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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität des Einreichungsdatums der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/432,811, eingereicht am 14. Januar 2011.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verringern der Größe einer Lorentz-Kraft, die an einer Drehkontaktplatte auf Solenoidbasis gebildet wird, und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verringern einer solchen Größe, während Lichtbogenauslöschungsmerkmale aufrechterhalten werden, wenn die Kontaktplatte geöffnet oder anderweitig abgeschaltet wird.
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Solenoide werden häufig verwendet, um Relais, Schalter und verwandte elektrische Schaltungskontakte zu öffnen und zu schließen. Überdies können Solenoide eine im Allgemeinen lineare Konfiguration oder eine Drehkonfiguration aufweisen. In beiden Konfigurationen verwendet ein Hochspannungskontaktelement das Solenoid, um eine Kontaktplatte in selektive Verbindung mit einem Paar von stationären Strom führenden Anschlüssen zu bewegen, um einen elektrischen Stromkreis zwischen den Anschlüssen zu vervollständigen. Der Kontakt ist offen, wenn das Solenoid abgeschaltet ist, und geschlossen (oder vollendet), wenn das Solenoid erregt ist. In der speziellen Konfiguration, die einem Drehsolenoid zugeordnet ist, dreht sich der Tauchkolben oder die Welle des Solenoids im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn in Abhängigkeit davon, ob das Solenoid erregt oder abgeschaltet wird. Die Kontaktplatte, die am Tauchkolben befestigt ist, dreht sich ebenso, so dass die Kontaktplatte in einem Zustand mit erregtem Solenoid den Stromkreis zwischen den zwei Anschlüssen schließt, während die Kontaktplatte in einem Zustand mit abgeschaltetem Solenoid den Stromkreis zwischen den zwei Anschlüssen öffnet.
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Die Anwesenheit von hoher Spannung und hohem Strom kann einen Lichtbogenüberschlag zwischen der Kontaktplatte und den Anschlüssen zum Zeitpunkt unmittelbar nach der Trennung verursachen. Ein solcher Lichtbogenüberschlag ist nicht erwünscht, insbesondere bei Betriebsmodi mit hohem Strom, da die durch den Lichtbogen erzeugte Leistung gewöhnlich durch nahe gelegene Komponenten, die nicht elektrisch abgehärtet sein können, absorbiert wird (oder anderweitig darauf einwirkt).
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Versuche zum Verringern oder Auslöschen des Lichtbogens haben das Einschließen der Kontaktplatte und der Anschlüsse in einer mit einem dielektrischen Gas gefüllten Kammer beinhaltet, das Lichtbogenhemmmerkmale durch Absorbieren von einiger der Energie während der Lichtbogenbildung einführt. Eine solche Konfiguration verringert auch die Konfektionierung und schafft ein gewisses Niveau an umgebungsunabhängiger Verwendung. Trotz dieses Vorteils hat eine solche Lösung einen Nachteil in den Vorrichtungskosten und der Vorrichtungskomplexität.
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Bei einem anderen Versuch wurden zusätzliche Magnetpaare auf entgegengesetzten Seiten der Kontaktplatte und der Anschlüsse angeordnet, um die Lorentz-Kraft auszunutzen, die auf die Anschlüsse oder andere Strom führende Elemente wirkt, die dem Magnetfeld ausgesetzt sind. Die innewohnende Lorentz-Kraft kann in dem Moment unmittelbar, nachdem der Stromkreis an der Kontaktplatte geöffnet wird, verwendet werden, um die Lichtbogenbeseitigung zu beschleunigen, indem die Polarität des Lichtbogens genutzt wird und er über einen größeren Bereich gestreckt wird. Eine solche Methode ist im Allgemeinen zufriedenstellend, um zu helfen, den Lichtbogen auszulöschen. Leider wird die durch die zusätzlichen Magneten erzeugte Lorentz-Kraft auch der nahe gelegenen Kontaktplatte während des normalen Betriebs mit geschlossenem Stromkreis auferlegt. Da diese Kraft (die durch die Orientierung der Magneten relativ zum Strom, der durch die Kontaktplatte fließt, im Allgemeinen in einer Richtung liegt, die eine vorzeitige Trennung der Kontaktplatte von den Anschlüssen fördern könnte) die Betätigung des Solenoids im Allgemeinen und der Kontaktplatte im Besonderen stören kann, bleiben Möglichkeiten, in denen die Solenoidbetätigung verbessert werden kann.
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Lithiumionenbatterien werden verwendet, um eine teilweise (im Fall eines Hybridsystems) oder gesamte (im Fall von vollständig elektrischen Systemen) Triebkraft für Kraftfahrzeuganwendungen zu schaffen. Signifikante Pegel von Spannung und/oder Strom sind erforderlich, um die elektrische Leistung zu einem Motor zu liefern, der wiederum eine Antriebskraft zu einem Satz von Rädern liefern kann. Die hohen Pegel von elektrischer Leistung, die von solchen Batteriesystemen verwendet werden, könnten, wenn sie unkorrigiert belassen werden, zu einem signifikanten Lichtbogenüberschlag während der Betätigung eines Relais und zugehörigen Schalters führen. In Systemen, die eine gewisse Form von Lichtbogenauslöschungsmerkmal auf Magnetbasis verwenden (wie z. B. das vorstehend erörterte), sind Lorentz-Kräfte, die durch die Magnetfelder induziert werden, groß genug, um die Platten und Kontakte von herkömmlichen Anordnungen mit Relais und zugehörigem Schalter durch Bewegen derselben in einem anderen Grad (oder zu einem anderen Zeitpunkt) als jenem, für den sie ausgelegt wurden, zu stören. Insbesondere kann eine nach unten gerichtete Lorentz-Kraft die Vorspannung überwinden, die durch die induzierte Magnetkraft am Tauchkolben des Solenoids erzeugt wird, was wiederum ein versehentliches Öffnen der Kontakte und die Bildung genau desjenigen Lichtbogenüberschlags verursachen könnte, für dessen Vermeiden die zusätzlichen Magneten aufgenommen wurden. Dieses vorzeitige Kontaktplattenöffnen kann schädliche Auswirkungen auf den Betrieb eines batteriebetriebenen Kraftfahrzeugantriebssystems haben.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Schaltanordnung offenbart. Im vorliegenden Zusammenhang entspricht eine Schaltanordnung einer Anordnung von Komponenten, die zusammen das selektive Öffnen und Schließen einer elektrischen Schaltung ermöglichen. An sich kann der elektrische Strom, der durch den Schaltkreis fließt, verwendet werden, um eine sekundäre elektrische Schaltung ein- oder auszuschalten. In einem Beispiel könnte eine solche sekundäre Schaltung eine Arbeit verrichtende Schaltung sein, die dazu konfiguriert ist, elektrischen Strom von einer oder mehreren Batterien (wie z. B. einer Lithiumionenbatterie) zu einem Elektromotor oder anderen Vorrichtungen, die eine Antriebskraft für ein Auto, einen Lastwagen oder eine verwandte Fahrzeug- oder Antriebsanwendung vorsehen können, zuzuführen. In einer speziellen Form kann die Schaltanordnung der vorliegenden Erfindung als Relais, Schalter oder verwandter Schaltungsöffnungs- und Schaltungsschließmechanismus konfiguriert sein. Die für ein Relais, einen Schalter oder eine verwandte Vorrichtung auf Solenoidbasis verwendeten zusätzlichen Magneten können in Verbindung mit der Richtung eines elektrischen Stromflusses durch die Anschlüsse und die Kontaktplatte angeordnet sein, um die Größe der durch die Wechselwirkung des Magnetfeldes und des elektrischen Stroms erzeugte Lorentz-Kraft zu verringern, während gleichzeitig der Lichtbogenüberschlag, der mit abgeschalteten Kontakten verbunden ist, verringert wird. Das letztere Merkmal mit seiner Verringerung der Wahrscheinlichkeit für einen teilweise offenen Kontakt fördert mehr Stabilität im Strompfad von einem Anschluss zum anderen. Mit anderen Worten, da die Lorentz-Kraft an der Kontaktplatte minimiert wird, wird das Potential, dass der Kontakt versehentlich aufgrund einer solchen Kraft von den Anschlüssen getrennt wird, verringert.
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Die Drehbeschaffenheit der Verbindung zwischen dem Solenoid, der Kontaktplatte und den Anschlüssen stellt eine schnellere Trennung sicher; dies erzeugt wiederum eine schnellere Beseitigung des Lichtbogenüberschlags, der während der Kontaktplatten- und Anschlusstrennung erzeugt wird. Ferner fördert die Drehbeschaffenheit der Verbindung zwischen dem Solenoid und der Kontaktplatte stärkere gemeinsame Potentiale und eine gleichzeitige Erhöhung der Vorrichtungsrobustheit für Hochspannungskontaktelemente wie z. B. jene, die in Lithiumionenbatteriesystemen angetroffen werden. Im Gegensatz zu einem linearen Solenoid (bei dem die Welle mit der Kontaktplatte durch einen relativ kleinen kugelförmigen Bereich zusammenwirkt) kann die Drehkonstruktion beispielsweise einen großen Verbindungsbereich ermöglichen, der eine haltbarere Konstruktion fördert.
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Wie vorstehend angegeben, besteht ein Vorteil der Konstruktion dann, dass sie verhindert, dass die Lorentz-Kraft versehentlich den Kontakt zwischen der Platte und den Anschlüssen während hoher Stromimpulse öffnet. Eine solche Verhinderung ist in Situationen deutlich erkennbar, in denen die zusätzlichen (d. h. Lichtbogen auslöschenden oder Lichtbogen unterbrechenden) Magneten derart angeordnet sind, dass der Strom und das Magnetfeld parallel sind, wie nachstehend gezeigt und beschrieben. In der Theorie entspricht diese parallele Anordnung des Stromflusses und des Magnetfeldes der vollständigen Beseitigung der Lorentz-Kraft an der Kontaktplatte. Da diese Kraft an der Kontaktplatte mit dem Lichtbogenunterbrechungseffekt der Lorentz-Kraft in dem Bereich um die Verbindung zwischen den Anschlüssen und der Kontaktplatte nichts zu tun hat, existiert bedeutenderweise eine solche Lichtbogenunterbrechungskraft immer noch, da der Strom an dieser Stelle vielmehr senkrecht als parallel zum Magnetfeld ist.
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Die Drehkonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung kann ebenso Variationen aufweisen. Bei einer Variation können die zusätzlichen Magneten, anstatt dass sie derart angeordnet sind, dass das zwischen ihnen erzeugte Feld zum Fluss des elektrischen Stroms durch die verbundenen Anschlüsse parallel ist, über den Anschlüssen derart angeordnet sein, dass das Magnetfeld in einer senkrechten Richtung zu jener des durch die Anschlüsse fließenden Stroms gerichtet ist. Unter linear betätigten Kontaktplattenkonfigurationen (d. h. bei denen sich der Tauchkolben vom Solenoid unter der Kraft eines angelegten Stroms durch die Spule des Solenoids verlagert), kann eine solche Orthogonalität zwischen dem Magnetfeld und dem Stromfluss durch die Anschlüsse die vorstehend erörterten Lorentz-Kraft-Probleme fördern, da induzierte Kräfte zu einem versehentlichen Öffnen des Kontakts zwischen der Platte und den Anschlüssen während des normalen Betriebs führen könnte. Unter einer Variation der vorliegenden Erfindung, bei der eine solche Orthogonalität existiert, wird eine Lorentz-Kraft erzeugt, vermeidet jedoch trotzdem die vorstehend erörterten Kontaktöffnungsschwierigkeiten, da die Kontaktpunkte in einer Richtung orientiert sind, die nicht durch die induzierte Kraft beeinflusst wird. Unter dieser Variation der Konstruktion kann die zusätzliche Magnetkonfiguration in einer Weise im Allgemeinen ähnlich zu jener von vorherigen Konstruktionen an der Stelle belassen werden, aber aufgrund der Beschaffenheit des Drehkontakts und der Kontaktplatte stört die Lorentz-Kraft (obwohl sie nicht in derselben Weise wie bei der in den vorherigen Absätzen erörterten Konstruktion beseitigt wird) weniger wahrscheinlich den Betrieb während hoher Stromflüsse, während die Lichtbogenauslöschungsmerkmale der zusätzlichen Magneten während der Kontaktöffnungs- und Kontaktschließereignisse aufrechterhalten werden.
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Wahlweise können die Magneten derart angeordnet sein, dass ein durch die mehreren Magneten erzeugtes Feld sich in einer Richtung erstreckt, die zur Richtung des elektrischen Stroms im Allgemeinen parallel ist, so dass die Erzeugung der Lorentz-Kraft an der Kontaktplatte im Wesentlichen verhindert wird. In einer anderen Option erstreckt sich das durch die mehreren Magneten erzeugte Feld in einer Richtung im Allgemeinen senkrecht zur Richtung des elektrischen Stroms, so dass die erzeugte Lorentz-Kraft auf die Kontaktplatte in der Richtung wirkt, die eine vorzeitige Trennung der Kontaktplatte von den mehreren Anschlüssen im Wesentlichen nicht fördert. Die Orientierung der Schaltanordnung kann beispielsweise derart sein, dass die während des Stromflusses des normalen Betriebs durch die geschlossene Schaltung erzeugte Lorentz-Kraft auf die Kontaktplatte in einer allgemeinen Abwärtsrichtung ausgeübt wird, während die Richtung der Bewegung der Kontaktplatte einen im Allgemeinen kreisförmigen Weg definiert, der außerhalb der Ebene der erzeugten Lorentz-Kraft liegt; in dieser Weise bringt die Lorentz-Kraft nichts an der Platte zur Wirkung, das entweder ihre Bewegung fördern oder hemmen würde. In einer spezielleren Form erstreckt sich die Richtung, die eine vorzeitige Trennung der Kontaktplatte von den mehreren Anschlüssen im Wesentlichen nicht fördert, im Wesentlichen entlang einer Achse, die durch die Drehbewegung des Tauchkolbens gebildet ist.
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Jede der obigen optionalen Konfigurationen hat ihre eigenen Vorteile. Die erste Ausführungsform ist insofern wirksam, als durch allgemeines Ausrichten des Stroms und des Feldes die Erzeugung der Lorentz-Kraft gehemmt wird. Durch Ausrichten eines Magnetfeldes auf eine Richtung des Stromflusses (oder entgegengesetzt zum Stromfluss) in einer Kontaktplatte, die zwischen Magneten angeordnet ist, die das Feld erzeugen, wird folglich die Tendenz der Lorentz-Kräfte, die Betätigung eines Solenoids oder anderer Schalteraktivierungsmechanismen während des normalen (d. h. ununterbrochenen) Stromflusses zu stören, ausgeschlossen, während gleichzeitig die Lorentz-Kraft bewahrt wird, die verwendet wird, um die Lichtbogenauslöschung während einer Relaisöffnungssequenz zu fördern (wobei der elektrische Strom in einer Richtung senkrecht zum Feld sowie zum Fluss des Stroms während eines Routinebetriebs mit geschlossener Schaltung fließt). Die zweite Ausführungsform weist, obwohl sie so orientiert ist, dass die Lorentz-Kraft belassen wird (durch die im Allgemeinen senkrechte Orientierung des Stromflusses und des Magnetfeldes), mehr Potential, dass sie effektiv in einer raumsparenden (d. h. quadratischen) Konfiguration. untergebracht wird, auf. An sich hängt die verwendete Konfiguration von den Bedürfnissen des Kraftfahrzeug- oder verwandten Systems, in dem die spezielle Konfiguration angeordnet wird, ab.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeugantriebssystem offenbart. Das System umfasst zahlreiche Batterien, eine Antriebskraft und eine Schaltanordnung, die dazu konfiguriert ist, eine selektive Zuführung eines elektrischen Stroms von den Batterien zur Antriebskraft zu ermöglichen. Die Schaltanordnung umfasst ein Solenoid im Wesentlichen wie vorstehend beschrieben.
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In einer optionalen Form sind die zahlreichen Batterien Lithiumionenbatterien. In einer anderen bevorzugten Form ist die Antriebskraft ein Elektromotor, der rotatorisch mit einem oder mehreren Fahrzeugrädern gekoppelt ist. Ein Getriebe kann zwischen dem Elektromotor und dem einen oder den mehreren Rädern als Möglichkeit, eine Menge an Drehkraft zu verändern, die durch den Elektromotor zum Rad oder zu den Rädern zugeführt wird, verwendet werden. Wie vorstehend erörtert, kann sich das durch die Magneten erzeugte Feld in einer Richtung, die zur Richtung des elektrischen Stroms im Allgemeinen parallel ist (in einer Form), oder in einer Richtung, die zur Richtung des elektrischen Stroms im Allgemeinen rechtwinklig ist (in einer anderen Form), erstrecken. In der ersten Konfiguration existiert die Erzeugung der Lorentz-Kraft an der Kontaktplatte im Wesentlichen nicht, während sie in der zweiten auf die Kontaktplatte in der Richtung wirkt, die eine vorzeitige Trennung der Kontaktplatte von den Anschlüssen im Wesentlichen nicht fördert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betätigen einer Schaltanordnung offenbart. Das Verfahren umfasst das Anordnen einer Kontaktplatte benachbart zu elektrisch leitfähigen Anschlüssen und das Betätigen eines Solenoids. Wenn das Solenoid erregt wird, drängt es die Kontaktplatte in Kontakt mit den Anschlüssen, um eine elektrische Schaltung zu vervollständigen. Wenn das Solenoid abgeschaltet wird, ermöglicht es ebenso, dass sich die Kontaktplatte von den mehreren Anschlüssen trennt, um die elektrische Schaltung zu öffnen (d. h. zu deaktivieren). Die Schaltanordnung umfasst auch zahlreiche Lichtbogenauslöschungsmagneten, die um einen Bereich angeordnet sind, der zumindest teilweise durch die Kontaktpunkte definiert ist. In dieser Weise arbeitet sie im Wesentlichen, wie in den vorher erörterten Aspekten der Erfindung beschrieben.
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In einer optionalen Form ist die Schaltanordnung als zumindest Teil eines Kraftfahrzeugrelais hergestellt. Die elektrische Schaltung bildet einen Abschnitt einer Leistungsschaltung, die zahlreiche elektrische Batterien und eine Verdrahtung umfassen kann, die dazu konfiguriert ist, elektrischen Strom von den elektrischen Batterien zu einer Antriebskraft durch das Relais zu befördern. Wie vorstehend erörtert, ist ein Beispiel einer solchen Antriebskraft ein Elektromotor, der mit einem oder mehreren Fahrzeugrädern rotatorisch gekoppelt ist. In einer bevorzugten Form sind die Batterien Lithiumionenbatterien. Wie vorstehend erörtert, kann das durch die mehreren Magneten erzeugte Feld so hergestellt werden, dass es sich in einer Richtung erstreckt, die zur Richtung des elektrischen Stroms, der durch die elektrische Schaltung fließt, im Allgemeinen parallel ist, so dass die Erzeugung der Lorentz-Kraft an der Kontaktplatte im Wesentlichen verhindert wird, oder in einer Richtung erstreckt, die zur Richtung des elektrischen Stroms, der durch die elektrische Schaltung fließt, im Allgemeinen rechtwinklig ist. In beiden Konfigurationen kann keine Wirkung einer Lorentz-Kraft eine vorzeitige Trennung der Kontaktplatte von den mehreren Anschlüssen fördern. In einer Form sind das Solenoid und die Kontaktplatte derart aneinander befestigt, dass die Bewegung einer Solenoidkomponente (wie z. B. eines Tauchkolbens, der sich in Ansprechen auf ein in der Spule des Solenoids aufgebautes Feld bewegt) die Kontaktplatte zu den Anschlüssen hin oder von diesen weg drängt, in Abhängigkeit davon, ob das Solenoid erregt oder abgeschaltet ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die folgende ausführliche Beschreibung von spezifischen Ausführungsformen kann am besten verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen gelesen wird, wo eine gleiche Struktur mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet ist und worin:
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1A eine perspektivische Ansicht eines typischen linear betätigten elektrischen Relais gemäß dem Stand der Technik zeigt;
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1B eine teilweise aufgeschnittene Ansicht des elektrischen Relais von 1A zeigt, wobei die lineare Konfiguration des Kontaktabschnitts hervorgehoben ist;
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2 eine Draufsicht eines repräsentativen Magnetfeldes zeigt, das durch das Relais von 1A und 1B erzeugt wird;
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3A zeigt, wie eine nach außen gerichtete Lorentz-Kraft, die durch die Beziehung zwischen dem elektrischen Strom und dem Magnetfeld erzeugt wird, verwendet werden kann, um einen Lichtbogen zu unterdrücken, der während einer Periode unmittelbar, nachdem die durch ein lineares Relais verbundene Schaltung unterbrochen wurde, gebildet wird;
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3B zeigt, wie eine Lorentz-Kraft, die durch die Beziehung zwischen dem elektrischen Strom und dem Magnetfeld während des normalen Schaltungsbetriebs erzeugt wird, eine nach unten gerichtete Komponente aufweist, die auf die Kontaktplatte eines linearen Relais einwirken kann;
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4A bis 4E die Bildung und das Wachstum eines Lichtbogens zeigen;
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5A eine perspektivische Ansicht eines Kontaktabschnitts eines elektrischen Drehrelais gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
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5B ein elektrisches Drehrelais zeigt, das den Kontaktelementabschnitt von 5A beinhaltet;
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6 repräsentative Drehsolenoide, die einen Drehtauchkolben beinhalten, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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7 zeigt, wie eine Lorentz-Kraft durch die Konfiguration von 5A und 5B minimiert wird.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Wie vorstehend erörtert, kann ein Lichtbogenüberschlag beim Öffnen eines Kontaktelementabschnitts einer linearen Schaltanordnung (wie z. B. eines Relais) eine schädliche Auswirkung auf die Anordnung und benachbarte Komponenten haben. In Abhängigkeit von der Konfiguration der Schaltanordnung sowie von der Spannung und vom Strom, der durch die Schaltung fließt, tritt ein solcher Lichtbogenüberschlag sehr schlagartig häufig in der Größenordnung von einigen hundert Mikrosekunden auf. Methoden des Standes der Technik haben ebenso das Anordnen von Magneten benachbart zu einem Kontaktelementabschnitt beinhaltet, der die Kontaktplatten und Anschlüsse umfasst, die verwendet werden, um ein Hochspannungskontaktelement herzustellen. Mit Bezug zuerst auf 1A und 1B ist ein herkömmliches Relais 10 (das auch in Form einer Sicherung, eines Ausschalters oder verwandten Schalters vorliegen kann) mit Lichtbogenauslöschungsmagneten 36, 38 (nachstehend genauer erörtert) ausgestattet. Das Relais 10 umfasst einen Solenoidabschnitt 20 und einen Kontaktelementabschnitt 30. Der Solenoidabschnitt 20 umfasst eine oder mehrere Spulen 22, die, wenn sie erregt werden, einen Magnetfluss erzeugen, der longitudinal einen eingeschlossenen Kern, eine Welle oder einen Tauchkolben 24 bewegt, der innerhalb der Spule 22 angeordnet ist. Die Spule 22 und der Tauchkolben 24 sind innerhalb eines magnetisierbaren Jochs oder Feldes 26 eingeschlossen, das zum Verstärken des Magnetflusses wirkt. Der Kontaktelementabschnitt 30 ist an der Oberseite gezeigt und umfasst im Allgemeinen ein Paar von Anschlüssen 32 und eine Bewegungskontaktplatte 34, die mit der Oberseite des Tauchkolbens 24 verbunden ist. Die Kontaktplatte 34 befestigt und löst sich selektiv an/von den Anschlüssen 32 in Abhängigkeit davon, ob der Solenoidabschnitt 20 erregt oder abgeschaltet ist. Wenn die Spule 22 erregt wird, schiebt folglich der Tauchkolben 24 nach oben und erzwingt den Kontakt zwischen der Kontaktplatte 34 und den Anschlüssen 32, was ermöglicht, dass ein elektrischer Strom von einem Anschluss zum anderen fließt. Wenn die Spule 22 nicht erregt ist, wird ebenso der Tauchkolben unter einem Federvorbelastungsmittel wieder in die Spule 22 zurückgezogen, so dass sich der Hochspannungskontaktelementabschnitt 30 in einem offenen Zustand befindet.
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Mit Bezug als nächstes auf 4A bis 4E sind die Mechanismen hinter der Lichtbogenüberschlagbildung der Reihe nach gezeigt. In 4A beginnt der Lichtbogenüberschlag an dem Spalt, der gebildet wird, wenn sich die Anschlüsse 32 von der Kontaktplatte 34 weg ziehen. 4B zeigt, dass sich der Lichtbogen unter dem Einfluss des Magnetfeldes, das durch die Magneten 36 und 38 erzeugt wird, nach außen verschiebt. 4C zeigt, dass sich der Lichtbogen ausdehnt, sobald die Lichtbogenüberschlagspannung erhöht wird. 4D zeigt den Effekt der Umgebungsatmosphäre auf den Lichtbogen, da die Kühlwirkung der Atmosphäre verursacht, dass die Spannung weiter zunimmt. Schließlich zeigt 4E, dass, wenn die Lichtbogenüberschlagspannung gleich oder größer als die Spannung zwischen den Kontakten ist, der Lichtbogen ausgelöscht wird.
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Durch die Konstruktion des Relais 10 von 1A und 1B ist die Richtung des elektrischen Stromflusses durch die Kontaktplatte 34 derart orientiert, dass er entlang einer Richtung arbeitet, die zu jener des Magnetfeldes senkrecht ist, das sich zwischen den Nord- und Südpolen von jedem der Magneten 36 und 38 erstreckt. In dieser Weise und unter Beachtung, dass die erzeugte Kraft F → im Allgemeinen mit der Wechselwirkung des Magnetfeldes B → und des Stroms I → durch die Vektorgröße F → = I → × B → in Beziehung steht, ist die resultierende Lorentz-Kraft entlang einer Richtung orientiert, die im Wesentlichen zur Ebene der Zusammenwirkung zwischen dem Strom I → und dem Magnetfeld B → senkrecht ist. Diese senkrechte Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld, das durch die Magneten 36 und 38 gebildet wird, und dem Stromfluss durch die Anschlüsse 32 (gegenwärtig als ganz rechter Anschluss 32A und ganz linker Anschluss 32B gezeigt) erzeugt zwei verschiedene verliehene Kräfte in Abhängigkeit von der Richtung des Stromflusses I →.
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Mit Bezug als nächstes auf 2 und 3A sind, um den in 4A bis 4E gezeigten Lichtbogenüberschlag zu korrigieren, der auftritt, wenn sich die Hochspannungs-Solenoidkontakte öffnen, die Magneten 36, 38 benachbart zu einem Kontaktabschnitt angeordnet, der die Kontaktplatten und Anschlüsse umfasst, die verwendet werden, um ein Hochspannungskontaktelement herzustellen. Das Paar von Magneten 36 und 38 ist rittlings über den Anschlüssen 32 derart angeordnet, dass ein Magnetfeld 40 den Kontaktabschnitt 30 einhüllt. Ein Rahmen 39 wird verwendet, um die Magneten 36 und 38 sicher am Joch 26 anzubringen, zusätzlich dazu, dass er hilft, einen Bereich um die Anschlüsse 32 und die Kontaktplatte 34 zu definieren, in dem das Magnetfeld am ausgeprägtesten ist. In der in den Figuren dargestellten Version entspricht der Magnet 36 einem Nordpol, während der Magnet 38 einem Südpol entspricht, so dass eine bipolare N-S-Beziehung zwischen ihnen existiert, obwohl für den Fachmann auf dem Gebiet erkennbar ist, dass eine entgegengesetzte Polarität hergestellt werden könnte. Das Paar von Magneten 36 und 38 ist über die ganze Länge des Kontaktbereichs angeordnet gezeigt, der zwischen der Kontaktplatte 34 und den Anschlüssen 32 gebildet ist, und sie erstrecken sich tatsächlich seitlich darüber hinaus, um eine angemessene Magnetfeldgröße zu fördern.
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Wie vorstehend erörtert (und insbesondere mit Bezug auf 3A) erzwingt das durch die Magneten 36 und 38 erzeugte Magnetfeld 40, dass ein Lichtbogen, der bei der Trennung der Anschlüsse 32 und der Kontaktplatte 34 erzeugt wird, sich in Richtung der Außenseite der Oberfläche des Kontaktbereichs ausdehnt. Eine solche Ausdehnung verursacht vorteilhafterweise eine schnelle Energieableitung und führt dazu, dass der Lichtbogen folglich schnell ausgelöscht wird. Diese senkrechte Wechselwirkung zwischen dem durch die Magneten 36 und 38 gebildeten Magnetfeld und dem Stromfluss durch die Anschlüsse 32 erzeugt die nach außen gerichtete Kraft, die gewöhnlich die Lichtbogenüberschlagdauer verkürzt, und ist ein im Allgemeinen erwünschtes Nebenprodukt der Wechselwirkung des elektrischen Stroms, der durch die Anschlüsse fließt, und des Magnetfeldes, das zwischen den zusätzlichen Magneten verläuft. Da der restliche Strom I → nach unten im ganz rechten Anschluss 32A und nach oben im ganz linken Anschluss 32B fließt, erzeugt die Wechselwirkung mit dem Magnetfeld B eine Kraft nach rechts vom ganz rechten Anschluss 32A und eine Kraft nach links vom ganz linken Anschluss 32B, wodurch (in beiden Fällen) der Lichtbogen (nicht dargestellt) nach außen geschoben wird, so dass sich seine Energie schneller zerstreuen kann. An sich verkürzt diese Kraft gewöhnlich die Lichtbogenüberschlagdauer und ist (wie vorstehend erwähnt) ein im Allgemeinen erwünschtes Nebenprodukt der Wechselwirkung des elektrischen Stroms, der durch die Anschlüsse fließt, und des Magnetfeldes, das zwischen den Magneten verläuft.
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Obwohl sie beim Auslöschen irgendwelcher Lichtbögen, die sich bei der Kontaktöffnung bilden können, hilfreich sind, erzeugen die Magneten 36 und 38 auch eine Lorentz-Kraft an der sich linear hin und her bewegenden Kontaktplatte 34. Dies ist in 3B gezeigt. Unter bestimmten Betriebsbedingungen (insbesondere jenen, die Hochleistungsquellen zugeordnet sind, wie z. B. jenen, die verwendet werden, um ein Kraftfahrzeug oder verwandtes Fahrzeug anzutreiben), kann ein höherer als erwarteter Strom angetroffen werden, was verursacht, dass die Lorentz-Kraft groß genug wird, um die Platte 34 nach unten zu bewegen, wodurch der Kontakt zwischen ihr und den Anschlüssen 32 geöffnet wird. In der in 3B gezeigten Situation (die mit einer Periode von normalem Schaltungsbetrieb bis zu und einschließlich der Periode, direkt bevor die Schaltung geöffnet wird, übereinstimmen kann), ist die Lorentz-Kraft F → gezeigt, die auf die Kontaktplatte 34 wirkt, an der der Strom I → in der Richtung von rechts nach links fließt, und das Magnetfeld B → ist wie vorher. Die resultierende Kraft F → liegt in der Abwärtsrichtung, was unerwünscht auf die Kontaktplatte 34 wirken könnte, indem sie zum vorzeitigen Öffnen gedrängt wird. Es ist diese Situation, von der die vorliegenden Erfindung bestimmt haben, dass sie vermieden werden sollte, zumindest für Umstände, unter denen eine lineare Kopplung zwischen den Anschlüssen und der Kontaktplatte besteht.
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Die vorliegenden Erfinder haben festgestellt, dass eine Konfiguration, bei der eine lineare Kopplung zwischen den Anschlüssen und der Kontaktplatte besteht, vermieden werden sollte. Mit Bezug als nächstes auf 5A und 5B verwendet die vorliegende Erfindung einen Drehkontaktabschnitt 130, der eine schnelle Lichtbogenauslöschung ermöglicht, während gleichzeitig die Lorentz-Kraft verringert wird. Das Relais 100 umfasst einen Kontaktabschnitt 130, der das Hochspannungskontaktelement aufnimmt, das aus Anschlüssen 132 (einzeln mit 132A und 132B in einer Weise im Allgemeinen ähnlich zu jener von 1A, 1B, 3A und 3B bezeichnet) und einer Kontaktplatte 134 besteht, so dass ein frei rotierender (d. h. sich drehender) Tauchkolben 124 mit einer Kontaktplatte 134 zusammenwirkt, um eine selektive elektrische Verbindung zwischen den zwei Anschlüssen 132 herzustellen. An sich wirkt der Tauchkolben 124 wie eine Kappe, die auf der Welle des Solenoidabschnitts 120 sitzt, so dass er sich frei drehen kann, und verbindet an sich nicht starr mit der Welle, die auf den Strom anspricht, der durch die Spulen 122 fließt. Im Gegensatz zu der in 2A gezeigten Vorrichtung wird der Tauchkolben 124 nicht verwendet, um den selektiven Kontakt zwischen den einzelnen Anschlüssen 132A und 132B herzustellen. Stattdessen stellt der Ansatz 124A (der mit dem Solenoidabschnitt 120 verbunden ist) einen intermittierenden Kontakt mit der Kontaktplatte 134 her. Wenn der Solenoidabschnitt 120 erregt wird, dreht er den Ansatz 124A im Uhrzeigersinn, der wiederum die Kontaktplatte 134 berührt und im Uhrzeigersinn dreht. Wenn der Solenoidabschnitt 120 abgeschaltet wird, dreht sich der Ansatz 124A gegen den Uhrzeigersinn, dann wird eine Feder (nicht dargestellt, könnte jedoch beispielsweise ein Drehfedertyp sein) verwendet, um die Kontaktplatte 134 zurück oder gegen den Uhrzeigersinn zu schieben.
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Mit speziellem Bezug auf 5B sind die zusätzlichen Magneten 136 und 138 auf gegenüberliegenden Seiten des Jochs (oder Feldes) 126 angeordnet, so dass die Anschlüsse 132, die Kontaktplatte 134 und die oberste Ausdehnung des Tauchkolbens 124 sich innerhalb des Feldes befinden, das durch die Nord-Süd-Pole der Magneten 136 und 138 erzeugt wird. Im Gegensatz zur linearen Variante, die vorstehend gezeigt und beschrieben wurde, wird der Tauchkolben 124 gedreht, um die elektrisch kontinuierliche Verbindung zwischen den zwei Anschlüssen 132 herzustellen. In dieser Konfiguration ist die Kontaktplatte 134 in einer im Allgemeinen horizontalen (anstatt vertikalen) Orientierung gewandt. Im Gegensatz zu einer linearen Variante sind auch die zusätzlichen Magneten 136 und 138 derart angeordnet, dass ein Magnetfeld, das zwischen ihnen gebildet wird, im Wesentlichen auf die Richtung des Stroms durch die Kontaktplatte 134 während des normalen Betriebs mit geschlossener Schaltung ausgerichtet ist. Wie bei den linearen Varianten wird der elektrische Kontakt für eine solche Zeit aufrechterhalten, wie der Solenoidabschnitt 120 erregt bleibt.
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6 zeigt, dass ein Solenoidabschnitt 120, der mit einer Drehkontaktkonstruktion hergestellt ist, in verschiedenen Formen und Größen in Abhängigkeit von der Anwendung hergestellt werden kann. In einer solchen Konfiguration umfasst der Solenoidabschnitt 120 mindestens eine Spule und einen Tauchkolben, der drehbar auf einen elektrischen Strom anspricht, der durch die Spule fließt, so dass die Betätigung des Drehsolenoidabschnitts 120 derart ist, dass die Betätigung des Tauchkolbens 124 ihn vielmehr dreht als verlagert. Durch Koppeln der Kontaktplatte 134 mit dem Tauchkolben 124 bewegt sie sich an sich auch mit einer allgemeinen Drehbewegung. Da die zwei Anschlüsse 132 innerhalb eines Weges liegen, der durch den Bogen der Drehung der Kontaktplatte 134 definiert ist, stellen die im Allgemeinen entgegengesetzten Enden der Kontaktplatte 134 einen Kontakt mit jeweiligen der zwei Anschlüsse 132 her. Dies vervollständigt wiederum (d. h. schließt) die elektrische Schaltung, was ermöglicht, dass der Strom fließt. 7 zeigt, dass durch Bewirken, dass der Stromfluss durch die zwei Anschlüsse 132 und die Kontaktplatte 134 in einer Richtung parallel zu jener des Nord-Süd-Magnetfeldes zwischen den Magneten 136 und 138 stattfindet, die während des normalen Betriebs mit geschlossener Schaltung erzeugte Lorentz-Kraft insofern im Wesentlichen beseitigt ist, als maximale Lorentz-Kräfte erzeugt werden, wenn das Magnetfeld und der elektrische Strom zueinander senkrecht sind. An sich führt diese gegenwärtig gezeigte parallele Ausrichtung zu einer geringen oder keiner Kopplung und daher einer geringen oder keiner Lorentz-Kraft-Erzeugung. Zusätzlich dazu, dass den Konstrukteuren die Freiheit gegeben wird, die Magneten in zwei verschiedenen Weisen zu positionieren, ohne die Lorentz-Kraft den normalen Betrieb stören zu lassen, ermöglicht die vorliegende Drehkonstruktion eine schnelle Öffnungs- und Schließbetätigung der Kontaktplatte sowie eine effiziente Lichtbogenunterbrechung.
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Obwohl bestimmte repräsentative Ausführungsformen und Details für die Zwecke der Erläuterung der Erfindung gezeigt wurden, ist für den Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.
