Die vorliegende Erfindung betrifft einen verbesserten Niederspannungsschütz. Insbesondere betrifft die Erfindung einen verbesserten Niederspannungsschütz, welcher in Anwendungen der Niederspannungs-Leistungsverteilung verwendet wird (d.h. für Spannungswerte unter 1 KV). Die Verwendung von Niederspannungsschützen ist in dem Stande der Technik allgemein bekannt. Diese Art von Geräten wird im Allgemeinen verwendet, wenn es notwendig ist, den Nennstrom in einer Niederspannungs-Leistungsverteilungsleitung zu unterbrechen. Es sei auf 1 Bezug genommen. Hier ist schematisch das Funktionsprinzip eines bekannten dreipoligen Niederspannungsschütz dargestellt. Ein Niederspannungsschütz (Bezugszeichen 1) enthält im Allgemeinen feststehende Kontakte 2 und bewegliche Kontakte 3. Wie in 1 gezeigt ist, kann der Niederspannungsschütz 1 ein dreipoliger Schalter sein, was bedeutet, dass er drei elektrische Phasen oder Pole aufnimmt, von denen jede bzw. jeder einen feststehenden Kontakt 2 und einen beweglichen Kontakt 3 aufweist. Auch sind Schütze in vierpoliger Ausführung im Stande der Technik in breitem Gebrauch. Die beweglichen Kontakte 3 werden relativ zu den feststehenden Kontakten 2 während des Schließungs- bzw. Öffnungsvorganges des Niederspannungsschütz 1 gekoppelt bzw. entkoppelt. Der Niederspannungsschütz 1 enthält im Allgemeinen Betätigungsmittel (allgemein durch die Bezugszahl 4 bezeichnet), welche für das Koppeln bzw. Entkoppeln der beweglichen Kontakte 3 und der feststehenden Kontakte 2 verwendet werden. Die Betätigungsmittel 4 enthalten eine elektromagnetische Anordnung mit einer Spule 5, welche auf die feststehenden Kontakte 2 gewickelt ist, und einem metallischen Element 6, das mechanisch mit den beweglichen Kontakten 3 gekoppelt ist. Weiter enthalten die Betätigungsmittel 4 auch ein Federelement 7, das mechanisch zwischen die feststehenden Kontakte 2 und die beweglichen Kontakte 3 eingekoppelt ist. Während des Schließungsvorganges des Niederspannungsschütz 1 wird ein Hilfsstrom 8 in die Spule oder Wicklung 5 eingeführt, so dass ein magnetisches Feld entsteht. Die Feldlinien dieses magnetischen Feldes konzentrieren sich in dem Metallelement 6, welches daher einer magnetischen Anziehungskraft 10 ausgesetzt wird. Die beweglichen Kontakte 3 können so mit den Kontakten 2 in Berührung gebracht werden und der Phasenstrom 12 kann fließen. Es sei bemerkt, dass gleichzeitig das Federelement 7 zusammengedrückt wird und darin eine bestimmte Menge elastischer Energie gespeichert wird. Während des Öffnungsvorganges des Niederspannungsschütz 1 wird der Hilfsstrom 8 nicht mehr in die Spule oder Wicklung 5 eingeführt, so dass die magnetische Anziehungskraft 10 zu Null wird. Die beweglichen Elemente 3 sind daher nur noch der elastischen Reaktionskraft des Federelementes 7 ausgesetzt. Durch die Freigabe der elastischen Energie, welche während des Schließungsvorganges gespeichert worden ist, wird eine Entkopplung der beweglichen Kontakte 3 von den feststehenden Kontakten 2 erzielt. Der Phasenstrom 12 kann daher nicht mehr fließen. Die Niederspannungsschalter oder -schütze nach dem Stande der Technik weisen bestimmte Nachteile auf. In der Praxis muss auf die Spule 5 ein schwieriger und komplizierter Bemessungsaufwand gerichtet werden, um ein zufrieden stellendes Niveau der Wirkungsweise und Zuverlässigkeit sicherzustellen. Andere Nachteile beruhen auf der Tatsache, dass der Hilfsstrom 8, welcher der Spule 5 zugeführt werden muss, verhältnismäßig hohe Werte erreichen muss, um zufrieden stellende Zeiten für den Schließvorgang zu erreichen. Weiter muss der Hilfsstrom 8 kontinuierlich zugeführt werden, um die Verbindung der feststehenden und beweglichen Kontakte sicherzustellen und dadurch den Schließungszustand des Niederspannungsschütz oder Niederspannungsschalters beizubehalten. Diese Tatsachen führen oft zu einem verhältnismäßig hohen Leistungsverbrauch des Niederspannungsschütz. Darüber sind die Gesamtabmessungen des metallischen Elementes 6 verhältnismäßig groß und können nicht ohne weiteres vermindert werden. Offensichtlich führen diese Tatsachen dazu, dass die Herstellungskosten und Installationskosten des Niederspannungsschütz verhältnismäßig hoch sind.

Ein Beispiel eines herkömmlichen Niederspannungsschütz für Anwendung im Niederspannungsbereich ist in der Patentanmeldung US 5170088 aufgeführt. Das wesentliche Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher einen Niederspannungsschütz für Anwendungen in der Leistungsverteilung im Niederspannungsbereich zu schaffen, welcher die Nachteile, wie sie oben beschrieben wurden, vermeidet.

Unter diesem Aspekt ist es ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Niederspannungsschütz zu schaffen, der eine bemerkenswert vereinfachte Struktur hat.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Niederspannungsschütz, welcher eine Kopplung bzw. Entkopplung der beweglichen Kontakte gegenüber den feststehenden Kontakten des Niederspannungsschütz mit einem Leistungsverbrauch vernachlässigbarer Größe ermöglicht.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Niederspannungsschütz, welcher die Aufrechterhaltung des Kopplungszustandes der elektrischen Kontakte mit einem vernachlässigbaren Wert des Leistungsverbrauches ermöglicht.

Wiederum ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Niederspannungsschütz, welcher leicht zu steuern ist und welcher das Erreichen eines verhältnismäßig hohen Niveaus der Zuverlässigkeit ermöglicht. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Niederspannungsschütz, welcher durch einen niedrigeren Gesamtraumbedarf und eine Verminderung der Herstellungskosten und Installationskosten gekennzeichnet ist.

Dieser Aspekt sowie die genannten und weitere Ziele, welche nachfolgend offensichtlich gemacht sind, werden durch einen Niederspannungsschütz für Niederspannungs-Leistungsverteilungszwecke erreicht, wie er in Anspruch 1 und den abhängigen Ansprüchen definiert ist.

Weitere charakteristische Merkmale und Vorteile des Niederspannungsschütz gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend im Einzelnen beschrieben, wobei insbesondere auf die zugehörigen Zeichnungen Bezug genommen wird. Es stellen dar:

1 eine schematische Darstellung eines Niederspannungsschütz bekannter Art;

2 ein Blockschaltbild, welches schematisch den grundsätzlichen Aufbau des Niederspannungsschütz gemäß der vorliegenden Erfindung aufzeigt;

3 die schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des Niederspannungsschütz gemäß der vorliegenden Erfindung;

4 eine schematische Darstellung einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Niederspannungsschütz gemäß der vorliegenden Erfindung;

5 eine schematische Darstellung einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Niederspannungsschütz gemäß der vorliegenden Erfindung;

6 eine schematische Darstellung wiederum einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Niederspannungsschütz gemäß der vorliegenden Erfindung.

Es sei nun auf 2 Bezug genommen. Die Bezugszahl 10 bezeichnet ein Blockschaltbild, welches den grundsätzlichen Aufbau eines Niederspannungsschütz für Anwendungen der Leistungsverteilung im Niederspannungsbereich gemäß der vorliegenden Erfindung wiedergibt.

Der Niederspannungsschütz 10 enthält mindestens einen feststehenden Kontakt 11 und einen beweglichen Kontakt 12. Der bewegliche Kontakt 12 wird während des Schließungs- bzw. Öffnungsvorganges des Niederspannungsschütz 10 relativ zu dem feststehenden Kontakt 11 gekoppelt bzw. entkoppelt. Der Niederspannungsschütz 10 enthält weiter eine Bewegungserzeugungseinrichtung 13, welche wirkungsmäßig mit dem beweglichen Kontakt 12 durch eine Bewegungsübertragungseinrichtung 14 verbunden ist. Die Bewegungserzeugungseinrichtung 13 enthält mindestens eine piezoelektrische Antriebseinrichtung 15, welche wirkungsmäßig mit der Bewegungsübertragungseinrichtung 14 verbunden ist, so dass der bewegliche Kontakt 12 relativ zu dem feststehenden Kontakt 11 während des Schließungs- bzw. Öffnungsvorgangs des Niederspannungsschütz 10 gekoppelt bzw. entkoppelt wird. Die piezoelektrische Antriebseinrichtung 15 enthält vorteilhafter Weise eine Statoranordnung 16 mit mindestens einer piezoelektrischen Anordnung 17, die wirkungsmäßig mit einem Statorgestell 18 verbunden ist. Die piezoelektrische Antriebsanordnung 15 enthält weiter eine Rotoranordnung 19, welche wirkungsmäßig mit dem Statorgestell 18 verbunden ist. Der Niederspannungsschütz gemäß der vorliegenden Erfindung kann einen elektrischen Pol oder mehrere elektrische Pole enthalten, von denen jeder mindestens einen beweglichen Kontakt 12 und einen feststehenden Kontakt 11 aufweist. Insbesondere kann der Niederspannungsschütz gemäß der vorliegenden Erfindung ein dreipoliger Schalter oder ein vierpoliger Schalter sein.

Nunmehr sei auf 3 Bezug genommen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Niederspannungsschütz 10 enthält das Statorgestell 18 der Statoranordnung 16 ein bewegliches haubenförmiges Element 21 (in 3 teilweise gezeigt), das mit einer Innenfläche 22 und einer Außenfläche 23 versehen ist. Gemäß der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform enthält die piezoelektrische Anordnung 17 eine Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen 24, welche mechanisch mit der Innenfläche 22 gekoppelt sind. Die piezoelektrischen Elemente 24 werden vorteilhafter Weise durch vorbestimmte Erregungssignale 25 angeregt, so dass eine elliptische Bewegung 26 der Außenfläche 23 des haubenförmigen Elementes 21 festgelegt wird. Vorteilhafter Weise werden zwei verschiedene Teile (nicht dargestellt) der piezoelektrischen Elemente 24 mit Anregungssignalen 25 beaufschlagt, welche zwei unterschiedliche Ultraschall-Anregungssignale umfassen, die um 90° verschoben sind. Die piezoelektrischen Elemente schwingen mit einem 90°-Phasenunterschied. Diese Schwingung überträgt sich auf das haubenförmige Element 21. Für den Zweck der Verbesserung der Übertragung der Schwingungen kann eine Ausgleichsmasse 9 verwendet werden. Diese Tatsache führt zu einer Erzeugung von zwei 90°-verschobenen "Wanderwellen" (nicht dargestellt) auf der Außenfläche 23 des haubenförmigen Elementes 21. In dieser Weise führt jeder Punkt der Außenfläche 23 eine elliptische Bewegung 26 aus. Vorzugsweise enthält die Rotoranordnung 19 einen Rotorstab 27, der mechanisch mit der Außenfläche 23 des beweglichen, haubenförmigen Elementes 21 gekoppelt ist, so dass er einer Bewegung 28 linearer Art unterworfen ist. Vorteilhafter Weise enthält die Bewegungsübertragungseinrichtung 14 ein Bewegungsübertragungselement 29, das wirkungsmäßig mit dem Rotorstab 27 und mit dem beweglichen Kontakt 12 verbunden ist. Auf diese Weise kann eine Bewegung 30 auf den beweglichen Kontakt 12 übertragen werden, welcher relativ zu dem feststehenden Kontakt 11 mit diesem gekoppelt bzw. entkoppelt werden kann. Während des Schließvorganges des Niederspannungsschütz 10 kann daher der bewegliche Kontakt 12 längs einer Richtung 31 bewegt werden, so dass er mit dem feststehenden Kontakt 11 gekoppelt wird. Es sei bemerkt, dass der bewegliche Kontakt 12 in dieser Position in einer "passiven" Weise gehalten werden kann, wobei im Wesentlichen kein Verbrauch elektrischer Leistung auftritt. Um den beweglichen Kontakt 12 in Position zu halten, reicht es tatsächlich aus, die Zufuhr der vorbestimmten Anregungssignale 25 zu den piezoelektrischen Elementen 24 zu unterbrechen. In diesem Falle beenden die piezoelektrischen Elemente 24 ihre Schwingung und es werden auf der Außenfläche 23 keine Wandernden Wellen mehr erzeugt. Da der Rotorstab 27 mechanisch mit der Außenfläche 23 gekoppelt ist, verhindern Haftreibungskräfte, dass der Rotorstab 27 sich relativ zu der Außenfläche 23 bewegt. Der bewegliche Kontakt 12 kann sich daher nicht mehr bewegen. Während des Öffnungsvorganges des Niederspannungsschütz 12 können die piezoelektrischen Elemente 24 in einer Art und Weise angeregt werden, welche es ermöglicht, dass sich der bewegliche Kontakt 12 längs einer Richtung 23 bewegt, so dass er von dem feststehenden Kontakt 11 entkoppelt wird. Dies kann in einfacher Weise durch Mittel der Umkehrung der Phasenverzögerung der vorbestimmten Anregungssignale erreicht werden. Es sei nunmehr 4 betrachtet. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Niederspannungsschütz 10 enthält das Statorgestell 18 der Statoranordnung 16 ein Flanschelement 41. Das Flanschelement 41 ist mit einer Basiswand 43 und einer aufragenden Wand 42 versehen, welche von der Basiswand 43 im Wesentlichen vertikal absteht. Wie in 4 gezeigt ist (, wobei nur ein Teil 44 des Flanschelementes 41 dargestellt ist), enthält die piezoelektrische Anordnung 17 eine Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen 45. Die piezoelektrischen Elemente 45 sind mechanisch mit der Basiswand 43 gekoppelt. Vorteilhafterweise können die piezoelektrischen Elemente 45 durch vorbestimmte Anregungssignale (nicht dargestellt) angeregt werden, so dass eine elliptische Bewegung 46 der aufragenden Wand 42 vorgegeben wird. Gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Rotoranordnung 19 eine Rotorscheibe 51 (in 4 nicht dargestellt, jedoch in den 5 und 6 gezeigt). Die Rotorscheibe 51 ist mechanisch mit der aufragenden Wand 42 gekoppelt, so dass sie einer Rotationsbewegung unterworfen ist.

Die Tatsache, dass die Rotorscheibe 51 eine Drehbewegung übertragen kann, gestattet es, verschiedene Ausführungsformen des Niederspannungsschütz gemäß der vorliegenden Erfindung zu verwirklichen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, welche in 5 gezeigt ist, enthält die Bewegungsübertragungseinrichtung 14 eine Welle 52, welche mechanisch mit der Rotorscheibe 51 verbunden ist. Auf der Welle 52 ist ein Nocken 53 mechanisch festgelegt. Der Nocken 53 kann mechanisch mit dem beweglichen Kontakt 12 zusammenarbeiten, so dass er eine Bewegung auf den beweglichen Kontakt 12 überträgt. Gemäß dieser Ausführungsform des Niederspannungsschütz nach der vorliegenden Erfindung sind Federmittel 54 mechanisch zwischen dem beweglichen Kontakt 12 und dem feststehendem Kontakt 11 vorgesehen. Die Federmittel 54 sind in solcher Weise angeordnet, dass sie während des Schließvorganges des Niederspannungsschütz 10 komprimiert werden. Während des Schließvorganges des Niederspannungsschütz 10 rotiert der Nocken 53 in Richtung des Pfeils 34. In dieser Weise wird der bewegliche Kontakt 12 (in Richtung des Pfeils 31) in Richtung auf den feststehenden Kontakt 11 vorgeschoben, so dass er mit ihm gekoppelt wird. Während der Bewegung des beweglichen Kontaktes 12 wird das Federelement 54 zusammengedrückt und ein bestimmter Betrag der elastischen Energie wird darin gespeichert. Es sei bemerkt, dass der bewegliche Kontakt 12 in dieser Position in passiver Weise gehalten werden kann, wobei im Wesentlichen kein Verbrauch von elektrischer Leistung stattfindet. Praktisch kann der Nocken 53 mittels der Haftreibungskräfte zwischen der Rotorscheibe 51 und dem ringförmigen Element 51 festgehalten werden, wenn die piezoelektrischen Elemente 45 nicht mehr mit den vorbestimmten Anregungssignalen beaufschlagt werden. Während des Öffnungsvorganges des Niederspannungsschütz 10 werden die piezoelektrischen Elemente 45 in solcher Weise angeregt, dass der Nocken 53 in der Richtung des Pfeils 35 bewegt wird. Der bewegliche Kontakt 12 wird daher von dem Nocken 53 entkoppelt. Das Federelement 54 wird freigegeben, um die gespeicherte elastische Energie durch Wirksamwerden einer Federreaktion 55 freizusetzen, wodurch der bewegliche Kontakt 12 von dem feststehenden Kontakt 11 in Richtung des Pfeils 32 wegbewegt wird.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Bewegungsübertragungsmittel 14 eine Welle 52 enthalten, welche mechanisch mit der Rotorscheibe 51 verbunden ist. Ein Ritzel 56 ist auf der Welle 52 mechanisch festgelegt. Das Ritzel 56 wirkt mechanisch mit einer Zahnstange 57 zusammen, welche mechanisch mit dem beweglichen Kontakt 12 verbunden ist, so dass eine Bewegung auf den beweglichen Kontakt 12 übertragen wird. Während des Schließvorganges des Niederspannungsschütz 10 dreht sich das Ritzel 56 in Richtung des Pfeils 36. Auf diese Weise wird der bewegliche Kontakt 12 in Richtung des Pfeils 31 gegen den feststehenden Kontakt 11 vorwärts geschoben, so dass er damit in Kontakt gerät. Es sei bemerkt, dass auch in diesem Falle der bewegliche Kontakt 12 in dieser Position in passiver Weise gehalten werden kann, wobei im Wesentlichen kein Verbrauch elektrischer Leistung stattfindet. Praktisch kann das Ritzel 56 durch die Haftreibungskräfte festgehalten werden, welche zwischen der Rotorscheibe 51 und dem ringförmigen Element 41 auftreten, wenn einmal die piezoelektrischen Elemente 45 nicht mehr mit den Anregungssignalen beaufschlagt werden. Während des Öffnungsvorganges des Niederspannungsschütz 10 werden die piezoelektrischen Elemente 45 in einer Art und Weise angeregt, welche eine Bewegung des Ritzels 56 in Richtung des Pfeils 37 ermöglicht. Der bewegliche Kontakt 12 wird somit von dem feststehenden Kontakt 11 in Richtung des Pfeils 32 weg geschoben. Der Niederspannungsschütz gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht das Erreichen der beabsichtigten Ziele und der zu lösenden Aufgaben.

Praktisch gestattet die Verwendung der piezoelektrischen Antriebsanordnung 17 zur Bewegung des beweglichen Kontaktes 12 das Vermeiden des Einsatzes elektromagnetischer Anordnungen, welche die Einführung von Hilfsströmen notwendig machen.

Die Erzeugung der Bewegung durch die piezoelektrische Antriebsanordnung ist, wie in den bevorzugten Ausführungsbeispielen dargestellt ist, hauptsächlich mechanischer Art. Diese Eigenschaft ermöglicht das Erzielen beachtlicher Vorteile, beispielsweise der Verbrauch vernachlässigbarer Mengen von elektrischer Leistung zur Bewegung des beweglichen Kontaktes 12 und, vornehmlich, zur Haltung des beweglichen Kontaktes in der Schließstellung.

Weiter hat sich in der Praxis erwiesen, dass die piezoelektrische Antriebsanordnung 17 es ermöglicht, hohe Drehmomentwerte bei niedriger Geschwindigkeit und verhältnismäßig verminderte Ansprechzeiten zur erzielen. Darüber hinaus hat sich der Niederspannungsschütz gemäß der vorliegenden Erfindung auf Grund des Fehlens elektromagnetischer Anordnungen, welche die Verwendung von Wicklungsstrukturen benötigen, als bezüglich Gewicht und Größe stark verminderte Konstruktion erwiesen.

Diese Tatsachen in Verbindung damit, dass eine bemerkenswerte Verminderung der operativen Elemente erzielt wird, welche zur Durchführung der Vorgänge in dem Niederspannungsschütz erforderlich sind, gestatten es, verhältnismäßig niedrige Herstellungskosten und Installationskosten zu erreichen.