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Die Erfindung betrifft ein Kontaktsystem für einen elektrischen Schalter.
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Kontaktsysteme werden beispielsweise in Kompaktleistungsschaltern zum Öffnen beziehungsweise Schließen eines Stromkreises eingesetzt. Die Funktionsweise von Kontaktsystemen hängt von deren Kontaktflächen oder Kontaktstücken ab, wobei zu einer optimalen Stromübertragung die Kontaktflächen oder Kontaktstücke gereinigt sein sollten zur Erzielung eines möglichst geringen Übergangswiderstands.
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Im Laufe der Lebensdauer sowie im Kurzschlussfall kommt es zu Verschmutzungen auf den Kontaktoberflächen eines Kompaktleistungsschalters. Diese Ablagerungen reichen von Fremd- und Oxidschichten bis hin zu Fremdpartikeln wie z.B. Eisenperlen, die sich nach einem Kurzschluss bilden. Diese Fremdstoffe auf den Kontaktflächen vermindern ein einwandfreies Übertragen elektrischer Energie. Selbst bei schwachen Verunreinigungen, insbesondere bei kleinen Nennstrombereichen, bei denen eine niedrige Kontaktkraft im Kontaktsystem auftritt und die Schutzschichten nicht durchschlagen werden können, steigt der Übergangswiderstand stark an.
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Dadurch wird bei anliegendem Nennstrom eine erhöhte Wärmebelastung entstehen. Durch diesen Wärmeüberschuss kann es zu einer Frühauslösung der thermisch-magnetischen Trip Unit oder einer thermischen Überlastung kommen. Bei sehr starken Verschmutzungen, beispielsweise nach einem Kurzschlussfall, kann es vorkommen, dass das Kontaktsystem keinen Durchgang mehr aufweist, was einen Ausfall des Gerätes zur Folge hat.
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In der
DE 10 2016 102 604 B4 wird ein elektrisches Schaltelement vorgestellt, das einen durch eine Führung drehbar und verschiebbar gelagerten Kontaktbalken aufweist. Dabei bedingen sich eine Verschiebung des Kontaktbalkens und eine Drehung des Kontaktbalkens gegenseitig und erzwingen so eine Dreh-Hub-Bewegung. Eine Drehachse des Kontaktbalkens verläuft im Wesentlichen senkrecht zu einer horizontalen Ausdehnung des Kontaktbalkens. Zusätzlich sind ein erster Schaltkontakt und ein zweiten Schaltkontakt vorhanden, wobei die Dreh-Hub-Bewegung des Kontaktbalkens einen Stromfluss von dem ersten Schaltkontakt zu dem zweiten Schaltkontakt schaltet.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Kontaktsystem für einen elektrischen Schalter zur Verfügung zu stellen, welches die oben beschriebenen Probleme und Nachteile überwindet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kontaktsystem gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kontaktsystems sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Das Kontaktsystem für einen elektrischen Schalter gemäß Anspruch 1 umfasst einen Bewegkontakt mit einem ersten Kontaktstück und einen ersten Festkontakt mit einem zweiten Kontaktstück, wobei sich in einer ersten Stellung des Kontaktsystems das erste Kontaktstück des Bewegkontakts in mechanischem Kontakt mit dem zweiten Kontaktstück des ersten Festkontakts befindet zum Schließen des Stromkreises, wobei in einer zweiten Stellung des Kontaktsystems das erste Kontaktstück des Bewegkontakts mechanisch vom zweiten Kontaktstück des ersten Festkontakts getrennt ist zum Öffnen des Stromkreises, wobei der Bewegkontakt von einem Rotor zwischen den Stellungen des Kontaktsystems entlang einer Hauptrichtung bewegt wird, wobei der Rotor eine Auslenkkontur für den Bewegkontakt aufweist, die beim Öffnen und/oder Schließen des Stromkreises zusätzlich eine Relativbewegung des Bewegkontakts senkrecht zur Hauptrichtung bewirkt. Der Bewegkontakt ist mit mindestens einer Noppe versehen, die mit der Auslenkkontur des Rotors zusammenwirkt zur Erzeugung der Relativbewegung des Bewegkontakts senkrecht zur Hauptrichtung.
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Vorteilhaft am erfindungsgemäßen Kontaktsystem ist, dass der Übergangswiderstand eines Kompaktleistungsschalters, der vor allem aus Verschmutzung und den daraus resultierenden isolierenden Fremdschichten resultiert, über die Lebensdauer des Kompaktleistungsschalters nahezu konstant bleibt. Das Niveau des Übergangswiderstands entspricht nahezu dem bei Neuzustand des Kompaktleistungsschalters. Somit wird für eine reproduzierbare oxid- und schmutzfreie Kontaktoberfläche gesorgt und einen daraus resultierenden niedrigen Übergangswiderstand.
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Des Weiteren ist vorteilhaft am erfindungsgemäßen Kontaktsystem, dass sich durch die Zwangsführung eine Abscherbewegung der Kontaktstücke ergibt, die zu einem Öffnen verschweißter Kontakte führt. Ein sicheres Ausschalten des elektrischen Schalters ist somit möglich. Weiter können bei Bedarf kostengünstigere Materialien für die Kontaktstücke gewählt werden mit höherer Verschweißneigung. Ein Aufbrechen der Kontaktverbindung bei Verschweißungen ist mit dem erfindungsgemäßen Kontaktsystem kostengünstig zu realisieren.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kontaktsystems wird die zusätzliche Relativbewegung des Bewegkontakts beim mechanischen Kontakt des ersten Kontaktstücks mit dem zweiten Kontaktstück bewirkt. Vorteilhaft hierbei ist, dass im sogenannten Überhub, der der Sicherstellung der Kontaktkraft dient, die Relativbewegung oder auch rein mechanische Ausrückbewegung ein Reiben bzw. Gleiten der Kontaktstücke aneinander bewirkt und somit eine Schmutzschicht bzw. Fremdpartikel aufgebrochen und beseitigt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung stellt die Auslenkkontur des Rotors das Prinzip der Abwicklung einer Schraubenlinie dar.
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In einer weiteren Ausgestaltung zwingt die Auslenkkontur des Rotors den Bewegkontakt in eine radiale Schraubbewegung zur Erzeugung der Relativbewegung des Bewegkontakts senkrecht zur Hauptrichtung.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kontaktsystems ist der Bewegkontakt mit einem dritten Kontaktstück versehen und es ist ein zweiter Festkontakt mit einem vierten Kontaktstück vorgesehen, wobei sich in einer ersten Stellung des Kontaktsystems das dritte Kontaktstück des Bewegkontakts in mechanischem Kontakt mit dem vierten Kontaktstück des zweiten Festkontakts befindet zum Schließen des Stromkreises, und wobei in einer zweiten Stellung des Kontaktsystems das dritte Kontaktstück des Bewegkontakts mechanisch vom vierten Kontaktstück des zweiten Festkontakts getrennt ist zum Öffnen des Stromkreises.
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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 im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
- 1 elektrischer Schalter mit Kontaktsystem;
- 2 Bewegkontakt und Festkontakte in einer ersten Stellung zum Schließen des Stromkreises;
- 3 Bewegkontakt und Festkontakte in einer zweiten Stellung zum Öffnen des Stromkreises;
- 4A und 4B erfindungsgemäßer Bewegkontakt und Rotor mit Auslenkkontur;
- 5A und 5B Rotor mit Bewegkontakt in einer zweiten Stellung zum Öffnen des Stromkreises und in einer ersten Stellung zum Schließen des Stromkreises;
- 6 Diagramm Übergangswiderstand über der Anzahl der Schaltspiele.
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In 1 ist ein elektrischer Schalter 1000 dargestellt, beispielsweise ein Kompaktleistungsschalter. Der elektrische Schalter 1000 umfasst ein Kontaktsystem 100 mit einem Bewegkontakt 200 und einem ersten Festkontakt 300 und einem zweiten Festkontakt 301. Der Bewegkontakt 200 ist mit einem ersten Kontaktstück 210 und einem dritten Kontaktstück 220 versehen, der erste Festkontakt 300 mit einem zweiten Kontaktstück 310 und der zweite Festkontakt 301 mit einem vierten Kontaktstück 320.
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In einer ersten Stellung des Kontaktsystems 100 befinden sich das erste Kontaktstück 210 des Bewegkontakts 200 in mechanischem Kontakt mit dem zweiten Kontaktstück 310 des ersten Festkontakts 300 und das dritte Kontaktstück 220 des Bewegkontakts 200 in mechanischem Kontakt mit dem vierten Kontaktstück 320 des zweiten Festkontakts 301 zum Schließen des Stromkreises. Diese erste Stellung des Kontaktsystems 100 ist in 1 dargestellt, der Strom kann somit vom ersten Festkontakt 300 über den Bewegkontakt 200 zum zweiten Festkontakt 301 fließen.
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Der Bewegkontakt 200 ist drehbar gelagert um eine Achse D. Zur Betätigung des Bewegkontakts 200 wird dieser von einem Rotor 500 zwischen den Stellungen des Kontaktsystems 100 entlang einer Hauptrichtung H bewegt. Bei einem doppelunterbrechenden Bewegkontakt 200, der drehbar um die Achse D gelagert ist, ist diese Hauptrichtung H entsprechend der Kreisbahn, den die Kontaktstücke 210; 220 des Bewegkontakts 200 zurücklegen. Zum Öffnen des Kontaktsystems 100 wird der Bewegkontakt 200 vom Rotor 500 so gedreht, dass die Kontaktstücke 210; 220 des Bewegkontakts 200 von den Kontaktstücken 310; 320 des ersten Festkontakts 300 bzw. des zweiten Festkontakts 301 mechanisch getrennt werden. Dies geschieht durch eine Drehung des Rotors 500 beispielsweise durch eine Schaltwelle und somit des Bewegkontakts 200 im Uhrzeigersinn entsprechend der Darstellung in 1.
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In 2 ist der Bewegkontakt 200 mit dem ersten Kontaktstück 210 und dem dritten Kontaktstück 220, sowie der erste Festkontakt 300 mit dem zweiten Kontaktstück 310 und der zweite Festkontakt 301 mit dem vierten Kontaktstück 320 dargestellt. In dieser ersten Stellung des Kontaktsystems 100 wird der Stromkreis zwischen dem ersten Festkontakt 300 und dem zweiten Festkontakt 301 geschlossen.
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In 3 ist die zweite Stellung des Kontaktsystems 100 zum Öffnen des Stromkreises dargestellt. Im Fortführung zur Darstellung in 2 wurde der Bewegkontakt 200 im Uhrzeigersinn gedreht, so dass in der zweiten Stellung des Kontaktsystems 100 die Kontaktstücke 210; 220 des Bewegkontakts 200 von den jeweiligen Kontaktstücken 310; 320 des ersten Festkontakts 300 bzw. des zweiten Festkontakts 301 getrennt sind. In 3 ist des Weiteren die Hauptrichtung H entlang der Kreisbahn der beweglichen Kontaktstücke 210; 220 dargestellt. Des Weiteren ist in der 3 die Richtung der Relativbewegung R des Bewegkontakts 200 dargestellt, die senkrecht zur Hauptrichtung H verläuft.
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In den 4A und 4B ist der erfindungsgemäße Bewegkontakt 200 bzw. der erfindungsgemäße Rotor 500 näher dargestellt. Der Bewegkontakt 200 umfasst Noppen 561; 562, die mit einer Auslenkkontur 510 des Rotors 500 zusammenwirken, so dass beim Öffnen und/oder Schließen des Stromkreises zusätzlich eine Relativbewegung R des Bewegkontakts 200 senkrecht zur Hauptrichtung H bewirkt wird. Dies bedeutet, dass der Bewegkontakt 200 mit dem ersten Kontaktstück 210 und dem dritten Kontaktstück 220 zusätzlich zur kreisförmigen Bewegung entlang der Hauptrichtung H eine Relativbewegung R senkrecht zu dieser Hauptrichtung H vollzieht. Die Gestaltung und Erzeugung der Relativbewegung durch Noppen 561; 562 und Auslenkkontur 510 des Rotors 500 bzw. einer Kulisse kann auch mit anderen Mitteln geschehen.
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Diese zusätzliche Relativbewegung R des Bewegkontakts 200 kann vor allem beim mechanischen Kontakt des ersten Kontaktstücks 210 mit dem zweiten Kontaktstück 310 und dem mechanischen Kontakt des dritten Kontaktstücks 220 mit dem vierten Kontaktstück 320 bewirkt werden. Dadurch kommt es zu einem Reiben bzw. Gleiten der Kontaktflächen aneinander und somit zu einem Aufbrechen und Beseitigen von Schmutzschichten oder Fremdpartikeln auf den Kontaktstücken.
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Verschiedene Auslenkkonturen 510 des Rotors 500 können vorgesehen sein, um die beschriebene Relativbewegung R senkrecht zur Hauptrichtung H des Bewegkontakts 200 zu erzielen. Beispielsweise kann die Auslenkkontur 510 das Prinzip der Abwicklung einer Schraubenlinie darstellen. Die Auslenkkontur 510 des Rotors 500 zwingt beispielsweise den Bewegkontakt 200 in eine radiale Schraubbewegung zur Erzeugung der Relativbewegung R des Bewegkontakts 200 senkrecht zur Hauptrichtung H.
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In den 5A und 5B ist jeweils wieder das erfindungsgemäße Kontaktsystem 100 dargestellt, einmal in der zweiten Stellung zum Öffnen des Stromkreises und einmal in der ersten Stellung zum Schließen des Stromkreises.
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Entsprechend der 5A wurde das Kontaktsystem 100 in die zweite Stellung zum Öffnen des Stromkreises überführt und der Bewegkontakt 200 wurde aufgrund der Führung in der Auslenkkontur 510 entlang der zusätzlichen Relativbewegung R verrückt. Wird nun das erfindungsgemäße Kontaktsystem 100 in die erste Stellung zum Schließen des Stromkreises überführt, so setzen in einem ersten Schritt die beiden Kontaktstücke 210; 220 auf den Kontaktstücken 310; 320 des ersten Festkontakts 300 bzw. des zweiten Festkontakts 301 auf. Aufgrund der Auslenkkontur 510 wird nun der Bewegkontakt 200 in eine Relativbewegung R senkrecht zur Hauptrichtung H gezwungen und die jeweiligen Kontaktstücke reiben bzw. gleiten aneinander.
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Entsprechend der Darstellung der 5A wurde das erste Kontaktstück 210 nach links und das dritte Kontaktstück 220 nach rechts in Richtung der Relativbewegung R ausgelenkt. Diese Auslenkung stellt eine schraubenförmige Bewegung des Bewegkontakts 200 dar. Ebenso ist es möglich, dass der Bewegkontakt 200 eine seitliche Versetzung entlang der Richtung der Relativbewegung R durchläuft. In so einem Fall würden das erste Kontaktstück 210 und das dritte Kontaktstück 220 jeweils in dieselbe Richtung der Relativbewegung R ausgelenkt werden zusätzlich zur Hauptrichtung H. Eine solche Auslenkung entspräche einer seitlichen Versetzung des gesamten Bewegkontakts 200.
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In der ersten Stellung des Kontaktsystems 100 zum Schließen des Stromkreises entsprechend der 5B ist der Bewegkontakt 200 wieder so ausgerichtet, dass die Kontaktstücke 210; 220 plan auf den Kontaktstücken 310; 320 des ersten Festkontakts 300 bzw. des zweiten Festkontakts 301 aufliegen.
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In 6 ist der Übergangswiderstand R über der Anzahl der Schaltspiele N aufgetragen, wobei ein herkömmliches Kontaktsystem A mit einem erfindungsgemäßen Kontaktsystem B verglichen wird. Aufgrund der Reibung, die durch die Relativbewegung R erzeugt wird, kann sich so gut wie keine Schmutzschicht an der Oberfläche der Kontaktstücke beim Kontaktsystem B aufbauen, ebenso werden Fremdpartikel aufgebrochen. Insgesamt ergibt sich dadurch, dass das erfindungsgemäße Kontaktsystem B einen niedrigen Übergangswiderstand aufweist über der Anzahl der Schaltspiele bzw. der Lebensdauer des elektrischen Schalters 1000.
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Das erfindungsgemäße Kontaktsystem 100 kann ebenfalls als sogenannter Einfachunterbrecher ausgestaltet sein. Dabei umfasst das Kontaktsystem 100 einen Bewegkontakt 200 mit einem ersten Kontaktstück 210 und einen ersten Festkontakt 300 mit einem zweiten Kontaktstück 310. In einer ersten Stellung des Kontaktsystems 100 befindet sich das erste Kontaktstück 210 des Bewegkontakts 200 in mechanischem Kontakt mit dem zweiten Kontaktstück 310 des ersten Festkontakts 300 zum Schließen des Stromkreises. In einer zweiten Stellung des Kontaktsystems 100 ist das erste Kontaktstück 210 des Bewegkontakts 200 mechanisch vom zweiten Kontaktstück 310 des ersten Festkontakts 300 getrennt zum Öffnen des Stromkreises. Der Bewegkontakt 200 wird von einem Rotor 500 zwischen den Stellungen des Kontaktsystems 100 entlang einer Hauptrichtung H bewegt. Der Rotor 500 weist eine Auslenkkontur 510 für den Bewegkontakt 200 auf, die beim Öffnen und/oder Schließen des Stromkreises zusätzlich eine Relativbewegung R des Bewegkontakts 200 senkrecht zur Hauptrichtung H bewirkt. In der ersten Stellung zum Schließen des Stromkreises des Einfachunterbrechers fließt der Strom zwischen dem Bewegkontakt 200 und dem ersten Festkontakt 300.
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Das erfindungsgemäße Kontaktsystem 100 bewirkt eine Relativbewegung R des Bewegkontakts 200 auf dem Festkontakt 300; 301 eines Kompaktleistungsschalters. Durch die Relativbewegung R reiben bzw. gleiten die Kontaktflächen aneinander ab. Schmutzschichten, sowie Fremdpartikel, werden aufgebrochen und beseitigt. Durch diese Art von Reinigung der Oberflächen kommt es zu keiner Widerstandserhöhung des erfindungsgemäßen Kontaktsystems 100 in Folge von Verschmutzungen. Die Relativbewegung R wird nach Auftreffen der Kontakte ausgeführt.
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Dies bedeutet, dass der rotatorische Doppelunterbrecher in Bewegung versetzt wird und nach Auftreffen der Kontaktstücke drehte sich der Rotor noch weiter in einen Überhub zur Sicherstellung der Kontaktkraft. In dieser Phase wird die Relativbewegung R vollzogen, indem eine beidseitig am Bewegkontakt 200 angebrachte Noppe 561; 562 durch eine Auslenkkontur 510 ausgelenkt wird. Die Auslenkkontur 510 stellt hierbei das Prinzip der Abwicklung einer Schraubenlinie dar. Die Noppen 561; 562 am Bewegkontakt 200 können entweder als externer Pin oder direkt angeprägt ausgeführt sein. Wird die Kontaktverbindung gelöst, also das Kontaktsystem in die zweite Stellung zum Öffnen des Stromkreises gebracht, so dreht sich das rotatorische Kontaktsystem 100 entgegen der Schließbewegung. Hierbei wird der Bewegkontakt 200 durch die Auslenkkontur 510 zwangsweise in seine Ausgangslage zurückverschoben und hebt anschließend vom Kontakt ab.
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Das erfindungsgemäße Kontaktsystem 100 ermöglicht eine rein mechanische Auslenkbewegung, ohne das Einwirken eines zusätzlichen Kraftspeichers in Form eines Federelementes. Durch die vorhandenen Noppen 561; 562 und die Auslenkkontur 510 wird der Bewegkontakt 200 im Vergleich zu anderen Lösungen nicht durch ein zusätzliches Federelement verschoben, sondern geführt durch die Kulisse der Auslenkkontur 510 in eine Art radiale Schraubbewegung gezwungen. Durch die beidseitig angebrachte Führung wird die Bewegung der Kontakte nicht als reine Axialbewegung, sondern auch als Drehbewegung ausgeführt. Aufgrund der vorhandenen Kulisse der Auslenkkontur 510 wird der Bewegkontakt 200 gezwungen, beim Schließvorgang jedenfalls die Scher- bzw. Drehbewegung in inventierter Richtung auf den Kontakten auszuführen.
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Vorteilhaft hierbei ist, dass nur durch die Anwendung der Auslenkkontur 510 und den angebrachten Noppen 561; 562 oder gleichwertiger geometrischer Elemente am Bewegkontakt 200 eine reproduzierbare oxid- und schmutzfreie Kontaktoberfläche und ein daraus resultierender niedriger Übergangswiderstand auf Niveau des Neuzustandes auftreten kann.
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Durch die Zwangsführung ergibt sich eine Abscherbewegung, die sich vorteilhaft bei verschweißten Kontakten auswirkt. In solch einem Fall führt die Zwangsrückstellung zu einer Abscherbewegung der Kontaktstücke und somit zu einem Öffnen der verschweißten Kontakte. Ein sicheres Ausschalten des elektrischen Schalters ist somit möglich. Weiter können bei Bedarf kostengünstigere Materialien für die Kontaktstücke gewählt werden mit höherer Verschweißneigung. Ein Aufbrechen der Kontaktverbindung bei Verschweißungen ist mit dem erfindungsgemäßen Kontaktsystem kostengünstig zu realisieren.
