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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Schalter zum Unterbrechen eines Strompfades insbesondere einer Gleichspannungsversorgung in einem Kraftfahrzeug.
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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden hauptsächlich in Verbindung mit Schaltelementen für Fahrzeugbordnetze im Bereich von 48 Volt oder Hochvolt (HV), über 60 Volt oder dem für Kraftfahrzeuge üblichen HV-Spannungsbereich zwischen 400 Volt und 1000 Volt beschrieben. Die Erfindung kann aber in für alle Anwendungen genutzt werden, in welchen elektrischen Lasten geschaltet werden.
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Derzeit erfolgt in Kraftfahrzeugen die Trennung der HV-Batterie in HV-Bordnetzen allpolig mit insgesamt zwei Hochvolt-Schützen. Auf der Plusseite ist dem Hochvolt-Schütz zur Absicherung zusätzlich eine HV-Sicherung nachgeschaltet. Vor dem Schütz kann auf dieser Seite noch eine Pyrofuse (pyrotechnische Sicherung) vorgesehen werden, die als technologisch zu einem Schütz diverse Komponente im Sinne der von ASIL geforderten Diversität das irreversible Trennen von „harten“ Kurzschlüssen (in der Regel bis bis 16 kA) übernehmen kann. Zusätzlich kommen Hochvolt-Schütze fahrzeugseitig für ein ebenfalls allpoliges Schalten von Ladeströmen zum Einsatz.
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Eine Herausforderung der Hochvolt-Schütze sind die auftretenden Lichtbögen und entsprechende Maßnahmen, um diese zu löschen. In Bezug auf HV-Schütze sind hier insbesondere Blasmagnete zur Vergrößerung der Lichtbogenlänge in Zusammenhang mit dem Mechanismus des „Lichtbogen gegen eine Wand drückens“ und die Verwendung eines Edelgases als Schutzgas zur Lichtbogenlöschung bekannt. In beiden Fällen führt jedoch die kurzzeitige „Tolerierung“ von den Lichtbögen zu einer verhältnismäßig geringen bzw. nicht hinreichend großen maximalen Stromtrag- und trennfähigkeit von Hochvolt-Schützen, die sich aus dem beim Schalten maximal zulässigen Energieeintrag in die Komponente ergibt.
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Dabei ergeben sich in der Anwendung im Kraftfahrzeug einige Herausforderungen. So macht die Verwendung einer HV-Sicherung aufgrund ihrer Trägheit bei kleinen Überströmen und dynamischen Stromprofilen große Leitungsquerschnitte notwendig. Die für den Leistungsbereich U ~ 450-1000 V und I ~ 400 A einsetzbaren Schütze besitzen große Aktoren, um bei den benötigten schweren Kontakten die geforderte Schockfestigkeit zu gewährleisten. Die großen Spulen der Aktoren machen die Schütze verhältnismäßig teuer und erfordern verhältnismäßig hohe Halteströme mit den damit einhergehenden hohen Verlustleistungen. Die im Kraftfahrzeugbereich bekannten Schütze besitzen keine Fähigkeit zur Trennung von Strömen > 6 kA, da andernfalls die in den Schaltlichtbögen (Schaltzeit - 10 ms) auftretende Energie zu einer Zerstörung des Schützes führen würde. Im Trennvorgang wird bei bekannten Schützen an beiden Kontaktpunkten ein Lichtbogen zwischen festem und aktuiertem Kontakt gezogen, der bis zur Löschung auf dem Kontaktpunkt brennt. Dies führt zu einer Beschädigung mit einhergehender Erhöhung des Übergangswiderstands an den Kontakten. Die Levitation (elektromagnetische Kontaktabhebung) führt bei großen Strömen dazu, dass die Kontakte verschweißen können.
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DE 10 2013 017 381 A1 beschreibt ein Installationsschaltgerät, mit einem im Kurzschlussfall mittels eines Kurzschlussstromauslösers betätigbaren Schaltkontakt. Ein Installationsschaltgerät kann zum Schalten von Betriebsströmen oder zum Abschalten von Kurzschlussströmen und auch von Überlastströmen im Fehlerfall in elektrischen Stromkreisen eingesetzt werden. Beispiele für
solche Installationsschaltgeräte sind Leitungsschutzschalter, Fehlerstromschutzschalter oder Motorschutzschalter. Bei dem hier beschriebenen Installationsschaltgerät ist eine Strombegrenzungseinrichtung vorhanden, deren Strombegrenzung im Kurzschlussfall der Betätigung des Schaltkontaktes voreilend wirksam wird und ansonsten unwirksam ist.
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Herausforderung und Anforderung zugleich ist somit neben einer deutlichen Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit die schnelle Unterbrechung des Schaltlichtbogens durch einen geeigneten Mechanismus zu erreichen. Außerdem gilt es zu verhindern, dass ein solcher Lichtbogen an der Kontaktfläche des geschlossenen Schützes entsteht. Darüber hinaus ist bei einer sehr schnellen Unterbrechung des Lichtbogens mit einer Spannungserhöhung zu rechnen, der gegebenenfalls mit einer parallel geschalteten Komponente zur Überspannungsbegrenzung begegnet werden muss.
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Beschreibung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel einen elektrischen Schalter zu schaffen der die genannten Herausforderungen oder einen Teil davon löst oder zu mindestens eine Verbesserung hierfür schafft.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.
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Der im Folgenden beschriebene elektrischer Schalter ist geeignet einen Strompfad einer Spannungsversorgung in einem Kraftfahrzeug zu unterbrechen. Der elektrische Schalter umfasst eine durch ein erstes Kontaktstück und ein zweites Kontaktstück gebildete Kontaktstelle. Die Kontaktstücke können auch verkürzt einfach als Kontakte bezeichnet werden. Das zweite Kontaktstück ist beweglich um eine Drehachse gelagert. Die Kontaktstelle ist elektrisch geschlossen, wenn sich die beiden Kontaktstücke in der Kontaktstelle berühren. Entsprechend ist die Kontaktstelle elektrisch geöffnet, wenn sich die beiden Kontaktstücke nicht berühren bzw. wenn kein Strom von dem ersten Kontaktstück zum zweiten Kontaktstück fließt, bzw. umgekehrt. Weiterhin umfasst der elektrische Schalter eine Aktoreinheit sowie ein Trennelement. Das Trennelement übernimmt zwei Funktionen. Zum ersten hebt es im Moment des Eindringens zwischen die beiden Kontaktstücke die Kontaktstücke voneinander ab, zum zweiten fungiert es mit dem Eindringen als Isolator zwischen den beiden Kontakten. Durch diese Eigenschaft ist die dielektrische Durchschlagsfestigkeit für diese Anordnung höher als für klassische Schütze oder Relais. Die Aktoreinheit ist ausgebildet, dass translatorisch bewegbare, elektrisch nicht-leitfähige Trennelement in eine erste Bewegungsrichtung und alternativ in eine zur ersten Bewegungsrichtung entgegengesetzte zweite Bewegungsrichtung zu bewegen, um die beiden Kontaktstücke voneinander zu trennen, um den elektrischen Schalter zu öffnen bzw. den Strompfad zu unterbrechen bzw. um den geöffneten Schalter wieder zu schließen und somit den Strompfad auch wieder zu schließen. Hierfür umfasst die Aktoreinheit ein Bewegungselement, eine Antriebseinrichtung, eine Einrichtung zum Erzeugen und gleichzeitig oder alternativ Speichern einer Bewegungsenergie sowie einen elektromagnetischen Aktor. Das Bewegungselement ist mit dem Trennelement des elektrischen Schalters mechanisch gekoppelt, sodass eine Bewegung des Bewegungselements auch eine entsprechende Bewegung des Trennelements bedeutet und umgekehrt. Die Antriebseinrichtung ist eingerichtet, das Bewegungselement in die erste Bewegungsrichtung zu bewegen, um die Kontaktstelle zu schließen. Die Einrichtung zum Erzeugen und gleichzeitig oder alternativ Speichern einer Bewegungsenergie in Form von potentieller Energie ist eingerichtet, das Bewegungselement und somit das Trennelement in die zur ersten Bewegungsrichtung entgegengesetzte zweite Bewegungsrichtung zu bewegen, um die Kontaktstelle zu öffnen. Der elektromagnetische Aktor ist eingerichtet, drei Betriebszustände einzunehmen.
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Im Folgenden wird für eine Erläuterung von einem monostabilen elektrischen Schalter ausgegangen, der, wenn er nicht angesteuert wird, den Stromkreislauf unterbicht. Wenn der elektromagnetische Aktor nicht bestromt wird, so ist das Bewegungselement frei in seiner Bewegung und kann von der Einrichtung zum Erzeugen und gleichzeitig oder alternativ Speichern einer Bewegungsenergie in die zweite Bewegungsrichtung bewegt werden, um die Kontaktstelle zu öffnen oder diese offen zu halten. Aus diesem Betriebszustand kann durch ein Koppeln des Bewegungselements mit der Antriebseinrichtung das Bewegungselement sowie das Trennelement in die erste Bewegungsrichtung bewegt werden und somit die Trennstelle geschlossen werden. In dieser offenen Position kann nun der elektromagnetische Aktor das Bewegungselement und/oder das Trennelement arretieren - solange der elektromagnetische Aktor bestromt ist. Dies spiegelt sich in den zumindest drei Betriebszuständen des elektromagnetischen Aktors wieder. In einem ersten Betriebszustand blockiert der elektromagnetische Aktor eine Bewegung des Bewegungselements in die zweite Bewegungsrichtung bzw. arretiert der elektromagnetische Aktor das Bewegungselement in einer definierten Position. Somit wird das Bewegungselement in einer Ruheposition gehalten, um die Kontaktstelle geschlossen zu halten. Im zweiten Betriebszustand ist der elektromagnetische Aktor dazu eingerichtet, das Bewegungselement in Richtung der Antriebseinrichtung zu bewegen und somit die Antriebseinrichtung mit dem Bewegungselement mechanisch zu koppeln. Wenn die Antriebseinrichtung mit dem Bewegungselement mechanisch gekoppelt ist kann das Bewegungselement mittels der Antriebseinrichtung in die erste Bewegungsrichtung bewegt werden, um die Kontaktstelle zu schließen. Der elektromagnetische Aktor ist in einem dritten Betriebszustand dazu eingerichtet, das Bewegungselement freizugeben. So blockiert weder der elektromagnetische Aktor eine Bewegung des Bewegungselements, noch ist das Bewegungselement mit der Antriebseinrichtung mechanisch gekoppelt. So ist im dritten Betriebszustand des elektromagnetischen Aktors durch die Einrichtung zum Erzeugen und gleichzeitig oder alternativ Speichern einer Bewegungsenergie in Form von potentieller Energie in die zweite Bewegungsrichtung bewegbar. Durch diese schnelle Bewegung des Bewegungselements und des damit gekoppelten Trennelements wird die Kontaktstelle geöffnet bzw. die beiden Kontaktstücke voneinander getrennt, um dann voneinander getrennt gehalten zu werden.
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Bei dem hier beschriebenen elektrischen Schalter wird nicht wie aus dem Stand der Technik bekannt ein Kontakt des Schützes, sondern ein Trennelement aktuiert. Dieses Trennelement wird zwischen die Kontaktstücke bewegt, weshalb eines der Kontaktstücke weiter beweglich ausgeführt wird. Weiterhin wurde erkannt, dass das Schließen eines Schützes nicht mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Öffnen erfolgen muss. Das Schließen des Kontakts erfolgt bei dem hier beschriebenen elektrischen Schalter daher über die Antriebseinrichtung, welche beispielsweise als ein Elektromotor mit einem Getriebe ausgeführt ist, und das Öffnen durch Einrichtung zum Erzeugen und/oder Speichern einer Bewegungsenergie in Form von potentieller Energie, welche beispielsweise als eine vorgespannte Feder ausgeführt ist.
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Weiterhin kommt der hier beschriebene elektrischer Schalter ohne einen großen Hubmagneten aus, der bei geschlossenem Kontakt dauerhaft die Spannung der Auslösefeder halten müsste. Stattdessen bedarf es nur eines kleineren elektromagnetischen Aktors, der das Trennelement bei geschlossenem Kontakt in einer definierten Position arretieren kann. Unter einem elektromagnetischen Aktor kann beispielsweise ein Reluktanz-Aktor, Hubmagnet oder englisch Solenoid verstanden werden. Der Hubmagnet kann als monostabiler Hubmagnet ausgebildet sein. Wenn es sich bei dem Hubmagneten um einen monostabilen Hubmagneten handelt, so ist auch der elektrische Schalter monostabil. Alternativ wenn es sich bei dem Hubmagneten um einen bistabilen Hubmagneten handelt, so ist auch der elektrische Schalter entsprechend bistabil. Diese Eigenschaft überträgt sich somit direkt auf den gesamten elektrischen Schalter.
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Bei dem vorliegenden elektrischen Schalter wird wie vorgestellt ein Trennelement aktuiert. Im Zustand des Einschaltens wird das Trennelement zwischen den Kontakten herausgezogen. Der flexible Kontakt in Form des zweiten Kontaktstücks wird durch eine Feder, insbesondere eine Kontaktdruckfeder, an dem Trennelement nachgeführt, legt sich somit „sanft“ an und stellt den Kontakt zum ersten Kontaktstück her. Ein Kontaktprellen wird dadurch vollständig verhindert oder mindestens stark reduziert. Somit kann das von bekannten Schützen beim Schließen des Kontakts durch das beschleunigte Auftreffen der beweglichen Kontaktbrücke auf den starren Kontakt auftretende Verhalten, dem allgemein bekannten Kontaktprellen, vermieden werden, bei dem die Kontaktbrücke noch einige Male leicht abhebt, wodurch kleine Lichtbögen entstehen, die zu einem erhöhten Verschleiß im Normalbetrieb führen und potentiell den Übergangswiderstand nach wiederholten Schaltspielen erhöhen.
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Weiterhin kann der elektromagnetische Aktor einen Kraftspeicherantrieb umfassen. Dabei kann der Kraftspeicherantrieb als eine Feder ausgebildet sein. Der Kraftspeicherantrieb unterstützt die monostabile Eigenschaft des elektromagnetischen Aktors, da dieser im unbestromten Zustand von der Bewegungseinrichtung weg gezogen wird. Mit anderen Worten kann im unbestromten Zustand der Aktor (Bolzen des Hubmagnets) zurückgezogen werden. Somit führt ein Abschalten der Versorgungsspannung für den elektromagnetischen Aktor zu einer Freigabe des Bewegungselements.
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Wie bereits ausgeführt wird bei dem hier beschriebenen elektrischen Schalter im Unterschied zu den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen nicht ein Kontakt, sondern ein Trennelement aktuiert. Ein Kontaktstück wird dabei jedoch weiter beweglich ausgeführt, allerdings geometrisch so angeordnet, dass ein Abheben durch den Effekt der Levitation im Kurzschlussfall nicht auftritt, da ein Großteil der Levitationskraft von dem Kontakt selbst aufgenommen werden kann. Die Levitationskraft ist die Komponente der folgenden Kräfte, die an der Kontaktstelle normal zur Kontaktanlage wirkt, also die Komponente, die zu einem Abheben (Levitation / approx „freies Schweben“) des beweglichen Kontakts führt. Diese Kraft setzt sich stets aus zwei Teilen zusammen: Holmsche Engekraft und Lorentzkraft. Erstere Kraft (Holmsche Engekraft) entsteht durch antiparallele Stromfäden an den sogenannten α-Spots, also den tatsächlichen Kontaktstellen und wirkt der Theorie nach genau normal zum festen, ersten Kontaktstück. Die vektorielle Komponente, die dann abhebend für den flexiblen Kontakt wirkt ist somit vom Winkel im geschlossenen Zustand abhängig. Die zweite Kraft ist die klassische bekannte Lorentzkraft die entsteht, wenn sich elektrische Ladungen in einem stationären Magnetfeld bewegen. Im Fall des hier beschriebenen Schützaufbaus wirkt diese Kraft nicht abhebend, sondern unabhängig von der Stromrichtung sogar der zu einer Kontaktabhebung führenden Komponente der Holmschen Engekraft entgegen. Das ist ein gravierender Unterschied zu Schützen aus dem Stand der Technik, bei denen beide beschriebenen Komponenten „100%“ abhebend wirken.
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In einer Ausführungsform verläuft ein Abschnitt des Trennelements schräg zur Bewegungsrichtung des Trennelements. Dabei entspricht die Bewegungsrichtung des Trennelements im Wesentlichen der Haupterstreckungsrichtung des Trennelements. Der schräg verlaufende Abschnitt des Trennelements weist somit die Form einer Spitze, Rampe oder Anschrägung auf. Durch eine derartige Spitze des Trennelements wird bei einem Bewegen in die zweite Bewegungsrichtung das zweite Kontaktstück über die Spitze von dem ersten Kontaktstück getrennt. Somit wird der Trennvorgang erleichtert und das Kontaktstück kann über die Spitze gleiten.
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In einer Ausführungsform umfasst das Trennelement im wesentlichen einen Keramikwerkstoff bzw. ist das Trennelement im Wesentlichen aus einem Keramikwerkstoff gefertigt. Hierdurch wird eine hohe elektrische Isolationsfähigkeit geschaffen.
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Optional besteht in einer Ausführungsform der schräg verlaufende Abschnitt des Trennelements aus leitfähigem Widerstandsmaterial. Durch eine leitfähige Spitze an dem Trennelement wird außerdem die Entstehung eines Lichtbogens an der Kontaktfläche des geschlossenen Schalters verhindert. Ein Schaltlichtbogen entsteht erst, wenn sich die leitfähige Spitze vollständig an dem flexiblen Kontakt, d. h. dem zweiten Kontaktstück, vorbeibewegt hat. So kann ein Schaltlichtbogen zwischen dem bewegbaren zweiten Kontaktstück und der leitfähigen Spitze entstehen. Dabei wird als leitfähige Spitze der schräg zur Bewegungsrichtung des Trennelements verlaufende Abschnitt des Trennelements bezeichnet. Das leitfähige Widerstandsmaterial ist entweder ausschließlich auf der Oberfläche des entsprechenden Abschnitts aufgebracht oder aber der Abschnitt ist vollständig aus einem entsprechenden leitfähigen Widerstandsmaterial zum Beispiel einem Metall gefertigt.
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Durch eine entsprechende Auslegung des Widerstandsmaterials und der dadurch leitfähigen Spitze kann der elektrische Widerstand derart ausgelegt werden, dass dieser die Funktion eines Vorladekreises erfüllt. Vorteilhafterweise können dadurch bei hohen Einschaltströmen Transienten vermieden werden, wodurch sowohl der elektrische Schalter als auch nachgeordnete elektrische Lasten geschützt werden. Wenn der Widerstandswert eines Trennelements im Bereich der Spitze dem Widerstand eines entsprechend ausgelegten Vorladewiderstands entspricht, kann das Vorladen dadurch erfolgen, dass der Einschaltstrom zunächst über diese Spitze fließt und erst nach einer definierten Zeit die Schaltkontakte schließen.
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Ferner kann der elektrische Schalter eine elektrisch isolierende Grundplatte aufweisen, in die bei einer Bewegung des Trennelements in die zweite Bewegungsrichtung die Spitze bzw. der schräg verlaufende Abschnitt des Trennelements nach dem Trennen der beiden Kontaktstücke eintaucht. Hierfür kann die Grundplatte eine Ausnehmung aufweisen, die im Wesentlichen der Form der Spitze des Trennelements entspricht und derart ausgeformt ist, dass die Spitze des Trennelements die Ausnehmung im Wesentlichen vollständig ausfüllt, wenn die Spitze des Trennelements in die Grundplatte eintaucht. Unter einer Ausnehmung kann somit eine Bohrung oder eine Vertiefung in der Grundplatte verstanden werden.
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Zur Löschung eines Lichtbogens taucht das Trennelement nach dem Öffnen der Kontaktstelle daraufhin in die Ausnehmung, oder mit anderen Worten eine Vertiefung der Grundplatte ein. Dort wird der Lichtbogen stark gekühlt und bricht zusammen. So kann bei einer Ausführungsform des hier beschriebenen elektrischen Schalters im Vergleich zum Stand der Technik auf ein Schutzgas und/oder Blasmagnete verzichtet werden. Dies ist deshalb von Vorteil, da bei Verwendung von Schutzgas ein ausreichender Gasdruck auch „End of Life“ gewährleistet werden muss, was zu hohen Dichtigkeitsanforderungen führt. Da Permanentmagnete außerdem teuer sind, ist ein Verzicht auf diese ebenfalls vorteilhaft. Insgesamt kann somit die Funktionstüchtigkeit verbessert werden bei gleichzeitig geringeren Kosten. Durch den Entfall des im Stand der Technik zur Lichtbogenlöschung verwendeten Blasmagneten entfällt auch eine Vorzugsrichtung des elektrischen Schalters. Der hier beschriebene elektrische Schalter weist in beide Durchflussrichtungen die gleiche Stromtragfähigkeit und Stromschaltfähigkeit auf. Somit sind auch Ladevorgänge effizient sch ützbar.
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Die Antriebseinrichtung kann als ein elektrischer Motor oder als ein elektrischer Motor mit einem Getriebe ausgebildet sein. Dabei kann die Antriebseinrichtung ein Zahnrad umfassen, welches mit dem Bewegungselement mechanisch koppelbar ist, um eine rotatorische Bewegung der Antriebseinrichtung in eine translatorische proportionale Bewegung des Bewegungselements umzusetzen. Alternativ ist eine Spindel als Umsetzer einer rotatorischen in eine translatorische Bewegung denkbar.
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Bei der Einrichtung zum Erzeugen und gleichzeitig oder alternativ zum Speichern einer Bewegungsenergie handelt es sich in einer Ausführungsform um eine Feder, insbesondere um eine in Schraubenform ausgeführte Feder. Dabei kann es sich um eine Druck- oder Zugfeder handeln, wobei die Feder in Richtung der zweiten Bewegungsrichtung wirkt, um die Kontaktstelle schnell zu öffnen.
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Bei dem Bewegungselement kann es sich um eine Zahnstange handeln. Somit kann ein Zahnrad der Antriebseinrichtung mit der Zahnstange mechanisch gekoppelt werden, indem die Zähne der Zahnstange mit den Zähnen des Zahnrads kämmen.
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Wie bereits ausgeführt ist der elektromagnetische Aktor eingerichtet in dem ersten Betriebszustand eine Bewegung des Bewegungselements in die zweite Bewegungsrichtung zu blockieren. Um dies zu erreichen kann die Zahnstange eine Bohrung oder Ausnehmung aufweisen, die ausgeformt ist, dass ein Element des elektromagnetischen Aktors zum Beispiel ein Verriegelungsbolzen in diese eingreift, wenn der elektromagnetische Aktor im ersten Betriebszustand ist. Je nach Ausformung ist somit eine Bewegung des Bewegungselements in die zweite Bewegungsrichtung oder in beide Bewegungsrichtungen blockiert.
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Eine Steuereinrichtung zum Ansteuern der Betriebszustände des elektromagnetischen Aktors sowie der Antriebseinrichtung kann in Form einer entsprechenden Elektronik in den elektrischen Schalter integriert sein. Eine derartige Steuereinrichtung weist entsprechende Steueranschlüsse auf.
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Als Teil der Steuereinrichtung oder als eine separate Einrichtung kann eine Zustandsüberwachungseinrichtung vorgesehen sein, welche den Zustand des elektrischen Schalters mittels einer Klemmenstrommessung bestimmt. Alternativ kann eine Zustandsüberwachung auch durch eine Detektion der Position des Verriegelungselements vom elektromagnetischen Aktor erfolgen.
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Weiterhin kann der elektrische Schalter einen Vorladekreis aufweisen welcher insbesondere einen Widerstand in Kombination mit einem elektromechanischen Relais oder einen Leistungshalbleiter umfasst. Hierdurch werden insbesondere Kondensatoren des Hochvolt-Bordnetzes vor steilen Stromtransienten geschützt, da die enthaltenen Kondensatoren andernfalls im nicht eingeschwungenen Zustand wie Kurzschlüsse wirken. In einer besonderen Ausführungsform des elektrischen Schalters kann sogar vollständig auf einen Vorladekreis verzichtet werden, wobei dessen Funktion durch den elektrischen Schalter (Schütz) selbst übernommen wird. Dies wäre erstens denkbar, wenn der Widerstandswert eines Trennelements im Bereich der Spitze, dem des oben beschrieben externen Widerstandes entspräche und das Vorladen dadurch erfolgt, dass der Einschaltstrom zunächst über diese Spitze fließt und erst nach einer definierten Zeit (z.B. nach 300 ms) das Trennelement vollständig „herausgefahren“ wird und dadurch die Schaltkontakte schließen. Zum zweiten kann potentielle auch auf die Vorladung verzichtet werden und ein direktes, hartes Aufschalten erfolgen, wenn eine entsprechende Impulslastfähigkeit der verwendeten Zwischenkreiskondensatoren gegeben ist. Konventionelle Schütze verschleißen nach ca. 40 bis 100 Schaltzyklen beim harten Aufschalten in eine Kapazität, da durch das Prellen beim Aufschalten mit der verbundenen Lichtbogenwirkung ein erheblicher Verschleiß der Kontaktflächen erfolgt. Dieser Effekt entfällt bei der erfinderischen Anordnung, da das Prellen beim Einschalten vermieden wird.
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Gegenüber den im Stand der Technik bekannten Lösungen wird mit einer Ausführungsform des hier beschriebenen elektrischen Schalters eine insgesamt deutlich verbesserte Trennfähigkeit von „weichen“ und „harten“ Kurzschlüssen mit gleicher Geschwindigkeit erreicht, sodass eine bisher stets nachgeschaltete HV-Sicherung entfallen kann, was wiederum die Reduzierung von Leitungsquerschnitten ermöglicht.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 - 3 eine schematische Darstellung eines elektrischen Schalters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 4 - 5 eine schematische Darstellung eines elektrischen Schalters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
- 6 - 7 eine schematische Darstellung der Wirkweise der Holmschen Engekraft und der Lorentzkraft.
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Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Detaillierte Beschreibung
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1 zeigt einen elektrischen Schalter 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Der elektrische Schalter 100 weist zwei Kontaktstücke 102, 104 auf, die sich in einer Kontaktstelle 106 kontaktieren. Der elektrische Schalter ist somit geschlossen. Das erste Kontaktstück 102 ist starr ausgebildet. Das zweite Kontaktstück 104 ist um eine Drehachse 108 beweglich angeordnet. Weiterhin weist der Schalter ein drittes Kontaktstück 110 auf. Das zweite Kontaktstück 104 und das dritte Kontaktstück 110 sind elektrisch miteinander verbunden. Dies ist über eine flexible Leitung 112, deren eines Ende mit dem zweiten Kontaktstück 104 und deren anderes Ende mit dem dritten Kontaktstück 110 verbunden ist, realisiert. An dem ersten Kontaktstück 104 und an dem dritten Kontaktstück 110 ist jeweils ein Schraubkontakt 114 zur Verbindung mit einem Strompfad beispielsweise einer Spannungsversorgung in einem Kraftfahrzeug vorgesehen. Weiterhin umfasst der elektrische Schalter 100 ein elektrisch nicht-leitfähiges Trennelement 116 sowie eine mit dem Trennelement 116 verbundene Aktoreinheit 118. Das Trennelement 116 ist eingerichtet, translatorisch bewegt zu werden. Weiterhin ist das Trennelement 116 eingerichtet die beiden Kontaktstücke 102, 104, d. h. das erste Kontaktstück 102 sowie das bewegliche zweite Kontaktstück 104, voneinander zu trennen und anschließend auseinander zu halten. Die Aktoreinheit 118 umfasst ein Bewegungselement 120, eine Antriebseinrichtung 122, einen elektromagnetischen Aktor 124 sowie eine Einrichtung 126 zum Erzeugen und/oder Speichern einer Bewegungsenergie. Das Bewegungselement 120 ist mit dem Trennelement 116 mechanisch gekoppelt. Somit wird eine Bewegung des Bewegungselements 120 direkt auf das Trennelement 116 übertragen und umgekehrt. Die Antriebseinrichtung 122 ist eingerichtet das Bewegungselement 120 in eine erste Bewegungsrichtung 128 zu bewegen, um die Kontaktstelle 106 zu schließen. Die Einrichtung 126 zum Erzeugen und/oder Speichern einer Bewegungsenergie ist eingerichtet, das Bewegungselement 120 und/oder das Trennelement 116 in eine zweite Bewegungsrichtung 130 zu bewegen, um die Kontaktstelle zu öffnen. Dabei weisen die erste Bewegungsrichtung 128 und die zweite Bewegungsrichtung 130 in zwei zueinander entgegengesetzte Richtungen.
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Der elektromagnetische Aktor 124 weist zumindest drei Betriebszustände auf, sowie Transitionen von einem dieser Betriebszustände in einen der anderen Betriebszustände. Die drei Betriebszustände sind in 1 bis 3 zu sehen, mit anderen Worten unterscheiden sich diese Figuren durch den eingenommenen Betriebszustand des elektromagnetischen Aktors 124. 1 zeigt den elektromagnetischen Aktor 124 in einem dritten Betriebszustand, indem das Bewegungselement 120 in seiner Bewegung freigegeben ist. In diesem Zustand wirkt die Einrichtung 126 zum Erzeugen und/oder Speichern einer Bewegungsenergie direkt auf das Bewegungselement 120 und indirekt auf das Trennelement 116 oder in einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel direkt auf das Trennelement 116 und indirekt über die mechanische Kopplung der beiden auf das Bewegungselement 120. 2 zeigt den elektromagnetischen Aktor 124 in einem zweiten Betriebszustand, in dem der elektromagnetische Aktor 124 das Bewegungselement 120 in Richtung der Antriebseinrichtung 122 drückt, wodurch die Antriebseinrichtung 122 mechanisch mit dem Bewegungselement 120 gekoppelt wird. Über eine entsprechende Ansteuerung der Antriebseinrichtung 122 ist nun das Bewegungselement 120 in die erste Bewegungsrichtung 128 bewegbar, wodurch sich die Kontaktstelle 106 schließt. 3 zeigt schließlich den ersten Betriebszustand des elektromagnetischen Aktors 124 in welchem letzterer eine Bewegung des Bewegungselements 120 blockiert und das Bewegungselement 120 in einer definierten Position hält. Die als Feder 132 ausgebildete Einrichtung 126 zum Erzeugen und/oder zum Speichern einer Bewegungsenergie wird unter einer Vorspannung gehalten. Mit anderen Worten wird das Bewegungselement 120 somit in einer Ruheposition gehalten, wodurch die Kontaktstelle 106 geschlossen bleibt und somit die beiden elektrischen Kontaktstücke 102, 104 eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Schraubkontakten 114 schaffen.
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In dem in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Bewegungselement 120 als eine Zahnstange 134 ausgeformt. Die Antriebseinrichtung 122 ist als ein Elektromotor 136 ausgebildet. Weiterhin wird das bewegliche zweite Kontaktstück 104 bei geschlossener Kontaktstelle 106 durch die rückstellende Kraft einer Kontaktdruckfeder 138 gegen das erste Kontaktstück 102 gedrückt.
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Zur besseren Unterdrückung einer Lichtbogen Ausbildung während eines Öffnungsvorganges weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel das Trennelement 116 an der dem zweiten Kontaktstück 104 zugewandten Seite einen schräg zur Bewegungsrichtung des Trennelements 116 verlaufenden Abschnitt 140 auf. Dieser schräg verlaufende Abschnitt 140 wird auch als Spitze 142, Rampe, Keil oder Abschrägung bezeichnet. In dem besonderen Ausführungsbeispiel, wie dies in 1 bis 3 dargestellt ist der als Spitze 142 ausgebildete schräg verlaufende Abschnitt 140 des Trennelements 116 aus leitfähigem Widerstandsmaterial hergestellt, um in der Anfangsphase der Kontakt Trennung noch keinen Lichtbogen zu erzeugen, sondern kurzzeitig noch einen Stromfluss zuzulassen. Der Stromfluss reißt anfänglich noch nicht ab und es entsteht somit auch noch kein Lichtbogen. Erst wenn die Spitze 142 sich komplett zwischen dem ersten und zweiten Kontaktstück 102, 104 hindurch bewegt hat, wechselt der nachrückenden Teilabschnitt des Trennelements 116 in einen isolierenden, elektrisch nicht leitfähigen Materialabschnitt. Zu diesem Zeitpunkt taucht die Spitze 142 in eine Grundplatte 144 des elektrischen Schalters 100. Die Grundplatte 144 ist elektrisch-isolierend und weist eine der Form der Spitze 142 angepasste Ausnehmung 146 auf, die derart ausgeformt ist dass die Spitze 142 des Trennelements 116 die Ausnehmung 146 im Wesentlichen vollständig ausfüllt, wenn wie hier beschrieben die Spitze 142 in die Grundplatte 144 eintaucht.
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Neben dem Elektromotor 136 umfasst die Antriebseinrichtung 122 weiterhin ein Zahnrad 148. Das Zahnrad 148 kann in einem Ausführungsbeispiel auch als ein Getriebe verstanden werden. Die Zähne des Zahnrads 148 kämen in der Darstellung in 2 d. h. im zweiten Betriebszustand des elektromagnetischen Aktors 124 mit den Zähnen der Zahnstange 134.
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Bei dem elektromagnetischen Aktor 124 handelt es sich im Wesentlichen um einen Hubmagneten 150, wobei zusätzlich eine Zugfeder 152 vorgesehen ist. Die Zugfeder 152 ist eingerichtet, im unbestromten Zustand des Hubmagneten 150 dessen Anker/Bolzen in Richtung von der Zahnstange 134 weg zu bewegen, um diese freizugeben. Dadurch wird sichergestellt, dass der elektromagnetische Aktor 124 monostabil ist. Weiterhin wird dadurch als sicherer Zustand des elektrischen Schalters „aus“ eingestellt.
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Wenn auf die Verwendung der Feder 152 verzichtet wird, ist der Hubmagnet bistabil, was sich auch direkt auf das ganze Schütz übertragen würde.
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Das erste Kontaktstück 102 weist einen Isolationsmantel 154 auf, der im Bereich der Kontaktstelle 106 unterbrochen ist, um Platz für eine Kontaktfläche 156 zu schaffen. Die Kontaktfläche 156 durchdringt elektrisch leitfähig den Isolationsmantel 154. Somit wird ein elektrischer Kontakt zwischen dem zweiten Kontaktstück 104 und der Kontaktfläche 156 geschaffen. Die Kontaktfläche 156 ist Teil des ersten Kontaktstück 102, sodass weiterhin ein elektrischer Kontakt zwischen dem ersten Kontaktstück 102 und dem zweiten Kontaktstück 104 herstellbar ist. Der Isolationsmantel 154 unterstützt das unterbinden oder verringern von Lichtbögen. Der Isolationsmantel 154 ist beispielsweise aus einem Kunststoff oder einem Keramikwerkstoff gefertigt.
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Das Bewegungselement 120 bzw. die Zahnstange 134 weisen eine Aussparung 158 oder eine Bohrung auf, in die ein Element des elektromagnetischen Aktors 124 im entsprechenden Betriebsmodus, d. h. dem dritten Betriebszustand eingreift, um eine Bewegung des Bewegungselements 120 bzw. der Zahnstange 134 zu blockieren. In einer Ausführungsform weist der Hubmagnet 150 einen Anker auf, dessen aus dem Hubmagneten 150 herausstehender Abschnitt, der auf der der Zugfeder 152 gegenüberliegenden Seite des Hubmagneten 150 aus diesem herausragt. Dieser herausstehende Abschnitt ist ausgeformt, um im dritten Betriebszustand in die Aussparung 158 einzugreifen und somit die Bewegung des Bewegungselements 120 zu blockieren.
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Der elektrische Schalter 100 wird im Folgenden noch einmal mit anderen Worten beschrieben. Eine Vorrichtung für das Schalten von Gleichströmen wie der hier dargestellte elektrische Schalter 100 ist beispielsweise geeignet zum Herstellen und Trennen einer Spannungsversorgung in einem Kraftfahrzeug unter Last. Die Anordnung besitzt einen Schaltbereich sowie einen Aktorbereich. Im Schaltbereich befinden sich zwei Kontakte (erstes Kontaktstück 102 sowie zweites und drittes Kontaktstück 104, 110), wobei ein Kontakt (zweites und drittes Kontaktstück 104,110) über eine flexible Verbindung 160 umgelenkt wird. Eine Feder bzw. Kontaktdruckfeder 138, insbesondere als Schrauben- oder Drehfeder ausgeführt, drückt das flexible Kontaktteil (zweites Kontaktstück 104) an den anderen Kontakt (erstes Kontaktstück 102). Je nach Ausführung des flexiblen Kontakts, kann die Anlagerung an den zweiten Kontakt punkt-, zonen-, flächen- oder linienförmig ausgeführt werden. Dieser zweite Kontakt (erstes Kontaktstück 102) ist starr und besitzt eine vorgelagerte Fläche (Kontaktfläche 156) dort, wo der flexible Kontakt (zweites Kontaktstück 104) im geschlossenen Zustand des elektrischen Schalters 100 anliegt. Jenseits von dieser Kontaktfläche 156 ist das erste Kontaktstück 102 von einem isolierenden Material, insbesondere Kunststoff, umgeben. Dadurch wird im weiteren Verlauf eine beidseitige Trennung des Kontakts erreicht.
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Im Aktorbereich befinden sich ein Elektromotor 136 mit einem nicht explizit dargestellten Getriebe und ein elektromagnetischer Aktor 124, insbesondere Reluktanz-Aktor (Hubmagnet 150) sowie eine Zahnstange 134 und eine weitere vorzugsweise in Schraubenform ausgeführte Feder 132. Die Zahnstange 134 ist mit einem Trennelement 116 verbunden. Das Trennelement 116 besitzt nicht dargestellte seitliche Führungen oder wird passiv seitlich geführt und kann so zwischen die Kontaktstücke 102, 104 bewegt werden. Die Feder 132 kann entweder direkt oder indirekt über die Zahnstange 134 an das Trennelement 116 angebunden sein. Das Trennelement 116 besteht aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material, vorzugsweise aus Keramik oder Glas, seine Spitze 142 jedoch wird in einem Ausführungsbeispiel aus einem elektrisch leitfähigen Material, vorzugsweise Metall, gefertigt.
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Das Getriebe des Elektromotors 136 bzw. das Zahnrad 148 und die Zahnstange 134 greifen im stromlosen Zustand nicht ineinander. Durch die Bestromung des normal zur Zahnstange 134 angeordneten elektromagnetischen Aktors 124, drückt dieser die Zahnstange 134 in das Getriebe des Elektromotors 136 bzw. in das Zahnrad 148. Anschließend wird durch Bestromung des Elektromotors 136 das Trennelement 116 zwischen den beiden Kontaktstücke 102, 104 heraus bewegt und dadurch die Feder 132 vorgespannt. An einer definierten Stelle besitzt die Zahnstange 134 ein Loch bzw. Eine Aussparung 158, in welche der weiter bestromte Aktor 124 eintauchen kann. Durch diesen Mechanismus werden die Zahnstange 134 und das Getriebe des Elektromotors 136 bzw. das Zahnrad 148 voneinander getrennt und das Trennelement 116 arretiert. Der elektrische Schalter 100 hat gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung den entscheidenden Vorteil, dass kein elektromagnetischer Aktor benötigt wird, der die gesamte Kraft der vorgespannten Feder 132 halten muss, weshalb sich signifikant geringere Halteströme ergeben, die es erlauben den Aktor bzw. die Aktoreinheit 118 erheblich kleiner, leichter und damit auch kostengünstiger auszuführen.
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Der elektromagnetische Aktor 124 kann dabei je nach Verwendungszweck entweder mono- oder bistabil ausgeführt werden. Diese Eigenschaft würde sich dann auch direkt auf den auch als Schütz bezeichneten elektrischen Schalter 100 übertragen. Im Folgenden wird zunächst von einer monostabilen Anordnung ausgegangen.
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Durch das Ausschalten des Steuerstroms am elektromagnetischen Aktor 124, wird der Aktor 124 durch eine Rückholfeder 152 aus dem Loch (Aussparung 158) in der Zahnstange 134 entnommen. Daraufhin schnellt das Trennelement 116 zwischen die Kontakte (Kontaktstücke 102, 104) des Schalters 100. Die elektrisch leitfähige Spitze 142 jenes Trennelements 116 hebt das beweglich ausgeführte zweite Kontaktstück 104 ab. Da der Strom jedoch zunächst über die elektrisch leitfähige Spitze 142 weiterfließen kann, entsteht zunächst kein Schaltlichtbogen an der Kontaktfläche (Kontaktstelle 106) des geschlossenen Schalters 100. Die Kontaktstelle 106 wird dadurch geschont. Ein Schaltlichtbogen entsteht erst, wenn sich die leitfähige Spitze 142 vollständig an dem flexiblen zweiten Kontaktstück 104 vorbeibewegt hat. Er entsteht dann zwischen diesem zweiten Kontaktstück 104 und der leitfähigen Spitze 142. Zur Löschung dieses Lichtbogens taucht das Trennelement 116 daraufhin unmittelbar in eine Vertiefung der Grundplatte 144 ein. Dort wird der Lichtbogen stark gekühlt und bricht zusammen.
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Durch all diese Maßnahmen wird gegenüber den, dem Stand der Technik bekannten Lösungen eine insgesamt deutlich größere Trennfähigkeit von „harten“ Kurzschlüssen erzielt, sodass eine bisher nachgeschaltete HV-Sicherung entfallen kann, was wiederum die Reduzierung von Leitungsquerschnitten ermöglicht.
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Neben der oben beschriebenen Anordnung gemäß 1 bis 3 ist es auch denkbar wie in den folgenden 4 und 5 gezeigt, die Aktoreinheit 118 zwischen den Anschlusskontakten zu platzieren. Die oben beschriebene und in 1 bis 3 gezeigte Anordnung besitzt jedoch den Vorteil, dass die Aktoreinheit 118 und der Schaltbereich mit den Kontakten räumlich separiert sind. Dadurch lassen sich höhere Kontaktanschlusstemperaturen tolerieren. Außerdem können auf diese Weise die Kontaktlängen reduziert werden. Hinzu kommt ein weiterer Vorteil der ersten Ausführungsform gemäß 1 bis 3, da die elektromagnetische Lorentzkraft dort die Kontaktkraft unter Bestromung zusätzlich erhöht.
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Je nach Dimensionierung der Anordnung kann eine Auslegung auf niedrige Spannungen im Bereich 40 - 60 V für insbesondere für 48 V-Anwendungen oder für HV-Anwendungen mit Spannungen im Bereich -400 - 1000 V erfolgen. Weiterhin kann der elektrische Schalter 100 derart stufenweise ausgeführt werden, dass sie für unterschiedliche maximale Trennströme einsetzbar ist. Da anders als bei den, dem Stand der Technik bekannten Lösungen nicht ein Kontakt selbst sondern ein drittes Element (hier: Trennelement 116) aktuiert wird, können unterschiedliche Leiterquerschnitte bei annähernd gleichbleibender Aktoranordnung verwendet werden.
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Die Ansteuerung des elektromagnetischen Aktors 124 sowie des Elektromotors 136 erfolgt in der Regel über hier nicht dargestellte Steueranschlüsse und die sequentielle Bestromungsfolge von elektromagnetischem Aktor 124 und Elektromotor 136 wird durch eine externe Elektronik realisiert.
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Optional kann zur Darstellung einer Diagnosefähigkeit der elektrische Schalter 100 zusätzlich eine Klemmenstrommessung zur Zustandsüberwachung integriert werden. Weiterhin kann durch die oben beschriebene Positionsdetektion des Bolzens vom elektromagnetischen Aktor eine Zustandsüberwachung eingerichtet werden.
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In einer besonderen Ausführungsform kann ein externer Vorladekreis, wie er derzeit parallel zu dem elektrischen Schalter 100 an der Plusseite geschaltet ist, in die Elektronik integriert werden. Bei dem Stand der Technik besteht dieser Vorladekreis aus einem Relais sowie aus einem Widerstand. Beim Einschalten des Systems wird zunächst das Relais durchgeschaltet, sodass die im System verbauten Bauteile, insbesondere die Kondensatoren, nicht unmittelbar mit dem vollen Betriebsstrom belastet werden. Dieser Vorladekreis kann für die Integration in die Elektronik des Schalters durch einen Widerstand und einen Leistungshalbleiter ersetzt werden.
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Bei dem in 4 und 5 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel eines elektrischen Schalters 100 ist die Aktoreinheit zwischen dem ersten Kontaktstück 102 und dem dritten Kontaktstück 110 angeordnet. Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist in Bezug auf das zweite Kontaktstück 104 auf der dem Trennelement 116 gegenüberliegenden Seite eine Grundplatte 144 mit einer Ausnehmung 146 angeordnet. Die Kontaktdruckfeder 138 ist zwischen dem zweiten Kontaktstück 104 und der Grundplatte 144 angeordnet, um bei einem Schließvorgang des elektrischen Schalters 100 das zweite Kontaktstück 104 wieder in elektrischen und mechanischen Kontakt mit dem ersten Kontaktstück 102 zu bringen oder bei einem hergestellten elektrischen und mechanischen Kontakt zwischen den beiden Kontaktstücke in 102, 104 diesen zu halten. Das zweite Kontaktstück 104 ist im geschlossenen Zustand des elektrischen Schalters 100 schräg in Bezug auf das erste Kontaktstück 102 angeordnet. Der entsprechende Winkel zwischen dem ersten Kontaktstück 102 und dem zweiten Kontaktstück 104 bewegt sich in der Regel zwischen 10° und 80° wobei der entsprechende Winkel bevorzugt zwischen 20° und 45° beträgt. Die schräge der Spitze 142 des Trennelements 116 steht in Bezug zu besagtem Winkel. Dabei weist die Spitze 142 bevorzugt einen spitzen Winkel auf.
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Wie bereits zuvor ausgeführt, ist ein besonderer Vorteil des hier beschriebenen elektrischen Schalters 100, 600 darin zu sehen, wie die Holmsche Engekraft und die Lorentzkraft auf den elektrischen Schalter 100, 600 wirken. Hierzu ist in 6 ein klassischer Schütz 600 dargestellt. Der Stromfluss ist symbolisch durch mit i bezeichnete Pfeile dargestellt. In einer Spule 670 ist ein translatorisch bewegbarer Anker 672 angeordnet, welcher eingerichtet ist mittels eines Schaltstücks 674 eine erste Stromschiene 676 mit einer zweiten Stromschiene 678 zu verbinden. Zwischen dem Schaltstück 674 und den beiden Stromschienen 676, 678 ist im geschlossenen Zustand des Schützes 600 der Kontakt geschlossen. In der Darstellung gemäß 6 bewegt sich das Schaltstück 674 zum Öffnen des Schützes 600 in der Zeichenebene nach oben. Die Holmsche Engekraft 680 wirkt in den Kontaktstellen zwischen dem Schallstück 674 und den beiden Stromschienen 676, 678 in der Zeichenebene nach oben. Die Lorentzkraft 682 wirkt auf das Schaltstück 674 in der Zeichenebene nach oben. So wirken die Lorentzkraft 682 sowie die Holmsche Engekraft 680 in die selbe Richtung, welche der Bewegungsrichtung zum Öffnen des Schützes 600 entspricht.
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Anders sehen die Holmsche Engekraft 680 sowie die Lorentzkraft 682 bei einem elektrischen Schalter 100 aus, wie dieser im ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 bis 3 dargestellt ist. Die entsprechenden Kraftpfeile sind in einer vereinfachten Darstellung eines solchen elektrischen Schalters 100 in 7 dargestellt. Die Engekraft 780 wirkt senkrecht auf die Kontaktstelle 106 des ersten Kontaktstücks 102 in Richtung des dritten Kontaktstücks 110. Dabei kann die Engekraft 780 vektoriell betrachtet werden. Ein erster Kraftvektor 780' der Engekraft 780 wirkt entlang des zweiten Kontaktstücks 104, an dessen Spitze setzt ein zweiter Kraftvektor 780" an und schließt das Kraftdreieck zur Spitze des Vektors der Engekraft 780. Der zweite Kraftvektor 780" steht senkrecht zur Ausrichtung der Engekraft 780 oder mit anderen Worten parallel zum ersten Kontaktstück 102. Der erste Kraftvektor 780' verläuft von der Kontaktstelle 106 entlang der Haupterstreckungsrichtung des zweiten Kontaktstücks 104. Die Lorentzkraft 782 wirkt auf das zweite Kontaktstück 104, wobei die Richtung der Lorentzkraft 782 dem zweiten Kraftvektor 780" genau entgegengesetzt ist.
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Da es sich bei der vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen um Ausführungsbeispiele handelt, können sie in üblicher Weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind die mechanischen Anordnungen und die Größenverhältnisse der einzelnen Elemente zueinander lediglich beispielhaft dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- elektrischer Schalter
- 102
- erstes Kontaktstück
- 104
- zweites Kontaktstück
- 106
- Kontaktstelle
- 108
- Drehachse
- 110
- drittes Kontaktstück
- 112
- Leitung
- 114
- Schraubkontakt
- 116
- Trennelement
- 118
- Aktoreinheit
- 120
- Bewegungselement
- 122
- Antriebseinrichtung
- 124
- elektromagnetische Aktor
- 126
- Einrichtung zum Erzeugen und / oder Speichern einer Bewegungsenergie
- 128
- erste Bewegungsrichtung
- 130
- zweite Bewegungsrichtung
- 132
- Feder
- 134
- Zahnstange
- 136
- Elektromotor, elektrischer Motor
- 138
- Kontaktdruckfeder
- 140
- schräg verlaufender Abschnitt
- 142
- Spitze
- 144
- Grundplatte
- 146
- Ausnehmung
- 148
- Zahnrad
- 150
- Hubmagnet
- 152
- Zugfeder, Rückholfeder
- 154
- Isolationsmantel
- 156
- Kontaktfläche
- 158
- Aussparung
- 160
- flexible Verbindung
- 600
- Schütz, elektrischer Schalter
- 670
- Spule
- 672
- Anker
- 674
- Schaltstück
- 676, 678
- Stromschiene
- 680, 780
- Engekraft
- 780'
- erster Kraftvektor der Engekraft
- 780"
- zweiter Kraftvektor der Engekraft
- 682, 782
- Lorentzkraft
