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Die Erfindung betrifft einen Schalter, insbesondere einen Hochleistungsschalter, mit einem Kontaktelement und einer Kontaktfläche, entlang dieser das Kontaktelement in mindestens zwei Positionen verschiebbar ist, wobei in einer ersten Position des Kontaktelementes ein erster Schaltzustand und in einer zweiten Position des Kontaktelementes ein zweiter Schaltzustand erreichbar ist, und einem Antrieb zum Bewegen des Kontaktelementes zwischen der ersten und der zweiten Position.
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Es ist bekannt, dass eine elektrisch leitende Verbindung zwischen zwei Stromkreisen geschaltet werden kann. Ein Schalter ist aus der Patentschrift
DE 10 2004 062 358 A1 bekannt, der wenigstens ein Schaltelement und einen am Schaltelement angeordneten Magnet oder Sensor aufweist, sowie ein an einer Platine befestigtes und dem Schaltelement zugeordneter Sensor oder Magnet. Dieser aus dem Stand der Technik bekannte Schalter enthält einen Schieber, der in mehrere Schieberstellungen über ein Betätigungselement gebracht werden kann.
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Nachteiligerweise hat sich gezeigt, dass der Aufbau eines derartigen Schalters komplex und aufwendig ist. Da die Schaltverbindung zwischen dem Schaltelement und dem entsprechenden Element auf der Platine über Luft erfolgt, können dadurch keine hohen Ströme geleitet werden. Außerdem hat sich gezeigt, dass eine kontaktlose Verbindung zwischen dem Schaltelement und dem jeweiligen Element auf der Platine unstabil sein kann. Zudem können die Schaltzustände des Schalters ausschließlich stromgespeist realisiert werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schalter zu schaffen, bei dem die genannten Nachteile vermieden werden, insbesondere einen Schalter bereitzustellen, der eine einfache Konstruktion aufweist, wobei, ohne den Schalter zu bestromen, stabile Schaltzustände realisierbar sind.
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Die Erfindung wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind mögliche Ausführungsformen beschrieben.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Kontaktelement und die Kontaktfläche Magnetelemente aufweisen, so dass das Kontaktelement in der ersten und in der zweiten Position zuverlässig an der Kontaktfläche aufliegt, wodurch mindestens zwei stabile Schaltzustände stromlos realisierbar sind. Durch eine Integration von Magnetelementen sowohl am Kontaktelement als auch an der Kontaktfläche können stabile Schaltzustände des Schalters erzielt werden, ohne dass der Schalter bestromt wird. Das bedeutet, dass allein durch die wirkenden Magnetkräfte das verschiebbare Kontaktelement in seiner jeweiligen Position zuverlässig an der Kontaktfläche gehalten wird. Die Magnetelemente lassen somit einen hohen Kontaktdruck zwischen dem Kontaktelement und der Kontaktfläche entstehen. Zudem zeichnet sich der erfindungsgemäße Schalter durch einen geringen elektrischen Kontaktwiderstand aus, wodurch hohe Ströme geschaltet werden können. Das bedeutet, dass der Schalter eine hohe Strombelastbarkeit aufweist, wobei gleichzeitig die jeweiligen Schaltzustände sicher gehalten werden können, ohne hierfür Energie zu benötigen.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Kontaktfläche mindestens zwei Kontaktplatten aufweist, die insbesondere beabstandet zu einander angeordnet sind. In einem möglichen Schaltzustand weist das Kontaktelement eine erste Position auf, in der es lediglich auf einer Kontaktplatte aufliegt und kontaktlos zur benachbarten Kontaktplatte steht. In einem zweiten Schaltzustand kann das Kontaktelement eine zweite Position innehaben, bei der es beide Kontaktplatten berührt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Kontaktfläche drei Kontaktplatten auf, wobei eine erste äußere Kontaktplatte, eine zweite äußere Kontaktplatte jeweils mit einer dritten inneren Kontaktplatte einen Stromkreis schließen können, wenn ein Kontaktelement sie entsprechend verbindet: die erste äußere Kontaktplatte mit der dritten inneren Kontaktplatte oder die zweite äußere Kontaktplatte mit der dritten inneren Kontaktplatte.
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Vorteilhafterweise sind die in den Kontaktplatten und dem Kontaktelement integrierten Magnetelemente als Permanentmagnete ausgeführt, die insbesondere derart zweireihig angeordnet sein können, dass der Nordpol bzw. Südpol des Permanentmagneten im Kontaktelement bei Berührung der Kontaktfläche an einem Südpol bzw. Nordpol eines der in der Kontaktfläche integrierten Permanentmagneten anliegt.
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Erfindungsgemäß weisen das Kontaktelement und die Kontaktplatten jeweils mindestens ein Magnetelement auf, wobei das Magnetelement des Kontaktelementes dem Magnetelement einer der Kontaktplatten zugeordnet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kontaktiert das Magnetelement des Kontaktelementes in jedem Schaltzustand des Schalters das zugeordnete Magnetelement einer der Kontaktplatten.
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Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die Magnetelemente des Kontaktelementes und die Magnetelemente der Kontaktplatten derart zueinander angeordnet sind, dass das Kontaktelement in jedem stabilen Schaltzustand des Schalters an mindestens einer der Kontaktplatten durch die Anziehungskraft der Magnetelemente sicher gehalten ist. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass die Stromkreise, die an den Kontaktplatten enden, durch das Kontaktelement zuverlässig geschlossen werden. Durch das direkte Anliegen des Kontaktelementes an den Kontaktplatten wird außerdem erreicht, dass Ströme hoher Stärke durch eine geschlossene Schaltung geleitet werden können. Die Kontaktfläche und das Kontaktelement können derart geometrisch und materialtechnisch dimensioniert werden, dass elektrische Ströme zwischen 50 A und 400 A, insbesondere zwischen 100 A und 200 A schaltbar sind. Die Dicke des Kontaktelementes und der Kontaktplatten kann dabei von 2 bis 10 mm variieren.
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Vorteilhafterweise wird das Kontaktelement über einen Antrieb bewegt. Der Antrieb kann beispielsweise ein Spindelantrieb, ein Induktionsantrieb, ein Elektromotor, ein Piezomotor, ein Linearmotor oder ein Magnetschalter sein. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Antrieb ein Verbindungselement auf, das am Kontaktelement angeordnet ist und somit die Wirkverbindung zwischen dem Antrieb und dem Kontaktelement herstellt, um durch den Antrieb das Kontaktelement zu bewegen.
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In einer die Erfindung verbessernden Maßnahme ist eine Schutzschaltung vorgesehen, um bei einem Wechsel zwischen den Schaltzuständen Spannungsspitzen abzuleiten. Insbesondere weist die Schutzschaltung einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor auf, der als ein spannungsgesteuerter Widerstand arbeitet. Wenn Strom führende Schaltkontakte geöffnet, bzw. geschlossen werden, können elektrische Überspannungen entstehen, dabei kann ein Teil des Kontaktwerkstoffes durch Überhitzung, Verschmelzung oder Verbrennung beschädigt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Schutzschaltung dazu vorgesehen, um unerwünschte Effekte solcher Art zu verhindern, insbesondere indem überflüssige Spannungsspitzen abgeleitet werden.
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In den Schalterkontakten müssen hohe elektrische Ströme in kurzer Zeit unterbrochen werden, dazu müssen die Kontaktwerkstoffe unter Anderem hohe elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Erfindungsgemäß können das Kontaktelement und die Kontaktfläche des Schalters aus Kupfer oder Nickel gefertigt sein. Vorteilhafterweise erfolgt die Schließung des Schaltkontaktes durch ein unmittelbares Anliegen des Kontaktelementes an mindestens eine der Kontaktplatten, was unter Anderem die Entstehung von Schaltlichtbögen verhindert.
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Es kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, dass der Antrieb und/oder das Kontaktelement und/oder die Kontaktfläche und/oder die Schutzschaltung an einer Trägerplatine angeordnet sind. Hierdurch wird eine einfache und kompakte Konstruktion des Schalters erzielt.
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In einer besonderen Ausführungsform ist jeder stabile Schaltzustand durch eine vom Antrieb ausgelöste Kraft lösbar. Die Kraft des Antriebs kann beispielsweise senkrecht zur Anziehungskraft der Magnetelemente wirken und parallel zur geometrischen Erstreckung der Platine gerichtet sein, auf der die einzelnen Bauelemente des Schalters angeordnet sind. Die Stärke magnetischer Anziehungskräfte ist in Richtung vom Pol zu Pol besonders hoch. Hierbei hat sich vorteilhafterweise gezeigt, dass nur eine geringe Kraft des Antriebes, die senkrecht zur Anziehungskraft der Magnetelemente gerichtet ist, notwendig ist, um eine Verschiebung des Kontaktelementes aus einem ersten Schaltzustand in einen zweiten Schaltzustand zu bewirken. Somit kann der Antrieb mit einer relativ geringen Leistung betrieben werden, um das Kontaktelement zwischen seinen möglichen Positionen zu bewegen. Zudem können hierdurch schnelle Umschaltungen in den jeweiligen Schaltzustand erreicht werden. Das bedeutet, dass der erfindungsgemäße Schalter sich durch geringe Schaltzeiten auszeichnet.
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Erfindungsgemäß ist eine Steuereinheit vorgesehen, die die Position des Kontaktelementes bestimmt. Die Steuereinheit steuert den Antrieb an, um nach der erwünschten Stromkreisschließung das Kontaktelement in seine entsprechende Position zu bewegen. Des Weiteren kann eine Detektionseinheit vorgesehen sein, um die Position des Kontaktelementes zu registrieren, wobei die Detektionseinheit einen optischen, einen Hall- oder einen Berührungssensor aufweisen kann. Detektionseinheit sowie Steuereinheit stehen vorzugsweise in Datenkommunikation.
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Vorzugsweise liegt in jedem stabilen Schaltzustand das Magnetelement der Kontaktfläche genau unterhalb des Magnetelementes des Kontaktelementes. Das bedeutet, dass das Magnetelement der Kontaktfläche sich mit dem Magnetelement des Kontaktelementes berühren. In einer möglichen Ausführungsform können drei stabile Schaltzustände realisiert werden, wobei eine erste äußere Kontaktplatte, eine zweite äußere Kontaktplatte und eine dritte Kontaktplatte vorgesehen sind, die zwischen der ersten und der zweiten Kontaktplatte liegt. Die erste und die zweite Kontaktplatte weisen eine erste Anzahl an Magnetelementen auf. Die dritte Kontaktplatte kann eine zweite Anzahl an Magnetelementen aufweisen, die doppelt so groß ist als die erste Anzahl. Dabei kann das Kontaktelement die zweite Anzahl von Magnetelementen aufweisen. Beispielsweise können die äußeren Kontaktplatten jeweils zwei integrierte Magnetelemente aufweisen, wobei die dritte Kontaktplatte und das Kontaktelement jeweils vier Magnetelemente umfassen. Es hat sich vorteilhafterweise gezeigt, dass durch eine derartige nummerische Auswahl an Magnetelementen eine sichere und energielose Einhaltung des jeweiligen Schaltzustandes leicht erzielbar ist.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass sich das Kontaktelement in einem ersten Schaltzustand in einer ersten Position befindet, bei der das Kontaktelement die erste und die dritte innere Kontaktplatte kontaktiert. In dem ersten Schaltzustand kann ein Stromkreis über das Kontaktelement geschlossen werden, der durch die erste äußere und dritte innere Kontaktplatte verläuft. In einem zweiten Schaltzustand befindet sich das Kontaktelement in einer zweiten Position, bei der das Kontaktelement die zweite und die dritte Kontaktplatte kontaktiert. In diesem Schaltzustand kann das Kontaktelement einen Stromkreis schließen, der durch die zweite äußere und dritte innere Kontaktplatte verläuft. In dem ersten und zweiten Schaltzustand erfordert die Schaltung keine Stromspeisung des Kontaktelementes. In einem dritten Schaltzustand befindet sich das Kontaktelement in einer dritten Position, bei der das Kontaktelement auf der dritten Kontaktplatte aufliegt, ohne dass ein Kontakt zu der ersten und der zweiten Kontaktplatte besteht. Dabei ist es denkbar, dass das Kontaktelement mit Strom gespeist wird, um einen Strom an einen Verbraucher durch die dritte innere Kontaktplatte leiten zu können. Alternativ kann der dritte Schaltzustand ebenfalls stromlos realisiert sein.
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Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass zumindest eine der zueinander zugewandten Flächen des Kontaktelementes und der Kontaktfläche eine Beschichtung aufweisen, wodurch ein geringer Reibungskoeffizient zwischen dem Kontaktelement und der Kontaktfläche erzielbar ist. Nach der Überwindung der Reibung zwischen dem Kontaktelement und der Kontaktfläche kann eine leichte Verschiebbarkeit des Kontaktelementes entlang der Kontaktfläche erreicht werden.
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Der erfindungsgemäße Schalter kann für eine Akkumulatoreinheit verwendet werden, die mehrere, in einem Zellverbund vorgesehene Zellen aufweist, um einzelne Zellen aus dem Zellverbund über den Schalter zu trennen sowie in den Zellverbund über den Schalter einzubringen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben ist. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
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1 eine mögliche Ausführungsalternative des erfindungsgemäßen Schalters in einer perspektivischen Ansicht,
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2 den Schalter aus 1 in einer Draufsicht,
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3 den Schalter gemäß 1, der sich in einem ersten Schaltzustand befindet und
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4 den Schalter gemäß 1, der sich in einem zweiten Schaltzustand befindet.
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In 1 und 2 ist ein Schalter 10 abgebildet. Der Schalter 10 weist ein Kontaktelement 1 und eine Kontaktfläche 2 auf, wobei die Kontaktfläche 2 drei Kontaktplatten 2a, 2b, 2c umfasst, eine erste äußere Kontaktplatte 2a, eine zweite äußere Kontaktplatte 2c und eine dritte innere Kontaktplatte 2b, die zwischen der ersten äußeren 2a und der zweiten äußeren 2c Kontaktplatte liegt. Die Kontaktplatten 2a, 2b, 2c sind beabstandet zu einander positioniert. Der Schalter 10 weist unter Anderem einen Antrieb 3 auf, der über ein Verbindungselement 5 mit dem Kontaktelement 1 in Wirkverbindung steht, um das Kontaktelement 1 entlang der Kontaktfläche 2 zu bewegen. Das Verbindungselement 5 weist eine Aufnahme 5a auf, die den am Kontaktelement 1 angebrachten Vorsprung 1a hält. Die Aufnahme 5a ist im folgenden Ausführungsbeispiel einseitig offen ausgestaltet, in die der Vorsprung 1a des Kontaktelementes 1 hineinragt. Die Befestigung des Vorsprunges 1a in der Aufnahme 5a kann form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig erfolgen. Der Antrieb 3 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Spindelantrieb, der eine Stange 3a antreibt. Über eine rotatorische Bewegung der Stange 3a wird das Verbindungselement 5 gleichzeitig in eine translatorische Bewegung bewegt, wobei die translatorische Bewegung mit einem Doppelpfeil gemäß 1 gezeigt ist. Die Stange 3a ist als Gewindespindel ausgeführt, die ein nicht explizit gezeigtes Gewinde aufweist, wodurch eine Rotationsbewegung in die Stange 3a einbringbar ist. Über die entsprechende Steigung des Gewindes ist gleichzeitig eine Linearbewegung des Verbindungselements 5 erzielbar. Über diese Linearbewegung des Verbindungselementes 5 erfolgt eine entsprechende Bewegung des daran befestigten Kontaktelementes 1. Zudem weist der Antrieb 3 zwei Gehäuseteile 3b, 3c auf. In einem der beiden Gehäuseteile 3b, 3c befindet sich ein Motor, der für einen entsprechenden Antrieb der Stange 3a sorgt. Alternative Antriebe zur linearen Bewegung des Kontaktelementes 1 sind denkbar.
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Zudem ist eine Schutzschaltung 6 vorgesehen, um bei einem Wechsel zwischen den Schaltzuständen Spannungsspitzen abzuleiten. Die Schutzschaltung 6 ist hierbei als ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor ausgeführt. Wie 1 und 2 zeigen, ist der Antrieb 3, die Kontaktfläche 2 und die Schutzschaltung 6 an einer Trägerplatine 20 angeordnet. In 1 ist eine Steuereinheit 7 schematisch dargestellt, die drei mögliche Schaltzustände 21, 22, 23 des Schalters 10 steuert, die in 3 und 4 gezeigt sind. Darüber hinaus ist in 2 eine Detektionseinheit 8 veranschaulicht, die beispielsweise ein optischer, einen Hall- oder ein Berührungssensor sein kann. Die Detektionseinheit 8 ermittelt die jeweilige Position I, II, III des Kontaktelementes 1, wobei die Positionen I, II, III in 3 und 4 gezeigt sind.
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Jede Kontaktplatte 2a, 2b, 2c und das Kontaktelement 1 weisen integrierte Magnetelemente 4 auf, die derart zueinander angeordnet sind, dass das Kontaktelement 1 in jedem stabilen Schaltzustand 21, 22, 23 an mindestens einer der Kontaktplatten 2a, 2b, 2c durch die Anziehungskraft B der Magnetelemente 4 sicher gehalten ist. Die Anziehungskraft B ist vereinfacht in 1, 3 und 4 gezeigt. Die Magnetelemente 4 sind als Permanentmagnete ausgeführt. Die Anziehungskraft B der Magnetelemente 4 wirkt senkrecht zur geometrischen Erstreckung der Trägerplatine 20 und zu der Stange 3a. Die erste äußere Kontaktplatte 2a und die zweite äußere Kontaktplatte 2c weisen jeweils zwei integrierten Magnetelemente 4 auf, wobei die dritte innere Kontaktplatte 2b und das Kontaktelement 1 jeweils vier integrierte Magnetelemente 4 aufweisen.
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Die 1 und 2 zeigen einen zweiten stabilen Schaltzustand 22 des Schalters 10. In dem zweiten stabilen Schaltzustand 22 befindet sich das Kontaktelement 1 in der zweiten Position II, wobei es auf der zweiten äußeren 2c und der dritten inneren Kontaktplatte 2b anliegt. Dabei berühren die zwei linken Magnetelemente 4 des Kontaktelementes 1 die zwei rechten Magnetelemente 4 der dritten inneren Kontaktplatte 2b und die zwei rechten Magnetelemente 4 des Kontaktelementes 1 berühren die beiden Magnetelemente 4 der zweiten äußeren Kontaktplatte 2c.
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3 und 4 zeigen schematisch drei mögliche Positionen I, II und III des Kontaktelementes 1. Die gestrichelten Linien deuten die in dem Kontaktelement 1 und in den Kontaktplatten 2a, 2b, 2c integrierten Magnetelemente 4 an. In dieser Frontansicht befinden sich die Magnetelemente 4 paarweise hintereinander.
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In 3 ist die erste Position I des Kontaktelementes 1 veranschaulicht. Dabei liegt das Kontaktelement 1 auf der ersten äußeren Kontaktplatte 2a und der dritten inneren Kontaktplatte 2b an. Die zwei linken integrierten Magnetelement 4 des Kontaktelementes 1 befinden sich dabei direkt über den zwei Magnetelementen 4 der ersten äußeren Kontaktplatte 2a. Die zwei rechten integrierten Magnetelemente 4 des Kontaktelementes 1 liegen über den zwei linken Magnetelementen 4 der inneren Kontaktplatte 2a. Die 4 zeigt die zweite Position II des Kontaktelementes 1, wobei das Kontaktelement 1 auf der zweiten äußeren Kontaktplatte 2c und der inneren Kontaktplatte 2b anliegt. Die zwei linken integrierten Magnetelemente 4 des Kontaktelementes 1 befinden sich dabei direkt über den zwei rechten Magnetelementen 4 der inneren Kontaktplatte 2b und die zwei rechten integrierten Magnetelemente 4 des Kontaktelementes 1 liegen über den zwei Magnetelementen 4 der zweiten äußeren Kontaktplatte 2c.
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In 4 ist außerdem der dritte mögliche stabile Schaltzustand 23 angedeutet, in dem das Kontaktelement 1 auf der inneren Kontaktplatte 2b anliegt und dabei weder die erste äußere 2a noch die zweite äußere Kontaktplatte 2c berührt. Auch hier berühren sich die Magnetelemente 4 des Kontaktelementes 1 mit den zugeordneten Magnetelementen 4 der inneren Kontaktplatte 2b.
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Wie in den 3 und 4 gezeigt ist, kann das Kontaktelement 1 entlang der Kontaktfläche 2 in Richtung des Doppelpfeils bewegt werden. Die Bewegung des Kontaktelementes 1 erfolgt durch den Antrieb 3 aus 1 und 2. Dabei wird das Kontaktelement 1 von der Kontaktplatte 2a zur Kontaktplatte 2c in die zweite Position II bewegt, um den zweiten Schaltzustand 22 des Schalters 10 zu realisieren. Das Kontaktelement 1 wird von der Kontaktplatte 2c zur Kontaktplatte 2a zurück in die erste Position I bewegt, um den ersten Schaltzustand 21 zu erreichen. Die dritte Position III des Kontaktelementes 1 ist aus der ersten Position I durch eine Bewegung in Richtung von der Kontaktplatte 2a zu 2b oder aus der zweiten Position II durch eine Bewegung in Richtung von der Kontaktplatte 2c zu 2b erreichbar. Das Kontaktelement 1 in der dritten Position III realisiert den dritten Schaltzustand 23 des Schalters 10.
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Bezugszeichenliste
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- I
- erste Position des Kontaktelementes
- II
- zweite Position des Kontaktelementes
- III
- dritte Position des Kontaktelementes
- 1
- Kontaktelement
- 1a
- Vorsprung
- 2
- Kontaktfläche
- 2a
- erste äußere Kontaktplatte
- 2b
- dritte innere Kontaktplatte
- 2c
- zweite äußere Kontaktplatte
- 3
- Antrieb
- 3a
- Stange
- 3b, 3c
- Gehäuseteile
- 4
- Magnetelement
- 5
- Verbindungselement
- 5a
- Aufnahme
- 6
- Schutzschaltung
- 7
- Steuereinheit
- 8
- Detektionseinheit
- 10
- Schalter
- 20
- Trägerplatine
- 21
- erster stabiler Schaltzustand
- 22
- zweiter stabiler Schaltzustand
- 23
- dritter stabiler Schaltzustand
- A
- Kraft (Antrieb)
- B
- Anziehungskraft (Magnet)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004062358 A1 [0002]
