesehen im Uhrzeigersinn
dreht. Dies führt
dazu, dass die Schraube nach unten verschoben wird und somit den
beweglichen Kontakt 5 (siehe 1) aus dem
Kontakt mit dem festen Kontakt bewegt. Die Länge der zentrischen Bohrung 30 reicht aus,
um der Schraube zu ermöglichen,
um die Entfernung bewegt zu werden, die notwendig ist, um ein Unterbre chen
des Stroms abzuschließen.
Der untere Teil der Betriebsstange 3 wird während dieses Stromunterbrechungsvorgangs
nach unten in die Führungshülse 26 gleiten.
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Der
Motor wird gestoppt, wenn das Unterbrechen des Stroms beendet ist,
wodurch sich das untere Ende der Schraube 17 in der Nähe des Bodens
der Bohrung 30 befinden wird. Der Zapfen 26 wird
sich dann an dem unteren Ende der entsprechenden Führungsbahnen 27 befinden.
Bei einem späteren
Rückstellen
des Stromkreisunterbrechungsschalters wird der Motor gestartet und
dreht sich in umgekehrter Richtung, wodurch die Schraube 17 und
dadurch die Betriebsstange nach oben bewegt wird, bis der bewegliche
Kontakt 5 wieder in Kontakt mit dem festen Kontakt steht,
wodurch die Komponenten erneut in der in 2 dargestellten
Position angeordnet sind.
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Es
ist unerlässlich,
dass der Stromkreisunterbrechungsvorgang sehr schnell stattfindet.
Es ist daher wünschenswert,
dass der Motor eine hohe Drehgeschwindigkeit und eine große Übersetzung hinsichtlich
der Umwandlung in eine translatorische Bewegung hat. Die Schraube
hat daher eine große Gewindesteigung,
wie aus 2 klar erkennbar sein wird.
Ferner werden außerdem
große
Beschleunigungs- und Verzögerungskräfte erreicht.
Es ist somit wichtig, dass die Komponenten, die Trägheitskräften ausgesetzt
sind, die kleinstmögliche
Masse haben. Dies ist der Grund, warum die Betriebsstange 3 hohl ist.
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Wie
aus der Figur erkennbar ist, hat das Gewinde der Schraube mehrere
Gänge.
Dies ermöglicht,
dass die Gewindegänge
einen großen
Winkel erhalten, ohne die Gewinde dabei zu überlasten. Bei einem Steigungswinkel
s = 3 mm/Umdrehung würde eine
translatorische Bewegung des Unterbrechungsschalters von 3 mm mit
jeder Umdrehung des Motors erreicht werden. Bei acht Gängen und
einem entsprechend hohen Steigungswinkel (Steigung) wird die translatorische
Bewegung 24 mm/Umdrehung sein und wird 36 mm/Umdrehung im Fall von
zwölf Gängen sein.
Dementsprechend benötigen
zwölf Gänge 3,33
Umdrehungen des Motors, um eine Unterbrechungsschalterbewegung mit
einer Bewegungslänge
von 120 mm zu erhalten.
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3 stellt
eine alternative Ausführungsform des
Bewegungsübersetzungsmechanismus
dar. Der größte Unterschied
zwischen der in 2 dargestellten Ausführungsform
und der in 3 dargestellten Ausführungsform
ist der, dass die Mutter der Ausführungsform von 2 rotiert
und die Bewegung der Schraube translatorisch ist, wohingegen in
der Ausführungsform
von 3 die Schraube rotiert und die Bewegung der Mutter
translatorisch ist. Im letzteren Fall ist die Schraube 117 nicht
drehbar mit dem oberen Zapfen 132 des Rotors 113 verbunden.
Das untere Ende der Schraube ist an diesem Ende mit einer zentrischen
Axialbohrung 131 versehen, deren Durchmesser mit dem Durchmesser
der Rotorwelle übereinstimmt.
Der Zapfen 132 wird in die Bohrung 131 eingesetzt
und durch einen Splint oder ähnlichen Zapfen
gegen Drehung gesichert.
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Der
Motor wird in dieser Ausführungsform außerdem an
einer Seite einer Befestigungsplatte 108 befestigt, und
ein Isolierungspfosten 109, der eine Betriebsstange 103 und
eine Unterbrechungsschalterkammer aufweist, erstreckt sich von der
gegenüberliegenden
Seite der Platte. Die Schraube 117 ist in zwei Schrägkugellagern 118a, 118b befestigt, die
in dem Motorgehäuse 111 angeordnet
sind. Die Schraube ist damit axial fixiert. Somit ist die Schraube 117 zum
Drehen mit dem Rotor 113 des Motors angeordnet, ist jedoch
in ihrer axialen Richtung unbeweglich.
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Eine
Mutter 116 wirkt zusammen mit dem Gewinde auf der Schraube 117.
Die Mutter 116 ist durch auf der Mutter bzw. der Betriebsstange
angeordnete Befestigungsflansche 133, 134 nicht
drehbar mit der Betriebsstange 103 verbunden. Die Betriebsstange 103 ist
hohl und hat einen Innendurchmesser, der ausreicht, um Platz für die Schraube 117 bereitzustellen.
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Die
Mutter 116 umfasst des Weiteren eine Vorrichtung, die eine
Drehung der Mutter verhindert. Die Vorrichtung umfasst zwei Arme 135,
von denen jeder ein an einem ihrer Enden angeordnetes Rad 136 aufweist.
Eine sich axial erstreckende Bahn 137 ist in derselben
radialen Position wie die entsprechenden Räder 136 bereitgestellt.
Die Bahn kann die Form einer geschlitzten Röhre haben. Jedes Rad 136 soll
in den entsprechenden Bahnen 137 laufen. Diese Anordnung
ermöglicht,
dass die Mutter 116 gegen Drehung festgehalten wird, während sich
die Mutter axial bewegen darf.
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Da
die Schraube 117 so befestigt ist, dass sie in axialer
Richtung nicht beweglich ist und die Mutter 116 durch die
beschriebene Anordnung gegen ein Drehen fixiert ist, wird die Drehbewegung
der Schraube 117 somit die Mutter 116 zwingen,
sich axial zu bewegen.
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3 stellt
den Unterbrechungsschalter im geöffneten
Zustand dar. Der Unterbrechungsschalter wird durch Drehung des Rotors 113 des
Motors in einer Richtung geschlossen, so dass die Mutter 116 nach
oben bewegt wird, und somit die Betriebsstange 103, mit
der der bewegliche Kontakt verbunden ist, nach oben geschoben wird.
Ein Unterbrechen des Stroms wird durch Drehen des Rotors 113 in
entgegengesetzter Richtung bewirkt.
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4 stellt
eine alternative Ausführungsform eines
Teils der Ausführungsform
von 3 dar. Diese alternative Ausführungsform ist somit die Art,
in der die Schraube 117 rotiert und die Bewegung der Mutter 116 translatorisch
ist. Die Mutter 116 ist in zwei Teile aufgeteilt, d.h.,
einen mit der Betriebsstange 103 verbundenen oberen Teil 116a und
einen unteren Teil 116b. Die zwei Teile sind in geeigneter
Weise nicht drehbar miteinander verbunden. Jeder Teil der Mutter
hat auf seiner Innenseite, d.h., die Seite, die in Richtung des
anderen Teils zeigt, Ausschnitte oder Aussparungen 138a, 138b,
die um das zentrale Loch herum angeordnet sind. In dem dargestellten Fall
haben die entsprechenden Aussparungen 138a, 138b die
Form eines Kegelstumpfes, wobei die Kegelspitze von dem anderen
Teil weggerichtet ist. Die Aussparungen legen dazwischen eine Kammer 139 in
der zweiteiligen Mutter 116 fest. Die Kammer 139 umgibt
die Schraube 117, die sich durch die Mutter 116 erstreckt,
und ist mit Schmiermittel 140 gefüllt, beispielsweise einem Pulver
oder einer Paste, die Partikel von Molybdändisulfid und/oder Graphit
aufweist. Das Schmiermittel hat die Funktion des Schmierens der
Gewindegänge
der Schraube. Diese Gewindegänge
werden jedes Mal geschmiert, wenn der Unterbrechungsschalter betätigt wird,
wenn die Mutter, je nachdem, ob der Stromkreis geschlossen oder
geöffnet
wird, nach oben oder unten entlang der Schraube geschraubt wird.
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Aufgrund
der Kegelform der Wand wird das Schmiermittel mit einer kraftvollen
Beschleunigung nach außen
in eine Richtung hin zur Kegelspitze gedrückt werden, wobei die Beschleunigung
bis zu 500 m2 erreichen kann, um effektiv
in die Gewindegänge eindringen
zu können.
Ein loser Dichtungsring oder eine lose Platte 114 ist ebenfalls
in dem Hohlraum 139 angeordnet. Dieser Dichtungsring trägt des Weiteren
zur Förderung
der Verdrängung
des Schmiermittels 139 nach außen zu den Gewindengängen bei.
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5 ist
eine vergrößerte Querschnittsdarstellung
eines Teils der Ausführungsform
von 2, nämlich
die gegenseitig wirkenden Gewinde der Schraube 17 und der
Mutter 16. Diese Gewinde sind trapezförmig. Die Flanken 42 des
Schraubengewindes und/oder die Flanken 43 des Muttergewindes sind
mit einer molykoteR-Schicht von ungefähr 10-20 mμ Dicke beschichtet. Der Reibungskoeffizient
wird somit ungefähr
0,05 sein.
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7 stellt
eine Ausführungsform
dar, in der zwei Motoren 6a, 6b zum Antreiben
eines Stromkreisunterbrechungsschalters verwendet werden. Jeder
Motor treibt durch ein entsprechendes Zahnrad 50a, 50b das
Zahnrad 51 auf einer Abtriebswelle 52 an. Die
Abtriebswelle ist mit einem Bewegungsumwandlungsmechanismus der
in 2 oder 3 dargestellten Art verbunden.
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Der
erfinderische Unterbrechungsschalter kann sowohl zum Einpol-Unterbrechen als
auch zum Dreipol-Unterbrechen verwendet werden.
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Elektrischer
Strom kann dem Motor von einer Kondensatorbank, einer Batterie oder
von einem elektrischen Netz geliefert werden.
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6 stellt
eine elektrische Anlage dar, die einen Teil einer elektrischen Schaltausrüstung aufweist.
Ein Eingangsleiter 200 ist über einen Transformator 206 und
einen ersten Stromkreisunterbrechungsschalter 201 mit einer
Sammelschiene 202 verbunden. Verbraucherleitungen erstrecken
sich von der Sammelschiene 202 über einen entsprechenden Stromkreisunterbrechungsschalter 205 zu entsprechenden
Lasten 204. Jeder Unterbrechungsschalter 201 und 205 ist
gemäß dem erfinderischen Unterbrechungsschalter
aufgebaut.