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Die vorliegende Erfindung betrifft einen doppelt unterbrechenden Schalter.
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Bisher sind verschiedene Techniken für elektrische Schalter, und insbesondere Schütze und Relais, entwickelt worden. Allgemein sind elektrische Schalter geeignet, mindestens einen Stromkreis mit Hilfe von elektrischen Steuerspannungen zu schließen oder zu öffnen, und werden in den folgenden Anwendungsgebieten verwendet:
- - Schalten einer hohen Leistung, die durch eine kleine Leistung gesteuert wird,
- - Trennen verschiedener Spannungsebenen, zum Beispiel Niedrigspannung an der Eingangsseite und Netzspannung an der Ausgangsseite,
- - Trennen von Gleich- und Wechselstromkreisen,
- - gleichzeitiges Schalten mehrerer Kreise mittels eines einzigen Steuersignals,
- - Verknüpfen von Information und dadurch Aufbauen von Steuerungsabläufen.
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Insbesondere werden auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugelektronik Schalter für verschiedene Schaltaufgaben verwendet. Dabei kommen Schalter für Fahrzeuge mit Elektromotoren wie beispielsweise Batterie-Elektrofahrzeuge (BEV), Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEV) oder Plug-in Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEV) zum Einsatz. Beispielsweise kann ein Hochvoltschütz für Hybrid- und Elektrofahrzeuge im mittleren Leistungsbereich zum Einsatz kommen. So können derartige Schütze als Hauptschalter für einen 400 V Lithium-Ionen-Akkumulator verwendet werden. Derartige Hochvoltschütze können beispielsweise für einen Dauerstrom von 175 A und eine Kurzschlusskapazität von 5 kA ausgelegt sein. Somit erfüllen derartige Hochvoltschütze die Anforderungen für mittlere Stromlasten.
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Generell, aber nicht zwingend, wird ein Relais als einfach unterbrechender Schalter bezeichnet, wohingegen ein doppelt unterbrechender Schalter als Schütz bezeichnet wird. Beispielsweise kann ein doppelt unterbrechendes Schütz zwei Festkontakte, die fest mit dem Schalter verbunden sind, und zwei Brückenkontakte, die auf einer im Schalter beweglichen Kontaktbrücke angebracht sind, aufweisen.
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Weiterhin sind Relais generell für geringere Schaltleistungen ausgelegt und besitzen meist keine Funkenlöschkammer, wohingegen Schütze für größere Schaltleistungen ausgelegt sind und meist zusätzlich eine Funkenlöschkammer besitzen.
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Aufgrund der größeren Schaltleistungen sind für Schütze zumeist massivere Kontakte erforderlich. Allgemein wird, wenn eine elektrische oder elektronische Schaltung bei Kurzschluss an den Ausgängen keinen Schaden hat, dies als Kurzschlussfestigkeit bezeichnet. Die Kurzschlussfestigkeit stellt sicher, dass Schaltungen bei Überlast oder bei Kurzschluss nicht durch Überspannungen oder -ströme oder thermische Belastungen beschädigt oder zerstört werden.
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Beispielsweise kann durch starkes Zusammenpressen der Brückenkontakte mit den Festkontakten die Kurzschlussfestigkeit erhöht werden. Dadurch kann ein Verschweißen der Kontakte oder eine Zerstörung des doppelt unterbrechenden Schalters bei hohen Kurzschlussströmen vermieden werden.
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Aus der Veröffentlichung „Untersuchungen an der Stromtragfähigkeit und des Schaltvermögens von Kontaktanordnungen in nicht hermetisch gedichteten Schaltkammern bei 400 V“ [21. Albert-Keil-Kontaktseminar, Karlsruhe, 28. - 30. September 2011, VDE-Fachbereich 67, VDE VERLAG GMBH, Berlin, Offenbach] ist bekannt, dass es zwischen zwei separierbaren Kontakten im Kontaktpunkt zu einer abstoßenden Kraft kommen kann. Insbesondere zeigen 11 in Seitenansicht und 12 in Draufsicht schematische Darstellungen der Strompfade gemäß dieser Druckschrift, die die Kontaktabstoßung verursachen.
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Weiterhin ist aus der
WO 2014/093045 A1 eine Lösung für einen doppelt unterbrechenden Schalter bekannt, um hörbare Geräusche und Vibrationen zu vermindern. Die Lösung sieht drei Flächenkontakte auf einer beweglichen Brücke vor, die mit zwei Festkontakten kontaktierbar sind. Insbesondere sind die Arme der Kontaktbrücke, um die Kraft von einem Betätiger zu übertragen, symmetrisch.
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Die
EP 2 690 642 B1 bezieht sich auf eine Kontaktvorrichtung, bei der alle drei beweglichen Kontakte sicher mit festen Kontakten in Kontakt gebracht werden können. Die Kontaktvorrichtung umfasst einen festen Anschluss, der einen festen Kontakt aufweist, einen beweglichen Anschluss, der sich zu dem festen Anschluss hin und von diesem weg bewegt und drei bewegliche Kontakte aufweist, die mit dem feststehenden Kontakt in Kontakt gebracht werden und eine Druckfeder, die den beweglichen Anschluss drückt und die beweglichen Kontakte mit einer vorbestimmten Druckkraft in Kontakt mit den festen Kontakten bringt. Der Angriffspunkt der Druckfeder befindet sich in einem Dreieck, das durch interne Tangenten der drei beweglichen Kontakte gebildet wird.
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Die
DE 43 157 54 A1 bezieht sich auf einen Schalter für Kraftfahrzeuge, bei dem durch Bewegen eines Stellgliedes zwei relativ zueinander betätigbare Kontaktteile eines Schaltkontaktes bewegbar sind, wobei zwischen dem Stellglied und dem Schaltkontakt ein Übersetzungsglied vorgesehen ist, das die Bewegung des Stellglieds in einen um mindesten den Faktor 2 größeren, gleichmäßigen durchlaufenden Betätigungsweg der Kontaktteile relativ zueinander umsetzt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die Kurzschlussfestigkeit über die Lebensdauer eines Schalters zu erhöhen, den Materialeinsatz zu reduzieren, und Pfeifgeräusche, die zum Beispiel durch schnelle periodische Laststromänderungen entstehen, zu reduzieren.
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Des Weiteren ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Lösung zu finden, die bei bestehenden Systemen nachgerüstet werden kann und die kostengünstig ist.
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Die Aufgabe wird durch den unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Bestandteil der abhängigen Ansprüche.
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Entsprechend einer Ausführungsform umfasst ein doppelt unterbrechender Schalter eine Kontaktbrücke, die mit einem Betätiger an einem Anbindungspunkt kraftübertragend verbunden ist. Weiterhin umfasst der doppelt unterbrechende Schalter eine erste Kontaktanordnung, die über einen ersten Arm kraftübertragend mit dem Anbindungspunkt verbunden ist und im geschlossenen Zustand des Schalters einen ersten Brückenkontakt mit einem gegenüberliegenden ersten Festkontakt an einem ersten Kontaktpunkt elektrisch kontaktiert. Außerdem umfasst der doppelt unterbrechende Schalter eine zweite Kontaktanordnung, die über einen zweiten Arm kraftübertragend mit dem Anbindungspunkt verbunden ist und im geschlossenen Zustand des Schalters einen zweiten Brückenkontakt mit einem gegenüberliegenden zweiten Festkontakt an einem zweiten und einem dritten Kontaktpunkt elektrisch kontaktiert, und wobei der zweite Arm länger als der erste Arm ist.
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Durch einen derartigen Schalter kann in einem ersten geschlossenen Zustand ein Strom I geführt werden. In einem zweiten geöffneten Zustand des Schalters wird der Strom doppelt unterbrochen. Dabei unterscheiden sich der geschlossene und der geöffnete Zustand des Schalters durch eine erste und eine zweite Stellung der Kontaktbrücke relativ zur Position der Festkontakte, die fest mit dem Schalter verbunden sind. Vorteilhafterweise wird die Kontaktbrücke durch den Betätiger zwischen der ersten und zweiten Stellung bewegt. Insbesondere ist im geschlossenen Zustand an den Kontaktpunkten der Leitungsquerschnitt für den Strom I minimal. Weiterhin haben die Fest- und Brückenkontakte, die im geschlossenen Zustand des Schalters in den Kontaktpunkten verbunden sind und sich gegenüberliegen, eine endliche Ausdehnung. Dabei ist der Umfang der Fest- und Brückenkontakte größer als der Umfang der Kontaktpunkte. Somit wird der Strom I, um die Kontaktpunkte zu durchfließen, auf einer Seite des Kontaktpunkts fokussiert und auf der gegenüberliegenden Seite des Kontaktpunkts defokussiert. Insbesondere bei runden Fest- und Brückenkontakten bildet sich ein radialsymmetrisches Feld im Leiter, wobei der Kontaktpunkt den Mittelpunkt des Feldes bildet. Anders ausgedrückt, der Kontaktpunkt wird sternförmig gespeist. Dabei sind die Richtungen der Ströme in den gegenüberliegenden Fest- und Brückenkontakten jeweils entgegengesetzt, da einmal der Strom zum Kontaktpunkt hinfließt und auf der gegenüberliegenden Seite vom Kontaktpunkt wegfließt. Dem Fachmann ist klar, dass auch Fest- und Brückenkontakte mit anderen Umfangsformen als ein Kreis, also beispielsweise ein Rechtecke, eine Ellipsen, oder jedes Polygone in erster Näherung in der Nähe des Kontaktpunkts ein radialsymmetrisches Feld bilden, wobei der Kontaktpunkt den Mittelpunkt dieses Feldes bildet.
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Derartige gegenüberliegende stromführende Leiter mit einem radialsymmetrischen Feld des Stroms, wobei der Strom I bei den gegenüberliegenden Leitern in entgegengesetzter Richtung fließt, stoßen sich aufgrund der Lorentz-Kraft ab. Folglich kommt es bei einem derartigen doppelt unterbrechenden Schalter im geschlossenen Zustand zu einer abstoßenden Kraft F zwischen jedem der Fest- und Brückenkontakte. Allgemein ist dabei die Kraft R im Kontaktpunkt proportional zur Stärke des Stroms I im Quadrat, also F ~ I2.
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Wird nun der Strom I durch die erste Kontaktanordnung und durch die zweite Kontaktanordnung geführt, kann die Kraft F1, die auf den ersten Arm wirkt, und die Kraft F2,3, die auf den zweiten Arm wirkt, berechnet werden. Im Detail wirkt zwischen dem ersten Brückenkontakt und dem ersten Festkontakt eine erste abstoßende Kraft F1 = k*I2, wobei k eine Konstante ist. Bei der zweiten Kontaktanordnung kann der Strom I auf den zweiten und dritten Kontaktpunkt aufgeteilt werden. Insbesondere kann es zweckmäßig sein, wenn der Strom I gleichmäßig auf den zweiten und dritten Kontaktpunkt aufgeteilt wird, also jeweils ein Strom J = I/2 durch jeden der zweiten und dritten Kontaktpunkte fließt. Folglich ergibt sich dann für den zweiten Kontaktpunkt eine Kraft F2 = m*J2 = m*I2/4 und für den dritten Kontaktpunkt eine Kraft F3 = n*J2 = n*I2/42, wobei m und n Konstanten sind. Zwischen dem zweiten Brückenkontakt und dem zweiten Festkontakt wirkt also eine abstoßende Kraft F2,3 = (F2 + F3). Ohne Berücksichtigung der Konstanten, also beispielsweise im Fall k = m = n, ergibt sich, dass die Kraft auf den zweiten Arm dadurch vermindert wird, dass der Strom gleichmäßig durch zwei Kontaktpunkte geführt wird. Insbesondere im Fall J = I/2 wird die Kraft F2,3 halbiert.
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Dem Fachmann ist klar, dass die Kräfte auch durch die Werte der Konstanten k, m und n dimensioniert werden. Die Konstanten k, m und n berücksichtigen dabei zumindest auch Eigenschaften der Fest- und Brückenkontakten. Insbesondere berücksichtigen die Konstanten die Form der Fest- und Brückenkontakte. Die Form beinhaltet dabei Größen wie den Umfang der Fest- und Brückenkontakte und Eigenschaften der Oberflächen der gegenüberliegenden Fest- und Brückenkontakte. Beispielsweise wächst die abstoßende Kraft mit dem Umfang der Fest- und Brückenkontakte. Eine Eigenschaft der Oberfläche kann der Krümmungsradius sein, durch den der Kontaktpunkt auf dem Fest- oder Brückenkontakt gebildet wird. Beispielsweise kann der Kontaktpunkt durch einen Kegel des Fest- oder Brückenkontakts gebildet werden.
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Die abstoßenden Kräfte F1 und F2,3 müssen ausgeglichen werden, um den Schalter im geschlossenen Zustand zu halten. Dazu ist der Betätiger mit der Kontaktbrücke am Anbindungspunkt kraftübertragend verbunden. Insbesondere kann die zumindest nötige Kraft FB am Betätiger durch das Hebelgesetz berechnet werden. Folglich ergibt sich, dass vorzugsweise die Produkte aus Länge des Arms und Kraft jeweils gleich sind. Also die Länge des ersten Arms a multipliziert mit der Kraft F1 ist vorzugsweise gleich der Länge des zweiten Arms b multipliziert mit der Kraft F2,3 . Durch geeignete Wahl der Konstanten und Armlängen a und b kann die Kraft, die der Betätiger auf die Kontaktbrücke übertragen muss, reduziert werden. Insbesondere kann die Kraft reduziert werden, wenn der zweite Arm länger ist als der erste Arm.
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Folglich muss der Betätiger weniger Kraft bereitstellen, um die abstoßende Kraft zwischen den Fest- und Brückenkontakten auszugleichen. Gleichzeitig kann die Kurzschlussfestigkeit reduziert werden, wenn die gleiche Kraft aufgewendet wird.
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Zweckmäßig ist es, wenn der erste Brückenkontakt und der zweite Brückenkontakt elektrisch verbunden sind, wobei vorteilhafterweise der erste Brückenkontakt und der zweite Brückenkontakt an gegenüberliegenden Enden der Kontaktbrücke angeordnet sind.
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Vorzugsweise spannen die drei Kontaktpunkte eine Ebene auf. Somit kann die Kontaktbrücke in Bezug auf die Festkontakte stabil positioniert werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Normale der Ebene in Richtung der Kraft, die vom Betätiger übertragen wird, weist. Somit kann der Kraftübertrag durch den Betätiger optimiert werden. Außerdem kann es zweckmäßig sein, wenn die drei Kontaktpunkte ein gleichschenkliges Dreieck bilden, da somit die Kraft optimal übertragen wird und der Brückenkontakt besonders stabil im Bezug auf die Festkontakte positioniert werden kann.
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Weiterhin kann es zweckmäßig sein, wenn zumindest einer der Fest- und Brückenkontakte eine Kontakterhebung, die mit einem Volumenelement verbunden ist, umfasst, wobei der Umfang der Kontakterhebung kleiner als der Umfang des Volumenelements ist.
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Dem Fachmann ist klar, dass hierbei die Kontakterhebung auch als Kontaktberührungsfläche des Volumenelements verstanden werden kann. Alternativ kann die Kontakterhebung eine Kontaktspitze mit einem Kontaktberührungspunkt sein. Insbesondere ist ein derartiges Volumenelement vorteilhaft, da es Material zum Erodieren durch Kontaktbrand bereitstellt. Ist nun der Umfang des Volumenelements größer als der Umfang der Kontakterhebung, wird über die Lebensdauer des Schalters das Volumenelement vorrangig in der Fläche abgetragen und gleichzeitig wird die Höhe des Volumenelements geschont. Ein Abtrag in der Höhe über die Lebenszeit des Schalters kann dabei durch eine größere Kraft FB des Betätigers kompensiert werden. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn die Kontakterhebung einen Durchmesser von einigen wenigen Millimetern aufweist, beispielsweise 2 mm, und das Volumenelement einen zwei- bis dreimal so großen Durchmesser aufweist.
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Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn das Volumenelement mit der Kontakterhebung, die auch ein Kontaktspitze sein kann, einen Kontaktquerschnitt aufweist, der über die Höhe h des Volumenelements konstant ist. Beispielsweise bildet eine kreisförmiger Kontaktquerschnitt mit Radius r eine Zylinderförmige Volumenelement mit der Kontakterhebung, die auch ein Kontaktspitze sein kann, mit Umfang 2*π*r und Volumen 2*π*r*h. Dem Fachmann ist klar, dass alternativ der Kontaktquerschnitt auch einen elliptischen, dreieckigen, viereckigen, oder beliebigen, als beispielsweise durch ein Polygon beschreibbaren, Umfang haben kann. Insbesondere ist ein derartiger konstanter Kontaktquerschnitt vorteilhaft, da spitzte Kontakte, also beispielsweise kegelförmige Volumenelemente mit der Kontaktspitze, die auch ein Kontaktberührungspunkt sein kann, anfangs schneller verschleißen. Insbesondere ist dem Fachmann klar, dass die abstoßende Kraft proportional zum Logarithmus aus dem Verhältnis von Kontaktstückdurchmesser und den tatsächlichen metallisch leitenden Kontaktberührungspunkten ist. Das heißt, wenn der Kontaktdurchmesser um den Faktor 2 verkleinert wird reduziert sich die abstoßende Kraft um 10 %. Insbesondere können verschiedene Größen bei der Wahl der Größenbeziehung zwischen Umfang der Kontakterhebung, die auch ein Kontaktberührungspunkt sein kann, und Umfang des Volumenelements berücksichtigt werden. Beispielsweise kann es günstig für die abstoßende Kraft sein, wenn der Kontaktdurchmesser gegen Null geht, also wie eine Bleistiftmine, Kegel oder ein Stumpfkegel aussieht. Gleichzeitig führt dies zu einer stärkeren zu einem stärkeren Verschleiß und deshalb ist wiederum mehr Material für den Ankerhub erforderlich. Weiterhin kann es zweckmäßig sein, wenn zumindest einer der Fest- und Brückenkontakte Silber oder eine Silberlegierung umfasst. Vorteilhafterweise sind alle Fest- und Brückenkontakte aus Silber gefertigt.
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Außerdem kann es zweckmäßig sein, wenn zumindest einer der zweiten Fest- und Brückenkontakte in getrennte Einzelkontakte unterteilt ist. Vorteilhafterweise sind diese getrennten Einzelkontakte gleich dimensioniert. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn zumindest einer der ersten Fest- und Brückenkontakte gleich den Einzelkontakten dimensioniert ist. Derartige zumindest teilweise gleiche Fest- und Brückenkontakte können kostengünstiger gefertigt werden. Außerdem kann die Produktion optimiert werden, da eine Montage von gleichen Bauteilen fehlerresistenter ist. Als besonders zweckmäßig hat es sich für erwiesen, wenn alle Einzelkontakte und Doppelkontakte gleich, und insbesondere gleich dimensioniert, sind.
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Alternativ kann es vorteilhaft sein, wenn zumindest einer der zweiten Fest- und Brückenkontakte einen profilierten Doppelkontakt mit zwei Kontakterhebungen, die mit einem Volumenelement verbunden sind, aufweist. Eine derartige Lösung ist insbesondere vorteilhaft, da sie leicht bei bestehenden Systemen nachgerüstet werden kann.
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Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn der doppelt unterbrechendende Schalter einen elektromagnetischen Antrieb für den Betätiger umfasst. Die Erfindung ist allerdings nicht auf einen derartigen Antrieb limitiert, da der Betätiger beispielsweise auch pneumatisch angetrieben werden kann.
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Zweckmäßig kann es sein, wenn der doppelt unterbrechende Schalter weiterhin einen Blasmagneten umfasst, um Kontaktbrand, der durch Schaltlichtbögen entsteht, zu reduzieren. Weiterhin ist dem Fachmann klar, dass ein derartiges Blasmagnetfeld eine Kraft FM auf die stromdurchflossene Kontaktbrücke ausüben kann. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, diese Kraft FM bei der Berechnung des optimalen Anbindungspunkts zu berücksichtigen. Insbesondere führt auch ein derartiges Blasmagnetfeld zu einer unterschiedlichen Länge des ersten und zweiten Arms Zweckmäßig kann es sein, wenn der Strom gleichmäßig auf den zweiten und dritten Kontaktpunkt aufgeteilt wird, also J = I/2, die Konstanten gleich gewählt werden, also k = m = n, und kein weiteren Kräfte wirken, also FM = 0 oder FM greift an die Kontaktbrücke am Anknüpfungspunkt an, so dass der zweite Arm doppelt so lang ist wie der erste Arm. Entsprechen einer altnativen Ausführungsform wird der Strom ungleich aufgeteilt. Dann wird die Kraft FB , die der Betätiger aufbringen muss, dadurch reduziert, dass die Länge des zweiten Arms kleiner der doppelten Länge des ersten Arms ist.
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Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen.
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Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht der Festkontakte und der Kontaktbrücke,
- 2 eine weitere perspektivische Ansicht der Festkontakte und der Kontaktbrücke,
- 3 eine Seitenansicht der Festkontakte und der Kontaktbrücke,
- 4 eine Seitenansicht des doppelt unterbrechenden Schalters,
- 5 eine schematische Ansicht der durch die Kontaktbrücke kontaktierten Festkontakte,
- 6 eine schematische Ansicht der Bewegung der Elektronen in der Anordnung von 5,
- 7 eine schematische Ansicht der wirkenden Kräfte in der Anordnung von 5,
- 8 eine schematische Ansicht der resultierenden Kräfte in der Anordnung von 5,
- 9 eine schematische Draufsicht auf eine Anordnung der drei Kontaktpunkte,
- 10 eine schematische Draufsicht auf eine weitere Anordnung der drei Kontaktpunkte,
- 11 eine schematische Seitenansicht der die Kontaktabstoßung verursachenden Strompfade, und
- 12 eine schematische Draufsicht der die Kontaktabstoßung verursachenden Strompfade.
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Die vorliegende Erfindung wird nun mit Hilfe der Figuren und zunächst mit 1 bis 3 beschrieben. Wie am besten in 1 zu sehen, besteht der doppelt unterbrechende Schalter 100 aus einer Kontaktbrücke 200, einem ersten Festkontakt 300 und einem zweiten Festkontakt 400.
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Wie in 3 zu sehen, ist ein Betätiger 202 am Anbindungspunkt 204 kraftübertragend mit der Kontaktbrücke 200 verbunden. Des Weiteren umfasst die Kontaktbrücke 200 einen ersten Arm 210 und einen zweiten Arm 220, die kraftübertragend mit dem Anbindungspunkt 204 verbunden sind. Am ersten Arm 210 ist an einem ersten Brückenende 206 ein erster Brückenkontakt 230 ausgebildet und am zweiten Arm 220 ist an einem zweiten Brückenende 208, das dem ersten Brückenende 206 gegenüberliegt, ein zweiter Brückenkontakt 240 ausgebildet. Weiterhin ist die Kontaktbrücke 200 federnd durch ein Federelement 205 am Anbindungspunkt 204 mit dem Betätiger 202 verbunden.
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Entsprechend der dargestellten Ausführungsform liegt im geöffneten Zustand des Schalters 100 dem ersten Brückenkontakt 230 der erste Festkontakt 400 gegenüber und dem zweiten Brückenkontakt 240 liegt der zweite Festkontakt 500 gegenüber. Dem Fachmann ist klar, dass diese Anordnung die Erfindung nicht limitiert. Alternativ könnten die Brückenkontakte 230 und 240 im geöffneten Zustand des Schalters 100 auch seitlich versetzt zu den Festkontakten 300 und 400 angeordnet sein.
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Weiterhin, wie am besten aus 1 ersichtlich, ist der erste Festkontakt 300 als Einfachkontakt mit einem ersten Volumenelement 304 ausgebildet. Der zweite Festkontakt 400 ist als Doppelkontakt ausgebildet und umfasst ein zweites Volumenelement 404 und ein drittes Volumenelement 406.
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Analog, wie am besten aus 2 ersichtlich, ist der erste Brückenkontakt 230 als Einfachkontakt mit einem vierten Volumenelement 234 ausgebildet. Der zweite Brückenkontakt 240 ist als Doppelkontakt ausgebildet und umfasst ein fünftes Volumenelement 244 und ein sechstes Volumenelement 246.
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Dem Fachmann ist klar, dass die vorliegende Erfindung nicht dadurch limitiert ist, dass der zweite Festkontakt 400 und/oder der zweite Brückenkontakte 240 als Doppelkontakt ausgebildet sind. Beispielsweise kann ein Doppelkontakt im geschlossenen Zustand des Schalters 100 am zweiten Arm 220 auch dadurch realisiert werden, dass nur am zweiten Festkontakt 400 ein Doppelkontakt ausgebildet ist oder nur am zweiten Brückenkontakte 240 ein Doppelkontakt ausgebildet ist. Alternativ ist es auch möglich, beide, also den zweiten Festkontakt 400 und den zweiten Brückenkontakte 240 als Einfachkontakt auszugestalten und im geschlossenen Zustand des Schalters 100 eine isolierende Vorrichtung, beispielsweise einen isolierenden Faden, zwischen den kontaktierten zweiten Festkontakt 400 und zweiten Brückenkontakt 240 einzubringen.
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Des weiteren, und wie insbesondere in 5 zu sehen, kann entsprechend einer Ausführungsform jedes der sechs Volumenelemente jeweils mit einer Kontakterhebung verbunden sein. Jede Kontakterhebung kann auch eine Kontaktspitze des Volumenelements sein. Insbesondere ist das erste Volumenelement 304 mit der ersten Kontakterhebung 302 verbunden, das zweite Volumenelement 404 ist mit der zweiten Kontakterhebung 402 verbunden und das dritte Volumenelement 406 ist mit der dritten Kontakterhebung 405 verbunden. Des weiteren ist das vierte Volumenelement 234 mit der vierten Kontakterhebung 232 verbunden, das fünfte Volumenelement 244 ist mit der fünften Kontakterhebung 242 verbunden und das sechste Volumenelement 246 ist mit der sechsten Kontakterhebung 245 verbunden.
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Entsprechend einer Ausführungsform, die in 5 gezeigt ist, sind die Kontakterhebungen in erster Näherung als abgerundete Stumpfkegel ausgebildet. Insbesondere ist der Umfang der Kontakterhebungen kleiner als der Umfang der Volumenelemente, die mit den Kontakterhebungen verbunden sind. Zweckmäßig ist eine derartige Anordnung insbesondere, da dadurch das Volumenelement Material bereitstellt, das durch Kontaktbrand während der Lebensdauer des Schalters erodieren kann. Insbesondere durch den größeren Umfang des Volumenelements im Vergleich zum Umfang der Kontakterhebung ist die Erosion des Materials des Volumenelements in der Fläche größer als in der Höhe. Somit wird über die Lebensdauer des Schalters 100 der Abstand der Kontakte im geschlossenen Zustand des Schalters weniger verringert, als wenn der Umfang des Volumenelements gleich oder kleiner als der Umfang der Kontakterhebung wäre und somit über die Lebensdauer stärker in der Höhe erodieren würde.
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Beispielsweise kommt es bei einem Durchmesser der Kontakterhebung von etwa 2 mm und einem Durchmesser des Volumenelements von etwa 5 mm über die Lebensdauer des Schalters zu Abnahme der Höhe des Volumenelements von 0,2 mm. Des Weiteren ist ein größerer Durchmesser des Volumenelements im Vergleich zu Kontakterhebung vorteilhaft, da derartige Kontakte auch laterale Toleranzen bereitstellen. Allerdings wird durch einen größeren Umfang des Volumenelements die abstoßende Kraft zwischen den gegenüberliegenden Festkontakten 300 und 400 und den Brückenkontakten 230 und 240 vergrößert.
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Dem Fachmann ist klar, dass die Kontakterhebungen nicht zwangsläufig durch einen abgerundeten Stumpfkegel gebildet werden müssen, um im Umfang kleiner als das Volumenelement zu sein. Beispielsweise kann die Kontakterhebung durch eine Erhebung am Volumenelement ausgebildet werden. Insbesondere vorteilhaft kann es sein, wenn Volumenelement und die Kontakterhebung einteilig gefertigt werden.
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Entsprechend einer Ausführungsform, wie sie beispielsweise in den 1 bis 4 gezeigt ist, sind die sechs Volumenelemente 234, 244, 246, 304, 404 und 406 der Brückenkontakte 230 und 240 und der Festkontakte 300 und 400 quaderförmig ausgebildet. Die Kontakterhebungen, die nicht in den 1 bis 4 gezeigt sind, sind vorzugsweise mittig an gegenüberliegenden Grundflächen der Volumenelemente der Fest- und Brückenkontakte ausgebildet. Diese Grundflächen sind quadratisch und haben Seitenlängen die größer als die Höhe der Volumenelemente ist.
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In einer nicht gezeigten alternativen Ausführungsform sind die Volumenelemente als Zylinder ausgebildet. Die Kontakterhebungen sind vorzugsweise mittig auf gegenüberliegenden Kreisflächen der Zylinder angeordnet. Vorzugweise ist die Höhe des Zylinders geringer als der Durchmesser des Zylinders.
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Allgemein kann als Kontakt, also sowohl als Festkontakt also auch als Brückenkontakt, ein Volumenelement verwendet werden, das durch eine Grundfläche und eine Höhe beschrieben wird. Die Grundfläche, und insbesondere deren Umfang, kann beispielsweise durch ein Polygon beschrieben werden. Die Grundfläche kontaktiert im Kontaktpunkt, der vorzugweise mittig an der Grundfläche angeordnet ist und vorzugsweise durch die Kontakterhebung gebildet wird, mit dem gegenüberliegenden Kontakt. Dabei ist der mittlere Durchmesser der Grundfläche vorzugsweise größer als die Höhe des Volumenelements.
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Erfindungsgemäß, wie in 9 und 10 zu sehen, umfasst der Schalter 100 im geschlossenen Zustand eine erste Kontaktanordnung 500 und eine zweite Kontaktanordnung 600.
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Die erste Kontaktanordnung 500 umfasst einen ersten Kontaktpunkt 501, der im geschlossenen Zustand des Schalters 100 durch den ersten Brückenkontakt 230 mit dem gegenüberliegenden ersten Festkontakt 300 gebildet wird. Entsprechend einer Ausführungsform wird der erste Kontaktpunkt 501 durch die erste Kontakterhebung 302 und die vierte Kontakterhebung 232 gebildet.
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Die zweite Kontaktanordnung 600 umfasst einen zweiten Kontaktpunkt 602 und einen dritten Kontaktpunkt 603, die im geschlossenen Zustand des Schalters 100 durch den zweiten Brückenkontakt 240 mit dem gegenüberliegenden zweiten Festkontakt 400 gebildet werden. Entsprechend einer Ausführungsform wird der zweite Kontaktpunkt 602 durch die zweite Kontakterhebung 402 und die fünfte Kontakterhebung 242 gebildet und der dritte Kontaktpunkt 603 wird durch die dritte Kontakterhebung 405 und die sechste Kontakterhebung 245 gebildet.
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Wie in 6 zu sehen, fließen durch die erste Kontaktanordnung 500 und die zweite Kontaktanordnung 600 negativ geladene Elektronen. Alternativ könnte diese Effekte auch über positive Lochleitung dargestellt werden. Insbesondere werden die Elektronen beim Erreichen der Kontaktpunkte 501, 602 und 603 konzentriert und beim Verlassen der Kontaktpunkte 501, 602 und 603 divergieren die Elektronen. Die sich gegenüberliegenden bewegten Ladungen bilden entgegengesetzte Magnetfelder, die zu einer abstoßenden Lorenzkraft in jedem der Kontaktpunkt 501, 602 und 603 führen.
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Die auf die Kontaktbrücke 200 wirkenden Kräfte sind in 7 dargestellt. Insbesondere wirkt die Kraft F1 im ersten Kontaktpunkt 501 auf den ersten Brückenkontakt 230, die Kraft F2 wirkt im zweiten Kontaktpunkt 602 auf den zweiten Brückenkontakt 240 und die Kraft F3 wirkt im dritten Kontaktpunkt 603 ebenfalls auf den zweiten Brückenkontakt 240. Des Weiteren wirkt am Anbindungspunkt 204 die Kraft FB , die durch den Betätiger 202 übertragen wird, in entgegengesetzter Richtung auf die Kontaktbrücke 200. Dem Fachmann ist klar, dass Kräfte nach dem Prinzip Acito und Reactio immer auch Gegenkräfte mit entgegengesetzter Richtung hervorrufen. Diese sind aus Übersichtsgründen nicht in den 7 und 8 dargestellt.
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8 stellt die resultierenden Kräfte, die auf eine gedachte Hilfsebene 209 wirken, dar. Die Hilfsebene 209 liegt innerhalb der Kontaktbrücke 200. Alternativ kann es zweckmäßig sein, die Hilfsebene durch die drei Kontaktpunkte 501, 602 und 603 zu bilden. Die Hilfsebene 209 dient zur Ermittlung der resultierenden Kräfte, die auf den ersten Arm 210 und den zweiten Arm 220 wirken. Beispielsweise kann zur Berechnung das Hebelgesetz herangezogen werden. Insbesondere ergibt sich dann, dass die auf die Hilfsebene 209 wirkende erste Kraft F1 und die auf die Hilfsebene 209 wirkende Kraft des Betätigers FB durch den Hebelarm a verbunden sind. Des Weiteren können die Kräfte F2 und F3 als eine Kraft F23 ausgedrückt werden. Die auf die Hilfsebene 209 wirkende Kraft F23 und die auf die Hilfsebene 209 wirkende Kraft des Betätigers FB werden durch den Hebelarm b verbunden. Insbesondere im Fall, in dem Kräfte durch den Blasmagneten FM vernachlässigt werden können, ergibt sich dann, dass FB ≥ a*F1 + b*F23 sein muss, um den Schalter 100 in einem geschlossenen Zustand zu halten.
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Der gleiche Strom I fließt im geschlossenen Zustand durch die erste Kontaktanordnung 500 und die zweite Kontaktanordnung 600. Da die zweite Kontaktanordnung 600 zwei Kontaktpunkte 602 und 603 aufweist und die Kraft proportional zum Quadrat der Stromstärke folgt F23 < F1 und als Extremwert F23 = 0.5*F1 wenn der Strom I gleichmäßig aufgeteilt wird und Kontakteigenschaften vernachlässigt werden. Folglich ergibt sich für einen Hebelarm b der länger als der Hebelarm a ist, dass die Kraft FB , die der Betätiger aufbringen muss, reduziert wird. Somit ergibt sich aus dem Zusammenwirken der ersten Kontaktanordnung 500 mit dem ersten Arm 210 und der zweiten Kontaktanordnung 600 mit dem zweiten Arm 220 der Effekt, dass die Kraft FB , die durch den Betätiger aufgebracht werden muss, minimiert wird.
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Weitere Effekte, wie zum Beispiel das Vorhandensein einer Kraft FM , die durch einen Blasmagneten erzeugt wird, können analog berücksichtigt werden. Insbesondere kann auch hierzu das Hebelgesetz verwendet werden. Beispielsweise kann die Kraft F1 über den Hebelarm c mit der Kraft FM verbunden sein. Dadurch kann es insbesondere zu unterschiedlichen längen der Arme 210 und 220 kommen. Vorzugsweise ist a < b < 2*a.
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Entsprechend den 1 bis 4 und 9 bilden die drei Kontaktpunkte 501, 602 und 603 ein gleichschenkliges Dreieck. Eine alternative Kontaktanordnung, bei der die Kontakte ein unregelmäßiges stumpfwinkliges Dreieck bilden, ist in 10 gezeigt. In einer weiteren nicht gezeigten Ausführung bilden die drei Kontakte ein unregelmäßiges spitzwinkliges Dreieck.
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Allgemein bildet der doppelt unterbrechende Schalter immer einen Dreifachkontakt. Mehr als drei Kontaktpunkte sind nicht möglich, da das System sonst überbestimmt wäre und zumindest ein Punkt nicht kontaktieren würde. Weiterhin liegen die drei Kontaktpunkte nicht auf einer Geraden, sondern spannen eine Ebene auf.
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Weiterhin kann jeder der Festkontakte 300, 400 und Brückenkontakte 230, 240 einen Silberanteil aufweisen.
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Entsprechend einer weiteren Ausführungsform, die in 4 gezeigt ist, umfasst der Schalter 100 einen Betätiger 202, der elektromagnetisch angetrieben wird. Insbesondere weist der Antrieb dazu einen Kern 250, eine Spule 252 und einen Hubanker 254 auf.
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Entsprechend einer weiteren Ausführungsform, die nicht in den Figuren gezeigt ist, umfasst der doppelt unterbrechende Schalter 100 einem Blasmagneten und eine Funkenlöschkammer, um Verschleiß durch Schaltlichtbögen beim Öffnen des Schalters zu minimieren.
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Bezugszeichenliste
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| Bezugsziffer |
Beschreibung |
| 100 |
doppelt unterbrechende Schalter |
| 102 |
elektromagnetischer Antrieb |
| 200 |
Kontaktbrücke |
| 202 |
Betätiger |
| 204 |
Anbindungspunkt |
| 205 |
Federelement |
| 206 |
erstes Brückenende |
| 208 |
zweites Brückenende |
| 209 |
Hilfsebene |
| 210 |
erster Arm |
| 220 |
zweiter Arm |
| 230 |
erster Brückenkontakt |
| 232 |
vierte Kontakterhebung |
| 234 |
viertes Volumenelement |
| 240 |
zweiter Brückenkontakt |
| 242 |
fünfte Kontakterhebung |
| 244 |
fünftes Volumenelement |
| 245 |
sechste Kontakterhebung |
| 246 |
sechstes Volumenelement |
| 250 |
Kern |
| 252 |
Spule |
| 254 |
Hubanker |
| 300 |
erster Festkontakt |
| 302 |
erste Kontakterhebung |
| 304 |
erstes Volumenelement |
| 400 |
zweiter Festkontakt |
| 402 |
zweite Kontakterhebung |
| 404 |
zweites Volumenelement |
| 405 |
dritte Kontakterhebung |
| 406 |
drittes Volumenelement |
| 500 |
erste Kontaktanordnung |
| 501 |
erster Kontaktpunkt |
| 600 |
zweite Kontaktanordnung |
| 602 |
zweiter Kontaktpunkt |
| 603 |
dritter Kontaktpunkt |
