DE102007013572A1

DE102007013572A1 - Kontaktsystem mit einer Schaltbrücke

Info

Publication number: DE102007013572A1
Application number: DE200710013572
Authority: DE
Inventors: Josef Scherl; Rudolf Zimmermann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-03-21
Filing date: 2007-03-21
Publication date: 2008-10-09
Anticipated expiration: 2027-03-22
Also published as: ITMI20080451A1; DE102007013572B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kontaktsystem mit einer Schaltbrücke, wobei die Schaltbrücke mindestens einen ersten beweglichen Kontakt aufweist, der zur Kontaktierung mit einem ersten, festen Kontakt vorgesehen ist, wobei die Schaltbrücke in einem nicht betätigten Zustand in Abhängigkeit der Position eines Schaltschiebers bewegbar ist. Mit Hilfe einer drehbaren Kontaktdruckfeder wird die Kontaktkraft über die Schaltbrücke auf den Kontakten erzeugt. Dadurch kann im Vergleich zur Gesamtbetätigungskraft und im Vergleich zur Kontaktkraft während des Betriebes die Anfangskontaktkraft erhöht werden, womit sich eine leichtere Bedienbarkeit sowie auch kosteneffiziente Vorteile ergeben, zumal die aufzubringenden Kräfte während des Überhubs durch ein geschicktes Kräftemanagement reduziert wurden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kontaktsystem mit einer Schaltbrücke, wobei die Schaltbrücke mindestens einen ersten beweglichen Kontakt aufweist, der zur Kontaktierung mit einem ersten, festen Kontakt vorgesehen ist, wobei die Schaltbrücke (1, 7) in einem nicht kontaktierten Zustand zur Ausführung der gleichen Bewegung wie ein Übertragungselement vorgesehen ist, wobei das Übertragungselement zur Übertragung einer Kontaktkraft über eine erste Kontaktdruckfeder auf die Schaltbrücke vorgesehen ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Schaltgerät mit einem derartigen Kontaktsystem.
Ein derartiges Kontaktsystem kommt bei den verschiedensten Schaltgeräten zum Einsatz, wie beispielsweise einem Schaltglied, Schutzschaltgerät, Schütz oder Leitungsschaltgerät. Ein Kontaktsystem ist ein mechanisches System, welches in der Regel mindestens einen festen Kontakt und einen beweglichen Kontakt auf einer beweglichen Schaltbrücke, welches auch Schaltstück genannt wird, aufweist. Das bewegliche Schaltstück ist üblicherweise durch eine Feder vorgespannt. Bei einer Betätigung des Kontaktsystems wird die Feder beansprucht, wobei zum Zeitpunkt des Schließens bzw. Öffnens der Kontakte die so genannte Kontaktkraft anliegt, die der Vorspannkraft der Feder entgegenwirkt.
Sowohl bei bekannten Öffner- oder Schließerschaltelementen ist das Kontaktsystem zu einem gewissen Überhub befähigt. Insbesondere bei Schaltelementen, bei denen sich die Kontaktbrücke in Bezug auf Bewegungsrichtung und Bewegungsgeschwindigkeit bis zum Anschlag (Kontaktierung oder Öffnung) wie das Übertragungselement bewegt (Schleich-Schaltelement), ist der Kraftaufwand gegen Ende der Betätigungsbewegung hoch. Dies rührt daher, dass das Kontaktsystem in die Lage versetzt wird, das bewegliche Schaltstück über die festen Kontakte hinauszubewegen, wenn nicht diese Bewegung durch die Kontakte selbst oder ein anderes blockierendes Element des Kontaktsystems verhindert werden würde. Die Kraft übertragenden Bauteile, insbesondere das Übertragungselement, bewegen sich auch nach Kontaktierung in der Betätigungsrichtung weiter und erhöhen damit die Kontaktkraft.
Die Weiterbewegung des Übertragungselementes stellt den so genannten Überhub dar. Der Überhub wird in der Praxis neben der Generierung der Kontaktkraft zum Toleranzausgleich und zur Bereitstellung der notwendigen Abbrandreserve bereitgestellt. Dabei bleibt bei einem gewissen Materialverlust auf den Kontakten eine sichere Kontaktierung derselben gewährleistet. Weiter können aufgrund einer größeren Toleranz die Präzisionsanforderungen, die an das Kontaktsystem gestellt werden, niedrig gehalten werden.
Die Bewegung des beweglichen Schaltstücks bis zur Kontaktierung sowie die Realisierung des Überhubs werden durch das oft als Schaltelementschieber bezeichnete Übertragungselement umgesetzt. Die Kontaktkraft wird nach der Kontaktierung der beweglichen Kontakte mit den festen Kontakten vom Übertragungselement auf eine Kontaktdruckfeder und von dieser auf das Schaltstück übertragen. Dabei nimmt die Kontaktkraft beim Weiterbewegen des Übertragungselementes zu. Folglich ist die Kontaktkraft zum Zeitpunkt des Schließens der Kontakte am kleinsten und im stationären Zustand nach abgeschlossener Schalthandlung am größten.
Ein Betätigungssystem, wie zum Beispiel ein Schützantrieb, ist daher so zu dimensionieren, dass bei ungünstigen Bedingungen, wie beispielsweise einer Unterspannung, nicht nur genügend Betätigungskraft zum Schließen der Kontakte vorhanden ist, sondern auch der Überhub des Schaltelementschiebers bei den dabei auftretenden, ansteigenden Rückstellkräften sicher durchlaufen wird.
Es hat sich in der Praxis als nachteilig erwiesen, dass aufgrund des vorgesehenen Überhubs, insbesondere bei neuen Kon taktsystemen ohne einen Materialverlust durch Abbrand, stets neben einer Anfangskontaktkraft auch bis zur Vollendung der Schaltbewegung weiter eine Kraft aufzuwenden ist, die den Überhub vollständig ausführt. Dies bedeutet, dass bei vollständig vorhandenem Kontaktmaterial, die insgesamt aufzuwendende Kraft (Gesamtbetätigungskraft) für einen Schaltvorgang höher liegt als bei einem Kotaktsystem mit einem gewissen Abbrand. Es ist also meist eine relativ hohe Gesamtbetätigungskraft aufzuwenden, ohne dabei die entscheidende Kontaktkraft bei Kontaktierung (Anfangskontaktkraft) vorteilhaft zu beeinflussen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kontaktsystem anzugeben, bei dem die aufzuwendende Kraft für die Überwindung des Überhubs möglichst klein ausfällt.
Diese Aufgabe wird bei einem Kontaktsystem der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Kontaktdruckfeder einen Winkel im Bezug auf das Übertragungselement und/oder im Bezug auf die Schaltbrücke einnimmt, wobei eine Winkeländerung bei geschlossenen Kontakten vorgesehen ist.
Erfindungsgemäß weist das Kontaktsystem eine Schaltbrücke, mit einem ersten beweglichen Kontakt, einen ersten, festen Kontakt und ein Übertragungselement auf. Das Übertragungselement, welches beispielsweise als Schaltelementschieber oder Schaltschieber ausgeführt sein kann, hat die Funktion, die Schaltbrücke im nicht kontaktierten Zustand des Kontaktsystems zu translatieren. Über eine erste Kontaktdruckfeder wird Bewegungsenergie von dem Übertragungselement auf die Schaltbrücke und danach auf den ortsfesten Kontakt übertragen. Im kontaktierten Zustand ist der erste, feste Kontakt mit dem ersten beweglichen Kontakt mechanisch und elektrisch kontaktiert. Im kontaktierten Zustand wird die Schaltbrücke bzw. der bewegliche Kontakt fest auf den ersten festen Kontakt aufgepresst, wobei die Kontaktkraft von der Position des Übertragungselementes bzw. von der Beanspruchung der ersten Kontaktdruckfeder abhängt.
Ein für die Erfindung wichtiger Umstand ist die Tatsache, dass im kontaktierten Zustand das Übertragungselement dazu vorgesehen ist, die Richtung und den Betrag der Federkraft der Kontaktdruckfeder in kontaktierten Zustand des Kontaktsystems zu ändern. Die Kontaktdruckfeder nimmt einen Winkel im Bezug auf das Übertragungselement und/oder im Bezug auf die Schaltbrücke ein. Dieser Winkel ist bei geschlossenen Kontakten änderbar, wobei der Winkel gegebenenfalls auf Null reduziert werden kann.
Vorteilhafterweise ist die Federkraft der ersten Kontaktdruckfeder zumindest teilweise senkrecht zur Bewegungsrichtung des Übertragungselementes gerichtet. Geht man von einer vektoriellen Zerlegung der Federkraft aus, so können die Komponenten der Federkraft der Kontaktdruckfeder, die parallel und senkrecht zur Bewegungsrichtung des Übertragungselementes gerichtet sind, separat betrachtet werden. Die Komponente, die senkrecht zur Bewegungsrichtung gerichtet ist, hat auf die Bewegung des Übertragungselementes keinen Einfluss, sondern soll abgefangen werden. Die Komponente der Federkraft, die in Bewegungsrichtung des Übertragungselementes liegt, wirkt zumindest zu Beginn des Überhubes der Betätigungsbewegung des Übertragungselementes entgegen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Kontaktdruckfeder zur Auflage an einer am Übertragungselement oder an einer mit dem Übertragungselement in Wirkverbindung stehenden Element vorgesehenen ersten Federauflage vorgesehen. Hierdurch wird eine Bewegung der Kontaktdruckfeder, insbesondere eine mit einer Bewegung verbundenen Änderung der Kraftrichtung mit einer ersten Federauflage optimal unterstützt und vermeidet eine Abweichung der Federform aus den betriebsmäßig vorgesehenen Formen. Weiter kann einem Herausspringen der Feder mit einer ersten Federauflage optimal entgegengewirkt werden, zumal aufgrund der Bewegung ein solches Herausspringen oder auch Verklemmen wahrscheinlicher geworden ist.
Vorteilhafterweise ist die erste Federauflage zur Unterstützung einer teilweisen Drehbewegung der Kontaktdruckfeder vorgesehen, wobei die Drehachse innerhalb der Kontaktdruckfeder, insbesondere an einem der beiden Enden, oder auch außerhalb der Kontaktdruckfeder angeordnet ist. Zudem ist denkbar, dass eine lineare Bewegung der Kontaktdruckfeder der Drehbewegung überlagert ist.
Vorteilhafterweise ist die erste Federauflage am Übertragungselement oder an einem mit diesem in Wirkverbindung stehenden Element fest angeformt oder an dieses drehbar gelagert. Dieses Element kann die Kraftübertragung vom Übertragungselement auf die Kontaktdruckfeder unterstützen, kann allerdings auch zur Einbettung oder zum Schutz des Übertragungselementes vorgesehen sein.
Die Vorteile, die bei einer ersten Federauflage am Übertragungselement zum Tragen kommen, gelten auch für eine zweite Federauflage, die an der Schaltbrücke angeformt oder angebracht ist. Die zweite Federauflage kann zusätzlich als Isolator ausgeführt sein, so dass eine galvanische Trennung zwischen der Schaltbrücke und der meist aus Metall bestehenden Kontaktdruckfeder realisiert ist. Damit werden Kriech- und Luftstrecken innerhalb des Kontaktsystems gewährleistet.
Vorteilhafterweise ist zur zumindest teilweisen Aufnahme senkrecht zur Bewegungsrichtung des Übertragungselementes wirkenden Federkräfte eine Führung des Übertragungselementes vorgesehen. Um eine Deplatzierung des Übertragungselementes zu vermeiden, wird die unbewegliche Führung desselben als Kraftfang für die senkrechten Kraftanteile verwendet.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Kontaktsystem mindestens eine weitere zweite Kontaktdruckfeder auf. Hierbei ist vorteilhaft, wenn die zweite Kontaktdruckfeder zumindest teilweise Merkmale der ersten Kontaktdruckfeder oder einer herkömmlichen Kontaktfeder aufweist. Beispielsweise ist denkbar, dass die zweite Kontaktdruckfeder ähnlich wie bereits aus dem Stand der Technik bekannt, undrehbar entlang oder parallel zur Bewegungsrichtung des Übertragungselementes gelagert ist und auch nur entlang dieser Richtung Kraft entfalten kann. Im Sinne eines umfassenden Kraftmanagements ist unter Umständen eine derartige Verwendung in Kombination mit einer drehbaren (ersten) Kontaktdruckfeder vorteilhaft. Alternativ dazu ist es denkbar, dass die zweite Kontaktdruckfeder, ähnlich wie die erste Kontaktdruckfeder, gegebenenfalls in Kombination mit einer ersten bzw. einer zweiten Federauflage auch für eine teilweise Drehbewegung vorgesehen ist. Als vorteilhaft erweist es sich ebenfalls, dass bei einer Anlagerung um die Bewegungsachse des Übertragungselementes herum eine gegenseitige Kompensation der senkrecht zur Bewegungsrichtung wirkenden Kraftanteile möglich ist. Bei symmetrischen Anordnungen der Kontaktdruckfedern um die Bewegungsachse herum, ist gegebenenfalls keine Führung oder andere Teile zum Auffangen der senkrechten Kraftanteile notwendig. An solchen symmetrischen Anordnungen können zwei, drei, vier oder mehr Kontaktdruckfedern teilhaben.
Vorteilhafterweise ist das Übertragungselement mit einer Rückdruckfeder vorgespannt, womit ein Krafthaushalt, insbesondere der Kräfte entlang der Bewegungsrichtung nicht nur auf die Kraftkomponenten der Kontaktdruckfeder zurückgeht. Die Rückstellwirkung der Rückdruckfeder ist weitgehend unabhängig vom Schaltzustand des Kontaktsystems vorhanden, hängt aber von der Position des Übertragungselementes ab.
Vorteilhafterweise stellt die Kontaktdruckfeder eine so genannte progressive Feder (Feder mit steigender Federrate) dar. Eine progressive Kontaktdruckfeder kann hierbei beispielsweise durch eine kegelförmige Feder oder eine Feder mit kontinuierlich sich veränderndem Windungsabstand realisiert werden. Bei entsprechender Dimensionierung der progressiven Kontaktdruckfeder lässt sich erreichen, dass die Kontaktkraft im Arbeitsbereich, das heißt in einem Teilbereich des Überhubes, linearisiert oder konstant gehalten wird. Vorteilhaft für den Benutzer ist es, wenn die Kontaktkraft vom Beginn der Kontaktgabe bis zum Erreichen des maximal erreichbaren Überhubes annähernd konstant gehalten wird. Ist eine Progressivität der Feder nicht gefragt, so kann die üblicherweise als zylindrische Druckfeder realisierte Kontaktdruckfeder auch durch andere Federelemente, wie beispielsweise Blattfedern oder ähnliche Federn realisiert werden.
Vorteilhafterweise kombiniert das Kontaktsystem eine höhere Kontaktkraft zum Schaltzeitpunkt mit einer geringeren Gesamtbetätigungskraft als bei herkömmlichen Schalt- bzw. Kontaktsystemen, wodurch ein größeres Schaltvermögen sichergestellt ist, welches sich auch über die Lebensdauer des Gerätes nicht ändert. Aufgrund des geringeren Kraftbedarfs für das Betätigungssystem, wie es zum Beispiel für Schütze verwendet wird, kann insgesamt eine geringere Baugröße eine bessere Kosteneffizienz und eine verringerte Verlustleistung erzielt werden.
Vorteilhafterweise ist das Kontaktsystem als Öffner- oder Schließerkontaktsystem ausführbar.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind der Figurenbeschreibung und/oder den Unteransprüchen zu entnehmen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
Es zeigen:
1 ein Kontaktsystem im geöffneten Zustand gemäß dem Stand der Technik,
2 das Kontaktsystem aus 1 im geschlossenen Zustand,
3 ein erfindungsgemäßes Kontaktsystem in geöffnetem Zustand,
4 das Kontaktsystem aus 3 in geschlossenem Zustand,
5 ein Anwendungsbeispiel eines Kontaktsystems in einem Schaltgerät,
6 Ein Kontaktsystem eines Schaltglieds mit Kräftediagramm bei Kontaktierung, und
7 Kontaktsystem aus 6 mit Kräftediagramm bei einer Kontaktkraft.
1 zeigt ein Kontaktsystem in geöffnetem Zustand gemäß dem Stand der Technik. Das Übertragungselement 3 des Kontaktsystems ist als Schaltschieber 3 ausgeführt, der mit einer Rückdruckfeder 4 vorgespannt ist. In einer Ausnehmung des Schaltschiebers 3 sind eine Kontaktdruckfeder 2 und eine bewegbare Schaltbrücke 1 mit den beweglichen Kontakten 25, 26. Um eine freie Sicht auf die Kontaktrückdruckfeder 2 und die gesamte Schaltbrücke 1 zu ermöglichen ist der Schaltschieber 3 teilweise geschnitten dargestellt.
Das Kontaktsystem des Kontaktsystems befindet sich im geöffneten Zustand, bei dem der Schaltschieber 3 zusammen mit der beweglichen Schaltbrücke 1 gemeinsam bewegbar ist. In diesem Zustand ist die Kontaktrückdruckfeder 2 lediglich zum Aufpressen der Schaltbrücke 1 gegen eine Auflagefläche 27 des Schaltschiebers 3 vorgesehen.
Die festen Kontakte 5 und 6 sind zur Kontaktierung der beweglichen Kontakte 25, 26 vorgesehen.
2 zeigt das Kontaktsystem aus 1 im geschlossenen Zustand. Die Kontaktierung der Kontakte 25 und 5 bzw. 26 und 6 ist vollzogen, wobei bereits ein gewisser Kontaktdruck mittels der Kontaktdruckfeder 2 über den Anfangskontaktdruck hinaus aufgebaut worden ist. Der Kontaktdruck ist proportio nal zum Überhub U, der in der Figur zwischen Schaltbrücke 1 und der Auflagefläche 27 der Schaltbrücke 1 (für den nicht kontaktierten Zustand) abgetragen ist. Der Bewegung des Schaltschiebers 3 stellen sich nun die Federkräfte der Rückstellfeder 4 und der Kontaktdruckfeder 2 entgegen.
Beim Schließen der Kontakte werden diese mit der Vorspannkraft der Kontaktdruckfeder 2, die in diesem Fall die gesamte Anfangskontaktkraft ausmacht, aufeinander gepresst. Wird der Schaltschieber 3 nun bis zum Durchlaufen des Überhubes weiterbewegt, so steigt die Kraft der Kontaktdruckfeder 2 bis zum Erreichen des Betriebspunktes B an. Zu diesem Zeitpunkt herrscht die Kontaktkraft F_B, die gleichzeitig die höchste Kontaktkraft ist. Die Anfangskontaktkraft ist in 9 mit F_A bezeichnet und stellt die kleinste Kontaktkraft während des Durchlaufes des Überhubs dar.
3 zeigt ein Kontaktsystem in geöffnetem Zustand. Das Kontaktsystem weist eine Rückdruckfeder 17 auf, die zur Vorspannung des Übertragungselementes, dem Schaltschiebers 10, eingesetzt ist. Die beweglichen Kontakte 19 und 18 sind auf der Schaltbrücke 7 angeordnet und sind zur Kontaktierung der ortsfesten Kontakte 15 und 16 vorgesehen. Das Kontaktsystem weist weiter zwei Kontaktdruckfedern 8, 9 auf, die jeweils in einer ersten Federauflage 11, 12 und in einer zweiten Federauflage 13, 14 gelagert sind. Die jeweilige Lagerung unterstützt eine Drehbewegung der beiden Kontaktdruckfedern 8, 9, deren Drehachse am schaltbrückenseitigen Ende der Kontaktdruckfedern 8, 9 lokalisiert ist. Die ersten Federauflagen 11, 12 sind in einem Element 20 verankert, welches ebenfalls zur elektrischen Isolation der meist als Metallfedern ausgeführten Kontaktdruckfedern 8, 9 vom Schaltschieber 10 vorgesehen ist. Die zweiten Federauflagen 13, 14 geben flächigen Rückhalt gegenüber der Kontaktdruckfeder 8, 9 und bilden gleichzeitig seitlich achsenähnliche Fortsätze, die in der Schaltbrücke 7 drehbar verankert sind. Die zweiten Federauflagen 13, 14 können ebenfalls als Isolatoren ausgeführt werden.
Die Strecke X_A, die von den Aufhängepunkten des Kontaktdruckfedersystems gemessen wird, stellt ein Maß für den Weg dar, über den das Kontaktdruckfedersystem bereits beansprucht worden ist. Zu Beginn der Kontaktierung, das heißt auch im nicht kontaktierten Zustand beträgt diese Strecke, gewissermaßen als Offset, ebenfalls X_A. Sobald allerdings ein Kontaktdruck aufgebaut wird, reduziert sich X auf kleinere Werte bis schließlich die Strecke X_B des Betriebspunktes realisiert ist.
Die resultierende Federkraft F_res der beiden Kontaktdruckfedern 8, 9 ist gegen die Betätigungsbewegung gerichtet und wirkt gemäß dem Gesetz „Actio gleich Reactio" als Kontaktkraft über die Schaltbrücke 7, über die Kontakte 18, 19 auf die ortsfesten Kontakte 15 und 16. Diese resultierende Kraft F_res ist abhängig von den Federkräften der Kontaktdruckfedern 8, 9 und von der Winkelstellung der Federachsen zur beweglichen Schaltbrücke 7 (auch Schaltstück genannt) und entspricht zu Beginn der Kontaktierung der so genannten Anfangskontaktkraft F_A. Nach Erreichung des Betriebspunktes beträgt F_res = F_B.
4 zeigt das Kontaktsystem aus 3 in geschlossenem Zustand. Auf die Kontakte des Kontaktsystemes wird bereits bei einem Überhub U eine Kontaktkraft ausgeübt, die die Anfangskontaktkraft F_A übersteigt. Eine Komprimierung des Kontaktdruckfedersystems 8, 9 ist an der im Vergleich zu X_A (vgl. 3) kleineren Strecke X_B zu erkennen. Die Strecke X entspricht also stets dem Überhub U, wobei X im gleichen Maße abnimmt, wie der Überhub U zunimmt. Bei Erreichung von X_B, soll der Betriebszustand erreicht sein, das heißt der Überhub U ist maximal.
Wichtig in diesem Zusammenhang ist nun, dass aufgrund der Verwendung einer drehbaren Kontaktdruckfeder 8, 9 die maximal resultierende Kraft in dem gezeigten Stadium bereits überschritten ist. Aufgrund der Komponentenzerlegung der Feder kräfte heben sich die Komponenten senkrecht zur Bewegung des Schaltschiebers 10 stehenden Komponenten gegenseitig auf. Zugleich werden die sich gegenseitig kompensierenden Kraftkomponenten während der Betätigungsbewegung nach Überschreitung des Maximums immer größer. Es bleibt folglich weniger Kraft für die der Bewegung entgegen gesetzte Richtung übrig. Die Position des Schaltschiebers 10, die der maximal resultierenden Kraft des Kontaktdruckfedersystems 8, 9 entspricht, ist bereits überschritten, womit nunmehr im Betriebspunkt eine geringere resultierende Federkraft und damit auch eine geringere Kontaktkraft vorliegt.
5 zeigt ein Anwendungsbeispiel eines Kontaktsystems 23 in einem Schaltgerät 24. Das Schaltgerät 24 ist hierbei zur Schaltung eines Verbrauchers 21 vorgesehen, wobei die Stromversorgung 22 betriebsgemäß mit dem Verbraucher 21 verbunden werden kann.
6 zeigt ein Kontaktsystem mit Kräftediagramm bei Kontaktierung.
Es sind Bauteile des Kontaktsystems abgebildet, die betriebsgemäß zur Leitung des Stromes vorgesehen sind, nämlich der Schaltbrücke 7, den beweglichen Kontakten 18, 19 und den ortsfesten Kontakten 15, 16, die ihrerseits wieder auf leitenden Komponenten angebracht sind.
Das Kontaktdruckfedersystem 8, 9, welches aus den Kontaktdruckfedern 8 und 9 besteht und die Einzelkräfte F₈ bzw. F₉ hervorbringt, generiert somit eine resultierende Federkraft F_res, wie sie in 6 in Pfeildarstellung gezeigt ist. Die resultierende Federkraft F_res kompensiert zumindest teilweise die Betätigungskraft F (Actio gleich Reactio") und ist dieser entgegen gerichtet. Die Federkräfte F₈ und F₉ weisen Kraftkomponenten auf, die senkrecht zur Betätigungsrichtung liegen bzw dieser entgegengerichtet sind. Die senkrecht zur Betätigungskraft F liegenden Kraftkomponenten werden in dieser Betrachtung vernachlässigt, da sie sich gegenseitig kompensie ren. Die der Betätigungskraft F entgegengerichteten Kraftbeiträge addieren sich zur resultierenden Federkraft F_res, die den gleichen Betrag wie die Kontaktkraft aufweist, dieser aber entgegengerichtet ist. Die Kontaktkraft selbst wird folglich von der betätigenden Person oder einem Betätigungsmechanismus aufgebracht. Im Vergleich zu den pfeilähnlichen Darstellungen der Kräfte F₈ und F₉ ist die resultierende Federkraft F_res hervorgehoben dargestellt. Da die resultierende Federkraft F_res sich im Betrag nicht von der Kontaktkraft unterscheidet, wird im Folgenden auch in synonymer Weise auch von der resultierenden Kontaktkraft F_res gesprochen.
Der resultierende Angriffspunkt der resultierenden Kontaktkraft F_res soll möglichst mittig innerhalb der Schaltbrücke 7 gelegen sein, so dass ein unterschiedlicher Abrieb der Kontakte vermieden wird. Im Allgemeinen kann hierbei auch auf mechanische Eigenschaften der Schaltbrücken im Allgemeinen insoweit eingegangen werden, dass die entsprechenden Angriffspunkte der Kräfte der Kontaktdruckfedern auf der Schaltbrücke vorteilhaft verteilt bzw. angeformt oder angebracht werden, um einen optimalen resultierenden Angriffspunkt zu erzielen.
7 zeigt das Kontaktsystem aus 6 bei einer Kontaktkraft zwischen dem Anfangspunkt (Punkt der Kontaktierung) und dem Betriebspunkt. Die resultierende Kraft F_res des Kontaktdruckfedersystems 8, 9 ist im Vergleich zur Anfangskontaktkraft F_a der 6 kleiner, was darauf zurückzuführen ist, dass die Kraftkomponenten, die der Bewegungsrichtung des Schaltschiebers 10 entgegengesetzt sind, aufgrund der Drehung der Kontaktdruckfedern 8, 9 reduziert worden sind. Da die Kontaktkraft genau gleich der resultierenden Kraft F_res ist, ist folglich der Kontaktdruck auf die ortsfesten Kontakte 15, 16 im Vergleich zu 6 ebenfalls reduziert.
8 zeigt ein Diagramm der resultierenden Kraft F_res in Abhängigkeit von der Strecke X. Die Komprimierung des Kontaktdruckfedersystems 8, 9 entspricht einer Streckenänderung von X_A nach X_B. Bei Kontaktierung mit der Anfangskontaktkraft F_A befindet sich das System im Punkt A bzw. an der Stelle X_A. Mit zunehmender Beanspruchung wächst die resultierende Kraft an, wobei X kleiner wird. An der Stelle X_M ist das Maximum der resultierenden Kraft F_res erreicht und damit auch die maximal mögliche Kontaktkraft. An der Stelle X_M wird außerdem vom betätigenden Benutzer oder des jeweiligen Betätigungsmechanismus die maximale Gesamtbetätigungskraft F_max2 aufgewendet (vgl. 10). Wird die Strecke X weiter reduziert, wird der Betriebspunkt B an der Stelle X_B erreicht, an dem nur noch der geringsten resultierende Kraft F_res des Kontaktdruckfedersystems 8, 9 begegnet werden muss. Somit wird zum Zeitpunkt des Schließens bzw. Öffnens der Kontakte eine relativ hohe Kontaktkraft (Anfangskontaktkraft) im Vergleich zu den während des Überhubes anhängigen Kontaktkräften erreicht. Dies ist gleichbedeutend mit einer Reduzierung der Kraft zur Überwindung des Überhubs. Zur Optimierung der Kraftverhältnisse ist demzufolge eine Anfangskontaktkraft F_A zu wählen, die relativ nahe am Punkt M gelegen ist, bzw. eine Kontaktkraft F_B zu wählen, die vom Punkt M relativ weit weg gelegen ist.
Das Kontaktsystem kann auch so ausgelegt werden, dass die resultierende Kraft F_res der Kontaktdruckfedern 8, 9 im Wesentlichen dem Maximum F_M entspricht, und der Punkt A und der Punkt B der Kraftwegkennlinie einen Kraftwert aufweisen, der im Wesentlichen identisch ist, also F_A ungefähr gleich F_B. Nach dem Schließen der Kontakte nimmt dabei die resultierende Kraft F_res bis zum Punkt M geringfügig zu, um dann bis zum Erreichen des maximalen Überhubs bei Punkt B wieder leicht abzufallen. Geht man weiter davon aus, dass eine möglichst hohe Anfangskontaktkraft F_A gefragt ist, so würden die Punkte A und B nicht nur im gleichen Abstand zu M, sondern auch in einem relativ geringem Abstand zu M gelegen sein. Das Ergebnis ist ein nahezu konstantes Kraftverhalten während der Überhubphase. Indirekt nimmt der Verlauf der Kraftwegkennlinie des Kontaktdruckfedersystems auf die Konstanz Einfluss, da die Krümmung der Kraftwegkennlinie ebenfalls ausschlaggebend ist.
Die beschriebene Vorgehensweise ist sowohl für Öffner- als auch für Schließkontaktsysteme anwendbar.
9 zeigt ein Diagramm der Betätigungskraft F eines Kontaktsystems in Abhängigkeit von der Position S des Schaltschiebers 3.
Die gezeigte Betätigungskraft F tritt bei einem Kontaktsystem gemäß dem Stand der Technik, wie es in den 1 und 2 gezeigt ist, auf.
Die Rückstellfeder 4 verursacht eine Rückstellkraft F₄, die in Abhängigkeit der Position S des Schaltschiebers 3 linear ansteigt. Zwischen S = 0 und S = S_A befindet sich das Kontaktsystem im nicht kontaktierten Zustand. An der Stelle S_A erfolgt die Kontaktierung, wobei die Kontaktkraft, das heißt die Anfangskontaktkraft F_A, anliegt. Zwischen den Positionen S_A und S_B des Schaltschiebers 3 werden die Kräfte F₄ und F₂ addiert, und steigen beide linear mit S an. Die Kraft F₂ stellt hierbei die Kontaktdruckkraft dar, die von der Kontaktdruckfeder 2 in 1 und 2 verursacht wird.
Die Phase des Überhubs beginnt mit der Kontaktierung bei S_A und endet sobald das Kontaktsystem den Betriebszustand B bei S_B erreicht hat. Die an der Stelle S_B anliegende Kraft F₂ stellt hierbei die maximal mögliche Kontaktkraft F_B eines herkömmlichen Kontaktsystems dar. Es zeigt sich deutlich, dass nachteilige Kräfteverhältnis F_A < F_B. Auch die maximale Gesamtbetätigungskraft F_max1 fällt an der Stelle S_B, das heißt, nach dem kompletten Durchlauf des Überhubs an.
10 zeigt die Betätigungskraft F in einem Diagramm in Abhängigkeit von der Position S des Schaltschiebers 10.
Das Diagramm stellt beispielhaft eine Betätigungskraft F dar, wie sie einem erfindungsgemäßen Kontaktsystem gemäß der 3 und 4 zu eigen ist. Ein betraglicher Anteil der Betäti gungskraft F ist die Rückstellkraft F₁₇, die durch die Rückstellfeder 17 erzielt wird. Die Rückstellkraft F₁₇ steigt linear mit steigendem S. Bei Kontaktierung an der Stelle S_A liegt eine relativ hohe resultierende Kraft F_res des Kontaktdruckfedersystems 8, 9, nämlich die Anfangskontaktkraft F_A an. F_res steigt bei weiter steigendem S ebenfalls kurz an, um dann wieder abzufallen, bis F_res an der Stelle S_B die Kontaktkraft F_B für den Betriebszustand angenommen hat. Im Gegensatz zu 9 ist eindeutig zu erkennen, dass die Anfangskontaktkraft F_A im Verhältnis zur Kontaktkraft F_B am Betriebspunkt und auch zur Gesamtbetätigungskraft F_max2 deutlich größer geworden ist.
Angenommen, die Kontakte 15, 16, 18, 19 würden in irgendeiner Form, zum Beispiel durch Abrieb oder Abbrand in Mitleidenschaft genommen, so würde sich der Punkt A bzw. die Stelle S_A zur höheren S (in Richtung des Punktes M) hin verlagern. Legt man hierbei die Kraftwegkennlinie aus 8 zugrunde, so ist zu erwarten, dass die zugehörige Kontaktkraft F_B bei Weitem nicht soweit ansteigen würde wie bei herkömmlichen Kontaktsystemen. Dies bedeutet, dass auch bei langer Beanspruchung des erfindungsgemäßen Kontaktsystems die Gesamtbetätigungskraft F_max2 nicht signifikant ansteigt.
Dies hat den Vorteil, dass ein Betätigungssystem, wie es zum Beispiel in einem Schutzantrieb vorliegt, kleiner, kostengünstiger und mit weniger Verlustleistung ausgelegt werden kann. Die Verringerung des Kraftbedarfs wirkt sich vor allem bei mehrpoligen Kontaktsystemen positiv aus, da sich die pro Kontakt eingesparten Kräfte addieren. Optional mit ein- oder mehrpoligen Kontaktsystemen werden vor allem Schütze, Positionsschalter und Drucktaster bestückt, wobei es nun einfacher ist, den Betätigungsmechanismus derart auszulegen, dass die Funktion und gegebenenfalls eine ergonomisch günstige Bedienbarkeit (zum Beispiel Drucktaster) bei jeglicher Bestückungsvariante auch über die gesamte Lebensdauer gewährleistet ist.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Kontaktsystem mit einer Schaltbrücke, wobei die Schaltbrücke mindestens einen ersten beweglichen Kontakt aufweist, der zur Kontaktierung mit einem ersten, festen Kontakt vorgesehen ist, wobei die Schaltbrücke in einem nicht betätigten Zustand in Abhängigkeit der Position eines Schaltschiebers bewegbar ist. Mit Hilfe einer drehbaren Kontaktdruckfeder wird die Kontaktkraft über die Schaltbrücke auf den Kontakten erzeugt. Dadurch kann eine im Vergleich zur Gesamtbetätigungskraft und im Vergleich zur Kontaktkraft während des Betriebes die Anfangskontaktkraft erhöht werden, womit sich eine leichtere Bedienbarkeit sowie auch kosteneffiziente Vorteile ergeben, zumal die aufzubringenden Kräfte während des Überhubs durch ein geschicktes Kräftemanagement reduziert wurden.

Claims

Kontaktsystem mit einer Schaltbrücke (1, 7), wobei die Schaltbrücke (1, 7) mindestens einen ersten, beweglichen Kontakt (1, 5, 19) aufweist, der zur Kontaktierung mit einem ersten, festen Kontakt (5, 15) vorgesehen ist, wobei die Schaltbrücke (1, 7) in einem nicht kontaktierten Zustand zur Ausführung der gleichen Bewegung wie ein Übertragungselement (3, 10) vorgesehen ist, wobei das Übertragungselement (3, 10) zur Übertragung einer Kontaktkraft über eine erste Kontaktdruckfeder (2, 9) auf die Schaltbrücke (1, 7) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktdruckfeder (8, 9) einen Winkel in Bezug auf das Übertragungselement (10) und/oder in Bezug auf die Schaltbrücke (10) einnimmt, wobei der Winkel im kontaktierten Zustand änderbar ist.
Kontaktsystem nach Anspruch 1, wobei die Federkraft der ersten Kontaktdruckfeder (9) zumindest teilweise senkrecht zur Bewegungsrichtung des Übertragungselementes (10) gerichtet ist.
Kontaktsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Kontaktdruckfeder (8, 9) zur Auflage an einer am Übertragungselement (10) oder an einem mit dem Übertragungselement in Wirkverbindung stehenden Element (20) vorgesehenen ersten Federauflage (11, 12) vorgesehen ist.
Kontaktsystem nach Anspruch 3, wobei die erste Federauflage (11, 12) zur Unterstützung einer teilweisen Drehbewegung der Kontaktfeder (8, 9) vorgesehen ist.
Kontaktsystem nach Anspruch 3 oder 4, wobei die erste Federauflage (11, 12) am Übertragungselement (10) oder an einem mit diesen in Wirkverbindung stehenden Element fest angeformt oder an diesem drehbar gelagert ist.
Kontaktsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Kontaktdruckfeder (8, 9) zur Auflage an einer am Übertragungselement (10) oder an einem mit dem Übertragungselement (10) in Wirkverbindung stehenden Element vorgesehenen zweiten Federauflage (13, 14) vorgesehen ist.
Kontaktsystem nach Anspruch 6, wobei die zweite Federauflage (13, 14) zur Unterstützung der teilweisen Drehbewegung der Kontaktdruckfeder (8, 9) vorgesehen ist.
Kontaktsystem nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die zweite Federauflage (13, 14) an der Schaltbrücke (7) oder an einem mit dieser in Wirkverbindung stehenden Element fest angeformt oder an diesem drehbar gelagert ist.
Kontaktsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur zumindest teilweisen Aufnahme senkrecht zur Bewegungsrichtung des Übertragungselementes (10) wirkenden Federkräfte eine Führung des Übertragungselementes (10) vorgesehen ist.
Kontaktsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kontaktsystem mindestens eine zweite Kontaktdruckfeder (8) aufweist.
Kontaktsystem nach Anspruch 10, wobei die zweite Kontaktdruckfeder (8) zumindest teilweise Merkmale der ersten Kontaktdruckfeder (9) und/oder einer herkömmlichen Kontaktdruckfeder (2) aufweist.
Kontaktsystem nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei zumindest teilweisen Aufnahme senkrecht zur Bewegungsrichtung des Übertragungselementes (10) wirkenden Federkräfte die erste und/oder zweite Kontaktdruckfeder (8, 9) vorgesehen ist.
Kontaktsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Übertragungselement (10) mit einer Rückdruckfeder (4) vorgespannt ist.
Schaltelement mit einem Kontaktsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, insbesondere zur Verwendung mit Drucktastern oder Positionsschaltern.
Schalter, insbesondere Hilfsschalter, mit einem Kontaktsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, der ein eigenes Gehäuse aufweist und zur Verwendung mit einem Schütz, Schutzschaltgerät oder Leistungsschaltgerät vorgesehen ist.
Schaltgerät mit einem Kontaktsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Kontaktsystem als Schütz, Schutzschaltgerät oder Leistungsschaltgerät ausgeführt ist.