CN117038394A

CN117038394A - 开关装置

Info

Publication number: CN117038394A
Application number: CN202310990281.9A
Authority: CN
Inventors: F·维尔纳; R·霍夫曼
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2018-04-19
Filing date: 2019-04-12
Publication date: 2023-11-10
Also published as: US11462379B2; CN112041961A; JP7467552B2; US20210202197A1; US20220406548A1; CN112041961B; DE102018109403A1; WO2019201806A1; JP2021518043A; JP7136918B2; US11854757B2; JP2022173228A

Abstract

本发明涉及一种开关装置(100)，其在开关腔(11)中具有至少两个固定的接触部(2、3)和可移动的接触部(4)，其中，开关腔(11)具有开关腔壁(12)，固定的接触部(2、3)中的每个都通过在开关腔壁(12)中的相应的开口(122)伸入到开关腔(11)中，并且在开关腔壁(12)中在开口(122)之间，在开关腔(11)的面向可移动的接触部(4)的内侧面(121)上构造有连续的表面区域(123)，该表面区域被固定的接触部(2、3)遮蔽。

Description

开关装置

技术领域

本发明涉及一种开关装置。

背景技术

开关装置尤其构造成可通过导电电流运行的、电磁地作用的、远程操纵的开关器。开关装置可以经由控制电路来激活，且可以切换负载电路。尤其地，开关装置可以构造成继电器或接触器、尤其功率接触器。特别优选地，开关装置可以构造成充气的功率接触器。

这种开关装置(尤其功率接触器)的一种可能的用途是，例如在机动车比如电运行或部分电运行的机动车中断开和分隔电池电路。这些机动车例如可以是纯电池运行的车辆(BEV：“Battery Electric Vehicle，即电池电动车辆”)、可经由插座或充电站充电的混动电动车辆(PHEV：“Plug-in Hybrid Electric Vehicle，即插电式混动电动车辆”)和混动电动车辆(HEV：“Hybrid Electric Vehicle，即混动电动车辆”)。在此，通常借助功率接触器既分开电池的正接触部，又分开其负接触部。这种分离在正常运行中例如在车辆的静止状态下发生，以及也在干扰情况下比如事故情况下或类似的情况下发生。在此，功率接触器的主要任务是，把车辆切换成无电压并且中断电流。

当开关器在断开状态下不再具有足够的绝缘电阻时，这种开关器通常就达到了寿命终点。如果在断开状态下低于50MΩ的电阻，则开关器通常被视作失效。在例如900V的系统电压的情况下，如此已经可以在绝缘电阻处产生毫瓦-范围内的功率。

绝缘电阻减小的常见原因可能是，开关器内部的接触材料受到腐蚀，因为在开关过程中由于开关电弧，接触部的材料会被剥蚀。这些材料于是沉积在内壁处，并且形成可传导的覆层，这些覆层会导致对开关接触部的桥接。

发明内容

所确定的实施形式的至少一个目的是说明一种开关装置、特别优选如下开关装置：其中能防止或者至少减少所描述的缺点。

该目的通过根据独立权利要求的主题来实现。该主题的有利的实施形式和改进方案在从属权利要求中表明，并且进一步地可由后续说明和附图得到。

根据一种实施形式，开关装置具有至少两个固定的接触部和至少一个可移动的接触部。所述至少两个固定的接触部和至少一个可移动的接触部被设置和设定成用于接入和切断可联接到开关装置并且尤其联接到至少两个固定的接触部的负载电路。可移动的接触部在开关装置中可相应地如此在开关装置的非接通状态与接通状态之间移动，使得可移动的接触部在开关装置的非接通状态下与至少两个固定的接触部间隔开并且由此与其电隔离，且在接通状态下与至少两个固定的接触部机械地接触并且由此与其电连接。至少两个固定的接触部因而彼此隔开地布置在开关装置中，并且可以视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隔离。固定的接触部和/或可移动的接触部例如可以带有Cu、Cu-合金、一种或多种高熔点的金属比如Wo、Ni和/或Cr，或者所提及的材料的混合物(例如铜与至少一种其它的金属比如Wo、Ni和/或Cr的混合物)，或者由其构成。

根据另一实施形式，开关装置具有开关腔，在该开关腔中布置可移动的接触部和至少两个固定的接触部。可移动的接触部尤其可以完全地布置在开关腔中。“固定的接触部布置在开关腔中”尤其可以意味着，固定的接触部的在接通状态下与可移动的接触部处于机械接触中的至少一个接触区域布置在开关腔内部。为了联接待通过开关装置切换的电路的引线，能够从外面(即从开关腔外部)可电接触布置在开关腔中的固定的接触部。为此，布置在开关腔中的固定的接触部能以一部分从开关腔中伸出，且在开关腔外部可具有对于引线而言的联接可能性。

根据另一实施形式，开关装置具有壳体，在该壳体中布置可移动的接触部和至少两个固定的接触部。可移动的接触部尤其可以完全布置在壳体中。“固定的接触部布置在壳体中”尤其可以意味着，固定的接触部的在接通状态下与可移动的接触部处于机械接触中的至少一个接触区域布置在壳体内部。为了联接待通过开关装置切换的电路的引线，能够从外面(即从壳体外部)可电接触布置在壳体中的固定的接触部。为此，布置在壳体中的固定的接触部能以一部分从壳体中伸出，且在壳体外部可具有对于引线而言的联接可能性。

根据另一实施形式，各接触部布置在壳体内的气体环境(Gasatmosphaere)中。这尤其可以意味着，可移动的接触部完全布置在壳体内的气体环境中，此外，固定的接触部的至少一些部分(例如固定的接触部的接触区域)布置在壳体内的气体环境中。开关装置可相应特别优选地是充气的开关装置，比如充气的接触器。气体环境尤其可以促进熄灭在开关过程期间可能形成的电弧。气体环境的气体可以优选地具有至少50％份额的H₂。除了氢气之外，气体可以具有惰性气体，特别优选N₂和/或一种或多种稀有气体。

根据另一实施形式，开关腔位于壳体内部。此外，尤其气体(即气体环境的至少一部分)可以位于开关腔中。

根据另一实施形式，可移动的接触部可借助磁体电枢(Magnetanker)移动。磁体电枢为此尤其可以具有轴，该轴在一端处与可移动的接触部连接，从而可移动的接触部可借助该轴移动，即在轴移动时同样通过该轴移动。轴尤其可以通过开关腔中的开口伸入到开关腔中。尤其地，开关腔可以具有开关腔底，该开关腔底具有开口，轴穿过该开口。磁体电枢可以通过磁性回路移动，以便引起前述的开关过程。为此，磁性回路可以具有轭(Joch)，该轭具有开口，磁体电枢的轴伸过该开口。

轴可以优选具有不锈钢，或者由其构成。轭优选可以具有纯铁或低掺杂的铁合金，或者由其构成。开关腔(即尤其开关腔壁和/或开关腔底)可以至少部分地优选具有金属氧化物陶瓷(例如Al₂O₃)或塑料，或者由其构成。作为塑料，这种具有足够耐温性的塑料尤其适合。开关腔例如可以具有聚醚醚酮(PEEK)、聚乙烯(PE)和/或充气的聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)作为塑料。此外，开关腔也可至少部分地具有聚甲醛(POM)(尤其带有结构(CH₂O)_n)。这种塑料的特征可在于碳份额相对较低和形成石墨的倾向性很小。由于尤其在(CH₂O)_n中碳和氧的份额相同，在热感应分解时和尤其电弧感应分解时，形成主要气态的CO和H₂。附加的氢气可以加强灭弧。

根据另一实施形式，开关腔具有面向可移动的接触部的内侧面。尤其地，开关腔壁具有相应的面向可移动的接触部的内侧面。开关腔底同样具有相应的面向可移动的接触部的内侧面。开关腔壁的内侧面和开关腔底的内侧面可以共同地至少形成开关腔内侧面的一部分，优选形成开关腔的整个内侧面。

固定的接触部通过开口伸到开关腔中，在所述开口的区域内开关腔壁的内侧面与固定的接触部邻接。如果在内侧面处形成例如因接触材料剥蚀引起的导电的沉积物，则原则上会在固定的接触部之间形成导电的连接。为了避免这种情况，开关腔在开关腔的面向可移动的接触部的内侧面上，在开关腔壁中在开口之间具有连续的表面区域，该表面区域被固定的接触部遮蔽。这尤其意味着，不存在被遮蔽的表面区域的如下点：该点可经由直线连接穿过开关腔的内部与固定的接触部的表面上的任何点连接。在电弧期间可能从接触部剥蚀的材料，因而不会直接到达被遮蔽的表面区域，并且因而不会沉淀在该表面区域上。“被遮蔽的表面区域是连续的”尤其可以意味着，固定的接触部之间的经由开关腔壁内侧面的每个可能的路径(该路径在用导电材料相应地涂层时会形成漏泄电流路径)都被表面区域中断，从而尽管材料沉淀在开关腔壁的内侧面上，仍不会在内侧面上在固定的接触部之间形成连续的漏泄电流路径。

被遮蔽的表面区域尤其可以至少由沟槽(Graben)的从固定的接触部观察形成底切(Hinterschnitt)的一部分构成。因而通过底切实现了遮蔽效果。被遮蔽的表面区域可以具有沟槽的底面的至少一部分，亦或整个底面，或者由其构成。此外，沟槽可以具有沟槽壁，这些沟槽壁可以形成被遮蔽的表面区域的至少一部分。

沟槽例如可以具有多边形的横截面。该横截面例如可以是矩形的。此外，沟槽也可以具有波浪形的横截面。具有波浪形横截面的沟槽由于没有边棱而可以引起制造变得容易。

根据另一实施形式，沟槽具有宽度B和深度T。尤其地可以适用的是B<T并且特别优选地2·B<T。换句话说，沟槽优选深度大于宽度，特别优选深度为宽度的两倍以上。例如，B可以大于或等于0.5mm，且小于或等于2mm。此外，T可以大于或等于1mm，且小于或等于4mm。

表面区域可以相对于开关腔壁的内侧面的周围区域下陷地构造，即构造成槽形的、下陷的沟槽的区域。此外，表面区域也可以布置于在开关腔的内侧面上延伸的堤坝形的至少两个隆起部之间。

特别优选地，表面区域可关于固定的接触部对称地布置。这尤其可以意味着，表面区域居中地且因而同等间隔地布置在固定的接触部之间。

根据另一实施形式，开关腔底具有连续的被遮蔽的表面区域，该表面区域可以具有对于开关腔壁的表面区域而言的一个或多个前述特征。尤其地，开关腔壁的被遮蔽的表面区域和开关腔底的被遮蔽的表面区域可以形成相关连的被遮蔽的表面区域，从而在开关腔的内侧面上在固定的接触部之间不会形成连续的漏泄电流路径。

通过连续的被遮蔽的表面区域，可以解决形成可传导的覆层的问题，因为该表面区域在开关腔内由不可蒸镀的底切形成。该底切特别优选环绕地布置在腔中，并且即使在开关腔的内侧面蒸镀的情况下也有效地使得两个固定的接触部隔开。

附图说明

其它优点、有利的实施形式和改进方案可由下面结合附图所描述的实施例得到。其中：

图1A和1B示出了对于开关装置的一个示例的示意图；

图2A至2C示出了根据另一实施例的开关腔壁和开关装置的示意图；和

图3A和3B示出了根据另一实施例的开关装置的开关腔壁的示意图。

具体实施方式

在这些实施例和附图中，相同的、同类的或起相同作用的元件可相应设有相同的参考标号。所示的元件及其相互间的大小比例不应视为符合比例尺，而是各个元件(例如层、构件、结构元件和区域)夸大地示出，用于更好展示和/或用于更好理解。

在图1A和1B中示出了开关装置100，其例如可以用来接通强电流和/或高电压，且可以是继电器或接触器、尤其功率接触器。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。如下说明同样地涉及到图1A和1B。所示的几何形状应理解成仅示范性的而非限制性的，并且也可以构造成备选的。

开关装置100在壳体1中具有两个固定的接触部2、3和可移动的接触部4。可移动的接触部4构造成接触板。固定的接触部2、3与可移动的接触部4一起形成开关接触部。壳体1主要用作用于布置在内部的组件的触碰保护，且具有塑料(例如PBT或玻璃填充的PBT)或者由其构成。接触部2、3、4例如可以带有Cu、Cu-合金或者铜与至少一种其它的金属(例如Wo、Ni和/或Cr)的混合物，或者由其构成。

在图1A和1B中示出开关装置100处于静止状态下，在该静止状态下，可移动的接触部4与固定的接触部2、3间隔开，从而接触部2、3、4彼此电隔离。这些开关接触部的所示实施方案并且尤其它们的几何形状应理解成纯粹示例性的而非限制性的。备选地，这些开关接触部也可以按其它方式来构造。例如可行的是，这些开关接触部中的仅一个构造成固定的。

开关装置100具有可移动的磁体电枢5，该磁体电枢主要执行开关运动。磁体电枢5具有磁芯6，该磁芯例如带有铁磁材料或由其构成。此外，磁体电枢5具有轴7，该轴被引导穿过磁芯6并且在一个轴端处与磁芯6固定连接。在与磁芯6相对而置的另一轴端处，磁体电枢5具有同样与轴7连接的可移动的接触部4。轴7可以优选地带有不锈钢或者由其制成。

磁芯6被线圈8包围。线圈8中的可从外面串入的电流引起磁芯6并且由此整个磁体电枢5在轴向方向上的移动，直到可移动的接触部4接触固定的接触部2、3。磁体电枢5因而从第一位置移动至第二位置中，该第一位置相应于静止状态且同时相应于隔离的、即未接通的状态，第二位置相应于激活的、即接通的状态。在激活的状态下，接触部2、3、4彼此电连接。在另一实施形式中，磁体电枢5备选地也可以实施旋转运动。磁体电枢5尤其可以构造成牵拉电枢或翻摆电枢。如果线圈8中的电流中断，磁体电枢5就通过一个或多个弹簧10又移动到第一位置中。开关装置100于是又处于静止状态下，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，该电弧会损坏接触面。由此会产生如下危险：接触部2、3、4通过由电弧引起的焊接而保持相互“粘合”并且不再彼此分开。为了防止产生这种电弧，或者至少为了有助于熄灭所出现的电弧，把接触部2、3、4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者充气的接触器。为此，接触部2、3、4在由开关腔壁12和开关腔底13形成的开关腔11内部布置在壳体1的密闭地封闭的部分中。壳体1且尤其壳体1的密闭地封闭的部分完全包围磁体电枢5和接触部2、3、4。壳体1的密闭地封闭的部分并且由此还有开关腔11填充有气体14。可在开关装置100的制造过程中通过充气接管15被充入的气体14特别优选地可以含有氢气，例如在惰性气体中具有50％或以上的H₂，或者甚至具有100％的H₂，因为含有氢气的气体可以促进电弧的熄灭。此外，在开关腔11内部或外部可以存在所谓的吹弧磁体(未示出)、即永磁体，其会引起电弧间隙的延长并且因而可以改善电弧的熄灭。开关腔壁12和开关腔底13例如可以带有金属氧化物比如Al₂O₃，或者由其制成。此外，具有足够高的耐温性的塑料(例如PEEK、PE和/或充气的PBT)也适合。备选地或附加地，开关腔11至少部分地也可以具有POM(尤其带有结构(CH₂O)_n)。

在图1A和1B中示出了传统的开关腔11。由于在开关过程期间出现的电弧，接触材料会出现腐蚀，该接触材料可能沉积在开关腔11的内壁上并在那里会形成导电的覆层。以此可减小在固定的接触部2、3之间的绝缘电阻，这最终会导致开关装置的失效。

结合图2A至2C示出对于开关装置100的开关腔壁12而言的一个实施例，利用它可以避免所述问题。在图2A和2B中以三维视图及其截段示出了开关腔壁12。在图2C中示出了开关装置100的截段。后续描述同样地涉及到图2A至2C。开关装置100的结合图2A至2C未示出和/或未描述的部件和特征，可以如同结合图1A和1B所描述那样来构造。

开关腔壁12具有内侧面121，该内侧面形成了开关腔的内侧面的一部分。在图2A至2C中未示出的开关腔底具有相应的内侧面。在开关腔壁12中存在开口122，固定的接触部2、3通过所述开口伸到开关腔中。在开口122之间并且因而在固定的接触部2、3之间，构造有被固定的接触部2、3遮蔽的连续的表面区域123。

在图2C中纯示例性地标出了在接触部2和4之间的材料剥蚀区域20，在该材料剥蚀区域中由于电弧而使得接触材料受到腐蚀。箭头21示例性地标出相应的材料剥蚀，由于材料剥蚀接触材料会沉积在内侧面121上。为了避免接触材料会沿着在开口122之间的连续的路径沉积，被遮蔽的表面区域123构造成使得中断在开口123之间的经由内侧面121的每个可能的连接。被遮蔽的表面区域123因而连续地从开关腔壁12的内侧面121的一个边缘延伸至另一个边缘，并且至少由沟槽124的从固定的接触部2、3观察形成底切的一部分形成，通过该底切实现了遮蔽效果。被遮蔽的表面区域123可以具有沟槽124的底面的至少一部分，或者也可以具有整个底面，或者由其构成。此外，沟槽124可以具有沟槽壁，这些沟槽壁可以形成被遮蔽的表面区域123的至少一部分。如在图2A中可看出，表面区域123优选关于开口122对称并且因而关于固定的接触部2、3对称地布置。这尤其可以意味着，表面区域123居中地并且因而同等间隔地布置在固定的接触部之间。

如在图2B中可看出的那样，在所示实施例中，沟槽124具有多边形的横截面、尤其矩形的横截面。表面区域123布置于在开关腔壁12的内侧面121上延伸的堤坝形的至少两个隆起部125之间。在这些堤坝形的隆起部之间的间隙形成沟槽124。备选地或附加地，表面区域123也可以相对于开关腔壁12的内侧面121的周围区域下陷地构造，即构造成槽形的、下陷的沟槽的区域。沟槽124具有宽度B和深度T。尤其地可以适用的是B<T，并且特别优选地，2·B<T，由此可以实现十分有效的遮蔽。例如，B可以大于或等于0.5mm，且小于或等于2mm。此外，T可以大于或等于1mm，且小于或等于4mm。

除了所示的开关腔壁12外，开关腔的开关腔底还可以具有连续的被遮蔽的表面区域，该表面区域可以具有前述特征。

在图3A和3B中以三维视图及以截段示出了对于开关腔壁12而言的另一实施例。相比于先前的实施例，沟槽124构造有波浪形的横截面。相比于具有多边形横截面的沟槽，具有波浪形横截面的沟槽可以更容易地制造，尤其当使用成型方法来制造开关腔壁12时。

在所示实施例中，开关腔壁12例如可具有带有大约54mm的长度、大约24mm的宽度和大约25mm的高度的外尺寸。形成遮蔽区域的在图3B中放大地示出的结构可以优选地具有前述的宽度B和深度T，例如，B可以为大约1mm，T为大约1.4mm或以上。该结构的总宽度G例如可以为大约6mm，沟槽124底部处的曲率半径R1为大约0.5mm并且堤坝形隆起部125的曲率半径R2为大约1mm。所标出的角度α和β例如可以为10°和30°。

结合附图所述的各特征和实施例可以根据其它实施例相互组合，即使并未明确地描述全部的组合。此外，结合附图介绍的各实施例可以备选地或附加地具有根据在一般部分中说明的其它特征。

本发明并不因借助各实施例的说明而局限于这些实施例。而是本发明包括每个新特征以及每种特征组合，这尤其包含权利要求书中的每种特征组合，即使该特征或该组合本身并未明确地在权利要求书或实施例中说明。

附图标记清单：

1 壳体

2、3 固定的接触部

4 可移动的接触部

5 磁体电枢

6 磁芯

7 轴

8 线圈

9 轭

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 材料剥蚀区域

21 材料剥蚀

100 开关装置

121 内侧面

122 开口

123 表面区域

124 沟槽

125 堤坝形的隆起部

α、β 角度

B 宽度

G 总宽度

R1、R2 半径

T 深度。

Claims

1.开关装置(100)，所述开关装置在开关腔(11)中具有至少两个固定的接触部(2、3)和可移动的接触部(4)，其中，所述开关腔(11)具有开关腔壁(12)，所述固定的接触部(2、3)中的每个都通过在所述开关腔壁(12)中的相应的开口(122)伸入到所述开关腔(11)中，在所述开关腔壁(12)中在所述开口(122)之间，在所述开关腔(11)的面向所述可移动的接触部(4)的内侧面(121)上构造有连续的表面区域(123)，所述表面区域被所述固定的接触部(2、3)遮蔽，所述表面区域(123)至少由沟槽(124)的一部分形成，所述表面区域(123)布置在所述开关腔(11)的内侧面(121)上延伸的至少两个堤坝形的隆起部(125)之间并且关于所述固定的接触部(2、3)对称。

2.根据前述权利要求所述的开关装置(100)，其中，所述沟槽从所述固定的接触部(2、3)观察形成底切。

3.根据权利要求1或2所述的开关装置(100)，。其中，所述沟槽(124)具有宽度B和深度T，其中B<T。

4.根据前述权利要求所述的开关装置(100)，其中适用：2·B<T。

5.根据权利要求3或4所述的开关装置(100)，其中，B大于或等于0.5mm，且小于或等于2mm。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的开关装置(100)，其中，T大于或等于1mm，且小于或等于4mm。

7.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置(100)，其中，所述沟槽(124)具有多边形的横截面。

8.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置(100)，其中，所述沟槽(124)具有矩形的横截面。

9.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置(100)，其中，所述堤坝形的隆起部之间的间隙形成所述沟槽(124)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置(100)，其中，所述沟槽(124)由底面和沟槽壁形成，并且所述沟槽壁是所述堤坝形的隆起部(125)的部分，并且

所述堤坝形的隆起部(125)中的每个背对相应的所述沟槽壁具有外壁，所述外壁相对所述底面且相对所述沟槽壁倾斜地布置。

11.根据权利要求10所述的开关装置(100)，其中，所述堤坝形的隆起部(125)中的每个具有上侧面，所述上侧面将所述沟槽壁和所述外壁连接并且所述上侧面平行于所述底面。

12.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置(100)，其中，所述堤坝形的隆起部(125)中的每个与所述开口(122)和所述固定的接触部(2、3)间隔开。

13.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置(100)，其中，所述开关腔壁(12)具有金属氧化物陶瓷。

14.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置(100)，其中，所述开关腔壁(12)具有塑料。

15.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置(100)，其中，在所述开关腔(11)中含有气体(14)，该气体含有H₂。

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