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Die Erfindung betrifft ein Kontaktsystem für Relais zum Schalten hoher Ströme mit einer einseitig eingespannten mehrlagigen Kontaktfeder, welche gegen eine Festkontaktanordnung arbeitet. Ein solches Kontaktsystem ist beispielsweise aus der gattungsbildenden
DE 84 37 085 U1 bekannt.
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Relais besitzen eine oder mehrere Kontaktfedern, die an einem Ende in einem Isoliergrundkörper eingespannt sind und am anderen freien Ende einen Kontakt aufweisen, der mit einem Gegenkontakt korrespondiert. Üblicherweise ist dieser gleichfalls in dem Isoliergrundkörper befestigt. An der Kontaktfeder befindet sich ein Angriffspunkt für ein über einen elektromagnetischen oder anderweitig arbeitenden Aktor beaufschlagbares Betätigungsglied, das auf die Kontaktfeder einen Hub zwecks Schließens oder Öffnens der Kontaktstelle ausübt und die Kontaktfeder entsprechend unter Biegespannung setzt. Während bei bistabilen Relais lediglich ein Umschaltimpuls zum Öffnen und Schließen der Kontaktstelle benötigt wird, muss bei monostabilen Relais dauerhaft eine Kraft aufgebracht werden, um eine geschlossene oder geöffnete Kontaktstellung beizubehalten. Zur Erhöhung der Kontaktsicherheit oder Verringerung der elektrischen Kontaktbeanspruchung kann die Kontaktfeder am freien Ende geschlitzt sein, wobei jedes Kontaktfederende einen Kontakt trägt, der mit entsprechenden Gegenkontakten zusammenarbeitet (
DE 297 23 513 U1 ). Neben Öffner- und Schließeranordnungen gibt es Umschalter, bei denen die Kontaktfedern auf beiden Seiten des freien Endes Kontakte aufweisen, die jeweils auf einen Gegenkontakt arbeiten.
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Zum Leiten hoher Stromstärken, beispielsweise im Bereich von 100 A oder mehr, werden einerseits entsprechend große stromtragende Querschnitte der Kontaktfedern und andererseits eine ausreichende Biegeelastizität verlangt. Beide Forderungen lassen sich nur schlecht mit massiven Kontaktfedern erfüllen. Es ist deshalb in der eingangs genannten Gebrauchsmusterschrift unter anderem vorgeschlagen worden, eine einseitig eingespannte Kontaktfeder für ein bistabiles Relais zum Schalten hoher Stromstärken aus mehreren übereinandergelegten und vorzugsweise gleichformatigen Metallplättchen herzustellen und diese am Einspannende und am freien Kontaktende miteinander zu verbinden, beispielsweise zu verschweißen.
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Gemäß der
DE 93 20 696 U1 ist eine Kontaktfeder hinsichtlich einer Erhöhung der Elastizität mit wenigstens einem senkrecht zur Ebene der Blattfeder hervorstehenden, bevorzugt bogenförmigen Abschnitt versehen. Für eine Kontaktfeder aus einem Stapel dünner Blattfedern wird vorgeschlagen, wenigstens einen Abschnitt der obersten und untersten Blattfeder bogenförmig auszuformen.
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Kontaktanordnungen erfordern eine an den Aktor des Relais angepasste Kraft-Weg-Kennlinie und damit eine große Kontaktfederlänge, um die Stromtragfähigkeit der Kontaktfeder, die Betätigungskraft durch den Aktor, die Kontaktkraft selbst, die Kontaktöffnungsstrecke und die Biegebeanspruchung der Kontaktfeder zueinander zu optimieren. Außerdem muss ein Prellen beim Schließen der Kontakte vermieden werden, um einem Verschweißen der Kontakte vorzubeugen und um den Abbrand an Kontaktmaterial zu verringern. Bei einem Relais mit einer geschlitzten Kontaktfeder wird dies gemäß
DE 102 49 697 B3 erreicht, indem eine zusätzliche Blattfeder die beiden Kontaktfederenden überbrückt und damit für gleichgroße Kontaktkräfte sorgt.
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Um eine möglichst kompakte Baugröße zu erreichen, ist es aus der
DE 37 21 286 A1 bekannt, eine Kontaktfeder einstückig aus einem im Einspannbereich dicken, einem im längeren Federbereich dünnen und einem im Kontaktbereich dicken Abschnitt herzustellen, wobei das anschlussseitige dicke Ende U-förmig gestaltet ist und der mittlere dünne Abschnitt haarnadelförmig gebogen ist, wobei der Innenkreis der Haarnadelbiegung größer ist als die Dicke des anschlussseitigen Endes, und wobei das kontaktseitige Ende des dünnen Abschnitts zwischen den Schenkeln des U-förmigen anschlussseitigen Endes auf dem diese Schenkel verbindenden Quersteg aufliegt. Diese Feder ist einlagig und deshalb bei vorausgesetzter guter Elastizität von nur geringer Stromtragfähigkeit. Eine mehrlagige Ausbildung verbietet sich allein schon aufgrund der komplizierten Herstellung aus dünnen und dicken Abschnitten. Nach
DE 40 28 426 C1 ist ein Kontaktfedersatz aus zwei Kontaktfedern für hohe Ströme derart ausgebildet, dass die Kontaktstücke nicht zwischen ihren Kontaktfedern angeordnet sind, sondern zwischen der Außenseite einer Kontaktfeder und einem abgebogenen Abschnitt der zweiten Kontaktfeder, welcher die erste Kontaktfeder bügelartig umgreift. Wird nun ein hoher Impulsstrom durch die geschlossene Kontaktstelle geschickt, werden elektrodynamische Kräfte wirksam, welche die Kontaktfedern auseinanderzudrücken versuchen und damit die Kontaktstücke selbst gegeneinander, womit die elektrodynamischen Kräfte verstärkend auf die Kontaktkraft wirken. Dies erfordert jedoch, dass die beiden Kontaktfedern parallel zueinander auf eine größere Länge angeordnet sind und zusätzlich das eine Ende noch um das andere Ende herumgelenkt ist. Für einen Kontaktsatz, bei dem die Kontaktfeder und der Gegenkontakt auf entgegengesetzten Gehäuseseiten befestigt sind, eignet sich deshalb diese Anordnung nicht.
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Aus
DE 1 665 958 A1 und
US 2009/0102586 A1 sind Kontaktanordnungen für Relais mit einer bügelartigen Stromzuführung für eine Kontaktfeder bekannt, welche jedoch nicht einer Kontaktkraftverstärkung dienen, sondern der Verbindung zwischen einem gehäusefesten Anschlussstift und dem hinteren Ende der von einem Klappanker betätigten Kontaktfeder.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kontaktsystem für Relais der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass es trotz höchster Ansprüche an seine Funktionalität, wie Stromtragfähigkeit, Kontaktsicherheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer, eine einfache, kostengünstige und kompakte Bauweise besitzt. Insbesondere sollen gute Feder- und Kontaktkrafteigenschaften einer einseitig eingespannten Kontaktfeder unter Berücksichtigung des Schaltens hoher Stromstärken, geringer Kontaktprelleigenschaften, geringen Kontaktstückabbrands und einer kleinen Baugröße erreicht werden und wahlweise eine Unterstützung der Kontaktschließkraft oder Kontaktöffnungskraft durch elektrodynamische Kräfte möglich sein.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für ein gattungsgemäßes Kontaktsystem mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung geben die begleitenden Ansprüche an.
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Die Erfindung erlaubt insbesondere eine erhebliche Verkleinerung eines Kontaktsystems zum Schalten großer Ströme in Erstreckungsrichtung der Kontaktfeder. Die Kontaktfeder besitzt bei aller Flexibilität und Elastizität, bedingt durch ihre U-Form und ihren mehrlagigen Aufbau, eine hohe Stromtragfähigkeit. Die einzelnen Lagen können unterschiedliche elektrische und federmechanische Eigenschaften haben sowie unterschiedliche Dicken. Ihre Länge ist vorzugsweise unterschiedlich, um gute Federungseigenschaften in der U-Biegezone der Kontaktfeder zu erzielen. In der aufgefächerten U-Biegezone ist eine besonders gute Wärmeabführung vorhanden. Je nach Anordnung des oder der beweglichen Kontakte zu den Festkontakten wird die Kontaktschließkraft oder Kontaktöffnungskraft bei hohen Strömen im Kurzschlussfall durch elektrodynamische Kräfte unterstützt.
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Diese und weitere Vorteile der Erfindung sollen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt:
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1 eine erste prinzipielle Ausführung eines Kontaktsystems,
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2 eine zweite prinzipielle Ausführung eines Kontaktsystems,
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3 Kontaktsystem mit einer geschlitzten Kontaktfeder in einer perspektivischen Ansicht,
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4 eine Ausbildung des Kontaktfederendes für einen Kraftangriff in einer Explosionsansicht und
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5 die Ausbildung des Kraftangriffs gemäß 4 in einer perspektivischen Ansicht.
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Gemäß 1 besteht eine Kontaktfeder 1 aus mehreren Kontaktederlagen, im Beispiel drei, die gemeinsam so zu einer U-Schleife gebogen sind, dass ein kürzerer U-Schenkel 1a und ein längerer U-Schenkel 1b entsteht. Die Schenkel könnten aber beispielsweise nach einer Variante auch gleichlang sein. Die drei Kontaktfederlagen sind an beiden Enden miteinander zu einer gemeinsamen Kontaktfeder 1 mechanisch und elektrisch verbunden, beispielsweise hartverlötet oder vernietet. In der U-Biegezone 1c der Kontaktfeder 1 sind die Kontaktfederlagen leicht aufgefächert, weshalb bei der Herstellung der Kontaktfeder 1 Kontaktederlagen unterschiedlicher Länge, aber vorzugsweise gleicher Breite verwendet werden. Die längste Kontaktfederlage liegt außen, die kürzeste innen. Das Ende des kürzeren U-Schenkels 1a der Kontaktfeder 1 ist mit einer ersten Stromleitbahn 2 zum Führen eines Laststromes starr verbunden. Es ist das Einspannende 1d der Kontaktfeder 1. Die erste Stromleitbahn 2 bildet zugleich den Träger für die Kontaktfeder 1 und ist Bestandteil eines nicht näher dargestellten Relais, insbesondere eines bistabilen Relais für intelligente elektronische Stromzähler, mit welchen eine Erfassung von Zählerständen oder Abschalten von Zählern durch ein Energieversorgungsunternehmen aus der Ferne möglich ist. Auf dem freien Ende 1e des längeren U-Schenkels 1b der Kontaktfeder 1 sitzt ein bewegbares Kontaktstück 3. Es ist so auf der Kontaktfeder 1 befestigt, vorzugsweise mit dieser vernietet, dass seine kontaktgebende Fläche der U-Biegezone 1c der Kontaktfeder 1 abgewandt und einem Festkontaktstück 4, das auf einer zweiten Stromleitbahn 5 befestigt ist, beispielsweise durch Hartlöten, gegenüberliegt. Die zweite Stromleitbahn 5 ist, wie die erste Strombahn 2, fest im Relais angeordnet. Zum Schalten der Kontaktfeder 1 von einer Stellung mit geöffneten Kontaktstücken 3, 4 zu einer Stellung mit geschlossenen Kontaktstücken 3, 4 und umgekehrt dient eine Kraftangriffsfeder 6, die am über das bewegbare Kontaktstück 3 hinausragenden Ende 1e des längeren U-Schenkels 1b der Kontaktfeder 1 angreift und beispielsweise gleich aus einer oder allen Lagen der Kontaktfederlagen der Kontaktfeder 1 herausgeformt sein kann.
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In der 1 ist eine geschlossene Strombahn von der ersten Stromleitbahn 2 über das Einspannende 1d der Kontaktfeder 1, den kurzen U-Schenkel 1a der Kontaktfeder 1, die U-Biegezone 1c der Kontaktfeder 1, den längeren Schenkel 1b der Kontaktfeder 1, das freie Ende 1e der Kontaktfeder 1, das bewegbare Kontaktstück 3, das Festkontaktstück 4 und die zweite Stromleitbahn 5 dargestellt. Bei großen Stromstärken wirkt infolge der entgegengesetzten Stromrichtungen in den beiden parallelen Schenkeln 1a, 1b der U-förmig gebogenen Kontaktfeder 1, dargestellt durch Pfeile I, eine starke elektrodynamische Kraft FI, welche versucht, den beweglichen U-Schenkel 1b der Kontaktfeder 2 gegen den fest eingespannten Schenkel 1a im Bereich der Stromschleife auseinander zu spreizen, da bekanntlich entgegengesetzt gerichtete Ströme sich abstoßen. Hierdurch wird die Kontaktkraft F, mit welcher die beiden Kontaktstücke 3, 4 aufeinandergepresst sind, bedeutend erhöht. Die elektrodynamische Abstoßkraft FI ist umso größer, je geringer der Abstand und je länger der etwa parallel geführte Bereich der beiden Schenkel 1a, 1c der Kontaktfeder 1 sind. Insbesondere im Kurzschlussfall, bei dem kurzzeitig Ströme von mehreren k A fließen, wirkt sich die erhöhte Kontaktkraft F auf die Lebensdauer der Kontaktstücke 3, 4 und damit auf das Relais positiv aus, indem die schädliche Bildung eines Kontaktmaterial abtragenden Lichtbogens vermieden wird. Dieser Effekt tritt ein, ohne dass die Kontaktkraft F und damit die Kraft, mit der eine Betätigungseinrichtung an der Kraftangriffsfeder 6 angreift, erhöht ist.
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In 2 ist ein Kontaktsystem dargestellt, welches geeignet ist, in einem Schalter mit einer Überstrom-/Kurzschluss-Schutzfunktion eingesetzt zu werden. Im Unterschied zu 1 ist das bewegbare Kontaktstück 3 auf dem längeren U-Schenkel 1b der Kontaktfeder 1 auf derjenigen Seite der Kontaktfeder 1 angeordnet, welche zur Innenseite der U-Biegezone 1c der Kontaktfeder 1 zeigt. Entsprechend ist die zweite Stromleitbahn 5 mit ihrem Festkontaktstück 4 auf der anderen Seite des Kontaktsystems angeordnet. Tritt bei geschlossenen Kontaktstücken 3, 4 ein unzulässig hoher Überstrom auf, so wird durch die elektrodynamische Kraftwirkung FI auf die beiden etwa parallelen Schenkel 1a, 1b der Kontaktfeder 1 das längere bewegliche Ende 1b der Kontaktfeder 1 abgestoßen und sein Kontaktstück 3 hebt vom Festkontaktstück 4 mit einer Kraft F ab. Damit erreicht man ein beschleunigtes Öffnen im Fehlerfall.
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Durch die U-förmige Kontaktfeder 1 wird zusätzlich in beiden Ausführungsformen der Erfindung erreicht, dass sich durch Stromwärme bedingte Temperaturänderungen und somit Längenänderungen der Kontaktfederlagen weitestgehend kompensieren. Dies ist besonders wichtig, wenn die einzelnen Kontaktfederlagen aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten bestehen, um Spannungen innerhalb einer Kontaktfeder 1 zu vermeiden und um Federeigenschaften mit Leitfähigkeitseigenschaften von Kontaktfederlagen miteinander zu kombinieren. Unterstützt wird ein Längenausgleich durch einen unterschiedlichen Abstand der einzelnen Kontaktfederlagen im Bereich der U-förmigen Biegezone 1c. Eine solche Beabstandung ist zugleich von Vorteil für eine Wärmeabführung von den Kontakten 3, 4 sowie der Kontaktfeder 2 an die Umgebung und für einen Ausgleich von Fertigungstoleranzen.
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3 zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines Kontaktsystems für ein bistabiles Relais. Im Gegensatz zu den 1 und 2 ist hier eine längs geschlitzte dreilagige Kontaktfeder 1 dargestellt, so dass zwei parallele dreilagige Federarme 1', 1'' entstehen, wobei im Beispiel der Schlitz 1f erst an der Befestigungsstelle 1d der Kontaktfeder 1 mit der ersten Stromleitbahn 2 in einer die Federarme 1', 1'' vereinenden gemeinsamen Basis endet. Er kann aber auch kürzer sein. Indem die beiden Federarme 1', 1'' der Kontaktfeder 1 eine gemeinsame Basis haben, wird eine leichte und genaue Montage der Federarme 1', 1'' und Kontaktfederlagen an der ersten Stromleitbahn 2 erreicht, wobei dennoch eine unabhängige Bewegung der beiden Kontakte 3', 3'' untereinander gewährleistet ist. Mit zwei Kontaktstellen wird der Übergangswiderstand an den Kontakten 3', 3'', 4', 4'' gegenüber nur einer Kontaktstelle verringert, was sich vorteilhaft auf die Erwärmung des Kontaktsystems und den Energieverbrauch im Kontaktsystem auswirkt und die Schaltsicherheit erhöht. In der gezeichneten Schließstellung der Kontaktstücke 3', 3'', 4', 4'' fließt ein Strom über die erste Stromleitbahn 2, den kürzeren geschlitzten U-Schenkel 1a der Kontaktfeder 1, die geschlitzte U-Biegezone 1c, durch den etwa parallel zum kürzeren U-Schenkel 1a verlaufenden längeren geschlitzten U-Schenkel 1b, über jeweils ein an jedem Kontaktfederarm 1', 1'' der Kontaktfeder 1 angenieteten bewegbaren Kontakt 3', 3'' und zwei korrespondierende Festkontakte 4', 4'', die von der zweiten Stromleitbahn 5 getragen werden. Das Kontaktsystem ist so konfiguriert, dass im Kurzschlussfall die an den U-Schenkeln 1a, 1b der Kontaktfeder 1 auftretenden elektrodynamischen Kräfte verstärkend auf die Kontaktkraft wirken. Wie deutlich zu erkennen ist, wird durch die U-förmig gestaltete Kontaktfeder 1 Bauraum in der Federebene bei ausreichender Federlänge reduziert und damit eine verbesserte Miniaturisierbarkeit des gesamten Kontaktsystems erzielt. Die U-förmige Kontaktfeder 1 führt außerdem zu einem teilweisen Ausgleich der Verschiebung der Position der bewegbaren Kontakte 3', 3'' durch eine temperaturabhängige Ausdehnung der Kontaktfeder 1. Über eine Anpassung der Schenkellängen der Kontaktfeder 1 und unter Beachtung einer möglichen erheblichen Übertemperatur der Kontaktfeder 1 kann eine genaue Positionierung der Kontakte 3', 3'', 4', 4'' zueinander erreicht werden. In der aufgefächerten U-Biegezone 1c wird außerdem die Stromwärme besonders gut abgeführt. Die Betätigung der Kontaktfeder 1 durch zum Beispiel einen nicht näher dargestellten bistabilen Magnetaktor erfolgt über die am äußersten Ende 1e', 1e'' angreifende Kraftangriffsfeder 6, die in diesem Beispiel ein separates Bauteil ist, welches beide mehrlagigen Federarme 1', 1'' der Kontaktfeder 1 endseitig federnd überbrückt.
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In 4 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der Endbereiche der Federarme 1', 1'' in einer Explosionsdarstellung gezeigt und in 5 in perspektivischer Ansicht. Von der Kontaktfeder 1 sind lediglich die dreilagigen freien Enden 1e', 1e'' der Federarme 1', 1'' herausgezeichnet. Untereinander sind die freien Enden 1e', 1e'' im Bereich der bewegbaren Kontakte 3', 3'' mechanisch und elektrisch verbunden, vorzugsweise gleich mit den Kontakten 3', 3'' vernietet und ggf. noch zusätzlich hartverlötet. Die mittlere Kontaktfederlage besteht aus zwei symmetrisch ausgebildeten Federarmen 1e', 1e'', in der oberen Kontaktfederlage übergreift ein Federarm 1e'' die mittlere Kontaktfederlage nach einer Seite hin und in der unteren Kontaktfederlage übergreift ein Federarm 1e' die symmetrische mittlere Kontaktfederlage nach der anderen Seite hin. Auf diese Weise stützen sich die Endbereiche 1e1', 1e'' aller drei Kontaktfederlagen gegenseitig federbeweglich ab, so dass bei einer Kontaktgabe der beweglichen Kontakte 3', 3'' mit den Festkontakten 4', 4'' beide Kontaktstellen mit Spiel in Federebene zueinander einen gleich guten Kontaktdruck aufbringen. Das äußerste Ende der Endbereiche 1e', 1e'' der Kontaktfeder kann entweder als Kraftangriffsfeder 6 für einen nicht dargestellten Aktor genutzt werden oder eine solche greift endseitig an der Kontaktfeder an. Der Aktor betätigt die Kontaktfeder in eine geöffnete bzw. geschlossene Schaltstellung und sorgt unter Einbeziehung der Federkraft der Kontaktfeder 1 und der elektrodynamischen Kraft für die notwendige Kontaktkraft F.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kontaktfeder
- 1', 1''
- Federarme einer geschlitzten Kontaktfeder
- 1a
- kürzerer U-Schenkel einer Kontaktfeder
- 1a', 1a''
- kürzere U-Schenkel einer geschlitzten Kontaktfeder
- 1b
- längerer U-Schenkel einer Kontaktfeder
- 1b', 1b''
- längere U-Schenkel einer geschlitzten Kontaktfeder
- 1c
- U-Biegezone einer Kontaktfeder
- 1c', 1c''
- U-Biegezonen einer geschlitzten Kontaktfeder
- 1d
- Einspannende einer Kontaktfeder
- 1e
- freies Ende einer Kontaktfeder
- 1e', 1e''
- freie Enden einer geschlitzten Kontaktfeder
- 1f
- Längsschlitz in der Kontaktfeder
- 2
- erste Stromleitbahn
- 3
- bewegbarer Kontakt auf der Kontaktfeder
- 3', 3''
- bewegbarer Kontaktstücke einer geschlitzten Kontaktfeder
- 4
- Festkontakt auf der zweiter Stromleitbahn
- 4', 4''
- Festkontakte auf einer zweiten Stromleitbahn für eine geschlitzte Kontaktfeder
- 5
- zweite Stromleitbahn
- 6
- Kraftangriffsfeder
- F
- Kontaktkraft
- FI
- elektrodynamische Kraft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 8437085 U1 [0001]
- DE 29723513 U1 [0002]
- DE 9320696 U1 [0004]
- DE 10249697 B3 [0005]
- DE 3721286 A1 [0006]
- DE 4028426 C1 [0006]
- DE 1665958 A1 [0007]
- US 2009/0102586 A1 [0007]
