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Die Erfindung betrifft ein Strompfadteil für ein elektrisches Schaltgerät.
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Strompfadteile in Schaltgeräten werden in der Regel kompakt ausgeführt. Typischerweise werden Strompfadteile aufgrund der hauptsächlich angewendeten Fertigungsverfahren wie Stanzen, Strangpressen oder Gießen eine maximale Dichte aufweisen. Die Gestaltung von herkömmlichen Strompfadteilen orientiert sich an den Randbedingungen dieser Fertigungsverfahren, beispielsweise ist es bei den angewendeten Verfahren Stanzen oder Strangpressen nur möglich, zweidimensional (2D) - förmige Strompfadteile herzustellen. Eine weitere Dimension ist nur durch Folgeschritte wie beispielsweise Biegen oder mechanischer Nacharbeit zu realisieren. Bisher sind der Gestaltung nach Erfordernissen der elektrischen sowie thermischen Funktion eines Strompfadteils, der Materialersparnis oder der steifigkeitsgerechten Gestaltung enge Grenzen gesetzt.
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Beispielsweise wird nicht der gesamte Stromleiter als elektrischer bzw. thermischer Leiter benötigt, da die Stromleitung physikalisch an der Oberfläche erfolgt. Eine fertigungstechnische Realisierung eines Strompfadteils, welches nur den Strom an der Oberfläche trägt, ist bisher nicht möglich. Somit sind durch die konventionellen Fertigungsverfahren beispielsweise hohle Geometrien oder der Gestaltung von Durchbrüchen oder Freiformflächen in der Fertigungsrichtung, beispielsweise der Stanzrichtung, derzeit technologisch nicht möglich. Ebenso ist herkömmlicherweise eine funktionale Auftrennung in verschiedene Werkstoffe an einem Bauteil nicht zu realisieren. Der Leiterwerkstoff beschränkt eine weitere Funktionsintegration, da andersartige Werkstoffe oder Bauteile nur durch Verbindungsverfahren zu montieren sind.
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In der
DE 100 19 121 A1 wird ein elektrischer Schaltkontakt mit einem Kontaktträger aus einem ersten Material und wenigstens einem Kontaktstück aus einem zweiten Material mit einer Sinterstruktur offenbart, wobei das erste Material ebenfalls eine Sinterstruktur aufweist, die in die Sinterstruktur des zweiten Materials fließend übergeht.
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Die
DE 10 2007 012 442 A1 beschreibt ein elektrisches Schaltgerät, welches mindestens ein unmagnetisches, erstes Bauteil und mindestens ein magnetisches, zweites Bauteil enthält. Das zweite Bauteil besteht aus einem mit einem weichmagnetischen, pulverförmigen Material gefüllten Kunststoff.
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In der
EP 3 109 879 A1 wird ein fester Kontakt für ein elektrisches Schutzgerät aus einem magnetischen Material offenbart, wobei ein Magnetelement in dem festen Kontakt aufgenommen wird.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Strompfadbauteil für ein elektrisches Schaltgerät zur Verfügung zu stellen, welches die im Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Strompfadteil für einen elektrischen Schalter gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Strompfadteils sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Das Strompfadteil für ein elektrisches Schaltgerät gemäß Anspruch 1 wurde schichtweise mittels eines 3D-Druckverfahrens hergestellt.
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Die Herstellung des erfindungsgemäßen Strompfadteils mittels eines dreidimensionalen (3D) - Druckverfahrens ermöglicht es, die Gestaltung des Strompfadteils so vorzunehmen, dass die für die Funktion und den Materialeinsatz günstigste Gestaltung gewählt wird und nicht mehr auf die bisherigen Fertigungsverfahren Rücksicht genommen werden muss. Die Funktion kann stärker in die Geometrie integriert werden und ermöglicht Freiräume, die durch die bisherigen Fertigungsverfahren nicht möglich sind.
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In einer Ausgestaltung ist das erfindungsgemäße Strompfadteil mindestens aus zwei unterschiedlichen Materialien hergestellt. Die Verwendung von unterschiedlichen Materialien ermöglicht es, die Funktionsintegration des Strompfadteils so weit zu treiben, dass letztlich das Strompfadteil Eigenschaften aufweist, die bisher nicht möglich waren wie beispielsweise eine unterschiedliche Leitfähigkeit in einem Bauteil.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Strompfadteils aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien unterscheiden diese sich in der mechanischen Festigkeit, in der elektrischen Leitfähigkeit oder in den magnetischen Eigenschaften.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist das Strompfadteil mit mindestens einer Kavität versehen. Vorteilhaft hierbei ist, dass durch das Einbringen von Kavitäten oder Hohlräumen die Erfordernisse der Funktion, beispielsweise elektrisch, thermisch oder mechanisch, so realisiert sind, dass die Hohlräume entsprechend orientiert und dimensioniert sind. Auch ist es möglich, mittels Gestaltungsoptimierung das erfindungsgemäße Strompfadbauteil funktions- und kostenorientiert aufzubauen ohne Rücksicht auf Randbedingungen von Fertigungsverfahren.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der Querschnitt des erfindungsgemäßen Strompfadteils variabel.
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In einer weiteren Ausgestaltung wurde ein vorgefertigtes Bauteil am oder im Strompfadteil beim schichtweisen Herstellen integriert. Dieses vorgefertigte Bauteil kann beispielsweise eine Achse oder eine Lagerbuchse sein.
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In einer Ausgestaltung wurde das Strompfadteil aus einem Material hergestellt, welches unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweist. Beispielsweise können diese unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften in der Leitfähigkeit liegen.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist das erfindungsgemäße Strompfadteil ein Kontakthebel, ein Festkontakt oder eine Stromschiene. Der Kontakthebel kann mit mindestens einer integrierten Kontaktfläche versehen sein.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung, sowie 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.
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Dabei zeigen:
- 1 herkömmliches Strompfadteil als Kontakthebel;
- 2A 2B, 2C Strompfadteil mit Kavitäten und variablem Querschnitt;
- 3 Strompfadteil aus zwei unterschiedlichen Materialien;
- 4A und 4B Strompfadteil mit integriertem vorgefertigtem Bauteil;
- 5A und 5B Strompfadteil aus einem Material mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschafen;
- 6 Strompfadteil aus zwei unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften; und
- 7A und 7B Strompfadteil mit Arc-Runner und Steel-Under sowie Strompfadteil mit Kavitäten.
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In 1 ist ein herkömmliches Strompfadteil 100 dargestellt. Dieses Strompfadteil 100 ist ein Kontakthebel, auch Doppelunterbrecher genannt. Der Kontakthebel 100 umfasst dabei zwei Kontaktplättchen oder Kontaktflächen 121; 122, die auf dem Kontakthebel-Grundkörper 110 angebracht sind. Die Kontaktplättchen 121; 122 können mit feststehenden Kontakten (auch Festkontakte genannt) zusammenwirken zum Öffnen oder Schließen eines Stromkreises. Der Kontakthebel-Grundkörper 110 ist in seinem Querschnitt rechteckförmig, wie es in der Darstellung der 1 rechts gezeigt ist.
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In 2A ist ein erfindungsgemäßes Strompfadteil 100 dargestellt, ebenfalls als Kontakthebel. Der Kontakthebel 100 umfasst wiederum ein Kontakthebel-Grundkörper 110, der schichtweise mittels eines 3D-Druckverfahrens hergestellt wurde.
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Bei der Herstellung des Strompfadteils 100 und dem schichtweisen Aufbau desselbigen wurden Kavitäten 301; 302; 303 im Strompfadteil-Grundkörper 110 eingebracht. Diese Kavitäten sind in der 2B dargestellt und können die unterschiedlichsten geometrischen Formen umfassen. Entsprechend dem Querschnitt 111 des Strompfadteils 100 können die Kavitäten 301; 302 in der Schnittdarstellung rechteckig, insgesamt somit quaderförmig ausgebildet sein. Ebenso können die Kavitäten 301; 302 blasenförmig entsprechend dem dargestellten Querschnitt 112 des Strompfadteil-Grundkörpers 110. Auch kompliziertere Stützstrukturen innerhalb des Strompfadteil-Grundkörpers 110, wie in der 2B rechts im Querschnitt 113 dargestellt, können mittels des schichtweisen Herstellens durch ein 3D-Druckverfahren hergestellt werden.
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In 2C ist eine alternative Ausführung des erfindungsgemäßen Strompfadteils 100 dargestellt, ebenfalls anhand des Beispiels eines Kontakthebels. Der Querschnitt des Kontakthebel-Grundkörpers 110 kann dazu variabel ausgebildet sein, wie beim Querschnitt 111 als rechteckige Form, beim Querschnitt 112 in Trapezform oder beim Querschnitt 113 als T-Träger bzw. beim Querschnitt 114 als Doppel-T-Träger.
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Entlang des Strompfadteil-Grundkörpers 110 kann der variable Querschnitt sich ändern. Der Strompfadteil-Grundkörper 110 kann eine beliebige Form und Verteilung der Materialien aufweisen, auch kann der Kontakthebel 100 seiner Länge nach verschiedene Querschnitte aufweisen bzw. kann die Dicke variieren.
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In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strompfadteils 100 in Form eines Kontakthebels dargestellt. Der Kontakthebel 100 ist dabei aus zwei unterschiedlichen Materialien hergestellt, die sich in ihrer mechanischen Festigkeit unterscheiden. Beispielsweise kann das Material 151 im Bereich der Kontaktplättchen bzw. Kontaktflächen beispielsweise ein typischer Leiterwerkstoff wie Kupfer sein. Die Zone 152 kann dabei aus einem Verstärkungsmaterial wie beispielsweise einem hochfesten Werkstoff wie Stahl hergestellt sein. Beim schichtweisen Aufbau mittels eines 3D-Druckverfahrens können entsprechende Kontakthebel 100 aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden.
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Die zwei unterschiedlichen Materialien können sich auch in der elektrischen Leitfähigkeit oder in den magnetischen Eigenschaften unterscheiden. Beispielsweise kann die Zone 151 aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit wie Kupfer bestehen und das Kernmaterial in der Zone 152 aus einem Material mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit. Ebenso können sich die zwei unterschiedlichen Materialien in ihren magnetischen Eigenschaften unterscheiden.
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In 4A und 4B ist ein erfindungsgemäßes Strompfadteil 100 ausgebildet als Kontakthebel dargestellt. In dem jeweiligen Kontakthebel 100 ist ein vorgefertigtes Bauteil 201; 202 beim schichtweisen Herstellen integriert worden. Entsprechend der Darstellung in 4A kann beispielsweise das vorgefertigte Bauteil 201 eine Achse sein, um die der Kontakthebel 100 schichtweise aufgebaut wird. Entsprechend der Darstellung in 4B kann das vorgefertigte Bauteil 202 auch eine Buchse sein, um die der Kontakthebel 100 beim schichtweisen Herstellen aufgebaut wurde.
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Die 5A und 5B zeigen wiederum ein erfindungsgemäßes Strompfadteil 100, wobei dieses Strompfadteil 100 ebenfalls als Kontakthebel ausgebildet ist. Der Kontakthebel 100 wurde aus einem einzigen Material hergestellt, wobei unterschiedliche Zonen des Materials unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise ist in 5A der Kontakthebel 100 mit einer äußeren Materialschicht 162 hergestellt, welche aus einem Kupfermaterial mit hoher Leitfähigkeit hergestellt ist, und aus einer Zone 161 mit einem Kernmaterial, welches beispielsweise ein Kupfer mit niedriger Leitfähigkeit beinhaltet. Die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften des Materials können somit beispielsweise in seiner Leitfähigkeit liegen.
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In 5B ist wiederum ein Strompfadteil 100 als Kontakthebel 100 dargestellt mit einem Kontakthebel-Grundkörper 110 und Kontaktplättchen bzw. Kontaktflächen 121; 122. Die Kontaktplättchen bzw. Kontaktflächen 121; 122 sind beim schichtweisen Herstellen mittels eines 3D-Druckverfahrens integriert am Kontakthebel 100 hergestellt worden.
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6 zeigt wiederum ein Strompfadteil 100 als Kontakthebel, welcher aus zwei unterschiedlichen Materialien hergestellt ist, die sich aber in den magnetischen Eigenschaften unterscheiden. Beispielsweise kann das Material des Strompfadteil-Grundkörpers 110 ein Leiterwerkstoff wie beispielsweise Kupfer sein, an den Enden des Kontakthebels 100 können zwei Zonen 181; 182 angeordnet sein, dessen Material aus magnetischem Eisen besteht. Durch diesen modularen Aufbau kann eine Lichtbogen-Beeinflussung herbeigeführt werden, ebenso können die öffnenden und schließenden Kräfte zusammen mit der Stromschleife und äußeren Stahlteilen beeinflusst werden.
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7A stellt ein Strompfadteil 100 als Festkontakt dar. Auf dem Festkontakt 100 ist ein Kontaktplättchen 121 angebracht. Direkt neben dem Kontaktplättchen 121 ist ein sogenannter Arc-Runner 190 angeordnet, der beim Ziehen eines Lichtbogens diesem einen erhöhten Widerstand gegenüber dem Kontaktplättchen 121 bei thermischer Belastung bietet. Typischerweise sollte der Arc-Runner 190 daher aus einem hochfesten Material wie beispielsweise Stahl gefertigt sein und beim schichtweisen Aufbau beim 3D-Druck integriert am Festkontakt 100 gefertigt werden. Der Festkontakt 100 umfasst weiter einen sogenannten Steel-Under 152 zur Beeinflussung des Lichtbogens.
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In 7B ist ein erfindungsgemäßes Strompfadteil 100 als Festkontakt mit anschließender Stromschiene dargestellt. Die Stromschiene enthält Kavitäten 301; 302; 303, die während des schichtweisen Aufbaus des 3D-Druckverfahrens hergestellt wurden.
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Ebenso kann das Kernmaterial des Kontakthebel-Grundkörpers 110 aus einem Leiterwerkstoff wie beispielsweise Kupfer gefertigt sein und die äußeren Zonen 181; 182 aus einem Permanentmagnet-Werkstoff zur Lichtbogenbeeinflussung.
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Die erfindungsgemäßen Strompfadteile 100 können je nach Funktion Kavitäten 301; 302; 303, auch Hohlräume genannt, aufweisen. Dadurch ist eine Materialreduktion und somit auch Kostenersparnis möglich. Ebenso kann das erfindungsgemäße Strompfadteil 100 Verstärkungselemente aus hochfesten Werkstoffen wie beispielsweise Stählen aufweisen. Dadurch ist eine Funktionstrennung zwischen elektrischer Stromleitung und mechanischer Festigkeit herstellbar.
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Ebenso ist es möglich erfindungsgemäße Strompfadteile 100 herzustellen, in die isolierende Elemente integriert sind, um eine Spannungsverschleppung auf andere Phasen zu unterbinden. Vorgefertigte Bauteile können in die erfindungsgemäße Strompfadteile 100 integriert werden wie beispielsweise Lagerbuchsen, Auflagescheiben oder Anbauteile wie Kontaktfederhalterungen. Dadurch wird der Montageaufwand reduziert.
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Die erfindungsgemäßen Strompfadteile 100 können Bereiche unterschiedlicher Leitfähigkeiten aufweisen. Der Strom wird typischerweise an der Oberfläche geführt, wodurch eine Reduzierung des Materialaufwands möglich ist. Auch ist eine gezielte thermische Ausbalancierung der Strompfadteile 100 mit unterschiedlichen thermischen Leitfähigkeiten möglich.
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Die erfindungsgemäßen Strompfadteile 100 können beispielsweise Kontaktauflagen bzw. integrierte Kontaktflächen 121; 122 aufweisen, ohne dass diese durch ein Verbindungsverfahren aufgebracht werden müssen. Vorteil dieser einstückigen Herstellung sind einbaufertige Bauteile ohne Verbindungsprozesse.
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Die erfindungsgemäßen Strompfadteile 100 können auch integrierte magnetische Teile wie Eisenteile enthalten, die eine Beeinflussung des Lichtbogens zulassen oder die öffnenden und schließenden elektrodynamischen Kräfte verändern können. Ebenso können permanentmagnetische Bereiche integriert werden, die ebenfalls der Lichtbogenbeeinflussung dienen. Eine Kombination der hier dargestellten Merkmale ist ebenso möglich.
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Die Fertigungsmöglichkeiten des 3D-Druckverfahrens wurden auf konkrete Strompfadteile 100 angewendet, wodurch Gestaltungen vorzunehmen sind, die für die Funktion und den Materialeinsatz günstig sind und nicht mehr auf die bisherigen Fertigungsverfahren Rücksicht nehmen müssen. Die Funktion kann stärker in die Geometrie integriert werden und ermöglicht Freiräume, die durch die bisherigen Fertigungsverfahren nicht möglich waren.
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Insbesondere können Kavitäten 301; 302; 303 oder auch Hohlräume eingebracht werden, die sich nach den Erfordernissen der Funktion wie elektrisch, thermisch oder mechanisch orientieren und dimensioniert sind. Auch ist es möglich mittels Gestaltoptimierung - beispielsweise mittels Simulation - die Bauteile funktions- und kostenorientiert aufzubauen ohne Rücksicht auf Randbedingungen von Fertigungsverfahren zu nehmen.
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Zudem bietet das 3D-Druckverfahren die Möglichkeit, gezielt verschiedene Werkstoffe in einem Bauteil anzuwenden wie beispielsweise Kupfer oder Eisenwerkstoffe und so die Funktionsintegration weiter zu treiben. Die erfindungsgemäßen Strompfadbauteile 100 weisen somit Eigenschaften auf, die bisher nicht möglich waren herzustellen, wie beispielsweise unterschiedliche Leitfähigkeiten in einem Bauteil.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10019121 A1 [0004]
- DE 102007012442 A1 [0005]
- EP 3109879 A1 [0006]
