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GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft elektrische Mehrfinger-Kontaktanordnungen und insbesondere elektrische Mehrfinger-Kontaktanordnungen zur Verwendung in elektrischen Schaltvorrichtungen, wie beispielsweise Leistungsschaltern.
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HINTERGRUND
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Ein elektrischer Leistungsschalter dient dazu, einen ausgewählten Zweig einer elektrischen Schaltung von einer elektrischen Stromversorgung ein- und auszuschalten. Der Leistungsschalter stellt eine Stromunterbrechung sicher, die der elektrischen Schaltung Schutz vor unerwünschten elektrischen Bedingungen bereitstellt, wie beispielsweise kontinuierlichen Überstrombedingungen und Hochstromtransienten, beispielsweise aufgrund von elektrischen Kurzschlüssen. Derartige Leistungsschalter arbeiten durch Trennen eines Paares von internen elektrischen Kontakten, die innerhalb eines Gehäuses (z. B. einer geformten Verkleidung) des Leistungsschalters enthalten sind.
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In vielen Leistungsschaltern ist ein elektrischer Kontakt stationär, während der andere beweglich ist. Herkömmliche Leistungsschalter können einen beweglichen elektrischen Kontakt aufweisen, der an einem Ende eines beweglichen (z. B. schwenkbaren) Kontaktarms montiert ist, so dass sich der bewegliche elektrische Kontakt durch einen Trennpfad bewegt. Eine Kontakttrennung zwischen den beweglichen und stationären elektrischen Kontakten kann auch manuell erfolgen, wie beispielsweise durch eine Person, die einen Griff des Leistungsschalters bewegt.
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Im Fall eines Auslöseereignisses (z. B. eines Kurzschlusses) kann ein Anker entriegelt werden, um den Kontaktarm freizugeben und die elektrischen Kontakte des Leistungsschalters zu öffnen. Unter manchen Bedingungen kann das Auslösen durch einen Auslösemechanismus erfolgen, bei dem der Anker durch Anziehung an einen im Strompfad enthaltenen Magneten betätigt wird, um ein Entriegeln einer Aufnahmevorrichtung vom Anker gemäß herkömmlichen Designs zu bewirken.
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Einige Leistungsschalter sind so ausgelegt, dass sie eine vorbestimmte Zeitdauer lang nach dem Auftreten eines Stromfehlers in einem geschlossenen Zustand verbleiben, wobei die stationären Kontakte und die beweglichen Kontakte eine vorbestimmte Zeitdauer lang nach dem Auftreten eines Stromfehlers in Kontakt bleiben. Falls der Stromfehler für die vorbestimmte Zeitdauer andauert oder falls der Strom eine vorbestimmte Stromstärke überschreitet, trennen sich die elektrischen Kontakte in einen geöffneten Zustand. Diese Leistungsschalter sind mit einem Stromfestigkeitswert bewertet, der ihre Fähigkeit bestimmt, einem Stromfehler eine vorbestimmte Zeitdauer lang standzuhalten. Leistungsschalter und andere Schaltvorrichtungen mit hohen Stromfestigkeitswerten weisen einen breiteren Anwendungsbereich auf als Leistungsschalter und Schaltvorrichtungen mit niedrigen Stromfestigkeitswerten.
DE 27 56 741 A1 beschreibt ein elektrisches Schaltgerät mit magnetischem Kontaktdruckverstärker mit einem leitfähigen Teil der mit einem beweglichen Schaltkontakt induktiv gekoppelt ist, dass eine magnetische Abstoßungskraft erzeugt wird.
DE 202 11 681 U1 beschreibt eine Schaltkontaktanordnung eines elektrischen Schaltgeräts mit einem Kontakthebel und einem durch Wärmeanwendung fest verbundenen biegsamen Leiter mit einem verfestigten Endabschnitt und einer Aufnahmentasche mit einer Bodenfläche.
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Dementsprechend besteht ein Bedarf an Leistungsschaltern und elektrischen Schaltvorrichtungen, die hohe Stromfestigkeitswerte bieten.
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KURZFASSUNG
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Gemäß einem ersten Aspekt wird eine elektrische Mehrfinger-Kontaktanordnung bereitgestellt. Die elektrische Mehrfinger-Kontaktanordnung weist drei oder mehr Finger auf, wobei jeder Finger einen beweglichen Kontakt darauf aufweist, wobei die drei oder mehr Finger so angeordnet sind, dass sie wenigstens zwei äußere Finger und wenigstens einen inneren Finger aufweisen, der zwischen den wenigstens zwei äußeren Fingern angeordnet ist, wobei drei oder mehr elektrische Leiter erste Enden und gegenüberliegende zweite Enden aufweisen, wobei jeder Finger elektrisch mit einem ersten Ende eines elektrischen Leiters gekoppelt ist, und wobei ein elektrischer Widerstand zwischen einem zweiten Ende eines elektrischen Leiters, der mit einem äußeren Finger gekoppelt ist, und einem beweglichen Kontakt des äußeren Fingers größer ist als ein elektrischer Widerstand zwischen dem zweiten Ende eines elektrischen Leiters, der mit dem wenigstens einen inneren Finger gekoppelt ist, und einem beweglichen Kontakt des wenigstens einen inneren Fingers.
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Gemäß einem anderen Aspekt wird ein Leistungsschalter bereitgestellt. Der Leistungsschalter weist wenigstens eine elektrische Mehrfinger-Kontaktanordnung mit einem ersten Anschluss, einem zweiten Anschluss, drei oder mehr Fingern, die so angeordnet sind, dass sie wenigstens zwei äußere Finger und wenigstens einen inneren Finger zwischen den wenigstens zwei äußeren Fingern aufweisen, auf, wobei jeder Finger einen beweglichen Kontakt darauf aufweist, der ausgelegt ist, um mit dem ersten Anschluss kontaktierbar zu sein, wobei drei oder mehr elektrische Leiter erste Enden und gegenüberliegende zweite Enden aufweisen, wobei jeder Finger elektrisch mit einem ersten Ende eines elektrischen Leiters gekoppelt ist, wobei jedes zweite Ende der elektrischen Leiter mit dem zweiten Anschluss gekoppelt ist, wobei ein elektrischer Widerstand zwischen einem zweiten Ende eines elektrischen Leiters, der mit einem äußeren Finger gekoppelt ist, und einem beweglichen Kontakt des äußeren Fingers größer ist als ein elektrischer Widerstand zwischen dem zweiten Ende eines elektrischen Leiters, der mit dem wenigstens einen inneren Finger gekoppelt ist, und einem beweglichen Kontakt des wenigstens einen inneren Fingers.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Erhöhen der Stromfestigkeit in einer elektrischen Mehrfinger-Kontaktanordnung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen von wenigstens zwei äußeren Fingern, wobei jeder der wenigstens zwei äußeren Finger einen beweglichen Kontakt aufweist, Bereitstellen von wenigstens einem inneren Finger, der zwischen den wenigstens zwei äußeren Fingern angeordnet ist, wobei der wenigstens eine innere Finger einen beweglichen Kontakt aufweist, Bereitstellen von drei oder mehr elektrischen Leitern, wobei jeder elektrische Leiter ein erstes Ende und ein gegenüberliegendes zweites Ende aufweist, wobei die ersten Enden der elektrischen Leiter mit jedem der wenigstens zwei äußeren Finger und dem wenigstens einen inneren Finger gekoppelt sind, und Bereitstellen von einem elektrischen Widerstand zwischen einem beweglichen Kontakt von wenigstens einem äußeren Finger und dem zweiten Ende eines damit gekoppelten elektrischen Leiters, der größer ist als der elektrische Widerstand zwischen einem beweglichen Kontakt des wenigstens einen inneren Fingers und dem zweiten Ende eines damit gekoppelten elektrischen Leiters.
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Figurenliste
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Die nachstehend beschriebenen Zeichnungen dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht einschränkend. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet und sollen den Schutzbereich dieser Offenbarung in keiner Weise einschränken.
- 1A veranschaulicht eine isometrische Ansicht einer elektrischen Mehrfinger-Kontaktanordnung in einem geschlossenen Zustand gemäß Ausführungsformen.
- 1B veranschaulicht eine obere Draufsicht einer elektrischen Mehrfinger-Kontaktanordnung aus 1A gemäß Ausführungsformen.
- 2A veranschaulicht eine seitliche Höhenansicht einer elektrischen Mehrfinger-Kontaktanordnung in einem geschlossenen Zustand gemäß Ausführungsformen.
- 2B veranschaulicht eine seitliche Höhenansicht einer gleichen elektrischen Mehrfinger-Kontaktanordnung aus 2A in einem geöffneten Zustand gemäß Ausführungsformen.
- 3 veranschaulicht eine Teilquerschnittsendansicht eines Anschlusses und von Leitern in einer elektrischen Mehrfinger-Kontaktanordnung gemäß Ausführungsformen.
- 4 veranschaulicht eine seitliche Höhenansicht einer elektrischen Mehrfinger-Kontaktanordnung mit einer Ausnehmung, das in einem äußeren Finger ausgebildet ist, um einen elektrischen Widerstand des äußeren Fingers zu erhöhen, gemäß Ausführungsformen.
- 5 veranschaulicht eine isometrische Ansicht von drei elektrischen Mehrfinger-Kontaktanordnungen, die in einer Konfiguration gezeigt sind, die in einem dreipoligen Leistungsschalter implementierbar ist, gemäß Ausführungsformen.
- 6 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erhöhen von Stromfestigkeitsfähigkeiten in Mehrfinger-Kontaktanordnungen gemäß Ausführungsformen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen das Bereitstellen einer verbesserten Stromfestigkeitsfähigkeit in elektrischen Mehrfinger-Kontaktanordnungen. Elektrische Mehrfinger-Kontaktanordnungen können in Mehrfinger-Leistungsschaltern, offenen Leistungsschaltern (ACBs, Air Circuit Breakers) und anderen elektrischen Schaltvorrichtungen implementiert werden. Eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen eine verbesserte elektrische Mehrfinger-Kontaktanordnung bereit, die betriebsfähig ist, um eine Hochstromfestigkeitsfähigkeit bereitzustellen.
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Eine elektrische Mehrfinger-Kontaktanordnung kann einen stationären Kontakt aufweisen, der ausgelegt ist, um mit einer ersten Schaltung, wie beispielsweise einer Leitung oder einer Stromquelle, gekoppelt zu werden. Eine Mehrzahl von beweglichen Fingern kann so ausgelegt sein, dass sie elektrisch mit einer zweiten Schaltung gekoppelt sind, wie beispielsweise einer Last, die von der Leitung oder Stromversorgung versorgt wird. Die Mehrzahl von Fingern können bewegliche Kontakte darauf aufweisen, die ausgelegt sind, um den stationären Kontakt zu kontaktieren, der die elektrische Mehrfinger-Kontaktanordnung schließt und einen Stromfluss zwischen der ersten Schaltung und der zweiten Schaltung ermöglicht. Die Finger trennen sich vom stationären Kontakt, um die elektrische Mehrfinger-Kontaktanordnung zu öffnen und einen Stromfluss zwischen der ersten Schaltung und der zweiten Schaltung zu verhindern.
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Elektrische Mehrfinger-Kontaktanordnungen können in einpoligen, zweipoligen und dreipoligen Leistungsschaltern und anderen elektrischen Schaltvorrichtungen implementiert werden. Einpolige Leistungsschalter sind zwischen einer einzelnen Leitung und Last gekoppelt, zweipolige Leistungsschalter sind zwischen einer Leitung und einer Last gekoppelt, die auf zwei Phasen arbeitet, und dreipolige Leistungsschalter sind zwischen einer Leitung und einer Last gekoppelt, die auf drei Phasen arbeitet. Diese Leistungsschalter können eine elektrische Mehrfinger-Kontaktanordnung aufweisen, die mit jedem Pol gekoppelt ist, um einen Stromfluss in jeder Phase zu ermöglichen oder zu verhindern.
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Die elektrischen Mehrfinger-Kontaktanordnungen, die in Leistungsschaltern implementiert sind, können ermöglichen, dass die Leistungsschalter als Hochstromfestigkeitsvorrichtungen funktionieren. Beispielsweise können im Fall eines Hochstromfehlers elektrische Mehrfinger-Kontaktanordnungen innerhalb der Leistungsschalter so ausgelegt sein, dass sie geschlossen bleiben und den Hochstrom leiten, bis eine vorbestimmte Zeitdauer verstrichen ist. Im Fall, dass der Hochstromfehler länger als die vorbestimmte Zeitdauer anhält oder der Hochstrom größer als ein vorbestimmter Stromstärkewert ist, kann ein intern erzeugtes Signal einen mechanischen Betätigungsmechanismus auslösen, um die beweglichen Kontakte vom stationären Kontakt zu trennen. Die Finger und beweglichen Kontakte innerhalb der elektrischen Mehrfinger-Kontaktanordnungen sind so ausgelegt, dass sie als Ergebnis des Leitens des hohen Fehlerstroms die vorbestimmte Zeitdauer lang keinen physischen Schaden erfahren.
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Leistungsschalter und andere elektrische Schaltvorrichtungen, die elektrische Mehrfinger-Kontaktanordnungen implementieren, können durch Stromfestigkeitswerte gekennzeichnet sein. Die Stromfestigkeitswerte geben die Stromstärken mit entsprechenden Zeitdauern an, die die Vorrichtungen tolerieren oder aushalten können, ohne beschädigt zu werden. Vorrichtungen mit hohen Stromfestigkeitswerten können in einem breiteren Anwendungsbereich als Vorrichtungen mit niedrigen Stromfestigkeitswerten verwendet werden. Hierin offenbarte Merkmale erhöhen die Stromfestigkeitsfähigkeiten von elektrischen Mehrfinger-Kontaktanordnungen, wodurch die Stromfestigkeitswerte der Vorrichtungen erhöht werden, die elektrische Mehrfinger-Kontaktanordnungen verwenden.
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Es gibt zwei primäre physikalische Effekte, die die Stromfestigkeitsfähigkeiten von Schaltanordnungen begrenzen, die elektrische Mehrfinger-Kontaktanordnungen aufweisen. Der erste physikalische Effekt ist eine magnetische Blow-apart-Kraft, die durch Stromeinschnürungen in Kontaktgrenzflächen, wie beispielsweise zwischen den beweglichen Kontakten und einer Kontaktoberfläche, bewirkt wird. Die Kontaktoberfläche kann die Oberfläche eines stationären Kontakts sein, an der die beweglichen Kontakte zum Kontaktieren ausgelegt sind. Die Schaltanordnungen können den magnetischen Blow-apart-Kräften entgegenwirken, um eine Trennung der beweglichen Kontakte von den Fingern, an denen die beweglichen Kontakte angebracht sind, zu verhindern. Die Trennung der Finger und der beweglichen Kontakte kann Lichtbogenschäden innerhalb der Finger und/oder der beweglichen Kontakte bewirken. Der zweite physikalische Effekt ist die Wärmeerzeugung, die durch den Hochstrom bewirkt wird, wodurch erhöhte Temperaturen an den Kontaktgrenzflächen verursacht werden, wie beispielsweise zwischen den beweglichen Kontakten und dem stationären Kontakt. Die erhöhten Temperaturen können bewirken, dass die beweglichen Kontakte und die Kontaktoberfläche des stationären Kontakts in einigen Fällen zusammenschweißen. Diese beiden physikalischen Effekte werden durch einen Hochstrom verursacht, der durch die Kontaktgrenzflächen fließt.
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Das Erzielen von Hochstromfestigkeitsfähigkeiten ist in Anwendungen mit Wechselstrom (AC, Alternating Current) aufgrund magnetischer Wirbelstromeffekte schwierig. Der allgemeine Begriff „Wirbelstromeffekte“ ist auch durch die spezielleren Begriffe „Skin-Effekte“ und „Proximity-Effekte“ bekannt, und beide sind Manifestationen von Wirbelströmen. Wirbelströme sind induzierte Ströme, die durch das sich ändernde Wechselstrommagnetfeld verursacht werden, das entgegengesetzt zum Hauptfluss des Stroms fließt. Wirbelströme bewirken, dass der Stromfluss in elektrischen Leitern ungleichmäßig ist. Der Begriff „Skin-Effekt“ bezieht sich auf einen ungleichmäßigen Strom in einem einzelnen Leiter, in dem ein höherer Strom dazu neigt, an den äußeren Oberflächen des Leiters zu fließen. Der Begriff „Proximity-Effekt“ bezieht sich auf den wechselseitigen Einfluss von mehreren benachbarten Leitern auf die Stromverteilungen in den Leitern. In elektrischen Mehrfinger-Kontaktanordnungen bewirkt der Skin-Effekt, dass ein höherer Strom durch die äußeren Finger fließt als durch die inneren Finger. Dementsprechend unterliegen die äußeren Finger und ihre gekoppelten beweglichen Kontakte den Effekten eines Hochstroms stärker als die inneren Finger und ihre gekoppelten beweglichen Kontakte.
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Bei einem 3-phasigen Leistungsschalter erzeugt der Proximity-Effekt eine asymmetrische Stromverteilung. Beispielsweise kann der äußerste Finger auf einer Seite einer elektrischen Mehrfinger-Kontaktanordnung mit seitlich nebeneinander ausgerichteten Fingern einen höheren Stromfluss als der äußerste Kontaktfinger auf einer gegenüberliegenden Seite aufweisen. Da die äußeren Finger in einer elektrischen Mehrfinger-Kontaktanordnung mehr Strom als innere Finger führen, weisen die äußeren Finger niedrigere Stromfestigkeitsfähigkeiten auf und sind anfälliger gegenüber sowohl magnetischem Blow-apart als auch Überhitzen der Kontakte. Dementsprechend kann der Hochstromfluss durch die äußeren Finger die Stromfestigkeitsfähigkeiten von elektrischen Mehrfinger-Kontaktanordnungen begrenzen oder verringern. Die hierin offenbarten Aspekte gleichen den Stromfluss durch alle Finger aus und können daher die Stromfestigkeitsfähigkeiten von elektrischen Mehrfinger-Kontaktanordnungen erhöhen.
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Die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung sind nicht auf die hierin dargestellten veranschaulichenden Beispiele beschränkt, sondern können in jeder Art von Vorrichtung, die elektrische Mehrfinger-Kontaktanordnungen implementiert, angewendet und genutzt werden, einschließlich in Leistungsschaltern, elektrischen Schaltern und auslöseartigen elektrischen Kontaktanordnungen. Beispielsweise können Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bei einpoligen Leistungsschaltern, Duplex-Leistungsschaltern, zweipoligen Leistungsschaltern, mehrpoligen Leistungsschaltern, Mess-Leistungsschaltern, elektronischen Auslöserschaltern, fernsteuerbaren Leistungsschaltern und dergleichen nützlich sein.
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Diese und andere Ausführungsformen der elektrischen Mehrfinger-Kontaktanordnungen, Leistungsschalter, die die elektrischen Mehrfinger-Kontaktanordnungen enthalten, und Verfahren zum Verbessern der Stromfestigkeitsfähigkeiten gemäß der vorliegenden Offenbarung werden nachstehend unter Bezugnahme auf 1A-6 hierin beschrieben. Gleiche Bezugszeichen, die in den Zeichnungen verwendet werden, identifizieren ähnliche oder identische Elemente in den verschiedenen Ansichten. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet.
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Unter Bezugnahme auf 1A und 1B wird eine elektrische Mehrfinger-Kontaktanordnung 100 in einem geschlossenen Zustand gezeigt und beschrieben. Die elektrische Mehrfinger-Kontaktanordnung 100 kann hierin als „Mehrfinger-Anordnung“ bezeichnet werden. Die verbesserten Stromfestigkeitsfähigkeiten gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Offenbarung sind in der Mehrfinger-Anordnung 100 eingeschlossen. Die Mehrfinger-Anordnung 100 kann einen ersten Anschluss 102 und einen zweiten Anschluss 104 aufweisen. Der erste Anschluss 102 kann betriebsfähig sein, um elektrisch mit einer ersten Schaltung (nicht gezeigt) gekoppelt zu werden, wie beispielsweise einer Last oder einer anderen Schaltung, die von einer Stromquelle versorgt wird. In ähnlicher Weise kann der zweite Anschluss 104 betriebsfähig sein, um elektrisch mit einer zweiten Schaltung (nicht gezeigt) gekoppelt zu werden, wie beispielsweise einer Leitung oder einer Stromquelle, die eine Last versorgt. Der erste Anschluss 102 und der zweite Anschluss 104 können aus elektrisch leitfähigen Materialien, wie beispielsweise Kupfer oder Messing, hergestellt sein. Andere Materialien können für den ersten Anschluss 102 und den zweiten Anschluss 104 verwendet werden. Die Mehrfinger-Anordnung 100 dient zum Aktivieren oder Deaktivieren des Stromflusses zwischen dem ersten Anschluss 102 und dem zweiten Anschluss 104.
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Ein stationärer Kontakt 108 kann elektrisch und mechanisch mit dem ersten Anschluss 102 gekoppelt sein. Der stationäre Kontakt 108 kann eine Kontaktoberfläche 109 aufweisen, die ausgelegt ist, um mit beweglichen Kontakten 110 in kontaktierendem Einsatz zu stehen, um einen Stromfluss zu ermöglichen, wenn die Kontaktoberfläche 109 und die beweglichen Kontakte 110 einander kontaktieren. Ein derartiger Kontakt versetzt die Mehrfinger-Anordnung 100 in einen geschlossenen Zustand, wie in 1A und 1B veranschaulicht. Die Trennung der Kontaktoberfläche 109 und der beweglichen Kontakte 110 versetzt die Mehrfinger-Anordnung 100 in einen geöffneten Zustand ( 2B). Der stationäre Kontakt 108 und die beweglichen Kontakte 110 können leitfähige Materialien einschließen, wie beispielsweise Silber, Wolfram, Wolframcarbid, Graphit oder Kombinationen oder Legierungen davon. Andere Materialien können im stationären Kontakt 108 und den beweglichen Kontakten 110 verwendet werden.
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Drei oder mehr Finger 112 sind elektrisch mit dem zweiten Anschluss 104 gekoppelt und elektrisch mit dem ersten Anschluss 102 gekoppelt, wenn sich die Mehrfinger-Anordnung 100 im geschlossenen Zustand befindet, wie in 1A und 1B dargestellt. Die in 1A und 1B dargestellten Finger 112 sind seitlich nebeneinander mit Luftspalten dazwischen angeordnet. Andere Anordnungen der Finger 112 können in der Mehrfinger-Anordnung 100 verwendet werden. Ein erster Finger 114 und ein zweiter Finger 116 sind an den Enden der Anordnung der Finger 112 angeordnet und werden als „äußere Finger“ bezeichnet. Wenigstens ein innerer Finger ist zwischen dem ersten Finger 114 und dem zweiten Finger 116 angeordnet. In der in 1A und 1B dargestellten Ausführungsform weist die Mehrfinger-Anordnung 100 sechs innere Finger 118 auf, die zwischen dem ersten Finger 114 und dem zweiten Finger 116 angeordnet sind. Die inneren Finger 118 werden einzeln als ein erster innerer Finger 120, ein zweiter innerer Finger 122, ein dritter innerer Finger 124, ein vierter innerer Finger 126, ein fünfter innerer Finger 128 und ein sechster innerer Finger 130 bezeichnet. Jeder der Finger 112 kann aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie beispielsweise Kupfer oder Stahl, hergestellt sein. Andere Materialien können in den Fingern 112 verwendet werden.
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Es wird zusätzlich auf 2A und 2B Bezug genommen. 2A veranschaulicht eine seitliche Höhenansicht der Mehrfinger-Anordnung 100 in einem geschlossenen Zustand, wodurch ein Stromfluss zwischen dem ersten Anschluss 102 und dem zweiten Anschluss 104 ermöglicht wird. 2B veranschaulicht eine seitliche Höhenansicht der Mehrfinger-Anordnung 100 in einem geöffneten Zustand, wodurch ein Stromfluss zwischen dem ersten Anschluss 102 und dem zweiten Anschluss 104 verhindert wird. 2A und 2B stellen seitliche Höhenansichten des zweiten Fingers 116 dar, die für alle Finger 112 repräsentativ sind. Jeder der Finger 112 kann einen beweglichen Kontakt 110 aufweisen, der elektrisch und mechanisch damit gekoppelt ist. Jeder bewegliche Kontakt 110 kann eine Kontaktoberfläche 220 aufweisen, die ausgelegt ist, um die Kontaktoberfläche 109 des stationären Kontakts 108 zu kontaktieren, wenn die Mehrfinger-Anordnung 100 im geschlossenen Zustand bereitgestellt wird.
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Die Finger 112 können eine Bohrung 136 aufweisen, die so bemessen und ausgelegt ist, dass sie ein Element (nicht gezeigt) aufnimmt, das es den Fingern 112 ermöglicht, relativ zueinander geringfügig um eine in der Bohrung 136 zentrierte Achse zu schwenken. Mechanische Mechanismen (nicht gezeigt) können mit den Fingern 112 gekoppelt sein, um zu ermöglichen, dass die Finger 112 zusammen um eine Achse 137 geschwenkt werden, um zwischen dem geöffneten Zustand und dem geschlossenen Zustand überzugehen. Beispielsweise können die Finger 112 mit einer Schlittenanordnung (nicht gezeigt) gekoppelt sein, die um die Achse 137 geschwenkt wird.
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Die Finger 112 können Enden 138 aufweisen, die so ausgelegt sind, dass sie elektrisch und mechanisch mit Leitern 140 gekoppelt sind. Die Leiter 140 können erste Enden 141 aufweisen, die mit den Enden 138 der Finger 112 gekoppelt sind. Die Leiter 140 können zweite Enden 143 aufweisen, die mit einer Seite 142 des zweiten Anschlusses 104 gekoppelt sind. Andere Verbindungsstellen zu den Fingern 112 und dem zweiten Anschluss 104 können verwendet werden. Die Leiter 140 können dazu dienen, elektrischen Strom zwischen den Fingern 112 und dem zweiten Anschluss 104 zu leiten. Die in 1A-2B dargestellten Leiter 140 können flexible Leiter sein, die während Übergängen der Mehrfinger-Anordnung 100 zwischen dem geöffneten Zustand und dem geschlossenen Zustand mit den Fingern 112 und der Seite 142 des zweiten Anschlusses 104 gekoppelt bleiben. Die Leiter 140 können geflochten, verdrillt oder Kombinationen aus geflochtenem und verdrilltem Draht sein und können aus Materialien wie Kupfer, Stahl oder Legierungen hergestellt sein. Andere Leiterkonfigurationen und -materialien können für die Leiter 140 verwendet werden.
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Die Mehrfinger-Anordnung 100, die in 1A und 1B dargestellt ist, weist acht Leiter 140 auf, die zwischen den Fingern 112 und der Seite 142 des zweiten Anschlusses 104 gekoppelt sind. Jeder der Leiter 140 kann mit einer Mehrzahl von leitfähigen Elementen ausgebildet sein, die leitfähige Litzen (z. B. Geflechte, verdrillte Drähte oder Kombinationen) eines Leiters sein können. Ein erster Leiter 146 ist zwischen dem ersten Finger 114 und der Seite 142 des zweiten Anschlusses 104 gekoppelt. Ein zweiter Leiter 148 ist zwischen dem zweiten Finger 116 und der Seite 142 des zweiten Anschlusses 104 gekoppelt. Der erste Leiter 146 und der zweite Leiter 148 werden als „äußere Leiter“ bezeichnet. Wenigstens ein innerer Leiter ist zwischen einem inneren Finger und dem zweiten Anschluss 104 gekoppelt. Die in 1A-2B dargestellte Mehrfinger-Anordnung 100 weist sechs innere Finger 118 auf, so dass sie auch sechs innere Leiter 150 aufweisen kann. Jeder der inneren Leiter 150 kann mit einer Mehrzahl von leitfähigen Elementen wie hierin beschrieben hergestellt sein. Die inneren Leiter 150 werden einzeln als der erste innere Leiter 152, der zweite innere Leiter 154, der dritte innere Leiter 156, der vierte innere Leiter 158, der fünfte innere Leiter 160 und der sechste innere Leiter 162 bezeichnet. Die inneren Leiter 150 können mit ihren entsprechenden inneren Fingern 118 gekoppelt sein.
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Die in 1A-2B dargestellte Mehrfinger-Anordnung 100 weist acht Strompfade auf, die sich zwischen dem ersten Anschluss 102 und dem zweiten Anschluss 104 erstrecken. Insbesondere bilden jeder der Leiter 140 und die gekoppelten Finger 112 einen Strompfad. Ein erster Strompfad I1 erstreckt sich durch den ersten Leiter 146 und den ersten Finger 114. Ein zweiter Strompfad I2 erstreckt sich durch den zweiten Leiter 148 und den zweiten Finger 116. Der erste Strompfad I1 und der zweite Strompfad I2 werden als „äußere Strompfade“ bezeichnet. Innere Strompfade können sich durch die inneren Finger 118 und die inneren Leiter 150 erstrecken. Die in 1A-2B dargestellte Mehrfinger-Anordnung 100 weist sechs innere Strompfade auf, die sich durch die inneren Finger 118 und ihre entsprechenden inneren Leiter 150 erstrecken. Ausführungsformen der Mehrfinger-Anordnung 100 reduzieren den Stromfluss in wenigstens einem der äußeren Strompfade I1, I2 im Vergleich zum Stand der Technik. In einigen Ausführungsformen kann der Stromfluss in wenigstens einem der äußeren Strompfade I1, I2 ungefähr gleich sein wie die Stromflüsse in wenigstens einem der inneren Strompfade. In einigen Ausführungsformen ist der Unterschied zwischen dem höchsten Stromfluss durch einen äußeren Strompfad und einem niedrigsten Stromfluss durch einen inneren Strompfad geringer als bei Vorrichtungen nach dem Stand der Technik, die im Wesentlichen einen gleichen elektrischen Widerstand in jedem Pfad aufweisen.
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Wie oben beschrieben, ist der Stromfluss nach dem Stand der Technik bei seitlich nebeneinander angeordneten Leitern in den äußeren Leitern am größten. Dementsprechend ist die Stromfestigkeitsfähigkeit einer Mehrfinger-Anordnung durch den höchsten Stromfluss durch einen beliebigen Finger begrenzt, der ein äußerer Finger sein kann. Die Mehrfinger-Anordnung 100 reduziert den Stromfluss in wenigstens einem der äußeren Strompfade I1, I2 im Vergleich zum Stand der Technik, wodurch die Stromfestigkeitsfähigkeit der Mehrfinger-Anordnung 100 erhöht wird. Die Mehrfinger-Anordnung 100 erreicht den reduzierten Stromfluss in wenigstens einem der äußeren Strompfade I1, 12, indem der elektrische Widerstand in wenigstens dem ersten Strompfad I1 oder dem zweiten Strompfad I2 (oder beiden) relativ zu den inneren Strompfaden erhöht wird.
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Im Folgenden werden hierin mehrere Ausführungsformen zum Erhöhen des Widerstands im ersten Strompfad I1 und/oder zweiten Strompfad I2 relativ zum Widerstand in den inneren Strompfaden beschrieben. Einige Ausführungsformen zum Erhöhen des Widerstands im ersten Strompfad I1 und zweiten Strompfad I2 relativ zu den inneren Strompfaden schließen das Verwenden von Leitern mit kleineren transversalen Querschnittsflächen für den ersten Leiter 146 und/oder den zweiten Leiter 148 relativ zu den Querschnittsflächen der inneren Leiter 150 ein. In einigen Ausführungsformen können kleinere Querschnittsflächen des ersten Leiters 146 und/oder des zweiten Leiters 148 erzielt werden, indem weniger leitfähige Elemente im ersten Leiter 146 und/oder zweiten Leiter 148 als in den inneren Leitern 150 verwendet werden. In einigen Ausführungsformen, wie am besten in 2A, 2B und 3 gezeigt, können die Leiter 140 aus mehreren leitfähigen Elementen 310 bestehen, die leitfähige Litzen (z. B. Geflechte, verdrillte Drähte oder Kombinationen) eines Leiters sein können.
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3 veranschaulicht eine Querschnittsansicht von leitfähigen Elementen 310 in den Leitern 140, wobei die gezeigte Schraffur irgendeines von einem Geflecht, einer Verdrillung oder Kombinationen von Verdrillung und Geflecht bezeichnet. Der erste Leiter 146 und der zweite Leiter 148 weisen jeweils drei leitfähige Elemente 310 auf, und die inneren Leiter 150 weisen jeweils vier leitfähige Elemente 310 auf. Dementsprechend sind die Querschnittsflächen des ersten Leiters 146 und des zweiten Leiters 148 kleiner als die Querschnittsflächen der inneren Leiter 150. Die Seitenansichten aus 2A und 2B veranschaulichen die Konfiguration der leitfähigen Elemente 310 in Bezug auf den zweiten Leiter 148 und den sechsten inneren Leiter 162. Wie gezeigt, weist der zweite Leiter 148 drei leitfähige Elemente 222, 224 und 226 auf. Der sechste innere Leiter 162 weist ein zusätzliches viertes leitfähiges Element 228 auf. Dementsprechend sind die Widerstände des ersten Leiters 146 und des zweiten Leiters 148 größer als der Widerstand der inneren Leiter 150. Daraus folgt, dass die Widerstände des ersten Strompfads I1 und des zweiten Strompfads I2 größer sind als die Widerstände der inneren Strompfade mit größeren Querschnittsflächen. In einigen Ausführungsformen weisen der erste Leiter 146 und/oder der zweite Leiter 148 ein oder mehrere leitfähige Elemente auf, und die inneren Leiter 150 weisen zwei oder mehr leitfähige Elemente 310 auf, wobei die inneren Leiter 150 mehr leitfähige Elemente aufweisen als der erste Leiter 146 und/oder der zweite Leiter 148.
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Andere Ausführungsformen zum Erhöhen der Widerstände des ersten Strompfads I1 und/oder des zweiten Strompfads I2 relativ zu den inneren Strompfaden schließen die Verwendung einzelner leitfähiger Elemente mit unterschiedlichen Querschnittsflächen ein. Beispielsweise können die Querschnittsflächen von leitfähigen Elementen in den äußeren Strompfaden kleiner als die Querschnittsflächen von leitfähigen Elementen in den inneren Strompfaden sein. In anderen Ausführungsformen können die Materialien von Komponenten im ersten Strompfad I1 und/oder zweiten Strompfad I2 höhere Widerstände aufweisen als Materialien von Komponenten in den inneren Strompfaden. Beispielsweise können der erste Leiter 146 und/oder der zweite Leiter 148 Materialien mit höheren Widerständen aufweisen als Materialien in den inneren Leitern 150. Beispielsweise kann ein reines (z. B. 99,9 % reines) Kupfermaterial für die inneren Strompfade verwendet werden, und eine Legierung mit geringerer elektrischer Leitfähigkeit kann für den ersten Leiter 146 und/oder den zweiten Leiter 148 verwendet werden.
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In einer anderen Ausführungsform können der erste Finger 114 und/oder der zweite Finger 116 Materialien mit höheren Widerständen aufweisen als Materialien in den inneren Fingern 118. Beispielsweise können Materialien, die verwendet werden können, Kupferlegierungen sein, wobei die Legierungselemente zusätzlich zu Kupfer beispielsweise eines oder mehrere von Chrom, Zink, Zinn, Phosphor, Aluminium, Silizium, Nickel, Beryllium oder Eisen sein können.
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Eine Beschädigung durch einen hohen Fehlerstrom kann an der Grenzfläche zwischen den beweglichen Kontakten 110 und der Kontaktoberfläche 109 auftreten. Dementsprechend kann die Stromfestigkeitsfähigkeit der Mehrfinger-Anordnung 100 auf der Stromfestigkeitsfähigkeit dieser Grenzfläche basieren. Durch Reduzieren des Stromflusses im ersten Strompfad I1 und/oder im zweiten Strompfad I2 werden die Grenzflächen zwischen den beweglichen Kontakten 110 des ersten Fingers 114 und/oder des zweiten Fingers 116 und der Kontaktoberfläche 109 während eines Stromfehlers im Vergleich zum Stand der Technik weniger Strom ausgesetzt. Die Stromfestigkeitsfähigkeit der Mehrfinger-Anordnung 100 kann daher verbessert werden.
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Die inneren Finger 118, ihre beweglichen Kontakte 110 und die inneren Leiter 150 leiten den Strom, der vom ersten Strompfad I1 und vom zweiten Strompfad I2 abgezweigt ist. Der zusätzliche Stromfluss durch die beweglichen Kontakte 110 der inneren Finger 118 kann geringfügig ansteigen, der erhöhte Strom kann nicht groß genug sein, um zur Erhöhung der magnetischen Blow-apart-Kraft und Erwärmung beizutragen, um die Stromfestigkeitsfähigkeit nachteilig zu beeinflussen.
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Der erhöhte Widerstand des ersten Leiters 146 und des zweiten Leiters 148 kann die vom ersten Leiter 146 und vom zweiten Leiter 148 erzeugte Wärme erhöhen. Die Wärme kann während der normalen Verwendung der Mehrfinger-Anordnung 100 und während eines Stromfestigkeitsereignisses erzeugt werden, während die Mehrfinger-Anordnung 100 in einem geschlossenen Zustand verbleibt. Ein Stromfestigkeitsereignis kann zwischen 0,05 Sekunden und drei Sekunden dauern. Die Finger 112 können ausreichend lang oder massiv sein, so dass die vom ersten Leiter 146 und/oder vom zweiten Leiter 148 erzeugte Wärme keine Zeit hat, zu den beweglichen Kontakten 110 zu leiten, um eine Beschädigung davon zu verursachen. Beispielsweise kann die Wärme, die während der normalen Verwendung der Mehrfinger-Anordnung 100 erzeugt wird, in einer gesamten Schaltvorrichtung, in der die Mehrfinger-Anordnung 100 angeordnet ist, dissipiert werden. Wärme, die während eines Stromfestigkeitsereignisses erzeugt wird, kann nicht hoch genug sein oder lange genug erzeugt werden, um zu den beweglichen Kontakten 110 übertragen zu werden.
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Die Mehrfinger-Anordnung 100 wurde mit erhöhtem Widerstand in den äußeren Strompfaden I1 und I2 beschrieben. In anderen Ausführungsformen kann der Widerstand von mehreren äußeren Strompfaden auf einer oder beiden Seiten der Mehrfinger-Anordnung 100 erhöht sein. Beispielsweise kann der Widerstand eines zusätzlichen Strompfads, der den ersten inneren Finger 120 und den ersten inneren Leiter 152 bildet, zusammen mit dem Widerstand des sechsten inneren Fingers 130 und des sechsten inneren Leiters 162 im Vergleich zu den anderen inneren Pfaden erhöht sein. Somit können die äußeren Strompfade andere Strompfade als die zwei äußersten Strompfade aufweisen.
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Das Erhöhen des Widerstands im ersten Strompfad I1 und/oder im zweiten Strompfad I2 kann, wie oben erörtert, innerhalb des ersten Fingers 114 und/oder des zweiten Fingers 116 erreicht werden. In einigen Ausführungsformen können der erste Finger 114 und/oder der zweite Finger 116 höhere Widerstände aufweisen als die Widerstände der inneren Finger 118. Beispielsweise können der erste Finger 114 und/oder der zweite Finger 116 aus Materialien hergestellt sein, die einen höheren Widerstand aufweisen als Materialien der inneren Finger 118, oder auf andere Weise. Es wird Bezug genommen auf 4, um ein Beispiel für das Erhöhen des Widerstands im zweiten Finger 116 durch Reduzieren einer Querschnittsfläche von wenigstens einem Teil des zweiten Fingers 116 zu veranschaulichen. Im Beispiel aus 4 ist eine Ausnehmung 402 im zweiten Finger 116 ausgebildet, um die Querschnittsfläche des zweiten Fingers 116 zu reduzieren. Eine derartige Reduzierung der Querschnittsfläche kann weit genug von den beweglichen Kontakten 110 entfernt sein, so dass Wärme, die durch die reduzierte Querschnittsfläche erzeugt wird, die beweglichen Kontakte 110 nicht beeinflusst. Die Position der Ausnehmung 402 kann eine Position des zweiten Fingers 116 mit der minimalen transversalen Querschnittsfläche sein. Die resultierende minimale Querschnittsfläche des zweiten Fingers 116 ist kleiner als die minimale Querschnittsfläche der inneren Finger 118. Dementsprechend ist der Widerstand des zweiten Fingers 116 größer als der Widerstand der inneren Finger 118. Es können andere Implementierungen zum Reduzieren der Querschnittsfläche eines Fingers verwendet werden. Beispielsweise können der erste Finger 114 und der zweite Finger 116 dünner sein als die inneren Finger 118.
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Die Widerstände des ersten Strompfads I1 und des zweiten Strompfads I2 können 10 %, 15 %, 20 %, 25 % oder 35 % größer sein als die Widerstände der inneren Strompfade. In einigen Ausführungsformen können die Widerstände des ersten Strompfads I1 und des zweiten Strompfads I2 10 % - 50 % oder sogar noch größer sein als die Widerstände der inneren Strompfade. Die Mehrfinger-Anordnung 100 kann durch die erhöhten Widerstände eine Verbesserung der erreichbaren Stromfestigkeitsfähigkeit erzielen. In einigen Beispielen kann die Stromfestigkeitsfähigkeit bis zu 10 % oder mehr steigen. Die Erhöhung der Stromfestigkeitsfähigkeit kann ohne Erhöhung der Materialkosten und ohne zusätzliche Teile erzielt werden. Stattdessen können die Materialkosten geringfügig reduziert werden, da weniger leitfähige Elemente oder weniger Materialien in den Leitern 140 oder Fingern eingeschlossen sind.
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5 veranschaulicht eine Konfiguration von drei Mehrfinger-Anordnungen, wie sie in einer Leistungsschalter-Kontaktanordnung 500 eines dreipoligen Leistungsschalters implementiert werden können. Die Pole werden einzeln als ein erster Pol 502, ein zweiter Pol 504 und ein dritter Pol 506 bezeichnet. Jeder Pol schließt einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss ein, die Erweiterungen des ersten Anschlusses 102 und des zweiten Anschlusses 104 sein können. Der erste Pol 502 schließt einen ersten Anschluss 510 und einen zweiten Anschluss 512 ein. Der zweite Pol 504 schließt einen ersten Anschluss 514 und einen zweiten Anschluss 516 ein. Der dritte Pol 506 schließt einen ersten Anschluss 518 und einen zweiten Anschluss 520 ein.
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Die Mehrfinger-Anordnungen 100 können mit den ersten und zweiten Anschlüssen der Pole gekoppelt sein. Eine erste Mehrfinger-Anordnung 530 ist mit dem ersten Anschluss 510 und dem zweiten Anschluss 512 des ersten Pols 502 gekoppelt, wie gezeigt. Eine zweite Mehrfinger-Anordnung 532 ist mit dem ersten Anschluss 514 und dem zweiten Anschluss 516 des zweiten Pols 504 gekoppelt, wie gezeigt. Eine dritte Mehrfinger-Anordnung 534 ist mit dem ersten Anschluss 518 und dem zweiten Anschluss 520 des dritten Pols 506 gekoppelt, wie gezeigt. Die erste Mehrfinger-Anordnung 530, die zweite Mehrfinger-Anordnung 532 und die dritte Mehrfinger-Anordnung 534 können sich gemeinsam öffnen und schließen. Dementsprechend leiten der erste Pol, der zweite Pol 504 und der dritte Pol alle Strom oder werden daran gehindert, Strom zu leiten.
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In anderen Ausführungsformen können zwei Mehrfinger-Anordnungen in zweipoligen Leistungsschaltern implementiert werden, und eine einzelne Mehrfinger-Anordnung kann in einpoligen Leistungsschaltern implementiert werden. In noch anderen Ausführungsformen können vier Mehrfinger-Anordnungen in vierpoligen Leistungsschaltern implementiert werden.
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In mehrpoligen Schaltvorrichtungen, wie beispielsweise der dreipoligen Leistungsschalter-Kontaktanordnung 500, ist die Stromverteilung in den Fingern möglicherweise nicht symmetrisch von links nach rechts. Beispielsweise kann der äußere Finger auf einer Seite mehr Strom leiten als der äußere Finger auf der gegenüberliegenden Seite, abhängig davon, ob der Strom in einem benachbarten Pol voreilt oder nacheilt. In einigen Ausführungsformen ist der Widerstand des äußeren Leiters, der mit dem den höchsten Strom leitenden Finger gekoppelt ist, erhöht. In anderen Ausführungsformen sind die Widerstände der beiden äußeren Leiter erhöht.
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6 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erhöhen der Stromfestigkeitsfähigkeiten einer elektrischen Mehrfinger-Kontaktanordnung (z. B. der Mehrfinger-Anordnung 100). Das Verfahren 600 schließt in 602 das Bereitstellen von wenigstens zwei äußeren Fingern (z. B. dem ersten Finger 114 und dem zweiten Finger 116) ein, wobei jeder der wenigstens zwei äußeren Finger einen beweglichen Kontakt (z. B. den beweglichen Kontakt 110) aufweist.
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Das Verfahren 600 schließt ferner in 604 das Bereitstellen von wenigstens einem inneren Finger (z. B. den inneren Fingern 118) ein, der zwischen den wenigstens zwei äußeren Fingern angeordnet ist, wobei der wenigstens eine innere Finger einen beweglichen Kontakt (z. B. den beweglichen Kontakt 110) aufweist. Das Verfahren 600 schließt ferner in 606 das Bereitstellen von drei oder mehr elektrischen Leitern (z. B. den elektrischen Leitern 140) ein, wobei jeder elektrische Leiter ein erstes Ende (z. B. die ersten Enden 141) und ein gegenüberliegendes zweites Ende (z. B. die zweiten Enden 143) aufweist, wobei die ersten Enden der elektrischen Leiter mit jedem der wenigstens zwei äußeren Finger (z. B. dem ersten Finger 114 und zweiten Finger 116) und dem wenigstens einen inneren Finger (z. B. wenigstens einem der inneren Finger 118) gekoppelt sind.
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Das Verfahren 600 umfasst ferner in 608 das Bereitstellen eines elektrischen Widerstands zwischen einem beweglichen Kontakt von wenigstens einem äußeren Finger (z. B. dem ersten Finger 114 und/oder dem zweiten Finger 116) und dem zweiten Ende eines damit gekoppelten elektrischen Leiters (z. B. des ersten Leiters 146 und/oder des zweiten Leiters 148), der größer ist als der elektrische Widerstand zwischen einem beweglichen Kontakt des wenigstens einen inneren Fingers und dem zweiten Ende eines damit gekoppelten elektrischen Leiters.
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Die vorstehende Beschreibung offenbart nur beispielhafte Ausführungsformen der Offenbarung. Modifikationen der oben offenbarten Vorrichtung und Verfahren, die innerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung fallen, sind für Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet leicht ersichtlich. Beispielsweise kann die Mehrfinger-Anordnung 100 in anderen Vorrichtungen implementiert sein, wie beispielsweise manuell betätigten elektrischen Schaltern und anderen Arten von Leistungsschaltern.
