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Elektrischer Schalter
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Schalter, insbesondere für hohe Ströme, bei wel- chem wenigstens eines von zwei einem Kontaktdruck aussetzbaren Schaltstücken aus einem verformbaren
Werkstoff besteht, dessen durch den Kontaktdruck bewirkte Verformung die wirksame Kontaktfläche be- stimmt.
Bei elektrischen Schaltern ist es bekannt, die durch den Widerstand der Kontaktstelle verursachte
Wärme mittels eines entsprechenden Kontaktdruckes möglichst niedrig zu halten. Dies bietet bei Schwach- stromschaltern, bei welchen eine verhältnismässig schwache Federkraft eine gute Kontaktgabe gewahrlei- sten kann, keinerlei Schwierigkeiten. Hingegen wirkt sich ein bei grosser Stromstärke ins Ungewisse ge- steigerter Kontaktdruck insbesondere bei Starkstromschaltern insoferne ungünstig aus, als der bei sehr hohen Stromstärken zur Anwendung gelangende grosse Kontaktdruck eine verhältnismässig rasche Abnut- zung der Schaltstücke mit sich bringt.
Die Anwendung eines grösstmöglichen und im wesentlichen nur durch die Festigkeit des Schalters be- grenzten Kontaktdruckes wurde aus folgenden Erwägungen gehandhabt. Jede noch so fein polierte glatte Metalloberfläche weist winzige, d. h. mikroskopisch kleine Vorsprünge auf, die das gleichzeitige Anliegen aller Punkte der Metalloberfläche an eine andere glatte Metalloberfläche verhindern. Wird nun beispielsweise ein frei kippbares Schaltstück an ein unbewegliches Schaltstück angelegt, so kommt das bewegliche Schaltstück zunächst mit nicht weniger als drei der kleinen Vorsprünge der feststehenden Kontaktober- fläche in Berührung.
Zwecks Vergrösserung der nur aus drei Berührungspunkten bestehenden wirksamen Kontaktfläche genügt es, in an sich bekannter Weise einen die Vorsprünge der Kontaktoberflächen mehr oder weniger verformenden bzw. flachdrückenden Kontaktdruck auszuüben, um dieserart die Anzahl der Berührungspunkte und somit die wirksame Gesamtfläche des Kontaktes zwischen den beiden Schaltstück- ken der jeweils zu schaltenden Stromstärke anzupassen.
Während der Zustand und die Grösse der wirksamen Kontaktfläche und somit der Wert des Kontaktdruckes bei Schwachstromschaltern nur eine untergeordnete Rolle spielt, gewinnt der Wert des Kontaktdruckes bei Leistungsschaltern eine ausschlaggebende Bedeutung. Tatsächlich sind die bei Leistungsschaltern zweckmässig aus einem Hartmetall bestehenden Schaltstücke ausserordentlich sorgfältig glatt geschliffen und einem willkürlich sehr hoch bemessenen Kontaktdruck ausgesetzt, der wohl für eine zusätzliche Abplattung der noch bestehenden kleinen Vorsprünge und Unebenheiten an den Kontaktoberflächen sorgen soll aber in keinem Verhältnis zur jeweiligen Nennstromstärke steht.
Ein solcher Leistungsschalter kann auf Grund des aus Sicherheitsgründen auf alle Fälle auf ein zulässiges Höchstmass gesteigerten Kontaktdruckes einer grossen Zahl von Schaltungen kaum standhalten. Ausserdem verursacht die sorgfältige Bearbeitung der Kontaktoberflächen der grossen Schaltstücke verhältnismässig hohe Gestehungskosten.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass es für die Verhütung einer schädlichen Wärmeentwicklung an der Kontaktstelle genügt, dem Kontaktdruck nicht etwa einen von vornherein möglichst hohen Wert, sondern stets einen vorbestimmten, in Abhängigkeit von der. Kontaktverformung und der jeweiligen Nennstromstärke berechneten Mindestwert zu verleihen.
Erfindungsgemäss wird eine einwandfreie Kontaktgabe ohne schädliche Wärmeentwicklung auch bei höchsten Stromstärken stets dadurch erzielt, dass sich bei vorgegebenem Kontaktdruck und diesem zuge-
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ordneter Schaltstromstärke im Falle einer Änderung der Schaltstromstärke der neu zu wählende Kontaktdruck zwecks Schaffung einer eine übermässige Erwärmung verhindernden Kontaktfläche zum vorgegebenen Kontaktdruck wie die Quadrate der zugeordneten Schaltstromstärken verhält. Dank diesem vorbestimmten Mindestwert des Kontaktdruckes fällt die wirksame Kontaktfläche stets genügend gross aus, um eine einwandfreie Kontaktgabe zu gewährleisten, aber nicht grösser, als dies zur Vermeidung einer schädlichen Wärmeentwicklung erforderlich ist.
Die infolge des Stromflusses an der Kontaktfläche entstehende Wärmemenge muss offenbar über die Masse der Kontaktkörper abgeleitet werden, so dass die abgeführte Wärmemenge eine Funktion der Wärmeleitfähigkeit der Metalle ist. Im Falle eines gleichbleibenden Stromes ist. also die Bestimmung eines der maximalen Erwärmung entsprechenden Temperaturgleichgewichtes möglich.
Bei gleichem Temperaturunterschied zwischen der Kontaktfläche und dem Umgebungsmedium vergrössert sich die von dieser Kontaktfläche abgeführte Wärmemenge Ql mit der Quadratwurzel der Oberfläche dieser Fläche, d. h. mit der Quadratwurzel der die Kontaktkörper gegeneinanderpressenden Kraft :
EMI2.1
wobei F diese Kraft und a eine von der Art der verwendeten Metalle (Härte, elektrische und Wärmeleitfähigkeit usw.) abhängige Konstante ist.
Anderseits nimmt die durch das Fliessen eines Stromes einer gegebenen Stärke entwickelte Wärmemenge Q mit der Quadratwurzel des Kontaktdruckes ab und mit dem Quadrat der Stromstärke zu, was ausgedrückt werden kann durch :
EMI2.2
wobei I die Stromstärke und b eine von der Art der verwendeten Metalle (Härte, elektrische und Wärmeleitfähigkeit usw.) abhängige Konstante ist.
EMI2.3
oder F=K. (I)
Um die erzeugte Wärmemenge abzuführen genügt es also, wenn der Kontaktdruck proportional dem Quadrat der jeweiligen Stromstärke gewählt wird.
Um aufzuzeigen, dass diese Theorie bei gewerblicher Anwendung leicht verwirklicht werden kann, wurden die Werte der für hohe Stromstärken (z. B. von etwa 1000 A) anzuwendenden Kräfte errechnet sowie ermittelt, dass die erforderliche Kraft nur etwa 50 kg beträgt. Dieses Ergebnis steht im Widerspruch zu den durch Extrapolation der üblichen überreichlichen Kontakte für Schwachströme zu erwartenden Werte, die zwischen 10 und 100 t liegen.
Bei mit aus einfachen zylindrischen, kreuzweise angeordneten und einander folglich an einem einzigen Punkt berührenden Drähten bestehenden Kontakten durchgeführten Versuchen (Drahtdurchmesser :
EMI2.4
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EMI3.1
<tb>
<tb> Kontaktdruck
<tb> Kupfer/Kupfer <SEP> : <SEP> 20 <SEP> g
<tb> Kupfer/harte <SEP> Bronze <SEP> : <SEP> 20 <SEP> g
<tb> harte <SEP> Bronze/harte <SEP> Bronze <SEP> 400 <SEP> g
<tb> chromplattiertes <SEP> Kupfer/
<tb> chromplattiertes <SEP> Kupfer <SEP> : <SEP> unmöglich <SEP>
<tb> oxydiertes <SEP> Kupfer/
<tb> oxydiertes <SEP> Kupfer <SEP> :
<SEP> 20 <SEP> g
<tb>
Aus der vorstehenden Tabelle ist ersichtlich, dass bei ausreichender Verformbarkeit wenigstens eines der Metalle der erforderliche Kontaktdruck sehr klein (20 g) ist.
EMI3.2
Die Erfindung bietet die Vorteile, dass sie eine sorgfältige Bearbeitung der Kontaktoberflachen ent- behrlich macht und der Schalter von grösserer Lebensdauer ist als die für die gleiche Nennstromstärke vom vorgesehenen bekannten Schalter. Ausserdem wird der bisher übliche grosse Kontaktdruck durch einen vor- teilhaft kleineren ersetzt, ohne dass der jeweils in Betracht kommende kleinere Wert des Kontaktdruckes durch langwierige Experimente bestimmt oder gar ganz dem Zufall überlassen werden muss.
Ausserdem zeigt sich, dass nur einer der beiden Kontakte eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen muss.
In der Zeichnung sind beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung dargestellt, an Hand derer die
Erfindung im folgenden näher beschrieben ist. Es zeigt Fig. 1 eine Ausführungsform der Kontaktstücke in
Ansicht, Fig. 2 eine ähnliche Ausbildungsform in schaubildlicher Darstellung teilweise im Schnitt, Fig. 3 dieselbe Ausbildungsform mit einer Betätigungsanordnung teilweise im Schnitt, Fig. 4 eine dritte Ausbil- dungsform der Kontaktstücke im Schnitt und Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines kippbaren Kon- taktstückes im Schnitt.
In der Fig. 1 ist-eine besonders günstige Ausgestaltung eines Schalters in eingeschaltetem Zustand gezeigt. Es sind vier Schaltstücke 1, 2 vorgesehen, von denen ein Schaltstück 2 eine härtere Kontaktoberfläche aufweist als die ändern drei Schaltstücke 1, die mit dem Schaltstück 2 je eine Kontaktstelle. bilden. Hiezu sind die Schaltstücke 1 als Stäbe ausgebildet, die in eine gemeinsame Platte 3 eingesetzt sind. Die Kontaktoberfläche des härteren Schaltstückes 2 ist eben und beim Schliessen des Schalters werden die stabförmigen Schaltstücke 1 in axialer Richtung mit ihren einen Enden an die härtere Kontaktoberfläche angedrückt. Um ein sattes Anliegen der drei Stäbe 1 an der Kontaktoberfläche des Schaltstük- kes 2 zu erreichen, ist dieses kippbar ausgebildet.
Die Stäbe 1 sind unbeweglich angeordnet und das Schaltstück 2 auf einem Dorn 4 befestigt, mit Hilfe dessen dasselbe in bezug auf die seiner Kontaktoberfläche zugekehrten Enden der Stäbe 1 axial bewegbar ist. Die Befestigung des Schaltstückes 2 am Dorn 4 erfolgt zur Durchführung der Kippbewegung mittels eines Kugelgelenkes 5. Der Dorn 4 trägt einen Bund 6, dessen Aufgabe es ist, das Kippen des Schaltstückes 2 so zu begrenzen, dass bei geöffnetem Schalter die Schaltstücke einen Mindestabstand voneinander aufweisen. Zur Stromzuführung ist an der Platte 3 eine Stromklemme 7 vorgesehen, wogegen der zweite Pol z. B. an dem verschiebbaren Dorn 4 angeschlossen ist (nicht gezeichnet).
Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, das Schaltstück 2 kippbar jedoch nicht verschiebbar auszubilden und die, die Schaltstücke 1 tragende Platte 3 axial verschiebbar auszuführen.
Bei der ähnlichen Ausführungsform nach Fig. 2 ist die Platte 3'aus Isoliermaterial gefertigt und die Stäbe 1 sind daher gegenseitig isoliert angeordnet. Die Anschlüsse 7,8 für die Stromzuführung sind direkt an den oberen Enden von zweien der Stäbe 1 vorgesehen. Im geschlossenen Zustand des Schalters dient der dritte Stab 1 nur als Abstützung. Das Schaltstück 2 ist hier also als Überbrückungskontakt wirksam, wodurch die störungsanfällige Stromzuführung an den beweglichen Teil des Schalters wegfällt.
Aus Fig. 3 ist eine Betätigungsanordnung für diesen Schalter ersichtlich. Am freien Ende des Domes 4 ist ein Kolben 9 ausgebildet, der in einem Zylinder 10 geführt ist. An diesen ist unter Zwischenschaltung eines Steuerorgans, z. B. eines Dreiweghahnes 11, ein Luft-Öl-Behälter 12 angeschlossen, der über eine Pumpe 13, welche den Druck in ihm aufrecht zu erhalten hat, aus einem Ölbehälter 14 gespeist wird.
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