DE102020132655A1

DE102020132655A1 - Kontaktbrücke für ein elektrisches Schaltelement und elektrisches Schaltelement

Info

Publication number: DE102020132655A1
Application number: DE102020132655.6A
Authority: DE
Inventors: Titus Ziegler
Original assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Current assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Priority date: 2020-12-08
Filing date: 2020-12-08
Publication date: 2022-06-09
Also published as: CN114628170A

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kontaktbrücke für eine Schaltkontaktbaugruppe eines elektrischen Schaltelements und ein elektrisches Schaltelement mit einer solchen Kontaktbrücke. Insbesondere umfasst die Kontaktbrücke (102, 202) für eine Schaltkontaktbaugruppe (100, 200) eines elektrischen Schaltelements (10, 20) einen Kontaktträger (108, 208), der auf einer Schaltseite (112, 212) mindestens ein erstes Kontaktelement (110, 210) aufweist, das leitend mit dem Kontaktträger (108, 208) verbunden ist. Der Kontaktträger (108, 208) weist weiterhin ein erstes Stromleitelement (118, 218) und ein zweites Stromleitelement (120, 220) auf, die elastisch und elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind, wobei das erste Stromleitelement (118, 218) und das zweite Stromleitelement (120, 220) so angeordnet sind, dass ein durch den Kontaktträger (108, 208) fließender elektrischer Strom Abstoßungskräfte (Fa₁, Fa₂) in dem ersten und dem zweiten Stromleitelement erzeugt, die auf das jeweils andere Stromleitelement abstoßend wirken.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kontaktbrücke für eine Schaltkontaktbaugruppe eines elektrischen Schaltelements und ein elektrisches Schaltelement mit einer solchen Kontaktbrücke.
Elektrische Schaltelemente, insbesondere Schütze und Relais, werden dazu verwendet, elektrische Stromkreise zwischen einer Stromquelle, wie beispielswiese einer Batterie und einer elektrischen Last, die beispielsweise der elektrische Antriebsstrang eines Fahrzeugs sein kann, zu schalten, so dass der elektrische Strompfad zwischen der Stromquelle und der elektrischen Last je nach Bedarf geschlossen oder unterbrochen werden kann. Mit dem vermehrten Aufkommen der Elektromobilität gibt es insbesondere in Fahrzeugen, wie Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, einen Bedarf immer höhere elektrische Leistungen zu schalten. Heutzutage ist es beispielsweise üblich, als Leistungsquelle für den Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs Akkumulatoren zu verwenden, die elektrische Spannungen im Bereich von 400 V bis 1 kV bereitstellen.
Um noch größere Reichweiten der Elektrofahrzeuge erzielen zu können, wird daran gearbeitet, den Wirkungsgrad einzelner (Batterie-) Zellen dieser Akkumulatoren weiter zu verbessern, sowie immer mehr einzelne (Batterie-) Zellen zu einem Akkumulator zusammenzuschließen, so dass die zur Verfügung gestellten maximalen elektrischen Spannungen weiter erhöht werden. Aus diesem Grund steigen auch die Anforderungen an die elektrischen Schaltelemente, die zum einen dazu ausgelegt sein müssen, solche elektrischen Spannungen zuverlässig zu schalten, zum anderen aber auch immer höhere Kurzschlussfestigkeiten aufweisen müssen, da die zu schaltenden höheren elektrischen Spannungen auch höhere Kurzschlussströme nach sich ziehen können. Dabei versteht man unter dem Begriff Kurzschlussfestigkeit, dass ein elektrisches Schaltelement nach einem Kurzschluss an den Ausgängen keinen Schaden hat, wie beispielsweise ein Zusammenschmelzen oder -löten der trennbaren Kontaktpunkte in dem elektrischen Schaltelement.
Werden heutzutage noch vorwiegend elektrische Schaltelemente mit Kurzschlussfestigkeiten für kurzzeitige Stromspitzen von bis zu 4 kA angeboten, so ist es in zukünftigen Anwendungen durchaus möglich, dass Stromspitzen zwischen 10 kA und 20 kA auftreten können. Solche hohen Kurzschlussströme erhöhen insbesondere die Repulsionskräfte, die an den eingeengten Kontaktpunkten (auch als Kontaktelemente oder Kontaktstellen bezeichnet) der elektrischen Schaltelemente durch die Lorentzkraft zwischen den Kontaktpunkten hervorgerufen wird. Durch die starken Repulsionskräfte kann es zu kurzzeitigem unkontrolliertem Öffnen der Kontaktelemente des elektrischen Schaltelements kommen, infolgedessen die Kontaktelemente durch starke Lichtbogenbildung beschädigt werden können oder es zu einer Explosion des elektrischen Schaltelements oder dem Austritt von Plasma aus dem elektrischen Schaltgerät kommen kann. Um dieses unkontrollierte Öffnen im Kurzschlussfall zu vermeiden, sind daher hohe Kontaktkräfte erforderlich, um den Repulsionskräften entgegenzuwirken. Zur Erzeugung der hohen Kontaktkräfte sind wiederum entsprechend groß dimensionierte Betätigungsorgane notwendig. Da die Repulsionskräfte quadratisch mit den Kurzschlussströmen skalieren, führt eine einfache Vergrößerung der Betätigungsorgane zu einer drastischen Vergrößerung des Bauraums des elektrischen Schaltelements, was insbesondere in einem Fahrzeug durch die natürliche Begrenzung des Bauraums nachteilhaft ist.
Es ist daher beispielsweise aus der US 2019 / 0035586 A1 bekannt, ein elektrisches Schaltelement bereitzustellen, bei dem zwei zueinander bewegliche Eisenteile die Steifigkeit einer Kontaktbrücke erhöhen und somit helfen, im Kurzschlussfall den entstehenden Repulsionskräften entgegenzuwirken. Allerdings erhöhen die zusätzlich benötigten Eisenteile die Masse der zu schaltenden beweglichen Teile in dem elektrischen Schaltelement stark, und zudem wird die Kraftwirkung durch in den Eisenteilen induzierte Wirbelströme ab. Dadurch nimmt die Schockfestigkeit und die Schaltgeschwindigkeit des elektrischen Schaltelements ab.
Weiterhin offenbart beispielsweise die EP 2 546 853 A1 einen Kontaktmechanismus, bei dem ein fester Kontakt und ein beweglicher Kontakt Teil eines elektrischen Strompfads sind, wobei der feste Kontakt eine L-förmige Form aufweist und der bewegliche Kontakt eine U-förmige Form aufweist. Durch diese Form kann eine Lorentzkraft erzeugt werden, die entgegen den zwischen den Kontaktelementen erzeugten elektromagnetischen Repulsionskräften wirkt. Durch die spezielle Form insbesondere der festen Kontakte entsteht bei dieser Anordnung allerdings ein erhöhter Platzbedarf für die festen Kontakte und die Flexibilität für die Anordnung der festen Kontakte wird eingeschränkt.
Es besteht daher ein Bedarf für eine Kontaktbrücke und ein elektrisches Schaltelement, welche die Nachteile der bekannten Lösungen überwinden und dabei sicher und zuverlässig, aber dennoch kostengünstig herstellbar sind.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Dabei basiert die vorliegende Erfindung auf der erfinderischen Idee, zwei Stromleitelemente in einer Kontaktbrücke so anzuordnen, dass ein elektrischer Stromfluss durch die beiden Stromleitelemente eine Lorentzkraft erzeugt, die die beiden Stromleitelemente voneinander abstößt. Die Abstoßungskräfte zwischen den beiden Stromleitelementen, die dabei erzeugt werden, können als Gegenkraft zu den in den Kontaktelementen vorhandenen Repulsionskräften wirken, und somit ein unkontrolliertes Öffnen des elektrischen Schaltelements auch bei Fließen eines hohen Kurzschlussstroms verhindern. Dies ist insbesondere von Vorteil, da die in der Kontaktbrücke erzeugten Abstoßungskräfte proportional zum elektrischen Stromfluss durch die Kontaktbrücke sind, so dass der Abstoßungseffekt bei hohen Kurzschlussströmen weiter verstärkt wird.
Folglich umfasst eine erfindungsgemäße Kontaktbrücke für eine Schaltkontaktbaugruppe eines elektrischen Schaltelements einen Kontaktträger, der auf einer Schaltseite mindestens ein erstes Kontaktelement aufweist, das leitend mit dem Kontaktträger verbunden ist, wobei der Kontaktträger ein erstes und ein zweites Stromleitelement aufweist, die elastisch und elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind. Dabei sind das erste Stromleitelement und das zweite Stromleitelement so angeordnet, dass ein durch den Kontaktträger fließender elektrischer Strom Abstoßungskräfte in dem ersten und dem zweiten Stromleitelement erzeugt, die auf das jeweils andere Stromleitelement abstoßend wirken.
Durch die Abstoßung der beiden Stromleitelemente wird eine zusätzliche mechanische Spannung in der Kontaktbrücke hervorgerufen, die den auf die Kontaktelemente wirkenden Repulsionskräften entgegenwirkt. Dadurch kann ein unkontrolliertes Öffnen der Kontaktelemente verhindert werden, selbst wenn die Repulsionskräfte eine Schaltkraft übersteigen, die in geschlossenem Zustand des elektrischen Schaltelements von einem Betätigungselement auf die Kontaktbrücke übertragen werden, so dass die erfindungsgemäße Kontaktbrücke eine höhere Kurzschlussfestigkeit für ein elektrisches Schaltelement ermöglicht. Durch die elastische Verbindung der beiden Stromleitelemente werden beide Stromleitelemente beweglich zueinander gelagert. Dies erlaubt eine Verformung der Kontaktbrücke, die verhindert, dass die Kontaktbrücke von der erzeugten zusätzlichen mechanischen Spannung beschädigt wird.
Dadurch, dass die Abstoßungskräfte nur durch die spezifische Anordnung der Stromleitelemente innerhalb der Kontaktbrücke hervorgerufen werden, kann die erfindungsgemäße Kontaktbrücke einfach in bereits bestehende Anordnungen für elektrische Schaltungsanordnungen integriert werden. Somit wird eine komplizierte Ausgestaltung der Festkontakte eines elektrischen Schaltelements unnötig und es kann auf eine Vergrößerung der Betätigungsorgane oder das Anbringen von zusätzlichen Eisenteilen verzichtet werden. Somit erlaubt die erfindungsgemäße Kontaktbrücke die Herstellung von elektrischen Schaltelementen, die einfach zu produzieren sind und einen geringen Platzbedarf aufweisen.
Vorteilhafterweise ist der durch den Kontaktträger fließende elektrische Strom so geführt, dass mindestens eine Komponente einer Stromflussrichtung in dem ersten Stromleitelement gegenläufig zu einer Komponente der Stromflussrichtung in dem zweiten Stromleitelement ist. Durch das antiparallele Führen des elektrischen Strompfads durch die beiden Stromleitelemente wird eine Lorentzkraft erzeugt, die proportional zur Stromstärke des elektrischen Stromflusses ist und dabei Abstoßungskräfte auf die Stromleitelemente erzeugt, die die innere mechanische Spannung in der Kontaktbrücke erhöhen.
Um eine effektive Abstoßungsfläche zwischen den beiden Stromleitelementen zu maximieren, sind das erste und das zweite Stromleitelement vorzugsweise jeweils als rechteckförmige Stromschienen ausgebildet. Selbstverständlich sind natürlich auch andere Formen für die Stromschienen denkbar, die eine den Anforderungen entsprechende effektive Abstoßungsfläche zwischen den beiden Stromleitelementen bereitstellen.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt sind das erste und das zweite Stromleitelement über einen gebogenen Federbereich elastisch miteinander verbunden, so dass das erste und das zweite Stromleitelement relativ zueinander beweglich sind.
Vorteilhafterweise weist dabei eine Biegung des Federbereichs einen Biegewinkel von 180° auf, so dass die mit dem Federelement verbundenen ersten und zweiten Stromleitelemente in parallelen Ebenen angeordnet werden können, um die erzeugten Abstoßungskräfte zu maximieren. Dem Fachmann ist allerdings auch klar, dass die Biegung des leitfähigen Federelements zweckmäßigerweise auch einem Winkel im Bereich zwischen 135° und 225°, vorzugsweise im Bereich zwischen 170° und 190°, aufweisen kann.
Um eine besonders einfache Herstellung der Kontaktbrücke zu ermöglichen, kann der Kontaktträger integral aus einem stromleitfähigen Federmaterial geformt sein oder in anderen Worten als eine gefaltete Metallfeder ausgebildet sein. Mögliche stromleitfähige Federmaterialien umfassen dabei beispielsweise Kupfer, Kupfer-Beryllium, Federstahl oder Edelstahl. Selbstverständlich können auch andere elastische Materialien mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit verwendet werden. Alternativ kann ein Grundkörper der Kontaktbrücke aus einem weniger gut leitenden Federmaterial hergestellt sein und mit einem stromleitfähigen Material, wie Kupfer, Silber oder Gold, beschichtet werden.
Um Kontakt zwischen mindestens zwei Festkontakten eines elektrischen Schaltelements herstellen zu können, kann der Kontaktträger einen ersten Kontaktarm und einen zweiten Kontaktarm aufweisen, wobei der erste Kontaktarm das erste Stromleitelement und das zweite Stromleitelement umfasst, und wobei der erste und der zweite Kontaktarm jeweils mindestens ein erstes Kontaktelement aufweisen. Dabei kann alternativ oder zusätzlich auch der zweite Kontaktarm zwei Stromleitelemente umfassen, die so angeordnet sind, dass sie sich bei elektrischem Stromfluss durch den Kontaktträger abstoßen. Weiterhin kann auch nur jeweils eines der ersten und zweiten Stromleitelemente jeweils einem des ersten und zweiten Kontaktarmes zugeordnet sein.
Um die Stabilität der Kontaktbrücke weiter zu erhöhen, kann das erste Stromleitelement einen Befestigungsvorsprung umfassen, mit dessen Hilfe die Kontaktbrücke in eine Kontaktbrückenhalterung eingespannt werden kann.
Vorteilhafterweise kann das mindestens eine erste Kontaktelement eine Vielzahl von getrennt angeordneten Kontaktpunkten umfassen, so dass die zwischen dem ersten Kontaktelement und einem Kontaktelement eines Festkontakts erzeugten Repulsionskräfte aufgeteilt und somit verkleinert werden können.
Um die in der Kontaktbrücke entstehenden Kräfte zwischen verschiedenen Kontaktelementen oder Kontaktpunkten möglichst effektiv ausgleichen zu können, kann der Kontaktträger mindestens einen elastischen Kontaktabgriff umfassen. Jedem der mindestens einen elastischen Kontaktabgriffe kann dabei jeweils ein Kontaktelement oder ein Kontaktpunkt zugeordnet sein.
Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein elektrisches Schaltelement. Das elektrische Schaltelement umfasst einen Festkontakt und eine Kontaktbrücke gemäß der vorliegenden Erfindung. Die erfindungsgemäße Kontaktbrücke ist kraftübertragend mit einem Betätigungselement verbunden, wobei, im geschlossenen Zustand des elektrischen Schaltelements, das Betätigungselement eine Schaltkraft auf die Kontaktbrücke überträgt, die das mindestens eine erste Kontaktelement in Richtung einer Schaltseite gegen das mindestens eine zweite Kontaktelement des Festkontakts drückt.
Vorzugsweise kann dabei die in dem zweiten Stromleitelement erzeugte Kraft das erste Stromleitelement in Richtung der Schaltseite abstoßen, so dass die abstoßende Kraft direkt auf ein mit dem ersten Stromleitelement verbundenes Kontaktelement übertragen werden kann.
Um die Stabilität der Kontaktbrücke bei Stromdurchfluss weiter zu erhöhen, kann eine Kontaktbrückenhalterung vorgesehen sein, durch die die Kontaktbrücke an dem Betätigungselement gelagert ist, wobei die Kontaktbrückenhalterung das erste Stromleitelement der Kontaktbrücke eingespannt hält. Somit kann die Kontaktbrückenhalterung eine Gegenkraft zu den durch den elektrischen Stromfluss in den Stromleitelementen erzeugten Abstoßungskräften auf das erste Stromleitelement erzeugen. Dadurch wird bei elektrischem Stromfluss eine zusätzliche mechanische Spannung erzeugt, die die Steifigkeit der Kontaktbrücke erhöht und somit gegen die in den Kontaktelementen vorhandenen Repulsionskräfte wirkt. Dabei kann die Kontaktbrückenhalterung beispielsweise als eine integral geformte Klammer ausgeformt sein, in die die Kontaktbrücke eingespannt ist. Alternativ dazu kann die Kontaktbrückenhalterung aber beispielsweise auch durch einen Sicherungsring ausgeformt sein, durch den die Kontaktbrücke auf einer Auflagefläche des Betätigungselements befestigt ist, so dass die Kontaktbrücke zwischen der Auflagefläche des Betätigungselements und dem Sicherungsring eingespannt ist.
Vorzugsweise kann die Kontaktbrückenhalterung das erste Stromleitelement auch vorgespannt halten.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt kann die Kontaktbrücke beweglich an dem Betätigungselement gelagert sein, so dass Kräfte, die auf unterschiedliche Kontaktarme der Kontaktbrücke wirken, ausgeglichen werden können. Dies kann beispielsweise durch Kippen der Kontaktbrücke über eine Erhebung auf einer Unterseite der Kontaktbrücke oder auf einer Kontaktbrückenauflagefläche erfolgen. Alternativ kann auch die Kontaktbrückenhalterung beweglich an dem Betätigungselement gelagert sein.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einige Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsformen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen. Es zeigen:

1 eine schematische Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen Schaltkontaktbaugruppe;
2 eine schematische Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen Kontaktbrücke;
3 eine schematische Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen elektrischen Schaltelements;
4 einen vergrößerten Ausschnitt der schematischen Querschnittsansicht der 3;
5 eine schematische Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen elektrischen Schaltelements entlang der in 3 eingezeichneten Schnittlinie A-A;
6 eine schematische Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen elektrischen Schaltelements entlang der in 3 eingezeichneten Schnittlinie B-B;
7 eine schematische Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen Schaltkontaktbaugruppe gemäß einer zweiten Ausführungsform;
8 eine schematische Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen Kontaktbrücke gemäß der zweiten Ausführungsform;
9 eine schematische Perspektivansicht des erfindungsgemäßen elektrischen Schaltelements gemäß der zweiten Ausführungsform;
10 eine schematische Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen elektrischen Schaltelements gemäß der zweiten Ausführungsform;
11 eine schematische Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen elektrischen Schaltelements gemäß der zweiten Ausführungsform entlang der in 10 eingezeichneten Schnittlinie C-C;
12 eine schematische Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen elektrischen Schaltelements gemäß der zweiten Ausführungsform entlang der in 10 eingezeichneten Schnittlinie D-D;
13 eine weitere schematische Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen elektrischen Schaltelements gemäß der zweiten Ausführungsform;
14 eine weitere schematische Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen elektrischen Schaltelements gemäß der zweiten Ausführungsform entlang der in 10 eingezeichneten Schnittlinie E-E;
15 eine weitere schematische Perspektivansicht der erfindungsgemäßen Schaltkontaktbaugruppe gemäß der zweiten Ausführungsform;
16 eine weitere schematische Perspektivansicht der erfindungsgemäßen Schaltkontaktbaugruppe gemäß der zweiten Ausführungsform;
17 eine weitere schematische Perspektivansicht der erfindungsgemäßen Kontaktbrücke gemäß der zweiten Ausführungsform.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren und dabei zunächst mit Bezug auf die schematische Perspektivansichten der 1 und 2 näher erläutert. Es wird angemerkt, dass in sämtlichen Figuren die Größenverhältnisse und insbesondere die Schichtdickenverhältnisse nicht unbedingt maßstabsgetreu wiedergegeben sind. Weiterhin sind Teile, die für das Verständnis nicht notwendig oder hinderlich sind, nicht dargestellt, insbesondere elektrisch isolierende Gehäuseelemente und Schutzabdeckungen.
1 zeigt eine schematische Perspektivansicht einer Schaltkontaktbaugruppe 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Schaltkontaktbaugruppe 100 umfasst eine Kontaktbrücke 102, eine Kontaktbrückenhalterung 104 und ein Betätigungselement 106, das in Form eines Schafts dargestellt ist. 2 zeigt eine schematische Perspektivansicht der Kontaktbrücke 102 ohne die Kontaktbrückenhalterung 104 und das Betätigungselement 106.
Die Kontaktbrücke 102 umfasst einen Kontaktträger 108, der einen ersten Kontaktarm 108a und einen zweiten Kontaktarm 108b aufweist. An dem ersten Kontaktarm 108a und dem zweiten Kontaktarm 108b ist jeweils ein Kontaktelement 110 (erstes Kontaktelement) angebracht, das mit dem Kontaktträger leitend verbunden ist. Die Kontaktelemente 110 sind auf einer Ober- bzw. Schaltseite 112 des Kontaktträgers 108 angebracht. Die Schaltseite 112 weist in eine Schaltrichtung S der Schaltkontaktbaugruppe 100. In der Schaltrichtung S sollen die Kontaktelemente 110 mit Gegenkontaktelementen 114 (zweite Kontaktelemente) eines oder mehrerer Festkontakte 116 (siehe 3) in Kontakt gebracht werden, indem über das Betätigungselement 106, die Kontaktbrückenhalterung 104 und den Kontaktträger 108 eine in Richtung der Schaltseite wirkende Schaltkraft auf die Kontaktelemente 110 ausgeübt wird.
An dieser Stelle soll angemerkt werden, dass eine Anzahl von zwei Kontaktarmen und von zwei Kontaktelementen nicht essentiell für die vorliegende Erfindung ist. Insbesondere kann der Kontaktträger 108 nur einen einzelnen Kontaktarm und/oder nur ein einzelnes Kontaktelement aufweisen. Die Kontaktbrücke 102 dient in diesem Fall als eine Kontaktfeder für ein elektrisches Schaltelement mit einem einfach zu unterbrechenden elektrischen Kontakt.
Erfindungsgemäß umfasst der Kontaktträger ein erstes Stromleitelement 118 und ein zweites Stromleitelement 120, die elektrisch leitfähig und elastisch über einen Federbereich 122 miteinander verbunden sind. Dabei sind die beiden Stromleitelemente 118 und 120 so angeordnet, dass ein elektrischer Strom durch die Kontaktbrücke 102 jeweils nacheinander durch jedes der beiden Stromleitelemente 118 und 120 fließt. Die Stromleitelemente 118 und 120 sind so angeordnet, dass sie von dem elektrischen Strom in entgegengesetzter Richtung durchflossen werden. In anderen Worten, ein elektrischer Stromfluss durch das Stromleitelement 118 ist antiparallel zu einem elektrischen Stromfluss durch das Stromleitelement 120.
Durch die entgegengesetzt gerichteten Ströme werden durch die Lorentzkraft Abstoßungskräfte erzeugt, die das erste Stromleitelement 118 von dem zweiten Stromleitelement 120 abstoßen, und das zweite Stromleitelement 120 von dem ersten Stromleitelement 118 abstoßen. Da das zweite Stromleitelement 120 vom ersten Stromleitelement 118 aus gesehen vorzugsweise in Richtung einer Unterseite 124 des ersten Stromleitelements 118, die der Schaltseite 112 gegenüberliegt, angeordnet ist, werden durch die Lorentzkraft in dem zweiten Stromleitelement 120 insbesondere Abstoßungskräfte erzeugt, die das erste Stromleitelement in Richtung der Schaltseite 112 abstoßen.
Auf diese Weise wirken die in dem zweiten Stromleitelement 120 erzeugten Abstoßungskräfte in die gleiche Richtung wie die von dem Betätigungselement 106 auf die Kontaktbrücke 102 und somit das erste Stromleitelement 118 in Schaltrichtung S übertragene Schaltkraft, und können somit die Kräfte zum Zusammenhalten der Kontaktelemente 110 mit Gegenkontaktelementen 114 verstärken. Da die durch die Lorentzkraft erzeugten Abstoßungskräfte, die auf das erste Stromleitelement 118 wirken, proportional zu dem elektrischen Strom sind, der durch das zweite Stromleitelemente 120 (und somit auch durch das erste Stromleitelement 118) fließt, werden die Kräfte zum Zusammenhalten der Kontaktelemente 110 mit den Gegenkontaktelementen 114 umso mehr verstärkt, ja höher die Stromstärke des elektrischen Stromes durch die Kontaktbrücke ist, also insbesondere im Falle hoher Kurzschlussströme. Die durch die besondere Anordnung der Stromleitelemente 118 und 120 zusätzlich erzeugten Abstoßungskräfte, die den an den Kontaktelementen 110 entstehenden Repulsionskräften entgegenwirken, skalieren also genauso wie die Repulsionskräfte mit der Stromstärke, und sind daher besonders effektiv, um diese Repulsionskräfte zu kompensieren.
Um zu verhindern, dass die erzeugten Abstoßungskräfte zu einer dauerhaften Verformung des Kontaktträgers 108 führen, sind die Stromleitelemente 118 und 120 in einem Federbereich 122 elastisch miteinander verbunden, so dass sich die Stromleitelemente 118 und 120 mit Zunahme der Abstoßungskräfte voneinander wegbewegen können. Dabei können die Stromleitelemente 118 und 120 durch starre Stromschienen ausgebildet sein, die in dem Feuerbereich 122 durch ein stromleitfähiges Federmaterial verbunden sind. Alternativ kann der Kontaktträger 108 aber auch als Ganzes, d.h. integral, aus einem stromleitfähigen Federmaterial hergestellt sein. Dabei kommen als stromleitfähige Federmaterialien insbesondere Kupfer, Kupferlegierungen, wie Kupfer-Beryllium, Federstahl oder Edelstahl in Frage. Selbstverständlich können natürlich auch andere elastische Materialien mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit verwendet werden. Alternativ kann ein Grundkörper der Kontaktbrücke auch aus einem weniger gut leitenden Federmaterial hergestellt sein und mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichtet werden.
Weiterhin sind die Stromleitelemente 118 und 120 vorzugsweise als rechteckförmig Platten geformt, wie in den 1 und 2 gezeigt. Dadurch kann zum einen ein effektiver Querschnitt der Stromleitelemente 118 und 120 für den elektrischen Stromtransport vergrößert werden, so dass elektrischer Stromtransport durch die Kontaktbrücke möglichst verlustfrei erfolgen kann. Weiterhin kann so auch die effektive Fläche vergrößert werden, in der die Abstoßungskräfte zwischen den Stromleitelementen 118 und 120 erzeugt werden. Allerdings sind die Stromleitelemente 118 und 120 natürlich nicht auf eine rechteckförmige Ausformung beschränkt, sondern können ja nach Bedarf, zum Beispiel aus Platzspargründen, an die jeweiligen Anforderungen der Schaltkontaktbaugruppe angepasst werden, so lange gewährleistet ist, dass durch die Anordnung der Stromleitelemente 118 und 120 die beschriebenen Abstoßungskräfte erzeugt werden.
Wie in den 1 und 2 gezeigt umfasst der Federbereich 122 vorzugsweise eine einfache Biegung, durch die der Strompfad in dem Kontaktträger 108 so geführt wird, dass der elektrische Strom die Stromleitelemente 118 und 120, die durch den Federbereich 122 verbunden sind, in entgegengesetzter Richtung durchfließt. Dabei weist die Biegung des Federbereichs 122 einen Biegewinkel von 180° auf, so dass die Stromleitelemente 118 und 120 in parallelen Ebenen angeordnet sind, so dass die erzeugten Abstoßungskräfte im Wesentlichen gleichmäßig über die Fläche der Stromleitelemente 118 und 120 verteilt sind. Allerdings kann der Biegewinkel auch in einem Bereich von 135° bis 225°, vorzugsweise 170° bis 190°, liegen, so dass die beiden Stromleitelemente 118 und 120 entlang einer Längsrichtung X der Kontaktbrücke 102 zueinander oder voneinander weg geneigt sind.
Da die zwischen den Stromleitelementen 118 und 120 erzeugten Abstoßungskräfte vom Abstand zwischen den Stromleitelementen 118 und 120 abhängen, wird der Biegeradius des Federbereichs 122 so gewählt, dass die erzeugten Abstoßungskräfte den Anforderungen an die Kontaktbrücke 102 angepasst werden. So kann der Biegeradius entsprechend kleiner gewählt werden, wenn höhere Abstoßungskräfte für eine hohe Kurzschlussfestigkeit der Schaltkontaktbaugruppe benötigt werden. Werden nicht so hohe Kurzschlussfestigkeiten benötigt, kann der Biegeradius auch größer gewählt werden, um Materialspannungen in dem Federbereich 122 zu begrenzen.
Weiterhin ist gezeigt, dass der Kontaktträger 108 ein drittes Stromleitelement 126 aufweist, das den Kontaktarm 108a mit dem Kontaktarm 108b verbindet. Das dritte Stromleitelement 126 ist über einen sekundären Federbereich 128 elastisch mit dem zweiten Stromleitelement 120 verbunden. Dabei ist ein Biegeradius des sekundären Federbereichs so gewählt, dass der Abstand zwischen dem ersten Stromleitelement 118 und dem zweiten Stromleitelement 120 kleiner ist als ein Abstand zwischen dem zweiten Stromleitelement 120 und dem dritten Stromleitelement 126. Dadurch wird gewährleistet, dass die aus der Lorentzkraft resultierende Abstoßung zwischen dem ersten und dem zweiten Stromleitelement größer ist als die aus der Lorentzkraft resultierende Abstoßung zwischen dem zweiten und einem dritten Stromleitelement, wenn elektrischer Strom durch die Kontaktbrücke 102 fließt. Somit ist sichergestellt, dass die durch elektrischen Stromfluss in der Kontaktbrücke 102 erzeugten Abstoßungskräfte insgesamt in Richtung der Schaltseite 112 des Kontaktträgers 108 zeigen, und sich somit zu der von dem Betätigungselement 106 übertragene Schaltkraft S addieren.
Ferner sind an dem ersten Stromleitelement 118 Befestigungsvorsprünge 129a und 129b ausgeformt, die sich in einer Querrichtung Y der Schalkontaktbaugruppe 100 von dem ersten Stromleitelement 118 weg erstrecken. Die Längsrichtung X und die Querrichtung Y verlaufen senkrecht zu einer Höhenrichtung Z der Schaltkontaktbaugruppe 100, zu der die Schaltrichtung S im Wesentlichen parallel verläuft.
Mit Hilfe dieser Befestigungsvorsprünge 129a und 129b kann das erste Stromleitelement 118 in die Kontaktbrückenhalterung 104 eingespannt werden. Um die Steifigkeit des Kontaktträgers 108 auch im Falle regulärer kontinuierlicher elektrischer Stromstärken im Bereich von bis zu 500 A zu erhöhen, kann der Kontaktträger 108 mittels der Befestigungsvorsprünge 129a und 129b in die Kontaktbrückenhalterung 104 entgegen der Schaltrichtung S vorgespannt gehalten sein.
Die Kontaktbrückenhalterung 104 besitzt eine Befestigungsbasis 130a, die sich im Wesentlichen in einer in der Längsrichtung X und Querrichtung Y aufgespannten Ebene erstreckt, sowie zwei Halteschenkel 130b, die sich im Wesentlichen parallel zur Schaltrichtung S bzw. im Wesentlichen senkrecht von der Befestigungsbasis 130a weg erstrecken. In Schaltrichtung S weisende freie Enden 132 der Halteschenkel 130b sind in bzw. entgegen der Querrichtung Y von der Längsachse der Schaltkontaktbaugruppe 100 weggebogen. An den Enden 132 ist jeweils wenigstens ein Haltevorsprung 134 ausgeformt, der sich im Wesentlichen in einer in Längsrichtung X und Querrichtung Y erstreckenden Ebene erstreckt, und ein entgegen der Schaltrichtung S weisenden Anschlag 136 für die Befestigungsvorsprünge 129a bzw. 129b des Kontaktträgers 108 ausbildet.
Um die Kontaktbrücke 102 an der Kontaktbrückenhalterung 104 und dem Betätigungselement 106 zu befestigen, weist das Betätigungselement 106 einen Flansch 135 mit einer Kontaktbrückenauflagefläche 137 auf (siehe 4), die die in die Kontaktbrückenhalterung 104 eingespannte Kontaktbrücke 102 abstützt. Um eine einfache Befestigung der Kontaktbrückenhalterung 104 zu gewährleisten, ist die Kontaktbrückenauflagefläche 137, wie in 1 dargestellt, vorzugsweise kreisförmig oder radialsymmetrisch um eine Längsachse des Betätigungselements 106 ausgebildet.
Die Kontaktbrücke 102 weist eine kreisförmige Bohrung 138 auf, durch die ein über die Kontaktbrückenauflagefläche 137 heraus abstehendes Ende des Betätigungselementes 106 zumindest teilweise durch die Kontaktbrücke 102 durchgeschoben werden kann. Wie in 2 schematisch dargestellt, weist die Kontaktbrücke an der Unterseite 140 eine Erhebung im Bereich der Bohrung 138 auf, die beispielsweise durch eine Neigung in Längsrichtung X der beiden Kontaktarme 108a und 108b an der Unterseite 140 der Kontaktbrücke 102 erreicht werden kann, so dass die Kontaktbrücke 102 kippbar auf der Kontaktbrückenhalterung 104 gelagert werden kann, um Kräfte zwischen den Kontaktelemente 110 der beiden Kontaktarme 108a bzw. 108b auszubalancieren.
Alternativ dazu kann die Kontaktbrücke 102 an der Unterseite 140 flach ausgeformt sein und die Befestigungsbasis 130a der Kontaktbrückenhalterung 104 kann eine Erhebung aufweisen, über die die Kontaktbrücke 102 kippbar auf der Kontaktbrückenauflagefläche 137 gelagert ist. Durch die bewegliche Lagerung der Kontaktbrücke 102 ist es möglich, die Stromleitelemente 118 und 120, durch deren Anordnung die Abstoßungskräfte in der Kontaktbrücke erzeugt werden, nur in einem der Kontaktarme 108a bzw. 108b vorzusehen. In den 1 und 2 sind die Stromleitelemente 118 und 120 beispielswiese in dem Kontaktarm 108a angeordnet. Deshalb umfasst der Kontaktarm 108b in diesem Beispiel zusätzlich einen elastischen Kontaktangriff 152, auf dem ein dem Kontaktarm 108b zugeordnetes Kontaktelement 110 angebracht ist, so dass die Kontaktelemente 110 der Kontaktbrücke 102 in der gleichen Ebene liegen. Natürlich können Stromschienen, die durch Ihre Anordnung Abstoßungskräfte erzeugen, aber auch in dem Kontaktarm 108b oder in beiden Kontaktarmen 108a und 108b vorgesehen sein.
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen elektrischen Schaltelements 10 mit der Schaltkontaktbaugruppe 100 entlang der Längsachse X. Die Kontaktbrücke 102 ist so angebracht, dass die Kontaktelemente 110 die Gegenkontaktelemente 114 der Festkontakte 116 des elektrischen Schaltelements 10 in Schaltrichtung S kontaktieren können, so dass in einem geschlossenen Zustand des elektrischen Schaltelements 10 ein elektrischer Strom zwischen den Festkontakten 116 über die Kontaktbrücke 102 fließt. Dabei befindet sich die Kontaktbrücke 102 und die Gegenkontaktelemente 114 in einer isolierten Funkenlöschkammer 141, um Lichtbögen, die beim Öffnen des elektrischen Schaltelements 10 entstehen, zu isolieren. Um die Lichtbögen nach dem Öffnen des elektrischen Schaltelements 10 schnell zu verlöschen, kann die Funkenlöschkammer beispielsweise mit einem elektronegativen Gas gefüllt sein, oder es können zusätzliche Blasmagnete 143 in der Funkenlöschkammer 141 angebracht sein.
Um das elektrische Schaltelement 10 zwischen dem geschlossenen Zustand und einem offenen Zustand, in dem kein Strom über die Kontaktbrücke 102 fließen kann, zu schalten, ist das Betätigungselement 106 mit einer Rückstellfeder 142 und einem Anker 144, beispielsweise in Form eines beweglichen Eisenkerns, verbunden. Um das elektrische Schaltelement 10 zu schließen, wird ein elektrischer Strom an die Spule 146 angelegt, durch die ein Magnetfeld in den fixen Eisenkern 148 induziert wird, so dass der fixe Eisenkern 148 den Anker 144 anzieht. Dadurch wird die Schaltkraft S über das Betätigungselement 106 und die Kontaktbrückenhalterung 104 auf die Kontaktbrücke 102 übertragen, so dass die Kontaktelemente 110 in Kontakt mit den Gegenkontaktelementen 114 gebracht werden. Wird der Stromfluss durch die Spule 146 gestoppt, so sorgt die Rückstellfeder 142 dafür, dass der Anker 144 und somit auch die über das Betätigungselement 106 verbundene Kontaktbrücke 102 wieder in eine Ruheposition gebracht werden, so dass sich die Kontakte zwischen den Kontaktelementen 110 und den Gegenkontaktelementen 114 öffnen.
4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der 3. Schematisch dargestellt in 4 durch die Pfeile 150 ist der elektrische Strom, der die Stromleitelemente 118 und 120 in gegenläufiger Richtung durchfließt, wenn sich das elektrische Schaltelement 10 in geschlossenem Zustand befindet. Schematisch eingezeichnet sind auch die Abstoßungskräfte Fa₁ bzw. Fa₂, die bei elektrischem Stromfluss durch die Kontaktbrücke 102 in den Stromleitelementen 118 bzw. 120 erzeugt werden. Wie in 4 schematisch dargestellt, wirkt dabei die Abstoßungskraft Fa₁ in Richtung der Schaltkraft S, so dass sich die Kräfte Fa₁ und S addieren, so dass eine höhere Kontaktkraft auf das Kontaktelement 110 übertragen wird. Die erhöhte Kontaktkraft wirkt den Repulsionskräften, die zwischen den Kontaktelementen 110 und den Gegenkontaktelementen 114 entstehen, entgegen, so dass das elektrische Schaltelement 10 auch bei hohen Kurzschlussstromstärken in geschlossenem Zustand gehalten werden kann, ohne dass die Schaltkraft S selbst erhöht werden muss, beispielsweise durch Erhöhen der Baugröße der elektromagnetischen Betätigungsorgane.
Dabei sind die Stromleitelemente 118 und 120 durch den Federbereich 122 elastisch miteinander verbunden, so dass sich die Stromleitelemente 118 und 120 in Richtung der Abstoßungskräfte Fa₁ bzw. Fa₂ bewegen können, und mechanische Spannungen im Federbereich 122 ausgeglichen werden können.
Die 5 und 6 zeigen weitere schematische Querschnittsansichten des elektrischen Schaltelements 10 entlang der in 3 eingezeichneten Schnittlinien A-A bzw. B-B. Wie in beiden Figuren gut zu erkennen ist, ist ein Abstand d₁ zwischen dem ersten Stromleitelement 118 und dem zweiten Stromleitelement 120 kleiner gewählt als ein Abstand d₂ zwischen dem zweiten Stromleitelement 120 und dem dritten Stromleitelement 126, das den ersten Kontaktarm 108a mit dem zweiten Kontaktarm 108b verbindet, so dass Abstoßungskräfte, die zwischen dem ersten Stromleitelement 118 und dem zweiten Stromleitelement 120 durch die Lorentzkraft erzeugt werden, größer sind als Abstoßungskräfte, die zwischen dem zweiten Stromleitelement 120 und dem dritten Stromleitelement 126 durch die Lorentzkraft erzeugt werden. Weiterhin ist Abstand d₁ zwischen dem ersten Stromleitelement 118 und dem zweiten Stromleitelement 120 jeweils so gewählt, dass die Abstoßungskräfte Fa₁ bzw. Fa₂ auch bei hohen Kurzschlussströmen nicht größer als die Schaltkraft S werden, um ein kontrolliertes Öffnen des Schaltelements 10 jederzeit zu ermöglichen.
Anhand der 7 bis 17 wird nun eine Kontaktbrücke 202 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Selbstverständlich gelten alle Aspekte und Vorteile, die für die erste Ausführungsform beschrieben wurden, auch für die zweite Ausführungsform.
7 zeigt eine schematische Perspektivansicht einer Schaltkontaktbaugruppe 200 mit der Kontaktbrücke 202. Die Schaltkontaktbaugruppe 200 umfasst neben der Kontaktbrücke 202 eine Kontaktbrückenhalterung 204 und ein Betätigungselement 106, das in Form eines Schafts dargestellt ist. 8 zeigt eine schematische Perspektivansicht der Kontaktbrücke 202 ohne die Kontaktbrückenhalterung 204 und das Betätigungselement 106. 9 zeigt eine schematische Perspektivansicht des elektrischen Schaltelements 20, das die Schaltkontaktbaugruppe 200 umfasst.
Wie in der ersten Ausführungsform umfasst die Kontaktbrücke 202 einen Kontaktträger 208 mit einem ersten Stromleitelement 218 und einem zweiten Stromleitelement 220. Der Kontaktträger 208 umfasst ein erstes Stromleitelement 218 mit einem Kontaktelement 210 als einen ersten Kontaktarm 208a, und ein zweites Stromleitelement 220 mit einem Kontaktelement 210 als einen zweiten Kontaktarm 208b. Der erste und der zweite Kontaktarm 208a bzw. 208b sind jeweils durch zwei gebogenen Federbereiche 222 elektrisch leitend miteinander verbunden.
Dabei sind die Kontaktelemente 210 jeweils in separate Kontaktpunkte 210a und 210b unterteilt, um einen elektrischen Strom, der über die Kontaktelemente 210 durch die Kontaktbrücke 202 fließt, in den jeweiligen Kontaktpunkten 210a und 210b aufzuteilen (in diesem Fall zu halbieren). Dadurch können die durch elektrischen Stromfluss in den Kontaktelementen 210 entstehenden Repulsionskräfte auf die einzelnen Kontaktpunkte 210a und 210b aufgeteilt und somit verkleinert werden. Wie in 9 dargestellt ist, können dabei jeweils alle Kontaktpunkte 210a und 210b eines einzelnen Kontaktelements 210 einem einzelnen Gegenkontaktelement 214 zugeordnet sein. Natürlich können aber auch die Gegenkontaktelemente 214 in separate Gegenkontaktpunkte unterteilt sein, die jeweils einem oder mehreren der Kontaktpunkte 210a bzw. 210b zugeordnet sind.
Um den elektrischen Strom möglichst effektiv durch den Kontaktträger zu leiten, kann das zweite Stromleitelement 220 eine Aussparung 251 aufweisen, die entlang der Querrichtung Y der Schaltkontaktbaugruppe 200 verläuft, und das zweite Stromleitelement 220 in zwei separate Stromleitabschnitte 220a und 220b teilt, die jeweils mit einem der Kontaktpunkte 210a bzw. 210b elektrisch leitfähig verbunden sind.
Die Anzahl von zwei Kontaktpunkten pro Kontaktelement 210 dient dabei lediglich als Beispiel, um die elektrischen Ströme und somit die entstehenden Repulsionskräfte in den einzelnen Kontaktpunkten weiter zu verkleinern, es können auch drei oder mehr Kontaktpunkte pro Kontaktelement 210 vorhanden sein. Weiterhin ist auch die Anzahl von zwei Kontaktelementen lediglich als Beispiel zu verstehen, die Kontaktbrücke 202 kann auch eine beliebige andere Anzahl von Kontaktelementen aufweisen. Insbesondere kann die Kontaktbrücke 202 nur ein einzelnes Kontaktelement aufweisen, so dass die Kontaktbrücke 202 in diesem Fall als eine Kontaktfeder für ein elektrisches Schaltelement mit einem einfach zu unterbrechenden elektrischen Kontakt dient.
Die einzelnen Kontaktpunkte 210a und 210b sind jeweils mittels elastischer Kontaktabgriffe 252a bzw. 252b elektrisch leitfähig und federnd mit dem ersten Stromleitelement 218 bzw. dem zweiten Stromleitelement 220 verbunden. Dabei sind die elastischen Kontaktabgriffe 252a als flache Vorsprünge ausgeformt, die sich in der Querrichtung Y von dem ersten Stromleitelement 218 weg erstrecken. Die elastischen Kontaktabgriffe 252b sind als nach oben gebogene Vorsprünge ausgeformt, die sich in der Querrichtung Y von dem zweiten Stromleitelement 220 weg erstrecken. Dabei sind die elastischen Kontaktabgriffe 252b so gebogen, dass sich die Kontaktpunkte 210a und 210b, die den elastischen Kontaktabgriffen 252b zugeordnet sind, mit den Kontaktpunkten 210a und 210b, die den elastischen Kontaktabgriffen 252a zugeordnet sind, in einer Ebene befinden. Durch die Elastizität der elastischen Kontaktabgriffe kann gewährleistet werden, dass Kräfte zwischen den Kontaktpunkte 210a und 210b eines einzelnen Kontaktelements 210 und verschiedener Kontaktelemente 210 ausbalanciert werden können, so dass die Kontaktpunkte 210a und 210b in Schaltrichtung S jeweils gleichzeitig mit zugeordneten Gegenkontaktelementen 214 des elektrischen Schaltelements 20 in Kontakt gebracht werden können.
Das erste Stromleitelement 218 und das zweite Stromleitelement 220, die die Kontaktelemente 210 über die Federbereiche 222 elektrisch leitend miteinander verbinden, sind so angeordnet, dass im stromleitenden Zustand durch das erste Stromleitelement 218 und das zweite Stromleitelement 220 ein elektrischer Strom fließt, dessen Fließrichtung in den Stromleitelementen 218 und 220 mindestens eine antiparallele Komponente aufweist. Auf diese Weise werden in den Stromleitelementen 218 und 220 durch die Lorentzkraft Abstoßungskräfte erzeugt, die das erste Stromleitelement 218 und das zweite Stromleitelement 220 voneinander abstoßen.
Da das zweite Stromleitelement 220 vom ersten Stromleitelement 218 aus gesehen vorzugsweise in Richtung einer Unterseite 224 des ersten Stromleitelements 218, die der Schaltseite 112 gegenüberliegt, angeordnet ist, werden durch die Lorentzkraft insbesondere in dem zweiten Stromleitelement 120 Abstoßungskräfte erzeugt, die das erste Stromleitelement 218 in Richtung der Schaltseite 212 abstoßen. Auf diese Weise wirken die in dem zweiten Stromleitelement 220 erzeugten Abstoßungskräfte in die gleiche Richtung wie die von dem Betätigungselement 106 auf die Kontaktbrücke 202 (und somit das erste Stromleitelement 218) übertragene Schaltkraft, und können somit die Kräfte zum Zusammenhalten der Kontaktelemente 210 mit den Gegenkontaktelementen 214 insbesondere im Fall hoher elektrischer Kurzschlussströme verstärken.
Die Federbereiche 222 weisen vorzugsweise eine im Wesentlichen U-förmige Biegung auf, wobei vorzugsweise ein Biegewinkel von 180° gewählt ist, so dass die Stromleitelemente 218 und 220, die durch die Federbereiche 222 miteinander verbunden sind, in parallelen Ebenen liegen. Allerdings kann der Biegewinkel auch in einem Bereich von 135° bis 225°, vorzugsweise 170° bis 190°, liegen, so dass die beiden Stromleitelemente 218 und 220 entlang einer Längsrichtung X der Kontaktbrücke 202 zueinander oder voneinander weg geneigt sind. Da die zwischen den Stromleitelementen 218 und 220 erzeugten Abstoßungskräfte vom Abstand zwischen den Stromleitelementen 218 und 220 abhängen, wird der Biegeradius des Federbereichs 122 so gewählt, dass die erzeugten Abstoßungskräfte den Anforderungen an die Kontaktbrücke 202 angepasst werden können. Dabei ist ein Abstand zwischen dem ersten Stromleitelement 218 und dem zweiten Stromleitelement 220 jeweils so gewählt, dass die Abstoßungskräfte auch bei hohen Kurzschlussströmen nicht größer als die Schaltkraft S werden, um ein kontrolliertes Öffnen des Schaltelements 20 jederzeit zu ermöglichen.
Die Kontaktbrückenhalterung 204 ist durch einen Sicherungsring, wie einen Sprengring oder einen Bohrungssicherungsring, ausgeformt, der in einer Nut des Betätigungselements 106 positioniert ist. Mit Hilfe des Sicherungsrings kann die Kontaktbrücke direkt auf der Kontaktbrückenauflagefläche 137 des Betätigungselements 106 befestigt werden. Dazu weisen die Stromleitelemente 218 und 220 jeweils eine Bohrung 238 auf, durch die ein freistehendes Ende des Betätigungselements durchgeschoben werden kann, bis die Unterseite 240 auf der Kontaktbrückenauflagefläche 137 aufliegt. Wie in 8 dargestellt, kann die Unterseite 240 im Bereich der Bohrung 238 des zweiten Stromleitelements 220 eine im Wesentlichen kreisförmige Erhebung aufweisen, so dass die Kontaktbrücke 202 kippbar auf der Kontaktbrückenauflage 135 gelagert werden kann.
Mit Hilfe des Sicherungsrings 204 wird die Kontaktbrücke 202 solcher Art an dem Betätigungselement 106 befestigt, dass das erste Stromleitelement 218 des Kontaktträgers 208 eingespannt oder entgegen der Richtung der Schaltkraft S vorgespannt ist, um die Steifigkeit des Kontaktträgers 208 auch im Falle regulärer kontinuierlicher elektrischer Stromstärken, die bis zu 500 A betragen können, zu erhöhen. Weiterhin werden dadurch mechanische Spannungen in den Federbereichen 222 verringert, die auftreten können, wenn die Abstoßungskräfte zwischen den Stromleitelementen 218 und 220 sehr groß werden.
9 zeigt weiterhin, dass der Schaft 135 des Betätigungselements 106 oberhalb eines Abstandshalters 258 angebracht ist, der Teil eines Isolationsgehäusemoduls 256 des isolierenden Gehäuses ist, das die Funkenlöschkammer einschließt. Somit wird eine Höhe, in der die Kontaktbrücke 202 an dem Betätigungselement 106 angebracht ist, durch den Abstandshalter 258 begrenzt.
10 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des elektrischen Schaltelements 20 entlang der Querrichtung Y auf Höhe der Kontaktpunkte 210a. Wie in 10 gezeigt ist, entspricht der Aufbau des elektrischen Schaltelements 20 im Wesentlichen dem im 3 gezeigten Aufbau des elektrischen Schaltelements 10, wobei die Schaltkontaktbaugruppe 100 durch die Schaltkontaktbaugruppe 200 ersetzt wurde. Schematisch dargestellt durch die Pfeile 150 ist der elektrische Strom, der die Stromleitelemente 218 und 220 in Querrichtung Y in gegenläufiger Richtung durchfließt, wenn sich das elektrische Schaltelement 20 in geschlossenem Zustand befindet. Durch den elektrischen Stromfluss in der Querrichtung Y werden die schematisch eingezeichneten Absto-ßungskräfte Fa₁ bzw. Fa₂, erzeugt, durch die eine Abstoßungskraft Fa₁ auf das erste Stromleitelement 218 in Richtung der Schaltkraft S wirkt.
11 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des elektrischen Schaltelements 20 entlang der in 10 eingezeichneten Schnittlinie C-C in Längsrichtung X des elektrischen Schaltelements 20. Schematisch dargestellt durch die Pfeile 150 ist der elektrische Strom, der die Stromleitelemente 218 und 220 in Querrichtung X durchfließt, wenn sich das elektrische Schaltelement 20 in geschlossenem Zustand befindet. Durch die in dem zweiten Stromleitelement 220 vorgesehene Aussparung 251 fließt der elektrische Strom jeweils in gegenläufiger Richtung durch die separaten Stromleitabschnitte 220a und 220b des zweiten Stromleitelements 220. Dabei fließt der elektrische Strom in den separaten Stromleitabschnitte 220a und 220b und in den separaten Stromleitabschnitten 220a und 220b gegenüberliegenden Abschnitten 218a und 218b des ersten Stromleitelements 218 in der Längsrichtung X jeweils in entgegengesetzter Richtung. Durch den elektrischen Stromfluss werden die schematisch eingezeichneten Abstoßungskräfte Fa₁ bzw. Fa₂, erzeugt, durch die eine Abstoßungskraft Fa₁ auf das erste Stromleitelement 218 in Richtung der Schaltkraft S wirkt.
Durch die spezifische Form der Kontaktbrücke 202 weist der elektrische Strom, der durch die Stromleitelemente 218 und 220 fließt, also eine antiparallele Komponente in der Längsrichtung X und eine antiparallele Komponente in der Querrichtung Y auf, durch die die Abstoßungskräfte Fa₁ bzw. Fa₂, die auf die Stromleitelemente 218 bzw. 220 wirken, erzeugt werden. Die Kräfte Fa₁ und S addieren sich dabei und erhöhen somit die auf das Kontaktelement 210 wirkende Kontaktkraft, die den Repulsionskräften zwischen den Kontaktelementen 210 und den Gegenkontaktelementen 214 entgegenwirkt. Somit kann das elektrische Schaltelements 20 durch Hervorrufen der Absto-ßungskräfte Fa₁ in der Kontaktbrücke 202 auch bei hohen Kurzschlussstromstärken in geschlossenem Zustand gehalten werden, ohne dass die Schaltkraft S selbst erhöht werden muss, beispielsweise durch Erhöhen der Baugröße der elektromagnetischen Betätigungsorgane.
Das Einspannen oder Vorspannen der Kontaktbrücke 202 zwischen den Sicherungsring 204 und die Kontaktbrückenauflagefläche 137 wirkt dabei den Abstoßungskräften Fa₁ und Fa₂ entgegen, um zu verhindern, dass Materialspannungen in den Federbereichen 222 der Kontaktbrücke 202 beim Auftreten der Abstoßungskräfte Fa₁ und Fa₂ zu groß werden.
Die 12 und 14 zeigen eine schematische Querschnittsansicht des elektrischen Schaltelements 20 entlang der in 10 eingezeichneten Schnittlinien D-D bzw. E-E in Längsrichtung X des elektrischen Schaltelements 20. Dabei ist insbesondere die Aufteilung des Kontaktelements 210 in zwei separate Kontaktpunkte 210a und 210b dargestellt. Die separaten Kontaktpunkte 210a und 210b sind jeweils auf elastischen Kontaktabgriffen 252a bzw. 252b angebracht, und werden beim Schließen des elektrischen Schaltelements 20 durch die Schaltkraft S mit dem Gegenkontaktelement 214 des Festkontakts 216 in Kontakt gebracht.
13 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des elektrischen Schaltelements 20 entlang der Querrichtung Y auf Höhe des Betätigungselements 106, der somit auch entlang der Aussparung 251 in dem zweiten Stromleitelement 220 verläuft. Gut zu erkennen ist in 13 die Nut 260 des Betätigungselements 106 mit deren Hilfe der Sicherungsring an dem Betätigungselement 106 positioniert wird, um das erste Stromleitelement 218 einzuspannen oder vorzuspannen. Die 15 und 16 zeigen weitere schematische Perspektivdarstellungen der Schaltkontaktbaugruppe 200, die eine Anordnung der Kontaktbrücke 202 an dem Betätigungselement 106, das mit dem Anker 144 verbunden ist, verdeutlichen.
17 zeigt die Kontaktbrücke 202 in einer schematischen perspektivischen Unteransicht innerhalb des Isolationsgehäusemoduls 256, das einen Teil des isolierenden Gehäuses der Funkenkammer 141 bildet. Erkennbar ist die Aussparung 251, die in der Querrichtung Y durch das zweite Stromleitelement 220 verläuft, und dieses in die Stromleitabschnitte 220a und 220b teilt, die jeweils über einen der Kontaktabgriffe 252b mit einem der Kontaktpunkte 210a bzw. 210b elektrisch leitfähig verbunden sind. Weiterhin erkennbar ist die Erhebung 254 an der Unterseite der beiden Stromleitabschnitte 220a und 220b, die konzentrisch um einen Aufnahmebereich der Aussparung 251 für das Betätigungselement 106 herum verläuft. Mit Hilfe dieser Erhebung kann die Kontaktbrücke 202 kippbar auf der Kontaktbrückenauflagefläche 137 des am Betätigungselement 106 ausgeformten Flansches 135 gelagert werden, so dass Kräfte zwischen verschiedenen Kontaktelementen 210 der Kontaktbrücke 202 ausbalanciert werden können.
Bezugszeichenliste

10, 20: Elektrisches Schaltelement
100, 200: Schaltkontaktbaugruppe
102, 202: Kontaktbrücke
104, 204: Kontaktbrückenhalterung
106: Betätigungselement
108: Kontaktträger
108a, 108b: Kontaktarm
110, 210: Kontaktelemente
112, 212: Schaltseite
114, 214: Gegenkontaktelemente
116, 216: Festkontakt
118, 218: Erstes Stromleitelement
120, 220: Zweites Stromleitelement
122, 222: Federbereich
124, 224: Unterseite
126: Drittes Stromleitelement
128: Sekundärer Federbereich
129a, 129b: Befestigungsvorsprung
130a: Befestigungsbasis
130b: Halteschenkel
132: Freies Ende
134: Haltevorsprung
135: Flansch
136: Anschlag
137: Kontaktbrückenauflagefläche
138, 238: Bohrung
140, 240: Unterseite der Kontaktbrücke
142: Rückstellfeder
143: Blasmagnet
144: Anker
146: Spule
148: Fixer Eisenkern
150: Elektrischer Strom
210a, 210b: Kontaktpunkte
218a, 218b, 220a, 220b: Separate Stromleitabschnitte
251: Aussparung
252a, 252b: Kontaktabgriff
254: Erhebung
256: Isolationsgehäusemodul
258: Abstandshalter
260: Nut
S: Schaltrichtung
X: Längsrichtung
Y: Querrichtung
Z: Höhenrichtung
Fa1, Fa2: Abstoßungskräfte
d1, d2: Abstände

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2546853 A1 [0006]

Claims

Kontaktbrücke (102, 202) für eine Schaltkontaktbaugruppe (100, 200) eines elektrischen Schaltelements (10, 20), die Kontaktbrücke (102, 202) umfassend: einen Kontaktträger (108, 208), der auf einer Schaltseite (112, 212) mindestens ein erstes Kontaktelement (110, 210) aufweist, das leitend mit dem Kontaktträger (108, 208) verbunden ist; wobei der Kontaktträger (108, 208) ein erstes Stromleitelement (118, 218) und ein zweites Stromleitelement (120, 220) aufweist, die elastisch und elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind; und wobei das erste Stromleitelement (118, 218) und das zweite Stromleitelement (120, 220) so angeordnet sind, dass ein durch den Kontaktträger (108, 208) fließender elektrischer Strom Abstoßungskräfte (Fa₁, Fa₂) in dem ersten und dem zweiten Stromleitelement erzeugt, die auf das jeweils andere Stromleitelement abstoßend wirken.
Kontaktbrücke (102, 202) nach Anspruch 1, wobei der durch den Kontaktträger (108, 208) fließende elektrische Strom so geführt ist, dass mindestens eine Komponente einer Stromflussrichtung in dem ersten Stromleitelement (118, 218) gegenläufig zu einer Komponente der Stromflussrichtung in dem zweiten Stromleitelement (120, 220) ist.
Kontaktbrücke (102, 202) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Stromleitelement (118, 218) und das zweite Stromleitelement (120, 220) jeweils als rechteckförmige Stromschienen ausgebildet sind.
Kontaktbrücke (102, 202) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Stromleitelement (118, 218) und das zweite Stromleitelement (120, 220) über einen gebogenen Federbereich (122, 222) elastisch miteinander verbunden sind.
Kontaktbrücke (102, 202) nach Anspruch 4, wobei eine Biegung des Federbereichs (122, 222) einen Biegewinkel von 180° aufweist.
Kontaktbrücke (102, 202) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kontaktträger (108, 208) integral aus einem stromleitfähigen Federmaterial geformt ist.
Kontaktbrücke (102, 202) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kontaktträger (108) einen ersten Kontaktarm (108a) und einen zweiten Kontaktarm (108b) aufweist, wobei der erste Kontaktarm (108a) das erste Stromleitelement (118) und das zweite Stromleitelement (120) umfasst, und wobei der erste und der zweite Kontaktarm (108a, 108b) jeweils mindestens ein erstes Kontaktelement (120) aufweisen.
Kontaktbrücke (102, 202) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Stromleitelement (118) einen Befestigungsvorsprung (129a, 129b) umfasst, mit dessen Hilfe die Kontaktbrücke in eine Kontaktbrückenhalterung (104) eingespannt werden kann.
Kontaktbrücke (102, 202) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine erste Kontaktelement (210) eine Vielzahl von getrennt angeordneten Kontaktpunkten (210a, 210b) umfasst.
Kontaktbrücke (102, 202) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kontaktträger (208) mindestens einen elastischen Kontaktabgriff (252a, 252b) umfasst.
Elektrisches Schaltelement (10, 20), umfassend: einen Festkontakt (116, 216), der mindestens ein zweites Kontaktelement (114, 214) aufweist, und eine Kontaktbrücke (102, 202) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontaktbrücke (102, 202) kraftübertragend mit einem Betätigungselement (106) verbunden ist, wobei das Betätigungselement (106), im geschlossenen Zustand des elektrischen Schaltelements (10, 20), eine Schaltkraft (S) auf die Kontaktbrücke (102, 202) überträgt, die das mindestens eine erste Kontaktelement (210) in Richtung einer Schaltseite (112, 212) gegen das mindestens eine zweite Kontaktelement (114, 214) des Festkontakts (116, 216) drückt.
Elektrisches Schaltelement (10, 20) nach Anspruch 11, wobei die in dem zweiten Stromleitelement (120, 220) erzeugten Abstoßungskräfte (Fa₁) das erste Stromleitelement (118, 218) in Richtung der Schaltseite (112, 212) abstoßen.
Elektrisches Schaltelement (10, 20) nach Anspruch 11 oder 12, weiterhin umfassend eine Kontaktbrückenhalterung (104, 204), durch die die Kontaktbrücke (102, 202) an dem Betätigungselement (106) gelagert ist, wobei die Kontaktbrückenhalterung (104, 204) das erste Stromleitelement (118, 218) der Kontaktbrücke eingespannt hält.
Elektrisches Schaltelement (10, 20) nach Anspruch 13, wobei die Kontaktbrückenhalterung (104, 204) das erste Stromleitelement (118, 218) vorgespannt hält.
Elektrisches Schaltelement (10, 20) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Kontaktbrücke (102, 202) beweglich an dem Betätigungselement (106) gelagert ist.