-
Die Erfindung betrifft ein Leistungsschütz zum Schalten hoher Spannungen und/oder hoher Ströme in Elektrofahrzeugen umfassend wenigstens ein Schaltelement, eine elektromagnetische Antriebseinrichtung, durch die das wenigstens eine Schaltelement wenigstens von einer Offenstellung in eine Geschlossenstellung schaltbar ist, und mindestens ein Rückstellelement, welches zumindest in der Geschlossenstellung eine Rückstellkraft in Richtung der Offenstellung auf das Schaltelement ausübt, wobei das Schaltelement als Rotationsanker ausgestaltet ist und der Rotationsanker mindestens einen Permanentmagneten und mindestens ein Ankerblech umfasst.
-
Der Antriebsakku von Elektrofahrzeugen (auch Traktionsbatterie genannt) setzt sich aus mehreren 100 bis 1000 Einzelzellen zusammen, so dass die Traktionsbatterie Spannungen von mehreren 100 V aufweist. Auch die von der Traktionsbatterie zur Verfügung gestellten Ströme können eine Stromstärke von mehreren 100 A aufweisen.
-
Um bei einem Unfall eines Elektrofahrzeuges die Insassen bzw. Rettungskräfte nicht der Gefahr eines elektrischen Schlages durch die Traktionsbatterie auszusetzen, ist es vorgesehen, dass sogenannte Pre-Crash-Sensoren, d.h. Sensoren, die ein Zusammendrücken der Knautschzone des Fahrzeuges detektieren, bevor die Karosserie des Fahrzeuges selbst deformiert wird, die Traktionsbatterie bei einem Zusammenstoß vom Bordnetz trennen.
-
Hierbei muss allerdings sichergestellt sein, dass die Trennung vom Bordnetz für jedwede Art des Zusammenstoßes gewährleistet ist. Die Kontaktoren, insbesonder Schütze, dürfen bei Schockbelastung ihren Schaltzustand nicht ändern.
-
Die Wirtschaftskommission für Europa der Vereinten Nationen (UNECE) beschreibt in der ECE-R 100 unter anderem Bestimmungen, welche für einen Einzelstoß (single shock) einzuhalten sind.
-
Die geforderte Schockresistenz von 28G ist mit konventionellen Tauchankersystemen lediglich in der Geschlossenstellung des Schützes realisierbar. Ein Schock in Richtung der Geschlossenstellung führt dazu, dass das Schütz in die Offenstellung schaltet. Lösungen des Standes der Technik nutzen daher zwei senkrecht zueinander orientierte und in Reihe geschaltete Schütze, so dass mindestens ein Schütz eine sichere Trennung der Traktionsbatterie vom Bordnetz sicherstellt.
-
Schaltvorrichtungen, wie zum Beispiel Stromstoß-Schalter und Sicherheitsrelais sind in den Druckschriften
CH 522 285 A ,
DE 43 00 594 A1 bzw.
CN 103 295 848 A gezeigt. In diesen ist beispielsweise ein Schalter für hohe Ströme mit einem Drehanker in H-Form gezeigt, der zwischen zwei Jochschenkeln drehbar gelagert ist, zwei Permanentmagnete und zwei Ankerbleche aufweist. Auch das Sicherheitsrelais der
DE 43 00 594 A1 zeigt einen H-förmigen Anker, der zudem monostabil ist. Der Gegenstand der
CN 103 295 848 A weist ebenso einen Drehanker auf, der über Gelenke und eine Kolbenstange mit einem Aktuator verbunden ist.
-
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Leistungsschütz zu schaffen, welches die geforderte Schockfestigkeit in jeder Raumrichtung gewährleistet.
-
Das Leistungsschütz der eingangs erwähnten Art löst diese Aufgabe dadurch, dass der Rotationsanker in einen Drehwinkel der Offenstellung und einen Drehwinkel der Geschlossenstellung drehbar, wobei ein Drehwinkel dem Winkel zwischen dem mindestens einen Ankerblech und der kürzesten Verbindungsgeraden zwischen den beiden Polflächen entspricht, und wobei der Drehwinkel der Offenstellung größer ist als der Drehwinkel der Geschlossenstellung. Ein Rotationsanker hat den Vorteil, dass sich dieser nicht linearer entlang einer vorgegebenen Richtung bewegt und entsprechend entlang bzw. entgegen dieser Richtung eine Massenträgheit aufweist, sondern eine Drehbewegung ausübt.
-
Der Permanentmagnet hat den Vorteil, dass dieser auch bei stromlos geschaltetem Leistungsschütz eine definierte Stellung des Rotationsankers ermöglicht. Diese Ausrichtung geschieht aufgrund der magnetischen Anziehung zwischen dem Permanentmagneten und dem ferromagnetischen Joch.
-
Die unterschiedlichen Drehwinkel der Geschlossenstellung bzw. der Offenstellung können eine Monostabilität des Leistungsschützes erzeugen. Dies kann gewünscht sein, wenn beim Stromlosschalten des Leistungsschützes stets ein definierter Zustand eingenommen werden soll.
-
Im Folgenden werden jeweils für sich vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Leistungsschützes beschrieben. Technische Merkmale der einzelnen Ausgestaltungen können beliebig kombiniert und/oder weggelassen werden, sofern es nicht auf die mit dem weggelassenen technischen Merkmal erzielte technische Wirkung ankommt.
-
Wie bereits oben erwähnt, ist das erfindungsgemäße Leistungsschütz für hohe Spannungen und/oder hohe Ströme ausgelegt. Unter hohen Strömen sind Stromstärken im Bereich mehrerer 100 A zu verstehen, unter hohen Spannungen mehrere 100 V. Die Elektrofahrzeuge, in denen das erfindungsgemäße Leistungsschütz genutzt werden kann, sind bevorzugt rein elektrisch betriebene oder Hybrid-PKW, Elektroroller, elektrisch betriebene Busse oder LKW.
-
Als Geschlossenstellung ist diejenige Stellung des Leistungsschützes zu verstehen, in welcher das Leistungsschütz eine elektrische Verbindung, zum Beispiel zwischen der Traktionsbatterie und dem Bordnetz, herstellt. Die Offenstellung beschreibt im Gegensatz dazu den Schaltzustand des Leistungsschützes, in welchem die elektrische Verbindung getrennt ist.
-
Im Falle eines Unfalls ist die Offenstellung des Leistungsschützes, d.h. zum Beispiel die Trennung der Traktionsbatterie vom Bordnetz, der gewünschte Betriebszustand des Leistungsschützes, um eine Gefährdung der Insassen und/oder Rettungskräfte durch die Spannung bzw. Ströme der Traktionsbatterie auszuschließen.
-
Als Rückstellelement kann bevorzugt mindestens ein Federelement verwendet werden. Allerdings ist es auch denkbar, dass zwei sich abstoßende Permanentmagnete als Rückstellelement verwendet werden können. Die Rückstellelemente übertragen in der Geschlossenstellung ein Rückstellmoment auf den Rotationsanker, welches in Richtung der Offenstellung des Rotationsankers gerichtet ist. Sofern im Folgenden von Kräften die Rede ist, die auf den Rotationsanker wirken, so erzeugen diese ein Drehmoment, welches eine Drehung des Rotationsankers bewirken kann.
-
In einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leistungsschützes verläuft eine Rotationsachse, um die der Rotationsanker drehbar gelagert ist, durch den Rotationsanker, bevorzugt durch dessen Schwerpunkt. Dies hat den Vorteil, dass eine Beschleunigung des Rotationsankers entlang jeder der drei Raumrichtungen bzw. entlang einer Richtung, die sich aus den drei Raumrichtungen zusammensetzt, den Rotationsanker in seiner Ruheposition belässt, d.h. weder linear, noch rotatorisch bewegt.
-
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leistungsschützes ist ein Joch mit wenigstens zwei Jochschenkeln vorgesehen, wobei sich der Rotationsanker zwischen zwei sich gegenüberliegenden, an Endabschnitten der Jochschenkel angeordneten Polflächen befindet. Ein Joch hat den Vorteil, dass das von der elektromagnetischen Antriebseinrichtung erzeugte Magnetfeld gezielt zum bzw. durch den Rotationsanker hindurch geleitet werden kann.
-
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leistungsschützes kreuzt die Rotationsachse den Rotationsanker im Bereich eines Luftspaltes insbesondere mittig zwischen den beiden Polflächen. Dies ist vorteilhaft, da somit ein durch die elektromagnetische Antriebseinrichtung erzeugtes Magnetfeld zum einen symmetrisch auf den Rotationsanker wirkt, d.h. die auf den Rotationsanker übertragenen Drehmomente symmetrisch sind und zum anderen, dass sich der Rotationsanker zumindest abschnittsweise im Bereich der größtmöglichen (zugänglichen) magnetischen Feldstärke befindet.
-
Das mindestens eine Ankerblech ist bevorzugt aus einem ferromagnetischen Material und dient zum einen dazu, den zumeist sehr harten und damit spröden Permanentmagneten vor Stößen zu schützen, und zum anderen das durch den Permanentmagneten erzeugte Magnetfeld durch das ferromagnetische Ankerblech hindurch zu leiten.
-
Bevorzugt kann der Permanentmagnet von zwei im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten Ankerblechen zumindest abschnittsweise eingeschlossen sein. Weiter bevorzugt ragen die Ankerbleche zumindest abschnittsweise über den Permanentmagneten hinaus, so dass der Permanentmagnet bis zu einem gewissen Maße vor äußeren mechanischen Einwirkungen geschützt ist.
-
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leistungsschützes ist der Permanentmagnet im Wesentlichen im Luftspalt des Jochs angeordnet. Der Schwerpunkt des Permanentmagneten entspricht bevorzugt dem Schwerpunkt des Rotationsankers, so dass sowohl der Permanentmagnet, als auch der Rotationsanker symmetrisch im Luftspalt zwischen den Polflächen des Joches angeordnet sind.
-
Ferner hat diese Anordnung den Vorteil, dass sich der Permanentmagnet in dem Bereich des Leistungsschützes befindet, in welchem die elektromagnetische Antriebseinrichtung die größte (zugängliche) Magnetfeldstärke erzeugt.
-
In einer weiteren Ausgestaltung des Leistungsschützes ist es vorteilhaft, wenn der Rotationsanker mindestens zwei Anschläge aufweist, wobei der Rotationsanker sowohl in der Offenstellung als auch in der Geschlossenstellung mit mindestens einem Anschlag an mindestens einem Jochschenkel anschlägt. Insbesondere kann der Rotationsanker mit dem mindestens einem Anschlag an mindestens einem Endabschnitt des Jochschenkelns anschlagen. Dies hat den Vorteil, dass die Berührungspunkte des Rotationsankers mit dem Joch vorab festgelegt und entsprechend vorbereitet bzw. behandelt werden können.
-
Die mindestens zwei Anschläge können separate Elemente des Rotationsankers oder aber Abschnitte desselben sein. Die mindestens zwei Anschläge können einer speziellen Behandlung unterzogen worden sein, wie zum Beispiel einer Härtung des Materials, einer Beschichtung oder Ähnlichem.
-
Bevorzugt können sich die mindestens zwei Anschläge an dem mindestens einen Ankerblech befinden, weiter bevorzugt kann in der Ausgestaltung des Rotationsankers mit zwei Ankerblechen jedes der Ankerbleche mindestens einen Anschlag aufweisen.
-
Die Anschläge können bevorzugt vom Ankerblech in Richtung des Joches weisen.
-
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leistungsschützes überragt wenigstens ein Ankerblech den Luftspalt zumindest abschnittsweise in Richtung mindestens eines Jochschenkels. Mit anderen Worten überdeckt wenigstens ein Ankerblech zumindest abschnittsweise mindestens einen Jochschenkel.
-
Da der Permanentmagnet bevorzugt zwischen den Polflächen des Joches angeordnet ist, und in der Ausgestaltung des Rotationsankers mit zwei Ankerblechen der Rotationsanker eine charakteristische Form aufweist, wird dieser auch als H-Anker bezeichnet.
-
Dadurch, dass wenigstens eines der Ankerbleche den Luftspalt zumindest abschnittsweise in Richtung mindestens eines Jochschenkels überragt, ist der mechanische Zugang zum Luftspalt zumindest partiell verhindert, so dass die Gefahr des Verklemmens des Rotationsankers verringert werden kann.
-
In einer weiteren Ausgestaltung des Leistungsschützes ist ein Abstandselement zwischen dem Joch und dem Rotationsanker angeordnet.
-
Durch die elektromagnetische Antriebseinrichtung kann der Rotationsanker im bestromten Zustand des Leistungsschützes an das Abstandselement gedrückt werden. Das Abstandselement kann ein Stromblech sein, welches insbesondere in Richtung des Anschlages der Geschlossenstellung weisen kann. Das Abstandselement kann aus einem ferromagnetischen oder einem nicht-ferromagnetischen Material hergestellt sein. Bevorzugt kann das Abstandselement aus Metall bestehen, wobei auch dielektrische Materialen für dünne Abstandselemente verwendet werden können.
-
Ferner können zwei Abstandselemente vorgesehen sein, wobei diese bevorzugt einen vorbestimmten Abstand des Rotationsankers in der Geschlossenstellung zu den Endabschnitten des Joches gewährleisten.
-
Beispielhaft können die zwei Abstandselemente bei Verwendung eines zur Rotationsachse symmetrischen Rotationsankers mit zwei Ankerblechen ebenso axialsymmetrisch zur Rotationsachse angeordnet sein. In dieser Anordnung kann ein Abstandselement ins Innere des Joches weisen, wobei das zweite Abstandselement nach außen weist.
-
Als Referenz für eine Nullgradstellung ist im Folgenden eine Lage des Rotationsankers zugrundegelegt, in der das Ankerblech parallel zu den Endabschnitten des Joches liegt. Die Drehwinkel der Offen- bzw. Geschlossenstellung entsprechen einer Drehung des Rotationsankers im bzw. entgegen dem Uhrzeigersinn ausgehend vom Drehwinkel von 0°. Der Drehwinkel der Offenstellung wird somit mit entgegengesetztem Drehsinn zum Drehwinkel der Geschlossenstellung gemessen.
-
In einer weiteren Ausgestaltung des Leistungsschützes ist eine Zwischenstellung des Rotationsankers zwischen der Offen- und Geschlossenstellung, ein erster Winkelbereich des Rotationsankers zwischen den Drehwinkeln der Offen- und Zwischenstellung und ein zweiter Winkelbereich des Rotationsankers zwischen den Drehwinkeln der Zwischen- und Geschlossenstellung vorgesehen, wobei das Rückstellelement zumindest im zweiten Winkelbereich eine Rückstellkraft in Richtung der Offenstellung auf den Rotationsanker ausübt.
-
Die Zwischenstellung kennzeichnet somit denjenigen Drehwinkel des Rotationsankers, ab dem bei weiterer Drehung in Richtung der Geschlossenstellung das Rückstellelement der weiteren Drehung in Richtung der Geschlossenstellung entgegenwirkt.
-
Der Rotationsanker kann monostabil ausgestaltet sein, so dass sich der Rotationsanker im unbestromten Zustand des Leistungsschützes aus der Geschlossenstellung, insbesondere aus dem zweiten Winkelbereich, in die Offenstellung dreht.
-
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leistungsschützes wirkt in jeder Drehstellung des Rotationsankers ein in die Offenstellung gerichtetes Rückstellmoment auf den Rotationsanker.
-
Betrachtet man die am Rotationsanker wirkenden Kräfte einzeln, so kann der Permanentmagnet zwischen dem Drehwinkel der Offenstellung und einem Umkehrdrehwinkel eine magnetische Öffnungskraft in Richtung der Offenstellung des Rotationsankers und zwischen dem Umkehrdrehwinkel und dem Drehwinkel der Geschlossenstellung eine magnetische Schließkraft in Richtung der Geschlossenstellung auf den Rotationsanker ausüben. Für jeden Drehwinkel zwischen dem Umkehrdrehwinkel und dem Drehwinkel der Geschlossenstellung kann die Rückstellkraft des Rückstellelementes größer sein als die magnetische Schließkraft. Dies hat den Vorteil, dass das Leistungsschütz ein monostabiles Verhalten aufweist, das heißt beim Stromlosschalten stets in die Offenstellung zurückkehrt.
-
Betrachtet man beispielhaft das Leistungsschütz im unbestromten Zustand und ohne Wirkung des Rückstellelementes, so weist ein solch ausgestaltetes Leistungsschütz ein bistabiles Verhalten auf. Sowohl in der Offen- als auch in der Geschlossenstellung zieht der Permanentmagnet die Endabschnitte des Joches an und hält den Rotationsanker in dieser Position. Eine Drehung des Rotationsankers aus einer der beiden Stellungen ist möglich, sofern die magnetische Anziehungskraft mit einer entgegengerichteten Kraft überwunden wird.
-
Der Umkehrdrehwinkel ist als derjenige Drehwinkel des Rotationsankers zu verstehen, an welchem sich der Rotationsanker in einem labilen Gleichgewicht befindet. Dies bedeutet, dass die magnetische Anziehung des Permanentmagneten hin zu den beiden Endabschnitten identisch ist. Eine geringfügige Auslenkung des Rotationsankers führt folglich zur Auslenkung des Rotationsankers in die entsprechende Stellung.
-
Um ein solches labiles Gleichgewicht zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn sich der Umkehrdrehwinkel des Rotationsankers von dem Drehwinkel der Zwischenstellung unterscheidet. Am Umkehrdrehwinkel des Rotationsankers kann bereits eine Rückstellkraft durch das Rückstellelement auf den Rotationsanker in Richtung der Offenstellung ausgeübt werden. Somit wird ermöglicht, dass sowohl im ersten als auch im zweiten Winkelbereich des Rotationsankers entweder die magnetische Öffnungskraft oder die sich ergebende vektorielle Summe aus der Rückstellkraft des Rückstellelementes und der magnetischen Schließkraft des Permanentmagneten den Rotationsanker in die Offenstellung bewegt.
-
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leistungsschützes ist der Rotationsanker über wenigstens eine Achse und mindestens eine Pleuelstange gelenkig mit einer Kontaktbrücke verbunden. Die Anbindung der Kontaktbrücke über wenigstens eine Achse und mindestens eine Pleuelstangen hat den Vorteil, dass der Kontaktierungsbereich, d.h. der Bereich in welchem mittels der Kontaktbrücke eine elektrische Verbindung zwischen zwei Kontaktelementen hergestellt werden kann, räumlich durch einen Isolator von der elektromagnetischen Antriebseinrichtung getrennt werden kann.
-
Die Stromstärke der im geschlossenen Zustand geführten Ströme wird in der Regel durch Pulsweitenmodulation (PWM) geregelt. Die steilen Flanken des Stromanstiegs und -abfalls bei der Erzeugung der Hochstrom PWM verursachen an den elektrischen Stoßstellen hochfrequente Oberwellen, welche in in der Nähe befindliche elektrische Verbindungen des Niedervoltnetzes einkoppeln können. Diese Störungen können sich dann über alle Leitungen ausbreiten und letztendlich z.B. Kommunikationssysteme oder das Radio stören.
-
Bauartbedingt sind das Hochvoltnetz und Niedervoltnetz im Fall von Tauchankersystemen sehr eng beieinander, was eine starke Kopplung verursacht. Aus diesem Grund müssen für diese Relais diese induzierten Störungen im Ansteuerkreis der Schütze abgeblockt werden.
-
Da die elektromagnetische Antriebseinrichtung, d.h. zum Beispiel die Spule des erfindungsgemäßen Leistungsschützes räumlich getrennt von der Kontaktbrücke angeordnet sein kann, können durch die Schaltvorgänge hervorgerufene induzierte elektromagnetische Störungen minimiert bzw. gänzlich eliminiert werden.
-
Weiter hat diese Konstruktion den Vorteil einer verringerten Geräuschentwicklung beim Schalten. Die Lautstärke beim Schalten ist eine Funktion der bewegten Massen, der Kräfte und der Körperschalldämpfung. Tauchankersysteme für große Schaltleistungen haben schwere Anker, große Kräfte und der Schall kann über den starren Eisenkreis gut an die Umgebung übertragen werden. In der Folge sind solche Schütze laut. Bei vergleichbaren Systemen mit Rotationsankern kann die Ankermasse und durch die Hebelübersetzung auch der Weg kleiner sein. Damit wird die aufgenommene und im Aufschlag partiell als Schall abgegebene kinetische Energie kleiner.
-
Das Leistungsschütz kann zwei Pleuelstangen aufweisen, die mittels einer parallel zur Rotationsachse angeordneten Gelenkachse miteinander verbunden sein können. Die Pleuelstangen können im Wesentlichen einen Winkel um 90° zueinander aufweisen. Bevorzugt kann jene Pleuelstange, an welcher die Kontaktbrücke mittelbar oder unmittelbar befestigt ist, parallel zu den Endabschnitten des Joches angeordnet sein.
-
Die Bewegung dieser Pleuelstange kann bevorzugt in der Ebene des Joches erfolgen.
-
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leistungsschützes weist die Schaltbrücke wenigstens ein Rückstellelement auf, das in der Geschlossenstellung eine auf den Rotationsanker in Richtung der Offenstellung wirkende Rückstellkraft erzeugt. Dies hat den Vorteil, dass eine Anbringung des mindestens einen Rückstellelementes an der Rotationsachse bzw. am Rotationsanker selbst nicht notwendig ist. Somit kann das Rückstellelement, bevorzugt in Form einer Spiral- oder Blattfeder, außerhalb des Leistungsschützes angeordnet sein. Dies ermöglicht zum Beispiel eine vereinfachte Wartung bzw. einen einfachen Austausch des Rückstellelementes.
-
Die vom Rückstellelement der Schaltbrücke auf den Rotationsanker in Richtung der Offenstellung wirkende Rückstellkraft kann über die Pleuelstange bzw. die Pleuelstangen und die Gelenkachse auf den Rotationsanker übertragen werden.
-
Die Schaltbrücke kann von einem Schaltbrückenhalter gehalten werden, wobei sich die Schaltbrücke mittels des Rückstellelementes am Schaltbrückenhalter abstützen kann.
-
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leistungsschützes beträgt eine auf den Rotationsanker ausgeübte Haltekraft zumindest in der Offenstellung mindestens das 100-fache der Gewichtskraft von Bewegungselementen, welche bewegungsübertragend mit dem Rotationsanker verbunden sind. Dies hat den Vorteil, dass die von der Wirtschaftskommission für Europa der Vereinten Nationen festgelegten Bestimmungen für die Schockfestigkeit elektrischer Bauelemente eingehalten werden können. Die Bewegungselemente können die zwei Pleuelstangen und die diese Pleuelstangen verbindende Gelenkachse sowie die Kontaktbrücke bzw. das System aus Kontaktbrücke, Rückstellelement und Kontaktbrückenhalter sein.
-
Befindet sich das Leistungsschütz zum Beispiel in der Offenstellung und wird dieses derart beschleunigt, dass die Trägheit der Bewegungselemente ein in Richtung der Geschlossenstellung wirkendes Drehmoment auf den Rotationsanker ausübt, so kann die Beschleunigung mindestens 100G betragen, ohne dass das durch die magnetische Öffnungskraft erzeugte Drehmoment, d.h. die Haltekraft, überschritten wird. Bevorzugt kann das Leistungsschütz die Offenstellung des Rotationsankers auch bei noch höheren Beschleunigungen beibehalten.
-
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Leistungsschütz anhand beigefügter Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen eine für sich vorteilhafte Ausgestaltung des Leistungsschützes, wobei technische Merkmale der gezeigten Ausgestaltung beliebig miteinander kombiniert und/oder weggelassen werden können, solange es nicht auf die mit dem weggelassenen technischen Merkmal erzielte technische Wirkung ankommt. Gleiche technische Merkmale und technische Merkmale mit gleicher technischer Wirkung werden der Übersichtlichkeit halber mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Leistungsschützes;
- 2a eine seitliche Ansicht des erfindungsgemäßen Leistungsschützes in der Offenstellung;
- 2b eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Leistungsschützes in der Offenstellung;
- 3a eine seitliche Ansicht des erfindungsgemäßen Leistungsschützes in der Geschlossenstellung;
- 3b eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Leistungsschützes in der Geschlossenstellung; und
- 4 eine Drehwinkel-Kraft-Kennlinie des erfindungsgemäßen Leistungsschützes.
-
Die 1 zeigt ein Leistungsschütz 1 in einer Offenstellung 3 in einer perspektivischen Ansicht.
-
Das Leistungsschütz 1 umfasst ein Joch 5, welches aus zwei Jochschenkeln 7, einer Jochbasis 9 und zwei Endabschnitten 11 besteht, eine elektromagnetische Antriebseinrichtung 13 und ein Schaltelement 15.
-
Das Schaltelement 15 ist als Rotationsanker 17 ausgestaltet und an einer Rotationsachse 19 drehbar gelagert.
-
Die elektromagnetische Antriebseinrichtung ist in Form einer Spule 21 ausgestaltet, deren Windungen 23 um die Jochbasis 9 herum gewickelt sind.
-
Das Joch 5 ist bis auf einen Luftspalt 25, in welchem sich der Rotationsanker 17 zumindest abschnittsweise befindet, in sich geschlossen und weist an den Endabschnitten 11 zum Luftspalt 25, d.h. in der 1 zum Rotationsanker hin weisende Polflächen 27 auf.
-
An einem Endabschnitt 11 ist ein Abstandselement 29 angebracht.
-
Ferner zeigt die 1, dass der Rotationsanker 17 einen Permanentmagneten 31 und zwei diesen Permanentmagneten 31 einschließende Ankerbleche 33 umfasst.
-
Das Leistungsschütz 1 umfasst ferner Bewegungselemente 35, die als Pleuelstangen 37, Gelenke 39 und eine Gelenkachse 41 ausgestaltet sind.
-
An einer Pleuelstange 37a ist ein Kontaktbrückenträger 43 befestigt, der eine Kontaktbrücke 45 trägt, wobei der Kontaktbrückenträger 43 ein in Form einer Schraubenfeder 47 ausgestaltetes Rückstellelement 49 umfasst, mittels welcher sich die Kontaktbrücke 45 gegen den Kontaktbrückenträger 43 abstützt. In Richtung zweier elektrischer Kontakte 51 stützt sich die Kontaktbrücke 45 gegen Stützabschnitte 53 des Kontaktbrückenhalters 43 ab.
-
Die 2a und 2b zeigen den Leistungsschütz 1 aus 1 in einer seitlichen Ansicht 55 und in einer Draufsicht 57, wobei zwischen den elektrischen Kontakten 51, die mit einer Traktionsbatterie 59 und dem Bordnetz 61 verbunden sind, keine elektrische Verbindung besteht. Die Traktionsbatterie 59 ist somit vom Bordnetz 61 getrennt. Ein elektrischer Schalter 63 sorgt zusätzlich zur mechanischen Stromkreistrennung 65 zu einer elektrischen Stromkreistrennung 67.
-
In der Draufsicht 57 ist die Struktur des Rotationsankers 17, d.h. sein Aufbau aus zwei Ankerblechen 33 und dem Permanentmagneten 31, symmetrisch um die Rotationsachse 19 zu erkennen. Ferner zeigen die 2a und 2b, dass jedes der Ankerbleche 33 mit einem Anschlag 69 an einem jeweiligen Endabschnitt 11 des Joches 5 anliegt.
-
Die beiden Anschläge 69 sind punktsymmetrisch zur Rotationsachse 19 angeordnet und definieren einen Drehwinkel der Offenstellung 71. Dieser ist zwischen einer Hilfsachse 73 und einer Pleuelstange 37 eingezeichnet, findet sich jedoch auch zwischen den Ankerblechen 33 und den Endabschnitten 11 des Joches 5.
-
Der Rotationsanker 17 ist im Luftspalt 25 angeordnet und die Rotationsachse 19 befindet sich im Schwerpunkt 75 des Rotationsankers 17.
-
Die Polflächen 27 weisen in Richtung des Permanentmagneten 31 und sind parallel zueinander ausgerichtet.
-
Ferner zeigen die 2a und 2b, dass die Ankerbleche 33 den Luftspalt 25 zumindest abschnittsweise in Richtung der Endabschnitte 11 des jeweiligen Jochschenkels 7 überragen. Dies ist in den Bereichen 77 gezeigt.
-
Die 3a und 3b zeigen das Leistungsschütz 1 in einer Geschlossenstellung 79 in einer seitlichen Ansicht 55 und in einer Draufsicht 57.
-
In der Geschlossenstellung 79 stellt die Kontaktbrücke 45 eine elektrische Verbindung zwischen den beiden elektrischen Kontakten 51 her. Dabei wird die Schraubenfeder 47 komprimiert, so dass diese sich im gespannten Zustand 81 befindet. Dies ist in der Draufsicht 57 daran zu erkennen, dass sich die Kontaktbrücke 45 nicht mehr an den Stützabschnitten 53 des Kontaktbrückenträgers 43 abstützt.
-
In der gezeigten Geschlossenstellung 79 weist der Rotationsanker 17 einen Drehwinkel der Geschlossenstellung 83 auf, welcher wiederum zwischen der Hilfsachse 73 und der Pleuelstange 37 bzw. zwischen einem Ankerblech 33 und einem Endabschnitt 11 des Joches gemessen wird.
-
Aufgrund des Abstandselementes 29, an welchem ein Anschlag 69 des Rotationsankers 17 anliegt, ist der Drehwinkel der Geschlossenstellung 83 der 3b kleiner als der Drehwinkel der Offenstellung 71, welcher in 2b gezeigt ist.
-
Die Hilfsachse 73 kennzeichnet ferner einen Umkehrdrehwinkel 85, wobei sich der Rotationsanker 17 in einem labilen Gleichgewicht (nicht gezeigt) befindet, wenn die Pleuelstange 37b exakt entlang der Hilfsachse 73 ausgerichtet ist. In diesem Zustand würden sich die magnetische Öffnungskraft 87 (siehe 2b) und die magnetische Schließkraft 89 gegenseitig aufheben. Die magnetische Öffnungs- bzw. Schließkraft 87, 89 sind als gebogene Pfeile dargestellt, da diese Kräfte eine Rotation des Rotationsankers 17 bewirken. Auf die Darstellung der exakten Wirkrichtung der magnetischen Kräfte 87, 89 wird verzichtet, da diese durch ein Vektorfeld beschrieben werden müssten; es ist lediglich die effektive Wirkrichtung auf den Rotationsanker 17 gezeigt.
-
Da das labile Gleichgewicht am Umkehrdrehwinkel 85 vermieden werden soll, ist die Dicke 91 des Abstandselementes 29 derart gewählt, dass sich die Pleuelstange 37a in Kontaktierungsrichtung 93 um einen Umkehrabstand 95 über den Umkehrdrehwinkel 85 hinaus bewegt.
-
Der Umkehrabstand 95 ist dabei geringer als ein Federspannweg 97, um welchen die Schraubenfeder 47 komprimiert wird. Eine Entspannung der Schraubenfeder 47 führt somit zu einer Bewegung der Pleuelstange 37a über den Umkehrdrehwinkel 85 hinaus in Richtung der Offenstellung 3, wobei beim Erreichen des Stützabschnittes 53 durch die Kontaktbrücke 45 der Rotationsanker 17 eine magnetische Öffnungskraft 87 (siehe 2b) aufweist, die größer ist als die magnetische Schließkraft 89. Folglich bewegt sich der Rotationsanker in die Offenstellung 3, sofern durch die elektromagnetische Antriebseinrichtung 13 keine Kraft in Richtung der Geschlossenstellung 79 auf den Rotationsanker 17 ausgeübt wird. Eine Rückstellkraft 99 der Schraubenfeder 47, welche ein Rückstellmoment 99a erzeugt, bewirkt somit, dass sich das Leistungsschütz 1 monostabil verhält.
-
Die magnetische Öffnungskraft 87 entspricht einer Haltekraft 87a.
-
In 4 ist eine Drehwinkel-Kraft-Kennlinie des Leistungsschützes 1 gezeigt. Auf der horizontalen Achse ist ein Drehwinkel 101 aufgetragen, wobei in Abhängigkeit vom Drehwinkel 101 eine Kraft 103 auf den Rotationsanker (nicht gezeigt) ausgeübt wird. Die Kraft 103 ist an der horizontalen Achse aufgetragen.
-
Die 4 zeigt zwei Maximalauslenkungen 105, bis zu welchen der Rotationsanker 17 maximal verkippt werden kann, sofern kein Abstandselement 29 vorhanden ist. Die 4 zeigt sowohl den Drehwinkel der Offenstellung 71, als auch den Drehwinkel der Geschlossenstellung 83, welcher aufgrund des angedeuteten Abstandselements 29 kleiner ist als der Drehwinkel der Offenstellung 71.
-
Es ist ferner ein Kraftverlauf des Rotationsankers im stromlosen Zustand, d.h. ein stromloser Kraftverlauf 107 gezeigt, welcher am Umkehrdrehwinkel 85 das Vorzeichen der Kraftwirkung, d.h. die Richtung, in welcher der Rotationsanker 17 mit einer Kraft beaufschlagt wird, ändert.
-
In der dargestellten Auslenkung-Kraftkennlinie stellen positive Werte der Kraft 103 die magnetische Schließkraft 89, negative Werte der Kraft 103 die magnetische Öffnungskraft 87 dar.
-
Der Rotationsanker 17 weist eine Zwischenstellung 109 auf, die dadurch gekennzeichnet ist, dass in dieser Zwischenstellung 109 die Kontaktbrücke 45 die elektrischen Kontakte 51 kontaktiert (siehe 3a und 3b). Eine Änderung des Drehwinkels 101 in Richtung des Drehwinkels der Geschlossenstellung 83 führt dazu, dass die Schraubenfeder 47 komprimiert wird und ein Rückstellmoment 99a auf den Rotationsanker 17 ausübt. Dieses Rückstellmoment 99a ist in Richtung der Offenstellung 3 gerichtet und in 4 dargestellt.
-
Die Zwischenstellung 109 trennt einen ersten Winkelbereich 109a von einem zweiten Winkelbereich 109b.
-
Die magnetische Schließkraft 89, welche in 4 rechts vom Umkehrdrehwinkel 85 dargestellt ist, wird durch die Rückstellkraft 99 überkompensiert, so dass sich nach vektorieller Summation der magnetischen Schließkraft 89 und der Rückstellkraft 99 eine resultierende Kraft 111 ergibt. Diese ist in 4 angedeutet.
-
Es ist zu beachten, dass die resultierende Kraft 101 im Bereich der Zwischenstellung 109 in den Kurvenverlauf der magnetischen Öffnungskraft 87 übergeht, d.h. die horizontale Achse, welche den Drehwinkel 101 darstellt, nicht schneidet. Dieser Kurvenverlauf hat zur Folge, dass bei jedem möglichen Drehwinkel 101 eine negative Kraft 103 auf den Rotationsanker 17 wirkt, welche diesen zur Offenstellung 3 hin bewegt.
-
Um den Rotationsanker 17 aus der Offenstellung 3 in die Geschlossenstellung 79 zu bewegen, ist es notwendig, die vom Permanentmagneten 31 ausgeübte magnetische Öffnungskraft 87 zu kompensieren bzw. in eine magnetische Schließkraft 89 zu überkompensieren. Dies erfolgt durch Anlegen einer elektrischen Spannung bzw. Einspeisung eines elektrischen Stromes in die elektromagnetische Antriebseinrichtung 13, mittels welcher ein dem Magnetfeld des Permanentmagneten 31 entgegengerichtetes Magnetfeld generiert wird, so dass sich der Rotationsanker 17 in Richtung der Geschlossenstellung 79 bewegt.
-
Ein bestromter Kraftverlauf 113 ist in 4 in Form einer gestrichelten Linie dargestellt. Um das asymptotische Verhalten 115 des stromlosen Kraftverlaufes 107 im Bereich der Offenstellung 3 zu kompensieren, kann es notwendig sein, eine hohe Spannung bzw. hohe Ströme an die elektromagnetische Antriebseinrichtung 13 anzulegen bzw. einspeisen zu müssen. Eine solche erhöhte Spannung bzw. erhöhter Strom hat einen Kraftüberschuss 117 zur Folge. Der Kraftüberschuss 117 ergibt sich aus der magnetischen Schließkraft der Geschlossenstellung 89a, verringert um die Rückstellkraft der Geschlossenstellung 99a. Der um die Rückstellkraft 99 der Spiralfeder 37 korrigierte bestromte Kraftverlauf 113 ist der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt.
-
Der Kraftüberschuss 117 kann vermieden werden, indem mittels Sensoren detektiert wird, dass sich der Rotationsanker 17 der Geschlossenstellung 79 nähert, wobei diese Annäherung von einem Steuerelement ausgewertet wird, welches die an die elektromagnetische Antriebsvorrichtung 13 angelegte Spannung bzw. den eingespeisten Strom derart reduziert, dass lediglich ein Mindestmaß an Kraftüberschuss 117 den Rotationsanker 17 in der Geschlossenstellung 79 hält.
-
Die in 4 gezeigten Kraftverläufe 99, 107, 113 sind lediglich als sinnbildliche Kurven zur Verdeutlichung des Wirkprinzips des erfindungsgemäßen Leistungsschützes 1 zu verstehen, d.h. die gezeigten Drehwinkel-Kraft-Kennlinien sind nicht als maßstabsgetreu zu betrachten.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Leistungsschütz
- 3
- Offenstellung
- 5
- Joch
- 7
- Jochschenkel
- 9
- Jochbasis
- 11
- Endabschnitt
- 13
- elektromagnetische Antriebseinrichtung
- 15
- Schaltelement
- 17
- Rotationsanker
- 19
- Rotationsachse
- 21
- Spule
- 23
- Windung
- 25
- Luftspalt
- 27
- Polfläche
- 29
- Abstandselement
- 31
- Permanentmagnet
- 33
- Ankerblech
- 35
- Bewegungselement
- 37,37a
- Pleuelstange
- 39
- Gelenk
- 41
- Gelenkachse
- 43
- Kontaktbrückenträger
- 45
- Kontaktbrücke
- 47
- Schraubenfeder
- 49
- Rückstellelement
- 51
- elektrischer Kontakt
- 53
- Stützabschnitte
- 55
- seitliche Ansicht
- 57
- Draufsicht
- 59
- Traktionsbatterie
- 61
- Bordnetz
- 63
- elektrischer Schalter
- 65
- mechanische Stromkreistrennung
- 67
- elektrische Stromkreistrennung
- 69
- Anschlag
- 71
- Drehwinkel der Offenstellung
- 73
- Hilfsachse
- 75
- Schwerpunkt
- 77
- Bereich
- 79
- Geschlossenstellung
- 81
- gespannter Zustand
- 83
- Drehwinkel der Geschlossenstellung
- 85
- Umkehrdrehwinkel
- 87
- magnetische Öffnungskraft
- 87a
- Haltekraft
- 89
- magnetische Schließkraft
- 89a
- magnetische Schließkraft der Geschlossenstellung
- 91
- Dicke
- 93
- Kontaktierungsrichtung
- 95
- Umkehrabstand
- 97
- Federspannweg
- 99
- Rückstellkraft
- 99a
- Rückstellkraft der Geschlossenstellung
- 100
- Rückstellmoment
- 101
- Drehwinkel
- 103
- Kraft
- 105
- Maximalauslenkung
- 107
- stromloser Kraftverlauf
- 109
- Zwischenstellung
- 109a
- erster Winkelbereich
- 109b
- zweiter Winkelbereich
- 111
- resultierende Kraft
- 113
- bestromter Kraftverlauf
- 115
- asymptotisches Verhalten
- 117
- Kraftüberschuss
