-
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schalter sowie ein Verfahren zum Öffnen oder Schließen eines Stromkreises.
-
Typischerweise besitzen elektromechanische Schutz- und Schaltgeräte der Niederspannungstechnik ein Kontaktsystem, welches in Abhängigkeit des Schaltzustandes Strom führen, unterbrechen und im geöffneten Zustand die Trennfunktionen sicherstellen muss. An das Kontaktsystem werden in den verschiedenen Schaltzuständen zum Teil gegenläufige Anforderungen gestellt wie beispielsweise geringer Widerstand, hochverschweißfest oder hochabbrandfest. Ein Kontaktsystem besteht üblicherweise aus einem Fest- und einem Bewegkontakt mit einer oder mehreren Kontaktauflagen.
-
Typischerweise werden entweder Kompromisse oder technisch aufwendige Umgehungslösungen eingesetzt. Als Kompromiss werden bestimmte Materialkombinationen, wie beispielsweise AgC oder AgW mit ausgewogenen Eigenschaften eingesetzt, wobei die negativen Eigenschaften durch hohe Kontaktkräfte, eingeschränkte Arbeitsbereiche oder durch einen höheren Materialeinsatz kompensiert bzw. teilkompensiert werden.
-
In der
JP 2002033149 A wird ein optimiertes Kontaktsystem offenbart, welches durch additive Komponenten, die nur im Stromnulldurchgang geschaltet werden, eine aufwendige Umgehungslösung darstellt. In der
WO 2014182808 A1 wird ein dynamisches Widerstandselement offenbart, welches ein lichtbogenfreies Schalten ermöglicht.
-
Generell ist es wünschenswert, dass im Schaltzustand „EIN“ des Kontaktsystems die Kontaktflächen niederohmig sind, so dass ein möglichst geringer Widerstand mit geringen Verlusten besteht, und dass im Schaltzustand „ABSCHALTEN“ hochabbrandfeste Materialien im Kontaktbereich sind, so dass möglicherweise entstehende Lichtbögen wenig Material abdampfen bzw. beschädigen.
-
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen elektrischen Schalter und ein Verfahren zum Öffnen oder Schließen eines elektrischen Schalters zur Verfügung zu stellen, welcher die im Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den elektrischen Schalter gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen elektrischen Schalters sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 angegeben. Die Aufgabe wird ebenfalls erfindungsgemäß durch das Verfahren zum Öffnen gemäß Anspruch 10 und das Verfahren zum Schließen gemäß Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Verfahren sind in den Unteransprüchen 11 und 13 angegeben.
-
Der elektrische Schalter zum Öffnen und Schließen eines Stromkreises gemäß Anspruch 1 umfasst einen ersten, feststehenden Kontakt und einen zweiten, beweglichen Kontakt, wobei in einer ersten Stellung zum Schließen des Stromkreises der erste Kontakt in mechanischem Kontakt mit dem zweiten Kontakt steht und einer zweiten Stellung zum Öffnen des Stromkreises der erste Kontakt mechanisch vom zweiten Kontakt getrennt ist, wobei der zweite, bewegliche Kontakt ein erstes Teil und ein zweites Teil umfasst und das erste Teil relativ zum zweiten Teil in Bezug auf den ersten, feststehenden Kontakt beweglich ist, wobei beim Öffnen oder Schließen des Stromkreises die beiden Teile nacheinander vom ersten Kontakt getrennt oder nacheinander den mechanischen Kontakt zum ersten Kontakt herstellen.
-
Der erfindungsgemäße elektrische Schalter ermöglicht es, die Leistungsgrenze primär zu erhöhen bzw. auf den Anwendungsfall zu optimieren. Ebenso kann der erfindungsgemäße elektrische Schalter die Kostenposition optimieren und sekundär die Leistungsgrenze erhöhen. Die erfindungsgemäße Kontaktanordnung ermöglichen es, ein hohes Schaltvermögen durch eine geeignete zeitliche Abstimmung der Kontaktbewegung des ersten Teils und des zweiten Teils zu erreichen, ebenso eine hohe Selektivität bzw. Backup-Schutzwerte. Darüber hinaus kann der Materialeinsatz reduziert werden sowie Standardmaterialien verwendet werden.
-
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrischen Schalters sind das erste Teil und das zweite Teil elektrisch parallel zueinander geschaltet.
-
In einer weiteren Ausgestaltung ist das erste Teil zylinderförmig ausgebildet und das zweite Teil als Stift, welcher im zylinderförmigen ersten Teil verläuft.
-
In einer Ausgestaltung werden die beiden Teile nacheinander vom ersten Kontakt getrennt oder nacheinander den mechanischen Kontakt zum ersten Kontakt herstellen durch eine lineare Bewegung des ersten Teils und des zweiten Teils.
-
In einer weiteren Ausgestaltung sind das erste Teil und das zweite Teil aus unterschiedlichen Materialien gefertigt.
-
In einer weiteren Ausgestaltung werden die beiden Teile nacheinander vom ersten Kontakt getrennt oder nacheinander den mechanischen Kontakt zum ersten Kontakt herstellen durch eine Abrollbewegung des zweiten Kontakts.
-
In einer Ausgestaltung umfasst der erste Kontakt Zonen unterschiedlicher Materialien.
-
Die Zonen unterschiedlicher Materialien können am Berühr-Punkt des ersten Teils mit dem ersten Kontakt und am Berühr-Punkt des zweiten Teils mit dem ersten Kontakt ausgebildet sein. Die Zonen unterschiedlicher Materialien können elektrisch parallel zueinander geschaltet sein.
-
Das Verfahren zum Öffnen eines Stromkreises eines erfindungsgemäßen elektrischen Schalters gemäß Anspruch 10 umfasst die Schritte:
- - Entfernen des ersten Teils vom ersten Kontakt; und danach
- - Entfernen des zweiten Teils vom ersten Kontakt.
-
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst dieses einen weiteren Schritt vor dem Entfernen des ersten Teils vom ersten Kontakt:
- - Verbinden des zweiten Teils mit dem ersten Kontakt, so dass der erste Teil und der zweite Teil im mechanischen Kontakt zum ersten Kontakt stehen.
-
Das Verfahren zum Schließen eines Stromkreises eines erfindungsgemäßen Schalters gemäß Anspruch 12 umfasst die Schritte:
- - Verbinden des zweiten Teils mit dem ersten Kontakt; und danach
- - Verbinden des ersten Teils mit dem ersten Kontakt.
-
Einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens zum Schließen eines Stromkreises umfasst dieses einen weiteren Schritt nach Verbinden des ersten Teils mit dem ersten Kontakt:
- - Entfernen des zweiten Teils vom ersten Kontakt, so dass nur der erste Teil im mechanischen Kontakt zum ersten Kontakt steht.
-
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung, so wie die Art und Weise, wie sie erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich in Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die in Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden.
-
Dabei zeigen:
- 1A, 1B, 1C, 1D Elektrischer Schalter mit erstem, feststehendem Kontakt und zweitem, beweglichem Kontakt, wobei der zweite, bewegliche Kontakt ein erstes Teil und ein zweites Teil umfasst;
- 2 Elektrischer Schalter mit einem zylinderförmig ausgebildeten ersten Teil und einem als Stift ausgebildeten zweiten Teil;
- 3A, 3B, 3C Elektrischer Schalter mit erstem Teil und zweitem Teil aus unterschiedlichen Materialien;
- 4A, 4B, 4C elektrischer Schalter mit Zonen unterschiedlicher Materialien;
- 5 Verfahren zum Öffnen eines Stromkreises eines elektrischen Schalters; und
- 6 Verfahren zum Schließen eines Stromkreises eines elektrischen Schalters.
-
In den 1A, 1B, 1C und 1D ist eine erste Ausführungsform eines elektrischen Schalters 100 zum Öffnen und Schließen eines Stromkreises dargestellt. Dabei umfasst der elektrische Schalter 100 einen ersten, feststehenden Kontakt 110 und einen zweiten, beweglichen Kontakt 120. In einer ersten Stellung zum Schließen des Stromkreises steht der erste, feststehende Kontakt 110 in mechanischem Kontakt mit dem zweiten, beweglichen Kontakt 120 und in einer zweiten Stellung zum Öffnen des Stromkreises ist der erste, feststehende Kontakt 110 mechanisch vom zweiten, beweglichen Kontakt 120 getrennt. In 1A ist die erste Stellung zum Schließen des Stromkreises dargestellt, in der 1D die zweite Stellung zum Öffnen des Stromkreises.
-
Der zweite, bewegliche Kontakt 120 umfasst ein erstes Teil 121 und ein zweites Teil 122, wobei das erste Teil 121 relativ zum zweiten Teil 122 in Bezug auf den ersten, feststehenden Kontakt 110 beweglich ist, und wobei beim Öffnen oder Schließen des Stromkreises die beiden Teile 121, 122 nacheinander vom ersten Kontakt 110 getrennt oder nacheinander den mechanischen Kontakt zum ersten Kontakt 110 herstellen.
-
Entsprechend der Darstellungen in 1A, 1B, 1C und 1D sorgt eine Abrollbewegung des zweiten Kontakts 120 dafür, dass die beiden Teile 121, 122 nacheinander vom ersten Kontakt 110 getrennt oder nacheinander den mechanischen Kontakt zum ersten Kontakt 110 herstellen. Diese Abrollbewegung ist in den 1A, 1B und 1C dargestellt:
-
In einem ersten Schritt entsprechend der Darstellung in 1A stellt nur der erste Teil 121 einen mechanischen Kontakt zum ersten, feststehenden Kontakt 110 her. Der Strom kann somit vom ersten, feststehenden Kontakt 110 über die Kontaktstelle des ersten Teils 121 zum zweiten, beweglichen Kontakt 120 fließen. Der erste, feststehende Kontakt 110 umfasst dazu beispielsweise ein Kontaktstück 111 oder eine Zone 111, auf dem das erste Teil 121 des zweiten, beweglichen Kontakts 120 aufliegt. Der elektrische Schalter ist im Zustand „EIN“. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass das Kontaktstück 111 bzw. die Zone 111 aus einem niederohmigen Material gefertigt ist, so dass der elektrische Widerstand möglichst gering ist und auch die Verluste bzw. die Verlustleistung minimiert wird.
-
In 1B ist der zweite Teil 122 relativ zum ersten Teil 121 des zweiten, beweglichen Kontakts 120 bewegt worden, so dass nun auch der zweite Teil 122 in mechanischem Kontakt mit dem ersten, feststehenden Kontakt 110 steht. Auch hier ist an der Kontaktstelle ein Kontaktstück 112 auf dem ersten, feststehenden Kontakt 110 aufgebracht worden, allgemein umfasst der erste, feststehende Kontakt 110 eine zweite Zone 112. Das zweite Kontaktstück 112 bzw. die zweite Zone 112 kann beispielsweise aus einem hochabbrandfesten Material hergestellt sein. Somit haben die Zonen 111, 112 unterschiedliche Materialien. Dadurch, dass das erste Teil 121 und das zweite Teil 122 elektrisch parallel zueinander geschaltet sind und dies ebenfalls für die Zonen 111, 112 gilt, fließt der Strom bevorzugt über den ersten Teil 121 und das erste Kontaktstück 111 bzw. die erste Zone 111.
-
Durch eine Weiterführung der Abrollbewegung in die Position der Darstellung von 1C werden das erste Teil 121 und das zweite Teil 122 wiederum relativ zueinander bewegt, so dass das erste Teil 121 mechanisch getrennt ist vom ersten, feststehenden Kontakt 110 bzw. vom Kontaktstück 111 oder der ersten Zone 111. Nun kann der Strom nur noch über den zweiten Teil 122 und das zweite Kontaktstück 112 bzw. die zweite Zone 112 fließen.
-
1D zeigt den Schaltzustand „ABSCHALTEN“ bzw. die zweite Stellung zum Öffnen des Stromkreises, in der der erste Kontakt 110 mechanisch vom zweiten Kontakt 120 getrennt ist. Entsprechend der 1C bedeutet dies, dass der zweite Teil 122 des zweiten, beweglichen Kontakts 120 mechanisch vom ersten, feststehenden Kontakt 110 entfernt wurde. Bei einem Entfernen unter Stromfluss entsteht ein Lichtbogen, der sich aber aufgrund der räumlichen Konfiguration zwischen dem zweiten Teil 122 und der zweiten Zone 112 bzw. dem zweiten Kontaktstück 112 ausbildet. Da das zweite Kontaktstück 112 bzw. die zweite Zone 112 aus hochabbrandfestem Material besteht, wird beim erfindungsgemäßen Schalter 100 der Lichtbogen wenig Material abtragen und damit zu einer geringeren Beschädigung des elektrischen Schalters 100 führen.
-
Die Sequenz der Schalterstellungen dargestellt in den 1A, 1B, 1C und 1D kann auch in der entgegengesetzten Reihenfolge 1D, 1C, 1B und 1A durchlaufen werden zum Schließen eines Stromkreises.
-
2 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform des elektrischen Schalters 100, bei dem das erste Teil 121 zylinderförmig ausgebildet ist und das zweite Teil 122 als Stift, welcher im zylinderförmigen, ersten Teil 121 verläuft. Durch eine lineare Bewegung des ersten Teils 121 und des zweiten Teils 122 können die beiden Teile 121, 122 nacheinander vom ersten Kontakt 110 getrennt oder nacheinander den mechanischen Kontakt zum ersten Kontakt 110 herstellen.
-
In den 3A, 3B und 3C ist eine Sequenz zum Öffnen eines Stromkreises dargestellt, bei der das erste Teil 121 und das zweite Teil 122 aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind. Entsprechend der Darstellung der 3A, 3B und 3C ist das erste Teil 121 aus einem niederohmigen Material gefertigt und das zweite Teil 122 aus einem hochabbrandfesten.
-
In der Darstellung der 3A ist der elektrische Schalter 100 im Schaltzustand „EIN“. Der elektrische Strom kann vom ersten, feststehenden Kontakt 110 zum zweiten, beweglichen Kontakt 120 über das erste Teil 121 und das zweite Teil 122 fließen. Dadurch, dass das erste Teil 121 aus niederohmigem Material gefertigt ist, wird der Strom bevorzugt über das erste Teil 121 fließen. In einem ersten Schritt wird durch eine lineare Bewegung das erste Teil 121 mechanisch vom ersten, feststehenden Kontakt 110 getrennt entsprechend der Darstellung in 3B. Der Stromkreis ist immer noch geschlossen und der Stromfluss kann nur über das zweite Teil 122 geschehen. Weiter kann in einem weiteren Schritt der zweite Teil 122, der als Stift ausgebildet ist, ebenfalls vom ersten, feststehenden Kontakt 110 getrennt werden, so dass der Schaltzustand „ABSCHALTEN“ erreicht wird, wie er in der 3C dargestellt ist. Geschieht dies unter Stromfluss, kann sich ein Lichtbogen zwischen dem zweiten Teil 122 und dem ersten, feststehenden Kontakt 110 ausbilden. Aufgrund des abbrandfesten Materials des zweiten Teils 122 kommt es zu einer geringen Schädigung des elektrischen Schalters bzw. zu einer geringeren Verschmutzung durch verdampftes Material aufgrund einer Lichtbogenbildung.
-
In den 4A, 4B und 4C ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Schalters 100 dargestellt. Hierbei können das erste Teil 121 und das zweite Teil 122 des zweiten, beweglichen Kontakts 120 aus einem Material gefertigt sein, dafür umfasst der erste, feststehende Kontakt 110 eine erste Zone 111 und eine zweite Zone 112 unterschiedlichen Materials.
-
Die erste Zone 111 befindet sich am Berühr-Punkt des ersten Teils 121 mit dem ersten Kontakt 110 und die zweite Zone 112 befindet sich am Berühr-Punkt des zweiten Teils 122 mit dem ersten Kontakt 110. Entsprechend der Darstellung der 4A befindet sich der elektrische Schalter 100 im Schaltzustand „EIN“. Aufgrund der unterschiedlichen Materialien, beispielsweise ist das Material der ersten Zone 111 niederohmig und das Material der zweiten Zone 112 hochabbrandfest, wird der Stromfluss hauptsächlich über den ersten Teil 121 geschehen. In einem ersten Schritt wird durch eine lineare RelativBewegung zwischen erstem Teil 121 und zweitem Teil 122 eine mechanische Trennung des ersten Teils 121 vom ersten, feststehenden Kontakt 110 vorgenommen, wie es in 4B dargestellt ist. Der Stromfluss wird nun über das zweite Teil 122 vom ersten, feststehenden Kontakt 110 zum zweiten, beweglichen Kontakt 120 geschehen. In einem weiteren Schritt wird in einer linearen Bewegung der zweite Teil 122 vom ersten, feststehenden Kontakt 110 getrennt. Geschieht dies unter Stromfluss, bildet sich ein Lichtbogen zwischen dem zweiten Teil 122 und dem ersten, feststehenden Kontakt 110 aus. Dieser Lichtbogen wird bevorzugt zum zweiten Teil 112, welcher aus abbrandfestem Material besteht, fließen. Auch hier ist gewährleistet, dass der Brand eines Lichtbogens nicht zu einer Schädigung bzw. Verunreinigung des elektrischen Schalters 100 führt.
-
In 5 ist ein Verfahren 500 zum Öffnen eines Stromkreises eines erfindungsgemäßen elektrischen Schalters 100 dargestellt, wobei das Verfahren zwischen einem Anfangspunkt 510 und einem Endpunkt 520 abläuft. Das Verfahren umfasst zumindest die Schritte:
- - Entfernen 502 des ersten Teils 121 vom ersten Kontakt 110; und danach
- - Entfernen 503 des zweiten Teils 122 vom ersten Kontakt 110.
-
Dem Verfahren 500 zum Öffnen eines Stromkreises eines elektrischen Schalters 100 kann ein weiterer Schritt vorgelagert sein, nämlich:
- - Verbinden 501 des zweiten Teils 122 mit dem ersten Kontakt 110, so dass der erste Teil 121 und der zweite Teil 122 in mechanischem Kontakt zum ersten Kontakt 110 stehen.
-
In 6 ist ein Verfahren 600 zum Schließen eines Stromkreises eines erfindungsgemäßen elektrischen Schalters 100 dargestellt, wobei das Verfahren zwischen einem Anfangspunkt 610 und einem Endpunkt 620 abläuft. Dabei umfasst das Verfahren 600 die Schritte:
- - Verbinden 601 des zweiten Teils 122 mit dem ersten Kontakt 110; und danach
- - Verbinden 602 des ersten Teils 121 mit dem ersten Kontakt 110.
-
Weiter kann das Verfahren 600 zum Schließen eines Stromkreises eines erfindungsgemäßen elektrischen Schalters 100 den Schritt:
- - Entfernen 603 des zweiten Teils 122 vom ersten Kontakt 110, sodass nur der erste Teil 121 in mechanischem Kontakt zum ersten Kontakt 110 steht.
-
Im Schaltzustand „EIN“ kann durch die niedrigohmige Kontaktstelle die Stromtragfähigkeit der Anordnung gegenüber klassischen Materialpaarungen optimiert werden. Eine direkte Folge daraus ist eine reduzierte Erwärmung an der Kontaktstelle. Am Übergang in den Schaltzustand „ABSCHALTEN“ kontaktieren erst beide Teile 121, 122, was einer Parallelschaltung von zwei Strombahnen entspricht. Dabei kommt es zu einer Stromaufteilung entsprechend der gewählten Widerstände. Bei geeigneter Auswahl wird die Öffnung des niederohmigen Pfades lichtbogenfrei erfolgen, was zur Schonung des niederohmigen Materials beiträgt. Nun fließt der Gesamtstrom über das hochohmigere, hochabbrandfeste Kontaktmaterial. Bei geeigneter Auswahl des Widerstandes kann somit eine erste Strombegrenzung erfolgen, was einer Limiter-Funktion vergleichbar ist. Bei der abschließenden finalen Kontaktöffnung erfolgt die Ausbildung eines Lichtbogens auf dem hochabbrandfesten Kontaktmaterial. Die folgende Abschaltung mit Lichtbogenlauf, Lichtbogenlöschung, kinematische Auslegung erfolgt nach den bekannten Methoden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- JP 2002033149 A [0004]
- WO 2014182808 A1 [0004]
