CN111742386A

CN111742386A - 开关装置

Info

Publication number: CN111742386A
Application number: CN201980015817.7A
Authority: CN
Inventors: R·霍夫曼; F·维纳; P·博伯特
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Electronics AG; TDK Corp
Priority date: 2018-02-27
Filing date: 2019-02-26
Publication date: 2020-10-02
Also published as: DE112019001011A5; CN117790205A; US20200402732A1; DE102018104415A1; US11456123B2; WO2019166445A1

Abstract

给出一种开关装置（100），其具有至少一个固定不动的接触部（2、3）和至少一个可移动的接触部（4），其中，所述接触部（2、3、4）中的至少一个具有金属基质‑复合材料，该金属基质‑复合材料具有金属的基质材料和分散在该基质材料中的填料。

Description

开关装置

技术领域

给出一种开关装置。

背景技术

该开关装置特别是构造为可通过导电电流工作的、电磁地作用的、远程操纵的开关。开关装置可以通过控制电路激活，并且可以通断负载电路。开关装置特别是可以构造为继电器或接触器(Schütz，有时称为保护器)，特别是功率接触器。开关装置可以特别优选地设计为充气的功率接触器。

这种开关装置特别是功率接触器的一种可能的应用是，例如在机动车比如电动的或者部分电动的机动车中断开或隔断电池电路。这些机动车例如可以是纯粹靠电池驱动的车辆（BEV:“Battery Electric Vehicle(纯电动车)”）、通过插座或充电站可充电的混合-电动车辆（PHEV:“Plug-in Hybrid Electric Vehicle(插电式混合动力车)”）和混合-电动车辆（HEV:“Hybrid Electric Vehicle(混合动力车)”）。在此，通常借助功率接触器既使得电池的正接触部断开，又使得其负接触部断开。这种断开在正常工作中例如在车辆的静止状态下进行，以及在干扰的情况下比如事故或类似情况下进行。在此，功率接触器的主要任务是，把车辆切换为无电压并中断电流。

在这种开关器上会出现的一种特别严重的故障情况是所谓的“接触器粘死”（英文“stuck(粘住)”）。在这种情况下，开关部件因断开或接通期间的焊接而“粘接”在一起，因而尽管开关器的电源电压已被切断，但却无法保证负载电路可靠地断开。

在文献DE 34 30 490 C2中描述了一种接触器，其中，通过在铜中采用钨或钼，改善了烧损特性，并减小了焊接倾向。但这些材料制造起来繁琐且昂贵，并且在闭合的开关器状态下导致过渡电阻增大，这例如在大电流应用时通常是并非所愿的。

对于常开(offen)接触器，采用银合金和银金属氧化物合金，例如AgCdO或AgSnO，以便减小焊接倾向。但由于在含有氢气的环境中氧含量不是很稳定，该环境比如应用于充气的功率接触器，这些化合物并不适合，因为氧与氢会发生反应。

发明内容

某些实施方式的至少一个目的是，给出一种开关装置，特别优选能避免或者至少减小焊接倾向的开关装置。

该目的通过一种根据独立专利权利要求的对象得以实现。该对象的有利的实施方式和改进在从属权利要求中表明，并且还由后续说明和附图得到。

根据一种实施方式，开关装置具有至少一个固定不动的接触部和至少一个可移动的接触部。至少一个固定不动的接触部和至少一个可移动的接触部被设置和设立用于接通和切断可与开关装置联接的负载电路。可移动的接触部可在开关装置中相应地如此在开关装置的未接通状态与接通状态之间移动，从而可移动的接触部在开关装置的未接通状态下与至少一个固定不动的接触部间隔开，且进而电流断开，而在接通状态下与至少一个固定不动的接触部具有机械的接触，且进而与至少一个固定不动的接触部电流连接。特别优选地，开关装置具有至少两个固定不动的接触部，这些接触部在开关装置中彼此分开地布置，并且以此方式可以根据可移动的接触部的状态而定通过可移动的接触部导电地相互连接或者彼此电断开。

根据另一种实施方式，开关装置具有壳体，在该壳体中布置有可移动的接触部和至少一个固定不动的接触部或者至少两个固定不动的接触部。可移动的接触部特别是可以完全地布置在壳体中。在壳体中布置固定不动的接触部，这特别是可以意味着，固定不动的接触部的接触区域布置在壳体内部，该接触区域在接通的状态下与可移动的接触部处于机械接触中。为了联接待通过开关装置接通的电路的输入线路，可以从外面，即从壳体外部，电接触布置在壳体中的固定不动的接触部。为此，布置在壳体中的固定不动的接触部能以一部分从壳体中伸出，并且在壳体之外具有用于输入线路的联接可行性。

根据另一种实施方式，接触部布置在壳体内的气体环境中。这特别是可以意味着，可移动的接触部完全布置在壳体内的气体环境中，且此外，一个或多个固定不动的接触部的至少一些部分，比如一个或多个固定不动的接触部的一个或多个接触区域，布置在壳体内的气体环境中。开关装置相应地可以特别优选地是充气的开关装置，比如充气的接触器。特别地，接触部，也就是说，可移动的接触部完全地，且一个或多个固定不动的接触部的至少一些部分，可布置在壳体内部的开关腔中，气体即气体环境的至少一部分位于该开关腔中。气体可以优选具有至少50%的H₂含量。除了H₂之外，气体可以具有惰性的气体，特别优选N₂和/或一种或多种稀有气体。

根据另一种实施方式，接触部中的至少一个具有金属基质-复合材料，该金属基质-复合材料具有金属的基质材料和分散在该基质材料中的填料。作为基质材料，金属基质-复合材料可以特别优选地具有铜或铜合金。这种材料可以有利地具有高的导电率，并且相应地具有高的电流承载能力。填料可以特别优选地具有金属氧化物，特别是高熔点的、非常稳定的金属氧化物。填料例如可以具有含铝的氧化物。替代于或附加于氧化铝，填料也可以具有至少一种或多种其它的陶瓷氧化物。

根据另一种实施方式，填料由颗粒构成，这些颗粒可以在基质材料中优选均匀地且均质地分布。已表明有利的是，颗粒具有小于1μm、且优选小于0.1μm的平均大小，从而填料特别优选地在基质材料中具有均匀的、精细结晶的分布。这种精细结晶的分布例如可以按如下方式来实现：给由合金构成的粉末混入氧化剂，其具有基质材料和基于填料的金属，由此使得基于填料的、在粉末颗粒中含有的金属氧化。例如通过压紧和烧结如此制得的基质材料-氧化物-复合-粉末，于是可以制得所希望的组分。

根据另一种实施方式，基质材料中填料的含量小于或等于2%，其中，该含量特别是可以按重量百分比测得。已表明有利的是，基质材料中填料的含量小于或等于1%，或者甚至小于或等于0.3%。此外，基质材料中填料的含量可以大于或等于0.2%。

已表明，给基质材料添加填料，该填料可以特别是在温度负载大的情况下改善基质材料的机械特性，在使用时特别是在充有含氢的气体的开关装置中，同样导致很小的焊接倾向。因而可以通过这里描述的金属基质-复合材料，减小或者甚至完全消除在这里描述的开关装置(该开关装置特别优选是充有含氢的气体的开关装置)中接触部的焊接倾向的问题，其方式为，针对一个或多个接触部，给金属材料优选铜材料添加少量高熔点的、非常稳定的金属氧化物。颗粒形的填料的优选细微的分布特别是可以提高金属的基质材料的机械强度，而不会损害其导热率或导电率。特别地，采用这里描述的开关装置的试验已表明，相比于在采用通常的与这里描述的金属基质-复合材料不相应的接触材料的情形中，通过金属基质-复合材料可以在待接通的电流大于100A情况下实现更多开关过程，而没有“粘接”，即各接触部不会焊接。

特别优选地，至少可移动的接触部可以具有金属基质-复合材料。特别地，至少可移动的接触部可以完全由金属基质-复合材料构成。替代地或附加地，至少一个固定不动的接触部也可以具有金属基质-复合材料或者完全由其构成。如果开关装置具有至少两个固定不动的接触部，则开关装置的优选全部的固定不动的接触部都可以具有金属基质-复合材料或者分别完全由其构成。可以特别优选的是，全部的接触部，即开关装置的全部的固定不动的接触部和可移动的接触部，都具有金属基质-复合材料或者分别完全由其构成。

如果一个接触部具有金属基质-复合材料，则这也可以意味着，该接触部具有接触体和至少一个安置在接触体处的接触区域，并且至少一个接触区域具有金属基质-复合材料。接触体可以由金属材料例如金属的基质材料即比如铜或铜合金制成，而没有嵌入的填料。接触区域例如可以构造成小片(Plättchen，有时称为小板)并且固定在接触体处，该小片比如具有1mm或更小的厚度，且通常具有大约0.5mm的厚度。例如，接触区域即例如接触小片可以通过硬钎焊、铆接、填缝或另一种合适的方法固定在接触体处。特别优选地，全部接触部也可以具有相应的接触体和接触区域。此外也能够可行的是，例如可移动的接触部完全由金属基质-复合材料构成，而一个或多个固定不动的接触部分别通过接触体构成，该接触体带有通过金属基质-复合材料构成的、布置于其处的接触区域。相反的实施方案同样是可行的。

附图说明

其它优点、有利的实施方式和改进由下面结合附图描述的实施例得到。

其中：

图1A和1B示出了根据一个实施例的开关装置的示意图；和

图2A和2B示出了根据其它实施例的开关装置的接触部的零件的示意图。

具体实施方式

在各实施例和附图中，相同的、同类的或相同作用的部件分别可以设有相同的参考符号。所示的各部件及其相互间的大小比例不得视为尺寸精准，确切地说，个别部件如例如层、构件、结构部件和区域，为更好的可示出性和/或为了更好的理解可夸张地放大示出。

在图1A和1B中示出了开关装置100的一个实施例，其例如可以用于通断大电流和/或高电压，且可以是继电器或接触器，特别是功率接触器。在图1A中示出了三维的剖视图，而在图1B中示出了二维的剖视图。如下说明等同地涉及图1A和1B。所示的几何形状只是示范性的且不得局限性地理解，并且也可以替代性地构造。

开关装置100在壳体1中具有两个固定不动的接触部2、3和一个可移动的接触部4。可移动的接触部4构造成接触板。固定不动的接触部2、3与可移动的接触部4一起形成开关接触部。壳体1尤其用作布置在内部的组件的触碰防护件，并且具有塑料或者由塑料构成，例如聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）或玻璃填充的PBT。

在图1A和1B中示出开关装置100处于静止状态，在该状态下，可移动的接触部4与固定不动的接触部2、3间隔开，从而接触部2、3、4彼此电流断开。这些开关接触部的所示实施方案和特别是它们的几何形状，是纯示范性的且不得局限性地理解。替代地，这些开关接触部也可以按其它方式构造。例如能够可行的是，只把开关接触部中的一个设计成固定不动。

开关装置100具有可移动的磁性衔铁5，该磁性衔铁主要进行开关运动。磁性衔铁5具有磁性芯子6，该芯子例如带有铁磁材料或者由铁磁材料构成。此外，磁性衔铁5具有轴7，该轴穿过磁性芯子6引导并且在一个轴端部处固定地与磁性芯子6连接。在与磁性芯子6相对而置的另一个轴端部处，磁性衔铁5具有同样与轴7连接的可移动的接触部4。轴7例如可以利用不锈钢或者由不锈钢制成。

磁性芯子6被线圈8包围。线圈8中的可从外面接通的电流使得磁性芯子6，且进而使得整个磁性衔铁5在轴向方向上产生运动，直至可移动的接触部4接触固定不动的接触部2、3。磁性衔铁5因而从第一位置移动至第二位置，第一位置相应于静止状态，且同时相应于断开的、即未接通的状态，第二位置相应于激活的、即接通的状态。在激活状态下，接触部2、3、4彼此电流连接。在另一实施方式中，磁性衔铁5替代地也可以进行旋转运动。磁性衔铁5特别是可以设计成拉式衔铁或翻转式衔铁(Klappanker)。为了引导轴7且进而引导磁性衔铁5，开关装置100具有轭部9，该轭部可以具有纯铁或低掺杂的铁合金，或者由其构成，并且形成磁回路的一部分。轭部9具有开口，轴7在该开口中被引导。如果线圈8中的电流中断，磁性衔铁5就通过一个或多个弹簧10又移动至第一位置。开关装置100于是又处于静止状态，接触部2、3、4在该静止状态下断开。

在接触部2、3、4断开时会产生电弧，该电弧会有损于接触面。由此会产生危险：接触部2、3、4通过由电弧引起的焊接而保持相互“粘接”，而不再彼此断开。为了防止产生这种电弧，或者至少为了支持熄灭所出现的电弧，接触部2、3、4一方面布置在气体环境中，从而开关装置100构造成充气的继电器或充气的接触器，另一方面，接触部2、3、4中的至少一个具有一种材料，该材料示出较小的焊接倾向或者没有焊接倾向。

在气体环境方面，接触部2、3、4在由开关腔壁12和开关腔底13构成的开关腔11内部，布置在壳体1的密封地封闭的部分中。壳体1，且特别是壳体1的密封地封闭的部分，完全包围磁性衔铁5和接触部2、3、4。壳体1的密封地封闭的部分充有气体14，且进而开关腔11也充有气体14。气体14可以在开关装置100的制造的范畴中经由充气接管15充入，所述气体可以特别优选地含有氢气，特别优选在惰性气体中带有50%或更多的H₂，或者甚至带有100%的H₂，因为含有氢气的气体可以促使电弧熄灭。如果气体14的H₂含量为小于100%，则气体可以附加地具有一种或多种特别是选自于N₂和稀有气体的惰性气体。此外，在开关腔11的内部或外部可以存在所谓的熄弧磁铁(Blasmagnet)（未示出），即永磁铁，其可以引起电弧间隙延长，且可以进而改善电弧的熄灭。开关腔壁12和开关腔底13例如可以用或者由金属氧化物比如Al₂O₃制成。

接触部2、3、4中的至少一个具有金属基质-复合材料，该金属基质-复合材料具有金属的基质材料和分散在该基质材料中的填料。作为基质材料，金属基质-复合材料可以特别优选地具有铜或铜合金，从而金属基质-复合材料可以具有高的导电率，并且相应地可以具有高的电流承载能力。

填料具有金属氧化物，或者由金属氧化物构成。特别优选地，为此采用高熔点的、非常稳定的金属氧化物，例如氧化铝或者陶瓷氧化物与氧化铝的混合物。替代于氧化铝，填料也可以具有至少一种或多种其它的陶瓷氧化物。填料以颗粒的形式分散在基质材料中。特别优选地，填料在基质材料中均匀地且均质地分布，其中，颗粒具有小于1μm、且优选小于0.1μm的平均大小。已表明，基质材料中的填料含量优选小于或等于2%（重量）。特别优选地，基质材料中的填料含量小于或等于1%（重量），或者甚至小于或等于0.3%（重量）且大于或等于0.2%（重量）。

通过给金属的基质材料添加填料，可以形成金属基质-复合材料，相比于纯基质材料，在导热率和导电率相同或基本相同的情况下，金属基质-复合材料具有提高的机械强度。如已令人惊奇地表明，特别是在充有氢气的开关装置中，金属基质-复合材料也具有很小的焊接倾向。

特别优选地，全部的接触部2、3、4，即开关装置100的全部的固定不动的和可移动的接触部，都可以具有金属基质-复合材料，或者分别甚至完全由其构成。由此可以为全部接触部2、3、4实现金属基质-复合材料的有利效果。

但也能够可行的是，只有接触部中的一个，例如可移动的接触部4，具有金属基质-复合材料，或者优选完全由其构成。在这种情况下，固定不动的接触部2、3可以具有通常的接触材料或者由其构成，例如铜(Cu)、铜合金或铜与至少一种其它的金属例如钨(Wo)、镍(Ni)和/或铬(Cr)的混合物。替代于此，也能够可行的是，可移动的接触部4由通常的接触材料制成，并且至少一种或者全部的固定不动的接触部2、3具有金属基质-复合材料，或者优选分别完全由其构成。

替代于一个或多个接触部2、3、4完全由金属基质-复合材料构成，所述一个或多个接触部例如可以仅在接触区域中具有金属基质-复合材料。该接触区域安置在接触体上，该接触体由通常的接触材料构成。接触部的接触区域是如下区域：在开关装置的激活状态下，接触部以该区域触碰被设置用于开关过程的另一接触部。在图2A中局部地示出相应的可移动的接触部4的一个实施例，其带有由通常的接触材料构成的接触体40和由金属基质-复合材料构成的接触区域41；而在图2B中局部地示出相应的固定不动的接触部2的一个实施例，其带有由通常的接触材料构成的接触体20和由金属基质-复合材料构成的接触区域21。

接触区域21、41可以分别构造成小片，其例如具有大约0.5mm的典型的厚度，并且例如通过硬钎焊、铆接或填缝而固定在相应的接触体20、40上。能够可行的是，全部的接触部2、3、4都相应地构造。替代地例如也能够可行的是，例如按照图2B的实施例来构造固定不动的接触部，而可移动的接触部由通常的接触材料构成，或者特别优选地，由金属基质-复合材料构成。相反的构造同样是可行的，即可移动的接触部4按照图2A的实施例来构造，而固定不动的接触部2、3由通常的接触材料构成，或者特别优选地，由金属基质-复合材料构成。

根据其它实施例，即使未明确地描述全部的组合，结合附图描述的各特征和实施例也可以相互组合。此外，结合附图描述的各实施例替代地或附加地可以具有根据该说明书在通用部分中的其它特征。

本发明并不因借助实施例所做的说明而局限于这些实施例。确切地说，本发明包括任何新特征以及任何特征组合，这特别是包含专利权利要求书中的任何特征组合，即使该特征或该组合本身未在专利权利要求书或实施例中明确地给出。

附图标记清单

1 壳体

2、3 固定不动的接触部

4 可移动的接触部

5 磁性衔铁

6 磁性芯子

7 轴

8 线圈

9 轭部

10 弹簧

11 开关腔

12 开关腔壁

13 开关腔底

14 气体

15 充气接管

20、40 接触体

21、41 接触区域

100 开关装置

Claims

1.开关装置（100），具有至少一个固定不动的接触部（2、3）和至少一个可移动的接触部（4），其中，所述接触部（2、3、4）中的至少一个具有金属基质-复合材料，该金属基质-复合材料具有金属的基质材料和分散在该基质材料中的填料，且其中，所述接触部（2、3、4）布置在带有气体（14）的开关腔（11）中，且所述气体含有H₂。

2.根据前述权利要求所述的开关装置（100），其中，所述可移动的接触部（4）具有金属基质-复合材料。

3.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置（100），其中，所述开关装置（100）具有至少两个固定不动的接触部（2、3），并且全部的固定不动的接触部（2、3）都具有金属基质-复合材料。

4.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置（100），其中，所述开关装置（2、3、4）的全部的固定不动的和可移动的接触部（2、3、4）都具有所述金属基质-复合材料。

5.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置（100），其中，所述接触部（2、3、4）中的至少一个完全由所述金属基质-复合材料构成。

6.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置（100），其中，所述可移动的接触部（4）完全由所述金属基质-复合材料构成。

7.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置（100），其中，所述开关装置（2、3、4）的全部的固定不动的和可移动的接触部（2、3、4）完全由所述金属基质-复合材料构成。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的开关装置（100），其中，所述接触部（2、3、4）中的至少一个具有接触体（20、40）和至少一个安置在所述接触体（20、40）处的接触区域（21、41），并且至少一个所述接触区域（21、41）具有所述金属基质-复合材料。

9.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置（100），其中，作为基质材料，所述金属基质-复合材料具有铜或铜合金。

10.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置（100），其中，所述填料具有金属氧化物。

11.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置（100），其中，所述填料具有含铝的氧化物。

12.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置（100），其中，所述填料由颗粒构成。

13.根据前述权利要求所述的开关装置（100），其中，所述颗粒具有小于1μm的平均大小。

14.根据前述两个权利要求中任一项所述的开关装置（100），其中，所述颗粒具有小于或等于0.1μm的平均大小。

15.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置（100），其中，所述基质材料中所述填料的含量小于或等于2%。

16.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置（100），其中，所述基质材料中所述填料的含量小于或等于1%。

17.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置（100），其中，所述基质材料中所述填料的含量小于或等于0.3%。

18.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置（100），其中，所述基质材料中所述填料的含量大于或等于0.2%。

19.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%的H₂含量。