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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung für einen Schütz mit einer ersten Elektrode, die einen ersten Kontaktbereich aufweist, und einer zweiten Elektrode, die einen zweiten Kontaktbereich aufweist. Die beiden Kontaktbereiche berühren sich in einer Schließstellung der Elektroden.
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Das Öffnen von Schützen unter Last, also während noch ein elektrischer Strom fließt, sowie das Schließen eines Schützes unter anliegender Spannung führt zu einer Lichtbogenbildung zwischen den Kontakten. Derartige Lichtbogen schädigen die Oberflächen der Elektrodenkontakte, da sie an ihren Fußpunkten eine Temperatur weit oberhalb der Schmelztemperatur des Elektrodenmaterials haben, die Oberfläche also aufgeschmolzen und somit negativ verändert wird. Besonders ungünstig ist es, wenn bei einem schließenden Schütz die so aufgeschmolzenen Kontaktflächen aufeinander gepresst werden und dann erkalten. Dies führt zum irreversiblen Verschweißen der Kontakte. Der Schütz lässt sich nicht mehr öffnen.
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Die zum Aufbau des Lichtbogens erforderliche Spannung und der Startzeitpunkt ist entsprechend der bekannten Grundlagenphysik von der Elektrodengeometrie, dem umgebenden Schutzgasmedium und dem Elektrodenmaterial abhängig.
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Aus der Druckschrift
EP 0 736 887 A2 ist eine elektrische Kontaktanordnung für ein Schaltgerät bekannt, die eine feststehende Kontaktträgeranordnung und eine bewegliche Kontaktträgeranordnung umfasst, welche einander gegenüberstehende Kontakte tragen. Eine der beiden Kontaktträgeranordnungen besteht aus zwei in einer Ebene liegenden Kontaktarmen, die mit Anschlüssen versehen sind, während die andere Kontaktträgeranordnung einen Brückenkontakt trägt, der in der Schließstellung die beiden Einzelkontakte überbrückt. Außerdem sind an den Außenseiten des Brückenkontaktträgers zwei Ableitbleche vorgesehen, die in Richtung auf die Kontaktarme vorstehen. Durch die entgegengesetzten Stromrichtungen in beiden Kontaktfaden entstehen einander abstoßende Magnetfelder, durch die beim Abschalten erzeugte Lichtbögen nach außen auf die Ableitbleche gelenkt und dann gelöscht werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Schädigung von Elektrodenkontakten beim Öffnen oder Schließen von Kontaktpaaren insbesondere in einem Schütz aufgrund ungewollter Lichtbögen weitestgehend zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Elektrodenanordnung nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß wird demnach eine Elektrodenanordnung für einen Schütz mit einer ersten Elektrode, die einen ersten Kontaktbereich aufweist, und einer zweiten Elektrode, die einen zweiten Kontaktbereich aufweist, bereitgestellt. Die beiden Kontaktbereiche berühren sich in einer Schließstellung der Elektroden. Die erste Elektrode weist eine erste Spitze und die zweite Elektrode eine zweite Spitze auf. Die beiden Spitzer stehen in der Schließstellung einander gegenüber, aber sie berühren sich nicht.
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In vorteilhafter Weise ist damit das gewollte oder ungewollte Öffnen eines Schützes unter hoher Last, was zu einer Lichtbogenbildung zwischen den öffnenden Kontakten führt, hinsichtlich Beschädigung der Kontaktoberflächen weniger kritisch. Durch das Bereitstellen von Ableitern oder Opferelektroden (hier in Form einer Spitze) wird der Lichtbogen durch erwünschte Feldüberhöhung dazu veranlasst, an den Opferelektroden zu brennen und die Kontaktoberflächen somit zu schützen.
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In einer Ausführungsform können die Spitzen am Rand der jeweiligen Elektrode angeordnet sein. Alternativ können die Spitzen aber auch in den jeweiligen Kontaktbereichen der Elektroden eingelassen sein. Darüber hinaus kann mindestens eine der Spitzen als abgeflachter Zylinder ausgebildet sein. Außerdem ist es unter Umständen günstig, wenn mindestens eine der Spitzen aus einem anderen Material besteht, als die zugehörige Elektrode.
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Wie bereits angedeutet wurde, besteht eine bevorzugte Verwendung der oben dargestellten Elektrodenanordnung in einem elektrischen Schütz. Ein derartiger elektrischer Schütz wird beispielsweise in einem Kraftfahrzeug und insbesondere in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug (z. B. reines Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug) eingesetzt, um die Stromversorgung gezielt unterbrechen zu können.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
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1 einen schematischen Querschnitt durch einen Schutz;
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2 einen vergrößerten Ausschnitt von 1, der geschlossene Elektrodenkontakte mit Ableiterspitze zeigt;
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3 geöffnete Elektrodenkontakte mit Ableiterspitze;
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4 Elektroden mit eingelassenen Spitzen; und
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5 eine als Opferelektrode ausgeformte Spitze.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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Bei elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen werden beispielsweise Schütze eingesetzt, die zur Unterbrechung der Stromversorgung des Antriebssystems dienen. Beim Unterbrechen unter Last kann das Auftreten eines Lichtbogens zwischen den Elektroden im allgemeinen nicht vermieden werden. Daher muss versucht werden, diesen aus dem kritischen Bereich der Elektrodenkontakte herauszuhalten, sodass Beschädigungen in den Kontaktbereichen weitestgehend vermieden werden.
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1 zeigt schematisch einen Schütz. In einem Gehäuse 1 befindet sich eine erste Elektrode 2, eine zweite Elektrode 3 und eine dritte Elektrode 4. Die erste Elektrode 2 und die dritte Elektrode 4 sind physisch voneinander getrennt. Durch die zweite Elektrode 3 sind die erste Elektrode 2 und die dritte Elektrode 4 in einer Schließstellung elektrisch miteinander verbunden. In einer Offenstellung ist die zweite Elektrode 3 von der ersten Elektrode 2 und der dritten Elektrode 4 wegbewegt, sodass zwischen der ersten Elektrode 2 und der dritten Elektrode 4 keine elektrische Verbindung mehr besteht. In der Offenstellung ist also der Schütz geöffnet. Nur in der Schließstellung kann durch die Elektroden 2, 3 und 4 ein elektrischer Strom 5 fließen.
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Beim Öffnen des Schützes entstehen Lichtbögen zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 sowie zwischen der zweiten Elektrode 3 und der dritten Elektrode 4. Um Schädigungen im zentralen Kontaktbereich der Elektroden 2, 3 und 4 zu vermeiden, wurde beispielsweise gemäß dem Stand der Technik ein senkrecht zur Bildebene von 1 orientiertes Magnetfeld angelegt. Unter Ausnutzung der Lorentzkraft lenkt das Magnetfeld den fließenden Strom des jeweiligen Lichtbogens in die Außenbereiche der entsprechenden Elektrode ab. Diese Maßnahme greift also erst, nachdem der Lichtbogen entstanden ist.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung soll der Lichtbogen jedoch bereits während seines Aufbaus in einen unkritischen Bereich der Elektrode gelenkt werden. Es soll also nicht erst nach dem Aufbau des Lichtbogens eine entsprechende Maßnahme ergriffen werden.
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Gasentladungen treten im allgemeinen an der elektrotechnisch günstigsten Position auf, also dort, wo aufgrund der elektrischen Feldstärke, der Medienleitfähigkeit, der zu überbrückenden Distanz und weiterer Effekte die erforderliche Lichtbogendurchbruchspannung am geringsten ist. Damit treten Entladungen bei flachen, homogenen Elektroden immer am Ort des geringsten Elektrodenabstands auf, also dort, wo sich die Elektroden beim Schließen des Schützes auch als erstes berühren, und damit am ungünstigsten Ort.
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Durch Ausbilden eines spitzenförmigen Abschnitts 6, 7 (vergleiche 2, die eine Vergrößerung des Abschnitts II von 1 darstellt) und der dadurch bewirkten elektrischen Feldüberhöhung wird die Wahrscheinlichkeit, dass ein Lichtbogen an dieser Spitze 6, 7 startet, deutlich erhöht.
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Gemäß 2 sind die Spitzen 6, 7 am Rand der jeweiligen Elektrode 2, 3 ausgebildet. Im geschlossenen Zustand (Schließstellung der Elektroden) sind die Kontaktflächen bzw. Kontaktbereiche 8, 9 der Elektroden 2, 3 großflächig miteinander verbunden. Die beiden Spitzen 6, 7 berühren sich in dieser Schließstellung nicht. Der Laststrom fließt also ausschließlich durch die Hauptkontaktflächen 8, 9, und eine mechanische Abnutzung der Spitzen 6, 7 wird vermieden.
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Beim Öffnen der Kontakte bzw. Elektroden 2, 3 führen die beiden Spitzen 6, 7 zu einer starken Feldstärkeverzerrung und damit zu einem Aufbau eines Lichtbogens 10 an den Spitzen 6, 7. Ein Lichtbogen an den Kontaktbereichen 8, 9 wird hierdurch vermieden.
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Die Position der Kontaktspitzen 6, 7 ist abhängig vom Einsatzszenario frei wählbar. Denkbar ist beispielsweise auch die in 4 gezeigte Konfiguration, bei der jede der beiden Elektroden 2, 3 jeweils eine eingelassene Spitze 11, 12 besitzt. Die Spitzen 11, 12 befinden sich jeweils unter der gedachten Außenhülle der zugeordneten Elektrode 2, 3. Abhängig von der konkreten Dimensionierung kann die eingebettete Spitze trotz des sogenannten Feldschattens der umliegenden Elektrodenfläche den Lichtbogen initiieren und tragen.
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Eine weitere Variante der Elektrodenkonfiguration ist in 5 gezeigt. Dort weist die zweite Elektrode 3 eine Spitze 12 auf, wie in dem Beispiel von 4. Die erste Elektrode 2 hingegen besitzt beispielsweise eine zylinderförmige Spitze 13 (z. B. abgeflachter Zylinder). Gegebenenfalls ist diese Spitze 13 aus einem anderen Material aufgebaut als die zugehörige Elektrode 2. Es kann sich also um eine explizite Opferelektrode handeln. Damit wird sichergestellt, dass bei einer Erosion der Elektrode auch mit Verlust der spitzenförmigen Geometrie die Funktionalität erhalten bleibt. Hintergrund ist die Materialabhängigkeit der Austrittsarbeit eines Lichtbogens. Einige Materialien erfordern weniger Arbeit/Leistung bei der Emission von Elektronen als andere und binden einen Lichtbogen also nicht aufgrund der Geometrie/Feldverteilung sondern auch aufgrund des Energieschemas an sich: die Entladung findet immer an der Stelle des geringsten energetischen Aufwands statt. Durch eine Anpassung der Elektrodengeometrie und gegebenenfalls auch des Elektrodenmaterials kann somit der Auftrittsort eines Lichtbogens gesteuert und in einen für die Elektroden unkritischen Bereich gelenkt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- erste Elektrode
- 3
- zweite Elektrode
- 4
- dritte Elektrode
- 5
- elektrischer Strom
- 6
- Spitze
- 7
- Spitze
- 8
- Kontaktbereich
- 9
- Kontaktbereich
- 10
- Lichtbogen
- 11
- Spitze
- 12
- Spitze
- 13
- zylinderförmige Spitze
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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