CN112041962A

CN112041962A - 开关装置

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Publication number: CN112041962A
Application number: CN201980030880.8A
Authority: CN
Inventors: R·霍夫曼; K·Y·张
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2018-05-07
Filing date: 2019-05-03
Publication date: 2020-12-04
Anticipated expiration: 2039-05-03
Also published as: CN112041962B; DE102018110920B4; CN117711881A; DE102018110920A1; US20210057178A1; US11551898B2; WO2019215047A1

Abstract

说明一种开关装置，该开关装置在具有包含H₂的气体的开关室（11）中具有至少一个固定的触头（2、3）和一个活动的触头（4），其中所述活动的触头（4）能够借助于具有轴（7）的衔铁（5）来运动，所述轴（7）从磁轭（9）中的开口（29）中穿过，所述磁轭（9）是磁路的一部分，并且在所述磁轭（9）的开口（29）中布置了用于对所述轴（7）进行导引的由塑料构成的轴套（20）。

Description

开关装置

技术领域

说明一种开关装置。

背景技术

所述开关装置尤其被构造为能够通过导电电流来运行的、以电磁方式起作用的遥控开关。所述开关装置能够通过控制电路来激活并且能够转换负载电路。尤其所述开关装置能够被构造为继电器或者接触器、尤其是被构造为功率接触器。特别优选的是，所述开关装置能够被构造为充气的功率接触器。

这样的开关装置、尤其是功率接触器的一种可能的应用是比如机动车、比如用电或者部分用电来运行的机动车中的电池电路的断开和分开。这些机动车比如能够是纯粹用电池来运行的车辆（BEV：“Battery Electric Vehicle”）、能够通过插座或者充电站来充电的混合电动车（PHEV：“Plug-in Hybrid Electric Vehicle”）以及混合电动车（HEV：“Hybrid Electric Vehicle”）。在此，通常不仅所述电池的正触头而且其负触头都借助于功率接触器来分开。这种分开在正常运行中、比如在车辆的静止状态中并且也在故障的情况下、比如在出现事故或者类似情况中进行。在此，所述功率接触器的主要任务是，将车辆转换为不通电的状态并且中断电流。

这样的接触器的核心特征是可预料的使用寿命，这表现在转换周期、也就是接通和切断过程。目前的要求在1百万次转换周期以上。因此，重要的是，尤其为内部的活动的组件选择合适的材料，以用于减少或者避免会缩短使用寿命的磨损效应。对于充气的接触器来说，气体氛围在此向所使用的材料提出特殊的挑战，因为不是所有材料都适合于放入到比如含氢量大的氛围中。此外，值得追求的是，在组装时并且在运行中不妨碍气体交换或者气体运动，尤其以便在运行中不会出现活动的芯部的减速。

已知的基于陶瓷的开关室的充气的接触器使用用于对活动的组件进行导引的金属-金属-滑动轴承。得到广泛使用的材料混合物是作为轴材料的优质钢与作为磁轭及芯部材料的纯铁。但是，这两个材料配对物的摩擦在几十万次的转换周期之后产生金属细磨粒，所述金属细磨粒会堵塞机械***。这也是为什么常见的接触器通常仅仅具有二十万次转换周期的使用寿命的原因。

具有金属-金属-轴承的活动的***的导引的另一个问题是必需的非常狭窄的配合部。这些配合部对组装期间的气体交换产生影响，因为小的泵送横截面导致填充时间的延长并且在运行期间因为气体由于因狭窄的配合部所引起的小的泵送横截面而不能跟随机械***的运动并且导致开关过程的延迟。

发明内容

特定的实施方式的至少一项任务是，说明一种开关装置、特别优选是以下开关装置，对于所述开关装置来说能够减少或者甚至防止所描述的缺点。

该任务通过按照独立权利要求的主题来解决。所述主题的有利的实施方式和改进方案在从属权利要求中得到表明并且此外可以从以下说明及附图中获知。

按照一种实施方式，开关装置具有至少一个固定的触头和至少一个活动的触头。所述至少一个固定的触头和所述至少一个活动的触头被设置并且被设立用于接通并且切断能够连接到所述开关装置上的负载电路。所述活动的触头能够在开关装置中相应地如此在开关装置的非接通的状态与接通的状态之间运动，使得所述活动的触头在开关装置的非接通的状态中与至少一个固定的触头隔开并且由此在电方面分开并且在接通的状态中与至少一个固定的触头具有机械接触并且由此在电方面与至少一个固定的触头相连接。特别优选的是，所述开关装置具有至少两个固定的触头，它们彼此分开地布置在开关装置中并且它们通过这种方式按所述活动的触头的状态通过所述活动的触头能够导电地彼此连接或者能够在电方面彼此分开。

按照另一种实施方式，所述开关装置具有壳体，在该壳体中布置有所述活动的触头和所述至少一个固定的触头或者所述至少两个固定的触头。所述活动的触头尤其能够完全布置在所述壳体中。固定的触头布置在所述壳体中，这尤其能够意味着，至少所述固定的触头的、在接通的状态中与活动的触头处于机械接触之中的接触区域布置在所述壳体的内部。为了连接有待通过开关装置来转换的电路的馈电线，布置在壳体中的固定的触头能够从外部、也就是从所述壳体的外部来电接触。为此，布置在所述壳体中的固定的触头能够以一个部件从壳体中伸出来并且在壳体的外部具有用于馈电线的连接可行方案。

按照另一种实施方式，所述触头布置在壳体中的气体氛围中。这尤其能够意味着，所述活动的触头完全布置在壳体中的气体氛围中并且此外所述固定的触头的至少一些部件、比如所述固定的触头的接触区域布置在壳体中的气体氛围中。所述开关装置能够相应地特别优选是充气的开关装置、像比如充气的接触器。

按照另一种实施方式，所述触头、这意味着所述活动的触头完全地并且所述固定的触头的至少一些部件布置在壳体内部的开关室中，在所述开关室中存在着气体、也就是气体氛围的至少一部分。所述气体能够优选具有至少50%H₂的份额。作为氢的补充，所述气体能够具有惰性气体、特别优选是N₂和/或一种或多种稀有气体。

按照另一种实施方式，所述活动的触头能够借助于衔铁来运动。所述衔铁为此尤其能够具有轴，该轴在一个端部上如此与所述活动的触头相连接，使得所述活动的触头能够借助于所述轴来运动、也就是说在所述轴运动时通过该轴同样进行运动。所述轴尤其能够通过开关室中的开口来伸入到所述开关室的里面。所述衔铁能够通过磁路来运动，以用于引起前面所描述的开关过程。为此，所述磁路能够具有磁轭，该磁轭具有开口，所述衔铁的轴从所述开口中穿过。所述轴能够优选具有优质钢或者由其构成。所述磁轭能够优选具有纯铁或者低掺杂的铁合金或者由其构成。

按照另一种实施方式，在所述磁轭的开口中布置有轴套。所述轴套具有塑料并且尤其被构造用于导引所述轴。为此，所述轴套具有导引开口、尤其是柱筒形的导引开口，所述轴布置在所述导引开口中。尤其所述轴能够在所述导引开口中从所述轴套中穿过。所述导引开口和所述轴能够具有很狭窄的配合部，以用于能够实现对于所述轴的精确的导引。换句话说，所述导引开口能够具有以下直径，所述直径仅仅比所述轴的直径大一点，使得所述轴能够基本上仅仅沿着导引开口延伸方向来运动并且能够避免所述轴在导引开口中的扭曲。特别优选的是，所述轴相对于磁轭无接触地在所述轴套中得到导引，从而能够防止轴与磁轭之间的磨损。

按照另一种实施方式，所述轴套通过挤压配合被固定在磁轭的开口中。由此，所述轴套能够被固定在所述磁轭的开口中。尤其所述轴套能够具有至少部分地与磁轭的开口的内壁处于接触之中的外表面。

按照另一种实施方式，在所述轴套的外表面中构造有至少一条通道。所述通道能够从轴套的背向活动的触头的一侧伸展到其朝向活动的触头的一侧。在所述通道的区域中，所述轴套的外表面能够与磁轭的开口隔开，从而形成开口内壁与轴套外表面之间的、通过磁轭的开口来伸展的空隙，所述空隙允许通过所述磁轭的开口进行气体交换。因为所述轴在轴套的导引开口中得到导引，所以所述至少一条通道和所述轴彼此分开并且所述至少一条通道对轴导引没有负面影响。由此，所述轴导引和所述气体交换彼此分开。特别优选的是，所述至少一条通道能够平行于所述轴来伸展。

按照另一种实施方式，在所述轴套的外表面中存在多条通道。所述通道能够如前面所描述的那样来构成。尤其所述通道能够以有规律的间隔围绕着所述导引开口并且由此围绕着所述轴布置在所述轴套的外表面上。特别优选的是，所有通道此外能够平行于所述轴来伸展。在所述通道之间，所述轴套的外表面能够如上面所描述的那样与所述磁轭的开口的内壁处于接触之中并且就这样引起所描述的挤压配合。

按照另一种实施方式，所述轴套具有氢相容的塑料。此外，所述塑料能够尤其相对于轴材料尽可能地低摩擦。尤其所述轴套能够具有聚乙烯（PE）、充气的聚丁烯-对苯二甲酸酯（PBT）和/或聚醚醚酮（PEEK）。特别优选的是，所述轴套能够由PEEK来构成。PEEK拥有的优点是，它具有335℃的熔化温度并且由此有利地相对于通常在充气的接触器中所出现的温度耐高温。

用所描述的轴套能够实现的是，所述开关装置的使用寿命与通常的无轴套的构造相比能够从几十万次转换周期提高到数百万次转换周期。此外，所述轴套由于其具有塑料并且特别优选由塑料构成而能够以简单的方式已经在比如借助于注塑进行的制造过程中额外地在外表面中配备有一条或者多条通道，所述通道作为用于开关装置中的气体的旁路起作用并且由此在开关装置的内部改进开关装置运行中的气体交换。

附图说明

另外的优点、有利的实施方式和改进方案从下面结合附图所描述的实施例中得出。其中：

图1A和1B示出了一种用于开关装置的实施例的示意图；并且

图2A和2B示出了按照一种实施例的开关装置的一部分的示意图。

具体实施方式

在实施例和附图中，相同的、同类的或者起相同作用的元件能够分别设有相同的附图标记。所示出的元件及其彼此间的尺寸比例不应该视为按比例，更确切地说各个元件、像比如层、构件、结构元件和区域为了更好的可图示性并且/或者为了更好的理解而可能夸大地示出。

在图1A和1B中示出了开关装置100，该开关装置比如能够用于转换强电流和/或高电压并且该开关装置能够是继电器或接触器、尤其是功率接触器。在图1A中示出了三维的剖面图，而在图1B中则示出了二维的剖面图。接下来的描述同样涉及图1A和1B。所示出的几何形状仅仅是示范性的并且不应该限制性地来理解并且也能够被构造为备选的。

所述开关装置100在壳体1中具有两个固定的触头2、3和一个活动的触头4。所述活动的触头4被构造为接触片。所述固定的触头2、3与活动的触头4一起形成开关触头。所述壳体1主要用作用于布置在内部的组件的接触保护件并且具有塑料或者由塑料构成，所述塑料比如是PBT或者玻璃填充的PBT。所述触头2、3、4比如能够用或者由Cu、Cu合金或者铜与至少另一种金属、比如Wo、Ni和/Cr的混合物构成。

在图1A和1B中示出了所述开关装置100处于静止状态中的情况，在所述静止状态中所述活动的触头4与固定的触头2、3隔开，使得所述触头2、3、4在电方面彼此分开。所述开关触头的所示出的结构以及尤其其几何形状是纯示范性的并且不应该限制性地来理解。作为替代方案，所述开关触头也能够不一样地构成。比如可能的是，所述开关触头中的仅仅一个开关触头被构造为固定的触头。

所述开关装置100具有活动的衔铁5，该衔铁主要执行开关运动。所述衔铁5具有磁芯6，该磁芯比如用或者由铁磁的材料构成。此外，所述衔铁5具有轴7，该轴从所述磁芯6中穿过并且在一个轴端上固定地与磁芯6相连接。在另一个与磁芯6对置的轴端上，所述衔铁5具有活动的触头4，该活动的触头同样与轴7相连接。所述轴7能够优选用或者由优质钢来制成。

所述磁芯6被线圈8所包围。所述线圈8中的能够从外部接通的电流产生磁芯6的以及由此整个衔铁5的、沿着轴向方向的运动，直至所述活动的触头4与固定的触头2、3相接触。所述衔铁5由此从与静止状态以及同时分开的、也就是非接通的状态相对应的第一位置运动到与有源的、也就是接通的状态相对应的第二位置中。在有源的状态中，所述触头2、3、4在电方面彼此连接。在另一种实施方式中，作为替代方案，所述衔铁5也能够执行旋转运动。所述衔铁5尤其能够被构造为牵拉衔铁或者枢轴衔铁。如果中断所述线圈8中的电流，则通过一个或者多个弹簧10又使所述衔铁5运动到第一位置中。所述开关装置100而后又处于静止状态中，在所述静止状态中所述触头2、3、4被断开。

在断开所述触头2、3、4时可能产生会损坏接触面的电弧。由此可能存在以下危险，即：所述触头2、3、4通过由电弧引起的焊接而彼此“粘连”并且不再彼此分开。为了防止这样的电弧的产生或者至少为了支持所出现的电弧的消除，所述触头2、3、4布置在气体氛围中，使得所述开关装置100被构造为充气的继电器或者充气的接触器。为此，所述触头2、3、4在开关室11的内部布置在所述壳体1的被密封地封闭的部件中，所述开关室由开关室壁12和开关室底13形成。所述壳体1以及尤其所述壳体1的尤其被密封地封闭的部件完全包围衔铁5和触头2、3、4。所述壳体1的被密封地封闭的部件以及由此所述开关室11填充有气体14。在所述开关装置100的制造的范围内能够通过充气管接头15注入的气体14尤其能够优选含有氢、比如在惰性气体中具有50%或者更多H₂或者甚至具有100% H₂，因为含氢的气体能够促进电弧的消除。此外，在所述开关室11的内部或者外部能够存在所谓的消弧磁体（未示出）、也就是永磁体，其能够引起电弧间隙的延长并且由此改进电弧的消除。所述开关室壁12和开关室底13比如能够用或者由金属氧化物、像比如Al₂O₃来制成。

在图1A和1B中示出了对于所述轴7以及由此对于衔铁5的传统的导引，其中所述轴通过开关室底13中的开口伸入到该开关室底中。为此而存在磁轭9，该磁轭优选具有纯铁或者低掺杂的铁合金或者由其构成并且该磁轭形成磁路的一部分。所述磁轭9具有开口，所述轴7在该开口中得到导引。如在概述部分中所描述的那样，轴7和磁轭9之间的摩擦可能导致细磨粒，所述细磨粒可能会堵塞机械***。此外，所述磁轭开口相对于轴7的精确的配合使所述壳体的充气的部件内部的气体交换变得困难，这可能导致开关过程中的延迟。

在图2A和2B中借助于三维图并且以所述开关装置的参与导引的部件的剖面图示出了一种按本发明的用于所述轴7的导引的实施例，其中接下来的描述同样涉及这两张附图。所述开关装置的、没有结合图2A和2B示出和/或描述的组件及特征能够如结合图1A和1B所描述的那样来构成。为更好的可辨认性起见，在图2A中以剖开的方式示出了所述磁芯6和磁轭9。

与通过磁轭9对轴7进行的常见的导引相比，所述磁轭9在示出的实施例中具有开口29，在该开口中布置有轴套20。所述轴套20具有低摩擦的、氢相容的塑料、尤其是PE、玻璃填充的PBT和/或优选PEEK。特别优选的是，所述轴套20由PEEK来构成，所述PEEK凭借335℃的熔化温度而有利地相对于通常在充气的接触器中出现的温度耐高温。所述轴套20的下面所描述的成形结构能够通过诸如注塑的制造方法来制造。

为了导引所述轴7，所述轴套20具有导引开口21，该导引开口尤其被构造为柱筒形并且在该导引开口中布置了所述轴，因而所述轴7在导引开口21中从轴套20中穿过。所述导引开口21和轴7优选具有非常狭窄的配合部，以用于能够实现对于所述轴7的精确的导引。所述导引开口21由此具有比轴7的直径仅仅大了很小一点的直径。在图2B中，为一目了然起见，所述导引开口21的直径相比于轴直径而夸大地示出。如可以容易地看出的那样，所述轴7相对于磁轭9无接触地在轴套20中得到导引。由于轴7与磁轭9之间并不存在的接触，由此能够防止轴7与磁轭9之间的磨损。

所述轴套20通过挤压配合被固定在磁轭9的开口29中，其中如所示出的那样所述轴套20不必填满磁轭9的整个开口29。为此，所述轴套20具有外表面22，该外表面至少部分地与所述磁轭9的开口29的内壁处于接触之中。通过所述挤压配合，所述轴套20在不取决于轴7的运动的情况下被固定在磁轭9的开口29中。

所述轴套20能够以整个外表面22并且/或者在整个圆周上抵靠在磁轭9的开口29的内表面上。但是也能够更加有利的是，如在图2A和2B中所示出的那样在所述外表面22中构造了至少一条通道23。特别优选的是，所述至少一条通道23能够平行于轴7来伸展。所述至少一条通道23优选从轴套20的背向活动的触头的一侧伸展到其朝向活动的触头的一侧并且形成开口29的内壁与轴套20的外表面22之间的、通过磁轭9的开口29来伸展的空隙，该空隙允许通过所述磁轭9的开口29进行气体交换。由此，在所述开关装置的开关过程的期间，在衔铁运动时气体能够通过这样的通道23来流动并且由此跟随活动的部件的运动，从而不可能在气体空间中的局部区域中形成可能导致开关过程的延迟的过压或负压。

在所示出的实施例中，所述轴套20在外表面22中具有多条通道23。纯示范性地示出了四条通道23，但是也能够存在或多或少的通道。所述通道23如示出的那样优选以有规律的间隔围绕着导引开口21并且由此围绕着轴7布置在轴套20的外表面22上并且全部平行于轴7来伸展。在所述通道23之间，所述轴套20的、与磁轭9的开口29的内壁处于接触之中的外表面22如之前所描述的那样用于挤压配合并且由此用于将轴套20固定在磁轭9的开口29中。

如此外在图2A中所示出的那样，所述轴套20能够在所述开关装置的至少一种开关状态中并且优选持久地伸到磁芯6中的开口26中，所述轴7被固定在该开口中。尤其所述轴套20也能够形成用于弹簧10的止挡。

按照另外的实施例，结合附图所描述的特征和实施例能够彼此组合起来，即使不是所有组合都明确地得到了描述。此外，作为替代方案或补充方案，结合附图所描述的实施例能够具有按照概述部分中的说明的另外的特征。

本发明没有通过借助于实施例所作的描述而局限于所述实施例。更确切地说，本发明包括每种新特征或者特征的每种组合，这尤其包含权利要求中的特征的每种组合，即使这种特征或者这种组合本身没有明确地在权利要求或者实施例中得到说明。

附图标记列表

1 壳体

2、3 固定的触头

4 活动的触头

5 衔铁

6 磁芯

7 轴

8 线圈

9 磁轭

10 弹簧

11 开关室

12 开关室壁

13 开关室底

14 气体

15 充气管接头

20 轴套

21 导引开口

22 外表面

23 通道

26 磁芯的开口

29 磁轭的开口

100 开关装置

Claims

1.开关装置（100），在具有包含H₂的气体（14）的开关室（11）中具有至少一个固定的触头（2、3）和活动的触头（4），其中

所述活动的触头（4）能够借助于具有轴（7）的衔铁（5）来运动，

所述轴（7）从磁轭（9）中的开口（29）中穿过，所述磁轭是磁路的一部分，并且

在所述磁轭（9）的开口（29）中布置了用于对所述轴（7）进行导引的由塑料构成的轴套（20）。

2.根据前一项权利要求所述的开关装置（100），其中所述轴套（20）具有氢相容的塑料。

3.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置（100），其中所述轴套（20）具有聚乙烯、玻璃填充的聚丁烯-对苯二甲酸酯和/或聚醚醚酮。

4.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置（100），其中所述轴套（20）由聚醚醚酮构成。

5.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置（100），其中所述轴套（20）具有柱筒形的导引开口（21），所述轴（7）布置在所述导引开口中。

6.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置（100），其中所述轴套（20）通过挤压配合被固定在所述磁轭（9）的开口（29）中。

7.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置（100），其中所述轴套（20）具有外表面（22），所述外表面部分地与所述磁轭（9）的开口（29）的内壁处于接触之中并且在所述外表面中构造有至少一条通道（23）。

8.根据前一项权利要求所述的开关装置（100），其中所述至少一条通道（23）平行于所述轴（7）来伸展。

9.根据前两项权利要求中任一项所述的开关装置（100），其中所述至少一条通道（23）从所述轴套（20）的背向活动的触头（4）的一侧伸展到其朝向活动的触头（4）的一侧。

10.根据权利要求7到9中任一项所述的开关装置（100），其中在所述轴套（20）的外表面（22）中存在多条通道（23）。

11.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置（100），其中所述轴（7）相对于所述磁轭（9）无接触地在所述轴套（20）中得到导引。

12.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置（100），其中所述轴（7）以一个轴端伸到磁芯（6）中的开口（26）中并且所述轴套（20）在所述开关装置（100）的至少一种开关状态中伸到所述磁芯（6）中的开口（26）中。

13.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置（100），其中所述磁轭（9）具有纯铁或者低掺杂的铁合金。

14.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置（100），其中所述轴（7）具有优质钢。

15.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置（100），其中所述气体具有至少50%H₂的份额。