DE102007040171A1

DE102007040171A1 - Kontakthebel für einen Leistungsschalter

Info

Publication number: DE102007040171A1
Application number: DE200710040171
Authority: DE
Inventors: Marc Dipl.-Ing. Liebetruth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-08-22
Filing date: 2007-08-22
Publication date: 2009-02-26

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kontakthebel für einen Leistungsschalter, der im Wesentlichen als Vierkantprofil ausgebildet ist. Es ist vorgesehen, dass mindestens zwei sich gegenüberliegende und sich über die Länge des Kontakthebels (1) erstreckende Seitenflächen zumindest teilweise aus einem ersten Werkstoff (10) eines zwei Komponenten aufweisenden Verbundwerkstoffes gebildet sind und zwischen den die Seitenflächen bildenden ersten Werkstoff (10) der zweite Werkstoff (20) des Verbundwerkstoffes angeordnet ist, wobei der erste Werkstoff (10) eine höhere elektrische Leitfähigkeit und eine höhere Dichte als der zweite Werkstoff (20) aufweist. Es sind weiterhin eine Leistungsschalteranordnung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Kontakthebels vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen im Wesentlichen als Vierkantprofil ausgeführten Kontakthebel für einen Leistungsschalter.
In Leistungsschaltern angeordnete Kontakthebel dienen zum Öffnen und Schließen von Stromkreisen. Am Kontakthebel ist zu diesem Zweck mindestens ein Kontaktstück angeordnet, was beim Schließen des Stromkreises ein fest im Leistungsschaltergehäuse angeordnetes Kontaktstück kontaktiert. Der Kontakthebel kann dabei derart ausgeführt sein, dass seine Drehachse im Wesentlichen in seiner Mitte angeordnet ist und an seinen beiden Enden jeweils ein Kontaktstück angeordnet ist. Diese Kontaktarme oder Kontakthebel sind dabei oftmals achsial gelagert und/oder über Federkräfte zentriert.
Der zu schaltende Strom wird somit über die gesamte Länge des als Wippe ausgestalteten Kontakthebels geleitet. Daneben gibt es Ausführungsvarianten zur einfachen Kontaktschließung, bei denen nur ein Kontaktstück am Hebel angeordnet ist und dieser mit einem Stromgelenk versehen ist oder über ein Stromseil mit dem festen Teil der Strombahn verbunden ist. Außerdem gibt es Kontakthebel oder Kontaktarme, die im Wesentlichen eine translatorische Bewegung ausführen. Diese Kontaktarme sind dabei oftmals achsial gelagert und/oder über Federkräfte zentriert.
Um entstehende Wärme aufgrund von Leitungswiderständen im Kontakthebel zu minimieren ist üblicherweise vorgesehen, dass der Kontakthebel aus einem einen geringen Leitungswiderstand aufweisenden Material besteht. Üblicherweise wird als ein solches Material Kupfer beziehungsweise eine Kupferlegierung verwendet. Als Material für das Kontaktstück wird üblicherweise eine Silber-Legierung verwendet.
Nachteilig an den genannten Ausführungsformen ist, dass Kupfer aufgrund seiner hohen Dichte ein relativ großes Massenträgheitsmoment beziehungsweise eine große Trägheitskraft beim rotatorischen beziehungsweise translatorischen Bewegen des Kontakthebels aufweist. Aufgrund des großen Massenträgheitsmoments öffnet der Kontakthebel bei auftretendem Kurzschlussstrom und dabei entstehenden Lorentzkräften zwischen den Kontakten erst relativ spät den Stromkreis. Diese späte Öffnung der Kontakte entspricht aber nicht den an moderne Leistungsschalter gestellten Anforderungen.
Generell ist bei Auftreten von Kurzschlussströmen und Verwendung von strombegrenzenden Geräten die schnelle Öffnung der Schaltkontakte gefordert.
Bei einem aus Kupfer hergestellten Kontakthebel ist des Weiteren nachteilig, dass dieser eine relativ große Masse hat und damit einen starken Impuls beim Schließen auf das fest angeordnete Kontaktstück beziehungsweise beim Öffnen auf einen Anschlag im Gehäuse bewirkt. Dieser starke Impuls kann zu vorzeitigen Verschleißerscheinungen sowie zu ungewünschten Schwingungen im Leistungsschalter führen und deswegen eine stärkere Dimensionierung des Gehäuses beziehungsweise eines Anschlages erfordern.
Des Weiteren ist die Anschaffung von Kupfer aufgrund des relativ hohen Materialpreises kostenintensiv.
Aus dem US-Patent 7,148,774 B1 ist ein im Wesentlichen aus Aluminium gefertigter Kontaktarm bekannt, auf dessen einer Seite ein Kupfer-Abschnitt mit einem daran angeordneten Kontaktstück befestigt ist. Diese Befestigung bedingt Schwierigkeiten bei der Montage, wodurch diese nur eingeschränkt automatisierbar ist. Außerdem ist die Fertigung der Einzelteile des Kontakthebels nur mit größerem Aufwand realisierbar. Des Weiteren ist nachteilig, dass die Stromleitung vom Kontaktstück auf die anschließenden Leistungsteile des elektrischen Stromkreises, in dem der den Kontakthebel aufweisende Leistungsschalter angeordnet ist, nur mit erhöhtem konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwand möglich ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kontakthebel zur Verfügung zu stellen, der bei kostengünstiger Fertigung und Montage eine schnelle Öffnung der Kontakte gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch den in Anspruch 1 genannten Kontakthebel gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Außerdem wird ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kontakthebels und eine Leistungsschalteranordnung, die mindestens einen einen erfindungsgemäßen Kontakthebel aufweisenden Leistungsschalter umfasst, zur Verfügung gestellt.
Die Erfindung betrifft einen im Wesentlichen als Vierkantprofil ausgebildeten Kontakthebel, wobei mindestens zwei sich gegenüberliegende und sich über die Länge des Kontakthebels erstreckende Seitenflächen zumindest teilweise aus einem ersten Werkstoff eines zwei Komponenten aufweisenden Verbundwerkstoffes gebildet sind, wobei zwischen den die Seitenflächen bildenden ersten Werkstoff der zweite Werkstoff des Verbundwerkstoffes angeordnet ist, und wobei der erste Werkstoff eine höhere elektrische Leitfähigkeit und eine höhere Dichte als der zweite Werkstoff aufweist.
Zum Zweck der Kostenminimierung bei der Herstellung des Kontakthebels ist dabei wesentlich, dass dieser aus einem Verbundwerkstoff hergestellt wird. Das Profil des Kontakthebels ist dabei nicht unbedingt auf ein Vierkantprofil beschränkt, sondern es kann des Weiteren vorgesehen sein, dass auch zum Beispiel ein Sechs- oder Achtkantprofil zur Anwendung kommt. Wesentlich ist allerdings, dass ein einfacher Aufbau des Kontakthebels aus Verbundwerkstoffschichten angewendet wird. Es ist dabei bevorzugt vorgesehen, dass sich der erste Werkstoff über die gesamte Seitenfläche des Kontakthebels erstreckt. Die erfindungsgemäße Kontakthebelausführungsform ist insbesondere für doppelt wirkende Kontakthebel geeignet, das heißt für Kontakthebel, die an beiden Enden seitlich und auf gegenüberliegenden Seitenflächen angeordnet Kontaktstücke zur Kontaktierung mit festen Kontaktstücken im Leistungsschalter aufweisen. Der erfindungsgemäße Kontakthebel kann dabei derart ausgestaltet sein, dass seine stirnseitigen Kanten abgerundet sind, insbesondere auf der Seite des Kontakthebels, die dem jeweiligen Kontakt gegenüberliegt. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil der Massenminimierung in Bereichen, die nur unwesentlich zur Biegefestigkeit beziehungsweise Standfestigkeit des Kontakthebels beitragen. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Kontakthebels liegt darin, dass er sehr einfach hergestellt werden kann. Die Herstellung erfolgt dadurch, dass entweder ein Verbundwerkstoff verarbeitet wird, der einen Kern aus einem zweiten Werkstoff und einer Umhüllung aus einem ersten Werkstoff aufweist (Cuponal). Ein bis auf die Anordnung einer Dreheinrichtung und Kontaktstücken vorgefertigter Kontakthebel lässt sich somit als Abschnitt einer derart hergestellten Profilstange herstellen. Ein nach einer anderen Herstellungsvariante hergestellter Kontakthebel umfasst zwei Platten eines Verbundwerkstoffes, der eine Schicht aus dem ersten Werkstoff und eine Schicht aus dem zweiten Werkstoff enthält. In dieser Herstellungsvariante wird die Kontakthebel-Kontur aus den beiden Platten ausgestanzt und beide Stanzabschnitte werden zu einem Kontakthebel mit jeweils außen liegendem ersten Werkstoff verbunden. Die Kontaktstücke des Kontakthebels können dann in den Endbereichen angelötet werden, wobei diese mindestens über die Schicht des ersten Werkstoffes miteinander elektrisch verbunden sind. Das heißt, dass die elektrische Verbindung zwischen den Kontaktstücken in erster Linie durch den außen liegenden ersten Werkstoff erfolgt, wobei allerdings auch der zwischen den ersten Werkstoffschichten angeordnete zweite Werkstoff Strom leiten kann. Dadurch, dass der im Inneren beziehungsweise im Zentrum oder Kern des Kontakthebels angeordnete zweite Werkstoff eine geringere Dichte hat als der im Außenbereich des Kontakthebels angeordnete erste Werkstoff und dadurch, dass der erste Werkstoff mit höherer Dichte als nur relativ dünne Schicht an der Oberfläche des zweiten Werkstoffes vorhanden ist, weist der erfindungsgemäße Kontakthebel ein geringes Massenträgheitsmoment auf. Das verringerte Massenträgheitsmoment des Kontakthebels ermöglicht eine kurze Reaktionszeit beim Öffnen der Kontakte aufgrund von Kurzschlussströmen und den dabei auftretenden Stromengekräften zwischen den Kontakten und Lorentzkräften im dafür ausgelegten Strompfad. Ebenfalls ist aufgrund der geringen sich bewegenden Masse auch bei hoher Bewegungsgeschwindigkeit des Kontakthebels der Impuls auf das im Leistungsschalter fest angeordnete Kontaktstück beim Schließen oder der Impuls auf einen Anschlag im Gehäuse beim Öffnen sehr gering, was Schwingungen im Leistungsschalter mindert, seine Lebensdauer verlängert und eine geringere Dimensionierung des Gehäuses ermöglicht.
Es ist – wie schon erwähnt – vorteilhafterweise vorgesehen, dass die beiden sich gegenüberliegenden aus dem ersten Werkstoff gebildeten Flächen aus je einer Verbundwerkstoffplatte gebildet sind, wobei die beiden Verbundwerkstoffplatten fest miteinander verbunden sind. Die beiden Komponenten beziehungsweise Werkstoffe einer Verbundwerkstoffplatte können miteinander zum Beispiel durch Kaltwalzplattieren verbunden sein. Die derart erzeugten Verbundwerkstoffplatten können miteinander über lösbare oder unlösbare Verbindungen wie Schrauben, Nieten, Löten, Kaltschweißen, Kleben oder ähnliche Fügeverfahren verbunden sein. Des Weiteren können die Verbundwerkstoffplatten auch durch eine in Form eines Zapfens ausgeführte Dreheinrichtung miteinander verbunden sein, wobei der Zapfen durch beide Verbundwerkstoffplatten geführt ist und die einander zugewandten Flächen der beiden Verbundwerkstoffplatten komplementär zueinander ausgebildete Mitnahmeeinrichtungen aufweisen, die eine Relativverdrehung der beiden Platten zueinander verhindern.
In einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die beiden sich gegenüberliegenden Flächen aus dem ersten Werkstoff einer Verbundwerkstoffplatte gebildet sind, wobei die Verbundwerkstoffplatte in Sandwichbauweise derart aufgebaut ist, dass sich der zweite Werkstoff zwischen den Schichten des ersten Werkstoffs befindet. Das heißt, in dieser Ausführungsform des Kontakthebels sind die Schichten des ersten Werkstoffes außen am Kontakthebel angeordnet und schließen die Schicht des zweiten Werkstoffes ein.
Der Vorteil der genannten Aufbauvarianten des erfindungsgemäßen Leistungsschalters liegt in der sehr einfachen und kostengünstigen Herstellung. Es kann ein Stanzwerkzeug zum Beispiel je nach Aufbau des Verbundwerkstoffes unterschiedliche Kontakthebel bei gleichen Kontakthebel-Konturen herstellen.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kontakthebels ist vorgesehen, dass der Kontakthebel aus einem zweidimensional mit einer Schicht aus dem ersten Werkstoff umhüllten Kern aus dem zweiten Werkstoff besteht. Dieser Verbundwerkstoff ist dadurch hergestellt, dass ein Kern aus dem zweiten Werkstoff in eine Hülle oder ein Rohr des ersten Werkstoffes eingezogen ist. Dieser Verbundwerkstoff lässt sich vorteilhaft in einer Form mechanisch bearbeiten, die im Profil der Kontur des erfindungsgemäßen Kontakthebels entspricht. Ein Kontakthebel-Rohling kann dann dadurch erzeugt werden, dass ein Abschnitt der Profilstange aus dem beschriebenen Verbundwerkstoff abgeschnitten wird.
Es wird somit ein im Wesentlichen als Vierkantprofil ausgebildeter Kontakthebel zur Verfügung gestellt, dessen mindestens zwei sich gegenüberliegenden und sich über die Länge des Kontakthebels erstreckenden Seitenflächen zumindest teilweise aus einem ersten Werkstoff eines zwei Komponenten aufweisenden Verbundwerkstoffes gebildet sind, wobei zwischen den die Seitenflächen bildenden ersten Werkstoff der zweite Werkstoff des Verbundwerkstoffes angeordnet ist, und wobei der erste Werkstoff eine höhere elektrische Leitfähigkeit und eine höhere Dichte als der zweite Werkstoff aufweist und wobei der Kontakthebel aus einem zweidimensional mit einer Schicht aus dem ersten Werkstoff umhüllten Kern aus dem zweiten Werkstoff besteht.
Vorteilhafterweise umfasst der Kontakthebel nach einer der genannten Ausführungsvarianten seitlich in einem ersten Endbereich ein erstes Kontaktstück zur elektrischen Kontaktierung eines ersten Festkontakts eines Leistungsschalters an einer ersten Seitenfläche des Kontakthebels und ein zweites Kontaktstück zur elektrischen Kontaktierung eines zweiten Festkontaktes eines Leistungsschalters in einem zweiten Endbereich an einer der ersten Seitenfläche gegenüberliegenden zweiten Seitenfläche. Damit ist der Kontakthebel zweiseitig schließend ausgeführt. Die Kontaktstücke können dabei an den Seitenflächen ausgeführt sein, die zumindest teilweise aus der Schicht des ersten Werkstoffes des Verbundwerkstoffes gebildet sind, das heißt, in dieser Ausführungsform sind die Kontaktstücke direkt auf der aus dem ersten Werkstoff des Verbundwerkstoffes ausgebildeten Flächen angeordnet und berühren oder überlagern nicht direkt den zweiten Werkstoff des Verbundwerkstoffes.
In einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die beiden Seitenflächen winklig und benachbart zu den die Schicht aus dem ersten Werkstoff des Verbundwerkstoffes aufweisenden Seitenflächen angeordnet sind und die Kontaktstücke die Schichten aus dem ersten Werkstoff der einander gegenüberliegenden Verbundwerkstoffflächen miteinander elektrisch leitfähig verbinden. Das bedeutet, dass die Kontaktstücke im Wesentlichen senkrecht zu den den ersten Werkstoff aufweisenden Seitenflächen ausgerichtet sind. Die Kontaktstücke sind dabei zum Beispiel auf dem ersten Werkstoff aufgelötet.
Es wird somit ein im Wesentlichen als Vierkantprofil ausgebildeter Kontakthebel zur Verfügung gestellt, dessen mindes tens zwei sich gegenüberliegenden und sich über die Länge des Kontakthebels erstreckenden Seitenflächen zumindest teilweise aus einem ersten Werkstoff eines zwei Komponenten aufweisenden Verbundwerkstoffes gebildet sind, wobei zwischen den die Seitenflächen bildenden ersten Werkstoff der zweite Werkstoff des Verbundwerkstoffes angeordnet ist. Der Kontakthebel umfasst seitlich in einem ersten Endbereich ein erstes Kontaktstück zur elektrischen Kontaktierung eines ersten Festkontakts eines Leistungsschalters an einer ersten Seitenfläche des Kontakthebels und ein zweites Kontaktstück zur elektrischen Kontaktierung eines zweiten Festkontaktes eines Leistungsschalters in einem zweiten Endbereich an einer der ersten Seitenfläche gegenüberliegenden zweiten Seitenfläche. Dabei ist vorgesehen, dass die beiden Seitenflächen winklig und benachbart zu den die Schicht aus dem ersten Werkstoff des Verbundwerkstoffes aufweisenden Seitenflächen angeordnet sind und die Kontaktstücke die Schichten aus dem ersten Werkstoff der einander gegenüberliegenden Verbundwerkstoffflächen miteinander elektrisch leitfähig verbinden.
Zum Zweck der Minimierung des Massenträgheitsmomentes und des Gewichtes des Kontakthebels ist vorgesehen, dass der erste Werkstoff des Verbundwerkstoffes eine Kupfer-Legierung ist und dass der zweite Werkstoff des Verbundwerkstoffes eine Aluminium-Legierung ist. Vorteilhafterweise können zum Beispiel AlMgSi oder Al99 und E-Cu57 zur Anwendung kommen. In der Ausführungsform des Kontakthebels, die ein in einer Hülle beziehungsweise einem Rohr aus dem ersten Werkstoff eingezogener Kern aus dem zweiten Werkstoff ist, und in der als erster Werkstoff eine Kupferlegierung und als zweiter Werkstoff eine Aluminiumlegierung verwendet wird, besteht der Kontakthebel aus Cuponal nach DIN 43670 T2. Der Kontakthebel muss dabei nicht unbedingt derart ausgestaltet sein, dass der erste Werkstoff den zweiten Werkstoff zweidimensional den Rand des zweiten Werkstoffes umfassend ausgestaltet ist, sondern es kann auch vorgesehen sein, dass der Kern aus dem zweiten Werkstoff in allen drei Dimensionen vom ersten Werk stoff umhüllt ist. Die zweidimensionale Umhüllung des zweiten Werkstoffes mittels des ersten Werkstoffes ist aber wie beschrieben in der Fertigung leichter realisierbar, da der Rohling des Kontakthebels bereits durch einen Abschnitt von einem das Profil des Kontakthebels aufweisenden Stangenmaterial erhältlich ist.
Ein Kontakthebel, der aus Cuponal, also aus einem kernummantelten Verbundwerkstoff besteht, kann derart aufgebaut sein, dass seine Längsachse der Einzugsachse des Kerns des zweiten Werkstoffs in die Umhüllung aus dem ersten Werkstoff entspricht oder er kann derart aufgebaut sein, dass seine Längsachse senkrecht zur Einzugachse des Kerns aus dem zweiten Werkstoff in die Ummantelung aus dem ersten Werkstoff ausgerichtet ist. In der geschilderten zweiten Variante ist der Kontakthebel ein Abschnitt des Cuponal-Profils mit nur relativ geringer Tiefe.
Es wird des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kontakthebels zur Verfügung gestellt. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zwei Verbundwerkstoffplatten derart miteinander verbunden werden, dass sie keine Relativbewegung zueinander ausführen können und dass Kontaktstücke derart an den Schichten aus dem ersten Werkstoff der gegenüberliegenden Verbundwerkstoffflächen fest angeordnet werden, dass sie die Schichten aus dem ersten Werkstoff miteinander elektrisch leitfähig verbinden. Das heißt, dass zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kontakthebels im Wesentlichen nur die Schritte der Formgebung von Abschnitten aus Verbundwerkstoffplatten und die Befestigung von Kontaktstücken an diesen erforderlich ist. Der derart hergestellte Kontakthebel muss anschließend nur mit einer Dreheinrichtung zur Realisierung der Drehbewegung im Leistungsschalter versehen werden.
Bei translatorisch zu bewegenden Kontakthebeln ist die Integration einer Dreheinrichtung nicht erforderlich, sondern es kann eine Einrichtung zur achsialen Lagerung des Kontakthebels integriert werden.
Das beschriebene Fertigungsverfahren wird ebenfalls für die Ausführungsform des Kontakthebels verwendet, in der die Kontaktstücke nicht direkt auf den Seitenflächen aus dem ersten Werkstoff des Verbundwerkstoffes befestigt werden, sondern im Wesentlichen senkrecht zu den Seitenflächen an deren Rändern.
Die Dreheinrichtung des Kontakthebels kann eine Bohrung zur Aufnahme einer Achse oder Antriebswelle oder auch ein Zapfen sein, der im Schaltwellensegment des Leistungsschalters gelagert wird oder mittels zentrierenden Federkräften im Schaltwellensegment gelagert wird.
Des Weiteren wird eine Leistungsschalteranordnung zur Verfügung gestellt, die eine Mehrzahl von in Reihe aneinander geschalteten Leistungsschaltern aufweist, wobei mindestens ein in Stromflussrichtung zwischen einem abzuschaltenden Verbraucher und einem weiteren Leistungsschalter befindlicher Leistungsschalter einen erfindungsgemäßen Kontakthebel aufweist. Der Vorteil einer solchen Leistungsschalteranordnung liegt darin, dass bei gleicher Baugröße der Gehäuse der Leistungsschalter und damit gleichen oder ähnlichen Kontakthebelabmaßen eine selektive Ausschaltung bei Auftreten von Kurzschlussströmen im Stromkreis erreicht werden kann. Der Leistungsschalter mit dem Kontakthebel mit dem geringeren Massenträgheitsmoment, der dicht am abzuschaltenden Verbraucher angeordnet ist, kann aufgrund des erfindungsgemäßen Aufbaus des Kontakthebels bei auftretendem Kurzschlussstrom und den damit zwischen den Kontakten auftretenden Lorentzkräften eher öffnen als ein Kontakthebel mit herkömmlichem höheren Massenträgheitsmoment.
In dieser Leistungsschalteranordnung ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Leistungsschalter gleiche geometrische Gehäuseabmaße aufweisen, um somit geringere Herstellungskosten und Montagekosten aufgrund der Einheitlichkeit der verwendeten Leistungsschalter-Gehäuse zu ermöglichen.
Alternativ dazu kann allerdings auch vorgesehen sein, dass die verwendeten Leistungsschalter unterschiedliche geometrische Gehäuseabmaße aufweisen, wobei der den Kontakthebel aus Verbundwerkstoff aufweisende Leistungsschalter ein Gehäuse mit geringeren Abmaßen aufweist als die anderen in der Leistungsschalteranordnung in Reihe angeordneten Leistungsschalter. Aufgrund dessen, dass der erfindungsgemäße Kontakthebel ein geringeres Massenträgheitsmoment aufweist, öffnet dieser schneller den Stromkreis, wodurch der zwischen den Kontakten beim Öffnen gezogene Lichtbogen nur eine kürzere Zeitdauer vorhanden ist und somit eine geringere Wärmemenge in den Leistungsschalter eingetragen wird. Aufgrund der geringeren Wärmemenge sind in dem mit dem erfindungsgemäßen Kontakthebel ausgestatteten Leistungsschalter somit weniger Vorkehrungen zur Wärmeableitung beziehungsweise -minderung und damit nur ein geringerer Platzbedarf im Leistungsschaltergehäuse notwendig. Das bedeutet, dass die Gehäuseabmaße und der Fertigungsaufwand für einen Leistungsschalter, der einen erfindungsgemäßen Kontakthebel aufweist, minimiert werden können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen dabei:
1 einen erfindungsgemäßen Kontakthebel in Ansicht von der Seite,
2 einen erfindungsgemäßen Kontakthebel in perspektivischer Ansicht,
3 einen erfindungsgemäßen Kontakthebel in perspektivischer Ansicht in einer weiteren Ausführungsvariante,
4 in perspektivischer Ansicht eine schematische Darstellung der Zusammensetzung eines Kontakthebels, und
5 in perspektivischer Ansicht eine weitere Ausführung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Kontakthebels.
1 zeigt einen Kontakthebel 1, der einen ersten Werkstoff 10 und einen zweiten Werkstoff 20 umfasst, die derart angeordnet sind, dass der zweite Werkstoff 20 vom ersten Werkstoff 10 zweidimensional umhüllt ist. An der Umhüllung 110 aus dem ersten Werkstoff 10 befinden sich die beiden Kontaktstücke 70 und 80. Das erste Kontaktstück 70 ist in einem ersten Endbereich 50 an einer ersten Seitenfläche 30 des Kontakthebels 1 angeordnet. Das zweite Kontaktstück 80 ist in einem zweiten Endbereich 60 an einer zweiten Seitenfläche 40 angeordnet. An den Seitenflächen des Kontakthebels 1, die den Seitenflächen 30 und 40, an denen die Kontaktstücke 70 und 80 angeordnet sind, gegenüberliegen, sind die stirnseitigen Kanten 90 abgerundet. Diese Abrundung der stirnseitigen Kanten 90 führt zu einer Materialminderung in Bereichen des Kontakthebels 1, die nichts oder nur unwesentlich zur Biegesteifigkeit und Standfestigkeit des Kontakthebels 1 beitragen. In der Mitte des Kerns 120 aus dem zweiten Werkstoff 20 ist die Dreheinrichtung 200, die in Form einer Bohrung ausgeführt ist, dargestellt. Anstelle der als Bohrung ausgeführten Dreheinrichtung 200 lässt sich ebenfalls ein Zapfen zur Lagerung im Leistungsschaltergehäuse oder eine ähnliche Einrichtung in den erfindungsgemäßen Kontakthebel 1 integrieren.
Kontakthebel, die zur translatorischen Bewegung ausgebildet sind, weisen keine Dreheinrichtung auf, sondern können Auflageflächen zur Auflage auf Gehäuse- und/oder Kontaktelementen aufweisen.
In den in den 1 und 2 dargestellten Kontakthebeln 1 ist der Kern 120 aus dem zweiten Werkstoff 20 in Richtung der Achse der im Kontakthebel 1 vorgesehenen Dreheinrichtung 200 in die Umhüllung 110 aus dem ersten Werkstoff 10 eingezogen.
Diese Ausführungsform ermöglicht eine einfache und kostengünstige Fertigungsvariante von erfindungsgemäßen Kontakthebeln in größeren Stückzahlen, bei der nach Einzug des zweiten Werkstoffes 20 in die Umhüllung 110 aus dem ersten Werkstoff 10 Leisten aus dem Kontaktstückwerkstoff an den Enden der Seitenflächen zum Beispiel durch Löten oder Schweißen angeordnet werden, so dass sich ein Stangenprofil mit einer Querschnittsansicht wie in 1 dargestellt ergibt. Anschließend werden Segmente gewünschter Dicke vom Stangenprofil abgetrennt, die dann nur noch, bei gewünschter Verwendung als rotatorisch wirkender Kontakthebel, mit einer Dreheinrichtung 200 versehen werden müssen.
3 zeigt eine andere Variante eines aus einem Kern 120 und einer Umhüllung 110 hergestellten Kontakthebels 1, in der der Kern 120 in die Umhüllung 110 im Wesentlichen in Längsausdehnungsrichtung des Kontakthebels 1 eingezogen ist. Wie dargestellt, ergibt sich bei Herstellung eines Abschnittes aus einem derart hergestellten Verbundwerkstoffprofil eine stirnseitige Öffnung der Umhüllung 110, in der der zweite Werkstoff 20 des Kerns 120 die Oberfläche des Kontakthebels 1 bildet. Wie auch in den in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsvarianten des Kontakthebels 1 sind in der in 3 dargestellten Ausführungsform die Kontaktstücke 70 und 80 auf dem die Umhüllung 110 ausbildenden ersten Werkstoff 10 befestigt.
In 4 ist ein Kontakthebelrohling schematisch angedeutet, der aus zwei jeweils zwei Komponenten aufweisenden Verbundwerkstoffplatten zusammengesetzt ist. Ein derart aufgebauter Kontakthebel 1 umfasst somit zwei Verbundwerkstoffplatten in zwei Schichten 300, die mechanisch zusammengefügt werden. Die Stirnseiten zumindest der beiden außen liegenden Schichten aus dem ersten Werkstoff 10 sind mittels der Kontaktstücke 70 und 80 in den Endbereichen des Kontakthebels 1 miteinander verbunden. Ein Stromfluss zwischen den Kontaktstücken 70 und 80 wird somit in erster Linie über die beiden außen liegenden Schichten aus dem ersten Werkstoff 10, wie zum Beispiel aus einer Kupferlegierung, realisiert. Diese Schichten sind dabei im Vergleich zu den inneren Schichten aus dem zweiten Werkstoff 20, wie zum Beispiel aus einer Aluminiumlegierung, relativ dünn ausgeführt. Ein derart aufgebauter Kontakthebel 1 weist somit insgesamt als Trägermaterial einen relativ leichten Werkstoff auf und nur in dünnen Schichten das eigentliche den Strom leitende Material. Aufgrund der geringen Dichte des zweiten Werkstoffs 20 ist somit das Massenträgheitsmoment des Kontakthebels 1 minimiert.
In einer weiteren, in 5 dargestellten Ausführungsform besteht der erfindungsgemäße Kontakthebel 1 im Wesentlichen nur aus einer Platte eines Verbundwerkstoffes, die eine Sandwichstruktur aufweist. Das heißt, dass die Verbundwerkstoffplatte außen Schichten aus dem ersten Werkstoff 10 aufweist und zwischen diesen äußeren Schichten eine Schicht aus dem zweiten Werkstoff 20 aufweist. Auch in dieser Ausführungsform sind die Kontaktstücke 70 und 80 die beiden außen liegenden Schichten aus dem ersten Werkstoff 10 überbrückend angeordnet.
Es ist ersichtlich, dass nur ein Stanzwerkzeug zum Erhalt von den in 4 und 5 dargestellten Ausführungsformen des Kontakthebels 1 benötigt wird, da die Kontur des auszuschneidenden Blechstückes aus einer Verbundwerkzeugplatte in beiden Ausführungsformen dieselbe ist. In Abhängigkeit vom Aufbau des Verbundwerkstoffes sowie der Dicke der verwendeten Komponentenschichten und in Abhängigkeit der verwendeten Werkstoffe lassen sich auf einem Werkzeug unterschiedliche Kontakthebel 1 beziehungsweise deren Rohlinge in einfacher Weise kostengünstig herstellen.
Allen Ausführungsformen ist gemeinsam, dass eine relativ dünne Schicht aus erstem Werkstoff 10 auf einem relativ massiv ausgeführten Kern 120 aus zweitem Werkstoff 20 angeordnet ist. Die Dicke der Umhüllung 110 aus dem ersten Werkstoff 10 ist dabei aber auseichend, um einen widerstandsminimierten Stromfluss zwischen den Kontaktstücken 70 und 80 zu gewährleisten. Durch die Anwendung des zweiten Werkstoffs 20 mit geringerer Dichte als der Dichte des ersten Werkstoffes 10 ist das Massenträgheitsmoment des erfindungsgemäßen Kontakthebels 1 sowie dessen Gewicht minimiert. Diese Minimierung trägt dazu bei, dass der Kontakthebel 1 bei auftretenden Kurzschlussströmen und damit verbundenen Lorentzkräften zwischen den Kontakten am Kontakthebel 1 und den im Leistungsschalter fest angeordneten Kontakten schneller öffnen kann, da aufgrund des verringerten Massenträgheitsmomentes beziehungsweise der verringerten Trägheitskraft der Kontakthebel bei der Öffnungsbewegung eine größere Winkelgeschwindigkeit beziehungsweise eine größere Geschwindigkeit und eine größere Winkelbeschleunigung beziehungsweise Beschleunigung hat. Dadurch wird eine bessere Strombegrenzung und ein geringerer Durchlassstrom realisiert und erreicht, dass eine Aufprallenergie beim Öffnen beziehungsweise Schließen der Kontakte des Leistungsschalters an den fest im Leistungsschalter angeordneten Kontakten beziehungsweise an Anschlägen im Gehäuse minimiert ist.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass in allen Ausführungsvarianten der Lichtbogenlauf am Kontakthebel 1 bei Ausführung des ersten Werkstoffes 10 mit Kupfer und des zweiten Werkstoffes 20 mit Aluminium beziehungsweise mit diese Elemente enthaltenden Legierungen der Lichtbogenlauf am Kontakthebel 1 am Kupfer-Werkstoff stattfinden kann, was wegen des höheren Schmelzpunktes von Kupfer gegenüber Aluminium vorteilhaft ist.
Außerdem bietet die Anwendung von Kupfer oder einer Kupferlegierung den Vorteil des einfachen Auflötens beziehungsweise Aufschweißens von Kontaktstücken an die Kupferschicht, was bei direkter Verbindung eines Kontaktstücks mit dem Aluminiumträger in nicht ausreichender Qualität oder nur mit erhöhtem Fertigungsaufwand realisierbar ist.

1: Kontakthebel
10: erster Werkstoff
20: zweiter Werkstoff
30: erste Seitenfläche
40: zweite Seitenfläche
50: erster Endbereich
60: zweiter Endbereich
70: erstes Kontaktstück
80: zweites Kontaktstück
90: stirnseitige Kante
110: Umhüllung
120: Kern
200: Dreheinrichtung
300: Verbundwerkstoffplatte in zwei Schichten
400: Verbundwerkstoffplatte in Sandwichbauweise

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 7148774 B1 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- DIN 43670 T2 [0022]

Claims

Kontakthebel für einen Leistungsschalter, der im Wesentlichen als Vierkantprofil ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei sich gegenüberliegende und sich über die Länge des Kontakthebels (1) erstreckende Seitenflächen zumindest teilweise aus einem ersten Werkstoff (10) eines zwei Komponenten aufweisenden Verbundwerkstoffes gebildet sind und zwischen den die Seitenflächen bildenden ersten Werkstoff (10) der zweite Werkstoff (20) des Verbundwerkstoffes angeordnet ist, wobei der erste Werkstoff (10) eine höhere elektrische Leitfähigkeit und eine höhere Dichte als der zweite Werkstoff (20) aufweist.
Kontakthebel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden sich gegenüberliegenden aus dem ersten Werkstoff (10) gebildeten Flächen aus je einer Verbundwerkstoffplatte gebildet sind, wobei die beiden Verbundwerkstoffplatten fest miteinander verbunden sind.
Kontakthebel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden sich gegenüberliegenden Flächen aus dem ersten Werkstoff (10) aus einer Verbundwerkstoffplatte gebildet sind, wobei die Verbundwerkstoffplatte in Sandwichbauweise (400) derart aufgebaut ist, dass sich der zweite Werkstoff (20) zwischen den Schichten des ersten Werkstoffs (10) befindet.
Kontakthebel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontakthebel (1) einen zweidimensional mit einer Schicht aus dem ersten Werkstoff (10) umhüllten Kern (120) aus dem zweiten Werkstoff (20) umfasst.
Kontakthebel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass seitlich an diesem in einem ersten Endbereich ein erstes Kontaktstück (70) zur elektrischen Kontaktierung eines ersten Festkontaktes eines Leistungsschalters an einer ersten Seitenfläche (30) des Kontakthebels (1) und ein zweites Kontaktstück (80) zur elektrischen Kontaktierung eines zweiten Festkontaktes eines Leistungsschalters in einem zweiten Endbereich (60) an einer der ersten Seitenfläche (30) gegenüberliegenden zweiten Seitenfläche (40) angeordnet ist.
Kontakthebel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Seitenflächen (30, 40) zumindest teilweise aus der Schicht des ersten Werkstoffes (10) des Verbundwerkstoffes gebildet sind.
Kontakthebel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Seitenflächen (30, 40) winklig und benachbart zu den die Schicht aus dem ersten Werkstoff (10) des Verbundwerkstoffes aufweisenden Seitenflächen (30, 40) angeordnet sind und die Kontaktstücke (70, 80) die Schichten aus dem ersten Werkstoff (10) der einander gegenüberliegenden Verbundwerkstoffflächen miteinander elektrisch leitfähig verbinden.
Kontakthebel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Werkstoff (10) des Verbundwerkstoffes Kupfer oder eine Kupfer-Legierung ist und dass der zweite Werkstoff (20) des Verbundwerkstoffes Aluminium oder eine Aluminium-Legierung ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kontakthebels nach einem der Ansprüche 2, 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Verbundwerkstoffplatten (300, 400) derart miteinander verbunden werden, dass sie keine Relativbewegung zueinander ausführen können und dass Kontaktstücke (70, 80) derart an den Schichten aus dem ersten Werkstoff (10) der gegenüberliegenden Verbundwerkstoffflächen fest angeordnet werden, dass sie die Schichten aus dem ersten Werkstoff (10) miteinander elektrisch leitfähig verbinden.
Verfahren zur Herstellung eines Kontakthebels nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Schichten aus dem ersten Werkstoff (10) der gegenüberliegenden Verbundwerkstoffflächen Kontaktstücke (70, 80) fest angeordnet werden.
Verfahren zur Herstellung eines Kontakthebels nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dreheinrichtung in den Kontakthebel (1) integriert wird.
Leistungsschalteranordnung umfassend eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Leistungsschaltern, wobei mindestens ein in Stromflussrichtung zwischen einem abzuschaltenden Verbraucher und einem weiteren Leistungsschalter befindlicher Leistungsschalter einen Kontakthebel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.
Leistungsschalteranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsschalter gleiche geometrische Gehäuseabmaße aufweisen.
Leistungsschalteranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsschalter unterschiedliche geometrische Gehäuseabmaße aufweisen, wobei der den Kontakthebel (1) aus Verbundwerkstoff aufweisende Leistungsschalter ein Gehäuse mit geringeren Abmaßen aufweist als die anderen in der Leistungsschalteranordnung in Reihe angeordneten Leistungsschalter.