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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft allgemein ein elektrisches Schaltelement und insbesondere ein elektrisches Schaltelement mit einem Kontaktbalken, der eine Dreh-Hub-Bewegung ausführt.
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Stand der Technik
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Das Schalten von hohen Strömen und/oder hohen Spannungen stellt seit jeher eine Herausforderung bei elektrischen Systemen dar. Das gilt in zunehmendem Maße auf für mobile Einheiten für elektrisch betriebene Fahrzeuge. Zum einen steigen die genutzten Spannungen immer weiter an und zum anderen steigen auch die zu schaltenden Ströme insbesondere bei Fahrzeugen, die rein elektrisch oder auch im Hybridbetrieb betrieben werden. Zwar werden eine Reihe von Schaltvorgängen rein elektronisch gesteuert, dennoch besteht auch weiterhin eine Notwendigkeit eines elektromechanischen Schaltens von hohen Strömen und/oder vergleichsweise hohen Spannungen im Automobilbau der Zukunft. Beispielsweise können Fail-Safe-Schaltungen besser und zuverlässiger elektromechanisch realisiert werden anstatt sie rein elektronisch zu gestalten. Bekannte Schütze haben bezüglich der Kontakte sehr häufig Probleme mit Kontaktbrand, der dann entsteht, wenn geschaltete Kontakte unter Stromfluss geöffnet werden oder unter anliegender Spannung geschlossen werden. Kurz nach dem Öffnen der geschalteten Kontakte bzw. kurz vor dem Schließen der geschalteten Kontakte können Funken vom einen Schaltkontakt zum anderen Schaltkontakt entstehen. Dadurch werden die Kontaktoberflächen trotz vorgesehener Schutzmaßnahmen im Laufe der Zeit beschädigt, sodass die Zuverlässigkeit des Schützes beeinträchtigt wird. Beispielsweise können sich hohe Übergangswiderstände zwischen den geschalteten Kontakten bilden, sodass ein sicheres Schalten nicht mehr garantiert ist. Oder es bilden sich Hügel und/oder Krater auf bzw. in den Schaltkontakten, sodass die Kontaktauflageflächen über die Zeit gesehen immer kleiner werden, sodass die zu verarbeitende Stromdichte durch die verbleibenden Kontaktflächen immer größer wird. Beide als Beispiele genannte Phänomene sind einer lange Lebensdauer der Schaltkontakte nicht zuträglich.
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Es liegt der vorliegenden Erfindung also die Aufgaben zugrunde, ein Schalten von vergleichsweise hohen Strömen und/oder Spannungen ohne die bekannten Nachteile von traditionellen Schützen vorzustellen. Die vorgestellte Schaltvorrichtung soll insbesondere das Problem des Verschleißes von Kontakten durch Kontaktbrand reduzieren oder verhindern.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Die oben genannte Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruches gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Figuren.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektrisches Schaltelement vorgestellt. Das elektrische Schaltelement weist einen durch eine Führung drehbar und verschiebbar gelagerten Kontaktbalken auf, der in der Funktion vergleichbar einem Schützanker ist. Eine Verschiebung des Kontaktbalkens und eine Drehung des Kontaktbalkens bedingen sich gegenseitig, wodurch eine Dreh-Hub-Bewegung erzeugt wird. Eine Drehachse des Kontaktbalkens verläuft im Wesentlichen senkrecht zu eine horizontalen Ausdehnung des Kontaktbalkens.
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Das elektrische Schaltelement weist weiterhin einen ersten Schaltkontakt und einen zweiten Schaltkontakt auf. Die genannte Dreh-Hub-Bewegung des Kontaktbalkens schaltet einen Stromfluss von dem ersten Schaltkontakt zu dem zweiten Schaltkontakt.
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Insbesondere können bei einer Ausführungsform des elektrischen Schaltelementes auch zwei oder noch mehr Kontaktbalken zum Schalten von mehr als einem Stromkreis vorgesehen sein. Die Kontaktbalken können fest miteinander verbunden sein, sodass eine gemeinsame Dreh-Hub-Bewegung ausgeführt wird. Auf diese Weise lassen sich auch Wechselschalter realisieren.
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Es sei darauf hingewiesen, dass der Kontaktbalken typischerweise elektrisch leitend ist.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Folgende Begriffe und Ausdrücke werden in diesem Dokument genutzt:
Der Begriff „Kontaktbalken“ beschreibt ein elektrisch leitendes bewegliches Element, das eine elektrische Verbindung zwischen einem ersten stationären Schaltkontakt und einem zweiten stationären Schaltkontakt herstellt bzw. trennt.
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Der Begriff „Dreh-Hub-Bewegung“ oder auch „Hub-Dreh-Bewegung“ ist eine Bewegung, in der in einer ersten Phase der Hubanteil überwiegt und in einer zweiten Phase der Drehanteil überwiegt. In einer dritten Phase kann der Hubanteil wieder dominieren. Das könnte von Vorteil für ein Abbremsen des Kontaktbalkens sein und potentiell einen positiven Einfluss auf die Lebensdauer des Schütz haben.
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Das hier vorgestellte elektrische Schaltelement weist eine Reihe von Vorteilen auf:
Durch die Dreh-Hub-Bewegung werden die betreffenden Kontakte geschont, Abrieb wir vermieden und die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des elektrischen Schaltelementes kann sich erhöhen. Dadurch kann der Abstand zwischen Wartungsintervallen vergrößert werden. Die vorgeschlagene Schützform lässt auch eine kompakte Bauform zu. Gerade im Automobilbau sind die Anforderungen an Volumen und Gewicht von Komponenten besonders hoch. Die vorgeschlagene Lösung ist auch unabhängig von der Lage im Raum einsetzbar. Durch die Dreh-Hub-bewegung lassen sich auch leicht zusätzliche Präventionsmaßnahmen zum Funkenlöschen hinzufügen, wie Löschmagnete oder auch eine Löschschnecke.
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Eine Löschschnecke ist bekannt als eine mechanische, isolierende, schneckenartige Konstruktion, in die der äußere Teil des Kontaktbalkens beim Öffnen der Kontakte des Schütz einfahren kann, sodass das Material des Schneckenganges eine zusätzliche Barriere zwischen dem oder den Schaltkontakten und dem oder den Endabschnitten bzw. Kontaktflächen des Kontaktbalkens darstellt.
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Nachfolgend werden weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Gegenstände beschrieben.
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Gemäß einer Ausführungsform des elektrischen Schaltelementes weist das elektrische Schaltelement einen Führungsbolzen auf, der in der Führung drehbar und verschiebbar gelagert ist und die Dreh-Hub-Bewegung des Kontaktbalkens erwirkt. Vorteilhafterweise sind der Führungsbolzen und der Kontaktbalken fest miteinander gekoppelt, sodass die Dreh-Hub-Bewegung durch ein und denselben Mechanismus erzwungen wird. Dabei liegt der Kontaktbalken im Wesentlichen senkrecht auf dem Führungsbolzen auf.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des elektrischen Schaltelementes weist der Führungsbolzen ein Führungselement in seiner Oberfläche auf, wobei die Führung eine entsprechende Führungsnut aufweist, wodurch die Dreh-Hub-Bewegung der Kombination aus Führungsbolzen und Kontaktbalken erzwungen wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des elektrischen Schaltelementes kann das Führungselement des Führungsbolzens z.B. eine Kugel oder ein Stift sein, die bzw. der aus einer Oberfläche des Führungsbolzens herausragt und somit in die Führungsnut zur Erzwingung der Dreh-Hub-Bewegung eingreift.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform des elektrischen Schaltelementes weist die Führung ein Führungselement in seiner Oberfläche auf und der Führungsbolzen weist eine entsprechende Nut auf, wodurch in alternativer Weise die Dreh-Hub-Bewegung des Führungsbolzens bzw. gleichzeitig des Kontaktbalkens erzwungen wird. Entsprechend dieser Konstruktionsvariante kann das Führungselement der Führung z.B. eine Kugel oder ein Stift sein, die bzw. der aus einer inneren Oberfläche der Führung herausragt.
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Zusätzlich ist auch eine alternative Ausführungsform möglich, bei dem die Dreh-Hub-Bewegung des Kontaktbalkens durch eine direkte Führung des Kontaktbalkens erzwungen wird, ohne dass ein Führungsbolzen erforderlich wäre.
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Gemäß einer Ausführungsform des elektrischen Schaltelementes, sind der erste und der zweite Schaltkontakt jeweils stationär angeordnet und durch Endabschnitte des elektrisch leitenden Kontaktbalkens in geschlossenem Zustand des elektrischen Schaltelementes elektrisch miteinander verbunden sind, wobei die Endabschnitte des Kontaktbalkens auf den stationären Schaltkontakten flächig aufliegen. Die Schaltkontakte können in Drehrichtung des Kontaktbalkens entsprechend einer Neigung der Endabschnitte des Kontaktbalkens geneigt sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des elektrischen Schaltelementes ist ein Verhältnis der Drehung zur Verschiebung der Hub-Dreh-Bewegung in verschiedenen Abschnitten des Verschiebungsweges unterschiedlich. Zwischen beiden Abschnitten kann es einen homogenen Übergang geben. Die Abschnitte können insbesondere so gestaltet sein, dass die Dreh-Hub-Bewegung des Kontaktbalkens derart erzwungen wird, dass zunächst der Hubanteil der Bewegung überwiegt, sodass die Endabschnitte des Kontaktbalkens zunächst von den Schaltkontakten abheben und im weiteren Verlauf der Dreh-Hub-Bewegung die Drehbewegung überwiegt. Damit wird einerseits eine schnelle Trennung der elektrischen Kontakte zwischen dem Kontaktbalken und den Schaltkontakten und andererseits – im zweiten Abschnitt – eine schnelle Entfernung der Endabschnitte des Kontaktbalkens von den Schaltkontakten erreicht.
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Die Steigung der Führungsnut muss also nicht konstant sein sondern kann in ihrem Verlauf variieren. Dabei ist die Veränderung der Steigung vorteilhafterweise nicht auf mehrere Umdrehungen verteilt sondern wirkt bereits innerhalb einer Drehung des Kontaktbalkens – bzw. des Führungsbolzens – um z.B. 90°. Allerdings ist auch eine Verteilung der unterschiedlichen Abschnitte auf Drehungen von mehr oder weniger als 90° – insbesondere auch deutlich weniger als 90° – möglich. Dabei sollte eine schnelle überwiegend senkrechte Entfernung der Endabschnitte des Kontaktbalkens von den Schaltkontakten und eine schnelle überwiegende Drehbewegung im weiteren Verlauf der Bewegung des Kontaktbalkens im Vordergrund stehen.
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Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform des elektrischen Schaltelementes ist das Führungselement für eine Bewegung in der Führungsnut selbstschmierend gelagert, um eine lange Lebensdauer des elektrischen Schaltelementes zu gewährleisten. Das gilt insbesondere dann, wenn eine Wartung der Führungsnut und des Führungselementes bzw. des Führungsbolzens aufgrund einer kompakten Bauform oder eine Kapselung des elektrischen Schaltelementes nicht oder nur schwer möglich ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des elektrischen Schaltelementes kann die Aktuierung des Führungsbolzens z.B. magnetisch, elektromagnetisch, elektrisch (z.B. durch Bimetall), hydraulisch, pneumatisch, motorisch, kapazitiv – z.B. bei einem mikromechanischen System – manuell und/oder mechanisch-federnd erfolgen. Bei einer mechanisch-federnden Aktuierung, die z.B. durch eine vorgespannte Feder erfolgen kann, ist eine Endlagendämpfung des Führungsbolzens vorteilhaft.
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Gemäß einer ergänzenden Ausführungsform des elektrischen Schaltelementes erfolgt die Aktuierung des Führungsbolzens über einen Hebel oder eine Wippe. Dabei kann der Hebel auch ehrgelenkig sein. Der Hebel bzw. die Wippe hat dabei den Vorteil, dass mit einer relativ kleinen Kraft, die zur Aktuierung aufgewendet werden muss, eine große Wirkung – d.h. Bewegung des Führungsbolzens – erreicht werden kann.
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Bei einer möglichen Ausführungsform des elektrischen Schaltelementes können die Endabschnitte des Kontaktbalkens jeweils einen Opferkontaktbereich aufweisen. Diese sollen verhindern, dass im Falle von hohen Strömen oder Spannungen, die Kontaktflächen – d.h., die direkten kontaktherstellenden Endabschnitte des Kontaktbalkens – durch eine Funkenbildung bei einem Öffnen des Stromkreises beschädigt werden. Entsprechende Opferkontaktbereiche können auch für die Schaltkontakte vorgesehen sein. Eine weitere Möglichkeit einer Vermeidung von Funkenbildung wäre eine Gasfüllung des gekapselten Schaltelementes, wobei ein „nicht-ionisierendes“ Gas als Füllung verwendet wird. Alternativ kann auch ein Vakuum oder Teilvakuum genutzt werden.
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Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des elektrischen Schaltelementes, wird der Kontaktbalken mit mindestens einem seiner Endabschnitte beim Übergang vom geschlossenen in den offenen Zustand des elektrischen Schaltelementes in eine elektrisch isolierende Funkenlöschschnecke eingefahren, um eine Funkenbildung zwischen dem ersten Schaltkontakt und dem Kontaktbalken und/oder zwischen dem zweiten Schaltkontakt und dem Kontaktbalken zu vermindern oder verhindern (bzw. zu löschen). Auch dieses kann sich vorteilhaft auf die Lebensdauer der Kontaktflächen auswirken.
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Sollte es dennoch zu einem Verkleben der Kontaktflächen – also eines Endabschnittes des Kontaktbalkens mit einem zugehörigen Schaltkontakt – kommen, so kann in einer weiteren Ausführungsform eine Sollbruchstelle zwischen z.B. einem Kernelement des Kontaktbalkens und einem Endabschnitt des Kontaktbalkens vorgehen sein, um eine garantierte Öffnung des Stromkreises durch die Dreh-Hub-Bewegung des Kontaktbalkens zu erreichen.
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Gemäß einer möglichen Ausführungsform des elektrischen Schaltelementes weist der Kontaktbalken mit Ausnahme der Endabschnitte eine elektrisch isolierende Beschichtung auf. Auch dadurch kann eine Funkenbildung zwischen einem Schaltkontakt und Teilen des Kontaktbalkens verhindert werden. Die Isolierung kann auch auf die gesamte Oberfläche des Führungsbalkens ausgedehnt sein. Außerdem ist es möglich, den Führungsbolzen komplett aus isolierendem Material (z.B. Keramik) herzustellen.
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Gemäß einer erlaubten Ausführungsform des elektrischen Schaltelementes befindet sich jeweils ein Löschmagnet im Bereich des ersten Schaltkontaktes und/oder des zweiten Schaltkontaktes, um auch dadurch eine Funkenbildung zu verhindern bzw. diese zu „löschen“. Durch die Dreh-Hub-Bewegung des Kontaktbalkens ist eine elegante Positionierung der jeweiligen Löschmagnete möglich.
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Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform des elektrischen Schaltelementes weist dieses eine Endlagendämpfung für Endlagen der Dreh-Hub-Bewegung des Kontaktbalkens auf. Die Endlagendämpfung kann entsprechend alternativ auch für den Führungsbolzen oder ein mit ihm mechanisch verbundenes Element (z.B. Hebel, Wippe) vorgesehen sein. Das hat den Vorteil einer mechanischen und somit auch elektrischen Schonung (d.h. verminderte oder verhinderte Funkenbildung durch z.B. erhöhte Schließ- und Trenngeschwindigkeit) der Endabschnitte des Kontaktbalkens zur Folge, was sich wiederum positiv auf die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des elektrischen Schaltelementes auswirkt.
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In einer Ausführungsform des elektrischen Schaltelementes weist das elektrische Schaltelement eine Schaltzustandserkennung auf. Damit kann der Schaltzustand des elektrischen Schaltelementes ohne eine Strommessung im Laststromkreis erfolgen. Dies könnte im Falle eines Bruches einer Sollbruchstelle des Kontaktbalkens vorteilhaft sein. Außerdem wäre ein zusätzlicher Aufwand (z.B. Spannungsmessung im Laststromkreis, welcher durch den Kontaktbalken geschlossen wird) im Primärschaltkreis nicht erforderlich. Die Schaltzustandserkennung kann elektrisch (z.B. Mikroschalter), elektromagnetisch (z.B. Reed-Relais), optisch (z.B. Lichtschranke), einfach mechanisch, etc. erfolgen.
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Gemäß einer ergänzenden Ausführungsform des elektrischen Schaltelementes weist jeweils ein Endabschnitt des Kontaktbalkens und ein zugehöriger Schaltkontakt einander entsprechende Oberflächenstrukturen auf. Denkbar sind beispielsweise gezackte oder wellenförmige Oberflächen. Dadurch dass die Trennung der Schaltkontakte vom Kontaktbalken durch eine Dreh-Hub-Bewegung erfolgt, bei der im ersten Abschnitt der Dreh-Hub-Bewegung die Hubbewegung überwiegt, lässt sich ein präzises Auflegen der Endabschnitte des Kontaktbalkens auf die jeweiligen Schaltkontakte erreichen. Die Strukturierung der Oberflächen vergrößert die wirksame Kontaktoberfläche, wodurch der Übergangswiderstand verringert wird.
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Die Strukturierung der einander entsprechenden Oberflächen kann auch durch ein Auseinanderreißen eines Basismaterials gefertigt werden. Dabei wird dann die eine Hälfte des auseinandergerissenen Basismaterials als ein Endabschnitt des Kontaktbalkens genutzt und die entsprechende zweite Hälfte würde eine Oberfläche eines zugehörigen Schaltkontaktes bilden. Dies hätte den Vorteil, dass mechanisch exakt entsprechende Oberflächenstrukturen mit einer optimal großen Oberfläche gebildet werden. Eine ebenso formgerechte Entsprechung ließe sich durch ein aktives Gestalten der Kontaktoberflächen nur schwer erreichen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere können einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben sein. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ eines Erfindungsgegenstandes gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Kategorien von Erfindungsgegenständen gehören.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnungen dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch, beispielhaft und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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1 zeigt eine Schnittzeichnung durch eine Ausführungsform des vorgestellten elektrischen Schaltelementes.
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1a stellt einige alternative Querschnittsformen des Kontaktbalkens dar.
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2a, 2b, 2c und 2d stellen verschiedene Ansichten des Kontaktbalkens mit zugehörigen Schaltkontakten dar.
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3a, 3b und 3c stellen verschiedene Ansichten von Opferkontaktbereichen in unterschiedlichen Stellungen des Kontaktbalkens dar.
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4 stellt eine weitere Ausführungsform des elektrischen Schaltelementes mit einer elektromagnetischen Aktuierung dar.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Es wird darauf hingewiesen, dass Merkmale bzw. Komponenten von unterschiedlichen Ausführungsformen, die mit den entsprechenden Merkmalen bzw. Komponenten der Ausführungsform nach gleich oder zumindest funktionsgleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen werden bereits anhand einer vorher beschriebenen Ausführungsform erläuterte Merkmale bzw. Komponenten an späterer Stelle nicht mehr im Detail erläutert.
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Ferner wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, sodass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
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1 zeigt eine Schnittzeichnung durch eine Ausführungsform des vorgestellten elektrischen Schaltelementes 100, welches eine Führung 102, zum Beispiel in Form einer Führungsschnecke, aufweist. Oberhalb der Führung 102 ist der Kontaktbalken 104 erkennbar. Er ist drehbar und verschiebbar gelagert und von der Funktion her mit einem Schützanker eines konventionellen elektromechanischen Schützes vergleichbar. Die gestrichelte Linie 106 stellt eine Rotationsachse des Kontaktbalkens 104 dar. Der Kontaktbalken 104 ist mit einem Führungsbolzen 114 verbunden. Wenn der Führungsbolzen 114 durch eine Kraft 122 bzw. Aktivierungskraft 122, die durch einen gestrichelten Pfeil dargestellt ist, nach oben verschoben wird, bedingt diese laterale Verschiebung des Kontaktbalkens 104 auch gleichzeitig eine Drehung des Kontaktbalkens 104 um die Drehachse 106. Die Verschiebung und die Drehung des Führungsbolzens 114 und damit des Kontaktbalkens 104 bedingen sich also gegenseitig, so dass automatisch eine Dreh-Hub-Bewegung der Führungsbolzen-Kontaktbalken-Kombination ausgeführt wird.
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Dabei liegt die Drehachse 106 des Kontaktbalkens 104 im Wesentlichen senkrecht zu einer horizontalen Ausdehnung 108 des Kontaktbalkens 104.
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Jeweils ein Endabschnitt 120 – linker Endabschnitt und rechter Endabschnitt – des Kontaktbalkens 104 liegen auf einem ersten Schaltkontakt 110 und einen zweiten Schaltkontakt 112 auf. Dies gilt für die dargestellte Position des Kontaktbalkens 104, bei der sich der Führungsbolzen 114 in seiner eingefahrenen Stellung in der Führung 102 befindet. Wenn der Führungsbolzen 114 nach oben bewegt wird, werden die Endabschnitte 120 des Kontaktbalkens 104 von den Schaltkontakten 110, 112 durch die Dreh-Hub-Bewegung abgehoben und sofort anschließend von den Schaltkontakten 110, 112 weggedreht.
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Weiterhin ist eine Führungsnut 116 auf der Innenseite der Führung 102 erkennbar. Diese Führungsnut 116 weist zwei Abschnitte 124 (erster Abschnitt), 126 (zweiter Abschnitt) auf, die sich dadurch unterscheiden, dass eine unterschiedliche Steigung der als Führungsschnecke ausgeführten Führungsnut 116 vorliegt. Der Übergang von dem ersten Abschnitt 124 zu dem zweiten Abschnitt 126 erfolgt kontinuierlich. Nur aus Klarheitsgründen sind mehrere Windungen der Führungsnut 116 dargestellt. Für den Fall, dass der Kontaktbalken 104 sich z.B. maximal um 90° während einer Dreh-Hub-Bewegung drehen soll, können der erste Abschnitt 124 und der zweite Abschnitt 126 sich auch innerhalb einer Viertelumdrehung der Führungsnut 116 befinden. Das Führungselement 118, das aus dem Führungsbolzen 114 herausragt und in die Führungsnut 116 der Führung 102 eingreift, erzwingt bei einer lateralen – in dieser Darstellung nach oben gerichteten – Bewegung des Führungsbolzens 114 die Dreh-Hub-Bewegung.
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Optional können auch drei Abschnitte der Führungsnut vorgesehen sein, um ein Abbremsen des Drehbalkens an beiden Endpositionen zu ermöglichen.
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Durch das Abheben und das sofort anschließende Drehen des Kontaktbalkens 104 und das damit einhergehende Abheben der Endabschnitte 120 des Kontaktbalkens 104 von den Schaltkontakten 110, 112 wird ein Stromfluss von dem ersten Schaltkontakt 110 zum zweiten Schaltkontakt 112 geöffnet, bzw. im umgekehrten Fall geschlossen.
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Dem Fachmann ist klar, dass auch mehrere, vergleichbar gestaltete und gegeneinander gedrehte Kontaktbalken oberhalb des Führungsbolzens 114 vorhanden sein können. Diese mehreren Kontaktbalken sollten gegeneinander isoliert sein, wenn voneinander unabhängige Stromkreise geschaltet werden sollen. Durch entsprechende zusätzliche versetzte Schaltkontakte können auf diese Weise mehrere Schaltvorgänge gleichzeitig ausgelöst werden. Über elektrisch gekoppelte Kontaktbalken lassen sich auch einfach Umschalter realisieren.
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Wenn mehrere Kontaktbalken vorgesehen sind, kann ein Wechselschalter realisiert werden.
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Außerdem ist es möglich, den Kontaktbalken 104 ausgehend von der Drehachse 106 einarmig auszuführen, so dass ein Stromfluss über einen leitenden Führungsbolzen 114 zu einem der beiden Schaltkontakte 110, 112 schaltbar ist. In diesem Fall müsste eine elektrische Verbindung zwischen dem Führungsbolzen 114 und dem einarmigen Kontaktbalken 104 bestehen. Potenziell könnte ein Ausgleichsgewicht auf einer gegenüberliegenden Seite des einen Armes des Kontaktbalkens 104 eine potentielle Unwucht ausgleichen. In der dargestellten Form des zweiarmigen Kontaktbalkens 104 sollte der elektrisch leitende Kontaktbalken 104 gegenüber dem Führungsbolzen 114 isoliert sein. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn der Kontaktbalken 104 außerhalb der Endabschnitte 120 isoliert ist.
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Dem Fachmann ist auch klar, dass der Kontaktbalken 104 nicht in einer gerade gestreckten Form ausgeführt sein muss, sondern auch mechanische Abwandlungen möglich sind, von denen einige Beispiele schematisch in 1A dargestellt sind.
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Zusätzlich sei darauf hingewiesen, dass sich abweichend von 1 alternativ die Führungsnut auch in dem Führungsbolzen 114 befinden kann, so dass die Dreh-Hub-Bewegung durch ein alternatives Führungselement, welches sich auf der Innenseite der Führung 102 befindet, erzwungen werden kann.
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2a, 2b, 2c und 2d stellen verschiedene Ansichten des Kontaktbalkens 104 mit zugehörigen Schaltkontakten 110, 112 dar.
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2a stellt nochmals den Kontaktbalken 104 mit seinen auf dem ersten Schaltkontakt 110 und dem zweiten Schaltkontakt 112 aufliegenden Endabschnitten 120 dar. 2b stellt eine entsprechende Draufsicht von 2a dar. Die Drehachse 106 des Kontaktbalkens ist hier durch ein „x“ dargestellt.
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Bei 2c hat der Kontaktbalken 104 mit seinen Endabschnitten 120 von dem ersten Schaltkontakt 110 und dem zweiten Schaltkontakt 112 durch die überproportional betonte Hubbewegung der Dreh-Hub-Bewegung des Kontaktbalkens 104 in der ersten Phase (ersten Abschnitt) der Dreh-Hub-Bewegung abgehoben. In der dargestellten Projektion erkennt man die mögliche minimal ausgeführte Drehbewegung des Kontaktbalkens 104 noch nicht. Das bereits vollzogene Abheben ist durch die Spalte 202 dargestellt.
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2d stellt dann den Kontaktbalken 104 ohne die Darstellung von Opferkontaktbereichen in einer möglichen Endposition der Dreh-Hub-Bewegung dar. In diesem Fall handelt es sich um eine 90° Drehung. Auf diese Weise wird eine größtmögliche Entfernung der Endabschnitte 120 des Kontaktbalkens 104 zu den beiden Schaltkontakten 110, 112 erreicht. Damit ist die Gefahr einer Funkenbildung am geringsten. Durch die Verwendung einer Löschschnecke kann der Drehwinkelbereich auch auf wesentlich mehr als 90° erhöht werden.
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3a, 3b und 3c stellen verschiedene Ansichten von Opferkontaktbereichen in unterschiedlichen Stellungen des Kontaktbalkens 104 dar. Insbesondere bestellt 3a eine Stirnansicht 300 des ersten Schaltkontaktes 110 und eines Endabschnittes 120 des Kontaktbalkens 104 in geschlossenem Zustand dar, d.h., dass der Endabschnitt 120 auf dem ersten Schaltkontakt 110 aufliegt (vgl. 302). Zusätzlich sind ein Opferkontaktbereich 304 des Kontaktbalkens sowie ein Opferkontaktbereich 306 des ersten Schaltkontaktes 110 dargestellt.
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In 3b ist eine erste Phase (erster Abschnitt) eines Öffnens der elektrischen Verbindung vom Kontaktbalken 104 – bzw. seines Endabschnittes 120 – zum ersten Schaltkontakt 110 dargestellt. Die Dreh-Hub-Bewegung des Kontaktbalkens 104 hat den Spalt 202 entstehen lassen. Bei vergleichsweise hohen Strömen und/oder Spannungen kommt es typischerweise zur Funkenbildung – dargestellt durch den Funken 308 – zwischen den sich entfernenden Kontakten. Damit die aktiven Kontaktflächen des Kontaktbalkens 104 und des ersten Schaltkontaktes 110 nicht beschädigt werden, sind die Opferkontaktbereiche 304 und 306 vorgesehen. Sie entfalten ihre Wirkung auch bei einem Schließen der Kontakte.
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Weitere Maßnahmen zur Verhinderung von Funkenbildung – wie die Nutzung eines „nicht-ionisierenden“ Schutzgases, einer Löschschnecke oder von Löschmagneten – wurden bereits weiter oben diskutiert und sind hier nicht explizit dargestellt. Durch die Dreh-Hub-Bewegung des Kontaktbalkens 104 ist allerdings eine günstige Positionierung der Löschmagnete möglich. Außerdem wird darauf hingewiesen, dass bei einer Verwendung einer Löschschnecke die Drehung des Kontaktbalkens nicht auf 90° bzw. 180° beschränkt ist.
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3c stellt die Situation von 3b in einer Draufsicht dar, wobei allerdings die Opferkontaktbereiche 304, 306 nicht dargestellt sind. Lediglich der Ort der potentiellen unerwünschten Funkenbildung 308 ist durch einen Pfeil gekennzeichnet.
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Eine entsprechende Konstruktion mit Opferkontaktbereichen kann auch zwischen dem anderen Ende des Kontaktbalkens 104 und dem zweiten Schaltkontakt 112 vorgesehen sein.
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4 stellt eine weiterentwickelte Ausführungsform 400 des elektrischen Schaltelementes mit einer elektromagnetischen Aktuierung dar. In dieser Ausführungsform wird die Kraft 122 auf den Führungsbolzen 114 durch einen Hebel 402 (bzw. eine Wippe) mit einem Drehpunkt 404 von einem Elektromagnet 410, der eine Spule 412 aufweist, und den Anker 414 übertragen. Außerdem erkennt man beispielhaft dargestellt einen unteren Anschlag 406 und einen oberen Anschlag 408 für den Hebel 402. Derartige Anschläge 406, 408, die eine Enddämpfung der Dreh-Hub-Bewegung des Führungsbolzen 114 und damit des Kontaktbalkens 104 bewirken, können auch für anders geartete Kraftübertragungsmechanismen auf den Führungsbolzen 114 geeignet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- elektrisches Schaltelement
- 102
- Führung
- 104
- Kontaktbalken
- 106
- Drehachse des Kontaktbalkens
- 108
- horizontale Ausdehnung des Kontaktbalkens
- 110
- erster Schaltkontakt
- 112
- zweiter Schaltkontakt
- 114
- Führungsbolzen
- 116
- Führungsnut
- 118
- Führungselement
- 120
- Endabschnitt des Kontaktbalkens
- 122
- Kraft auf Führungsbolzen
- 124
- erster Abschnitt der Dreh-Hub-Bewegung
- 126
- zweiter Abschnitt der Dreh-Hub-Bewegung
- 202
- Spalt
- 300
- Stirnansicht eines Kontaktes mit Kontaktbalken in geschlossenem Zustand
- 302
- Aufliegen des Kontaktbalkens auf erstem Schaltkontakt
- 304
- Opferkontaktbereich des Kontaktbalkens
- 306
- Opferkontaktbereich des ersten Schaltkontaktes
- 308
- Funken
- 400
- weiterentwickelte Ausführungsform
- 402
- Hebel
- 404
- Drehpunkt
- 406
- unterer Anschlag
- 408
- oberer Anschlag
- 410
- Elektromagnet
- 412
- Spule
- 414
- Anker
