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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Unterbrechen einer elektrischen Kontaktierung.
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Stand der Technik
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Ein Hochvolt-Schütz ist ein elektrischer oder elektromagnetischer Schalter. Der Hochvolt-Schütz dient insbesondere in Kraftfahrzeugen zur elektrischen Trennung der Hochvolt-Batterie in den Hochvolt-Bordnetzen. Der Hochvolt-Schütz umfasst Schaltelemente, durch welche bei einem Schaltvorgang hohe elektrische Ströme fließen können. Die Schaltelemente können aus mehreren elektrischen Kontakten bestehen. Bei Berührung der elektrischen Kontakten wird eine elektrische Kontaktierung hergestellt, wodurch elektrischer Strom zwischen den elektrischen Kontakten fließen kann. Bei einer Unterbrechung der elektrischen Kontakte, wird ebenfalls diese elektrische Verbindung getrennt. Bei dem Trennen der elektrischen Verbindung fließt der elektrische Strom kurzzeitig in dem Zwischenraum zwischen den elektrischen Kontakten in Form einer Funkentladung weiter und es entsteht ein Lichtbogen. Aufgrund der dadurch auftretenden hohen Temperaturen können die Kontakte beschädigt werden, so dass die Verhinderung beziehungsweise schnelle Unterbrechung des Lichtbogens beim Unterbrechen der elektrischen Kontakte in einem Hochvolt-Schütz von grosser Bedeutung ist.
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Die
DE 10 2017 122 008 A1 offenbart einen elektrischen Schalter zum Unterbrechen eines Strompfades insbesondere einer Spannungsversorgung in einem Kraftfahrzeug mit einer Kontaktstelle, die aus einem ersten Kontaktstück und einem um eine Drehachse beweglich gelagertem zweiten Kontaktstück gebildet ist. Dabei ist die Kontaktstelle elektrisch geschlossen, wenn sich die beiden Kontaktstücke berühren und elektrisch geöffnet, wenn sich die beiden Kontaktstücke nicht berühren.
Weiterhin umfasst der elektrische Schalter eine Aktoreinheit und ein mittels der Aktoreinheit translatorisch bewegbares, elektrisch nicht-leitfähiges Trennelement, welches eingerichtet ist, die beiden Kontaktstücke voneinander zu trennen und anschließend auseinander zu halten, um die Kontaktstelle zu öffnen, offen zu halten und als Isolator zwischen den geöffneten Kontaktflächen zu agieren. Die Aktoreinheit umfasst ein Bewegungselement, welches mit dem Trennelement
mechanisch gekoppelt ist. Weiterhin umfasst der elektrische Schalter eine Antriebseinrichtung, die eingerichtet ist, das Bewegungselement in eine erste Bewegungsrichtung zu bewegen, um die Kontaktstelle zu schließen, und eine Einrichtung zum Erzeugen und/oder Speichern einer Bewegungsenergie, die
eingerichtet ist, das Bewegungselement und/oder das Trennelement in eine der ersten Bewegungsrichtung entgegengesetzte zweite Bewegungsrichtung zu bewegen, um die Kontaktstelle zu öffnen, und einen elektromagnetischen Aktor.
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Bei dem Trennen der beiden Kontaktstücke berührt das Trennelement mindestens einer der Kontaktstücke. Dies führt bei einer großen Anzahl an Schaltzyklen zu einem erhöhten Verschleiß der Kontakte.
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Beschreibung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel ein berührungsfreies Trennen von Kontakten in einem elektrischen Schalter zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Unterbrechen einer elektrischen Kontaktierung umfassend ein elektrisches Kontaktelement mit einem ersten Kontakt und einem zweiten Kontakt, wobei mindestens einer der Kontakte beweglich angeordnet ist und das Kontaktelement durch die Bewegung des mindestens einen Kontakts in eine geschlossene Position und in eine geöffnete Position überführbar ist. In der geschlossenen Position des Kontaktelements ist eine elektrische Kontaktierung zwischen dem ersten Kontakt und dem zweiten Kontakt herstellbar und in der geöffneten Position des Kontaktelements ist die elektrische Kontaktierung zwischen dem ersten Kontakt und dem zweiten Kontakt unterbrochen ist. Des Weiteren umfasst die Erfindung ein Trennelement, wobei das Trennelement mit dem elektrischen Kontaktelement mechanisch verbunden ist und linear bewegbar ist, wobei durch die lineare Bewegung des Trennelements und die mechanische Verbindung des Trennelements mit dem elektrischen Kontaktelement die Bewegung des mindestens einen Kontakts steuerbar ist und ein Überführen des elektrischen Kontaktelements von der geschlossenen Position in die geöffnete Position ermöglicht und das Trennelement bei dem Überführen des elektrischen Kontaktelements von der geschlossenen Position in die geöffnete Position zwischen den ersten Kontakt und den zweiten Kontakt einführbar ist.
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Das elektrische Kontaktelement kann beispielsweise ein Hochvolt-Schütz sein. Das elektrische Kontaktelement umfasst den ersten Kontakt und den zweiten Kontakt. In der geschlossenen Stellung des elektrischen Kontaktelements kontaktieren der erste Kontakt und der zweite Kontakt miteinander. Ist eine Stromquelle an die Kontakte angeschlossen, ist in der geschlossenen Stellung eine elektrische Stromverbindung hergestellt. In der geöffneten Stellung des elektrischen Kontaktelements sind der erste Kontakt und der zweite Kontakt voneinander entfernt angeordnet, sodass die elektrische Verbindung unterbrochen ist. Der erste Kontakt und der zweite Kontakt können beispielsweise jeweils mit einer Stromschiene verbunden sein.
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Mindestens einer der Kontakte ist beweglich angeordnet. Durch den beweglichen Kontakt kann das elektrische Kontaktelement in die geschlossene und geöffnete Position gebracht werden. Die Vorrichtung umfasst weiterhin ein Trennelement, welches mit dem elektrischen Kontaktelement mechanisch verbunden ist. Das Trennelement kann beispielsweise ein Trennkeil sein. Die mechanische Verbindung kann beispielsweise ein Gelenk sein. Das Trennelement dient der elektrischen Trennung der Kontakte. Zusätzlich unterbindet es einen Lichtbogen, der sich beim Trennen der Kontakte bilden kann.
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In der geschlossenen Position des elektrischen Kontaktelements ist das Trennelement an der Vorrichtung durch eine Kraft gehalten. Dies kann beispielsweise durch eine Federkraft erfolgen. Wird die Kraft unterbrochen, bewegt sich das Trennelement linear in Richtung des elektrischen Kontaktelements. Durch die mechanische Verbindung des Trennelements mit dem elektrischen Kontaktelement, ist das elektrische Kontaktelement von der geschlossenen Position in die geöffnete Position überführbar und das Trennelement wird zwischen den ersten Kontakt und den zweiten Kontakt eingeführt, ohne dass die Kontakte durch das Trennelement berührt werden. Dadurch wird die elektrische Verbindung des elektrischen Kontaktelements unterbrochen. Das Trennelement berührt die Kontakte während dem Einführen zwischen die Kontakte nicht, sodass ein berührungsfreies Einführen bereitgestellt wird. Dadurch kann der Verschleiß der Kontakte verringert und die Lebensdauer der Kontakte kann verlängert werden.
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Die Vorrichtung kann eine Schaltvorrichtung sein, welche in einem Hochvolt-Schütz eingebaut ist. Die Vorrichtung kann in einem Hochvolt-Bordnetz eines Fahrzeugs eingesetzt werden. Die Erfindung kann in Verbindung mit Schaltelementen für Fahrzeugbordnetze im Bereich von 48 Volt oder Hochvolt, über 60 Volt oder dem für Kraftfahrzeuge üblichen Hochvolt-Spannungsbereich zwischen 400 Volt und 1000 Volt eingesetzt werden. Die Erfindung kann aber in für alle Anwendungen genutzt werden, in welchen elektrischen Lasten geschaltet werden.
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In einer Ausführungsform ist das Trennelement über ein Gelenk mit dem zumindest einen beweglichen Kontakt des elektrischen Kontaktelements mechanisch verbunden, wobei das Gelenk eingerichtet ist, eine koordinierte Bewegung des zumindest einen beweglichen Kontakts abhängig von der linearen Bewegung des Trennelements zu ermöglichen. Das Gelenk kann beispielsweise ein Rotationsgelenk sein. In einer weiteren Ausführungsform ist die mechanische Verbindung ein Kniehebel. Dabei sind zwei Hebel miteinander gelenkig verbunden. Einer der Hebel kann der bewegliche Kontakt sein, während der andere Hebel mit dem Trennelement mechanisch verbunden ist.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Halterung, welche zumindest teilweise elastisch angeordnet ist und mit dem zumindest einen beweglichen Kontakt mechanischen verbunden ist. Die Halterung kann aus einem Metallprofil oder mehreren Metallprofilen bestehen. Beispielsweise kann die Halterung Stromschienen als Metallprofile umfassen. Die Halterung kann über ein flexibles Element mit dem beweglichen Kontakt mechanisch verbunden sein. Das flexible Element kann ein Kupferblech oder ein Federstahlband sein. Das flexible Element kann in eine Nut des Metallprofils eingesetzt und zum Beispiel über Hartlöten, Laserschweißen, Widerstandsschweißen, Pressschweißen oder Reibschweißen kostengünstig mit dem Metallprofil stoffschlüssig verbunden werden. Beispielsweise kann das Federstahlband in einer geschlossenen Position des Kontaktelements vorgespannt sein und kann die Halterung in eine Auslenkungsrichtung antreiben, ohne dass die Halterung eigene Kraft dafür aufwenden muss. Das flexible Element dient der zumindest teilweise elastischen Anordnung der Halterung.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine weitere Halterung, welche zumindest teilweise elastisch angeordnet ist und mit dem Trennelement verbunden ist. Die weitere Halterung kann ebenfalls aus einem Metallprofil oder mehreren Metallprofilen bestehen. Vorzugsweise ist die weitere Halterung analog zur Halterung aufgebaut, sodass eine gleichmäßige Bewegung des Trennelements und damit ein gleichmäßiges Einführen des Trennelements ermöglicht wird.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Trennelement in der geschlossenen Position des Kontaktelements über ein Federelement vorgespannt. Das Federelement hält das Trennelement in der geschlossenen Position des Kontaktelements. Erst wenn das Kontaktelement geöffnet werden soll, wird die Vorspannung gelöst und das Trennelement bewegt sich in die Richtung des Kontaktelements. Gleichzeitig wird über die mechanische Verbindung des Trennelements mit dem zumindest einen beweglichen Kontakt die Bewegung des zumindest einen beweglichen Kontakts ausgelöst und das Kontaktelement wird in eine geöffnete Stellung gebracht.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Trennelement in der geschlossenen Position des Kontaktelements von einem Haltemagnet gehalten. Über die Haltekraft des Haltemagneten kann das Trennelement in der geschlossenen Position des Kontaktelements gehalten werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Trennelement in der geschlossenen Position des Kontaktelements von einem Elektromotor auf Vorspannung gehalten.
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In einer weiteren Ausführungsform besteht das Trennelement aus einem elektrisch nicht leitendem Material. Das Trennelement dient als Isolator zwischen den Kontakten und unterbricht die elektrische Verbindung zwischen den Kontakten. Gleichzeitig unterbindet es einen Lichtbogen, welcher beim Trennen der Kontakte entstehen kann. Beispielsweise kann das Trennelement aus Keramik bestehen.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ein zusätzliches elektrisch nicht leitendes Element, welches in einer geöffneten Position des elektrischen Kontaktelements in direktem Kontakt mit dem Trennelement steht und eingerichtet ist, ein Entgegenwirken eines bei dem Überführen des elektrischen Kontaktelements von der geschlossenen Position in die geöffnete Position entstehenden Lichtbogens zu unterstützen. Bei dem Überführen von der geschlossenen Position in die geöffnete Position öffnet sich das elektrische Kontaktelement. Dabei werden die elektrischen Kontakte voneinander getrennt. Durch das Trennen der stromdurchflossenen Kontakte entsteht ein Lichtbogen. Der Lichtbogen kann zu einem Verschleiß der Kontakte oder sogar zur Zerstörung der Kontakte führen, wenn der Lichtbogen nicht schnell genug unterbunden wird. Das zusätzliche elektrisch nichtleitende Element kann beispielsweise ein Silikonpuffer sein. Das zusätzliche elektrisch nichtleitende Element kann so angeordnet werden, dass es mit dem Trennelement, welches in der geöffneten Position des Kontaktelements zwischen den Kontakten eingeführt ist, in direktem Kontakt steht. Das zusätzliche elektrisch nichtleitende Element verstärkt das Unterbinden des Lichtbogens, wodurch ein sicheres Unterbinden des Lichtbogens gewährleistet werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform ist mindestens einer der Kontakte zumindest teilweise elastisch gelagert. Beispielsweise kann der erste Kontakt des elektrischen Kontaktelements beweglich angeordnet sein und der zweite Kontakt des elektrischen Kontaktelements kann zumindest teilweise elastisch angeordnet sein. Der zweite Kontakt kann aus zwei Kontaktteilen bestehen, welche jeweils eine Nut besitzen. Über die Nut werden die zwei Kontaktteile mit einem elastischen Element, beispielsweise einem Kupferblech, stoffschlüssig verbunden. Dies kann über Hartlöten, Widerstandsschweißen, Pressschweißen oder Laserschweißen erfolgen. Das elastische Element erlaubt dem zweiten Kontakt eine geringe Beweglichkeit. Der zweite Kontakt kann über ein Federelement entgegen dem beweglichen Kontakt vorgespannt sein. Sobald der erste Kontakt den zweiten Kontakt bei der elektrischen Kontaktierung berührt, gibt der zweite Kontakt gering nach.
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Beispielsweise kann der zweite Kontakt zusätzlich durch eine Feder entgegen des ersten Kontakts vorgespannt sein. Mittels der Feder und dem elastischen Element kann der zweite Kontakt leicht drehbar gelagert sein und kann somit Toleranzen des ersten Kontakts in der geschlossenen Position des Kontaktelements ausgleichen.
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Der Einsatz des elastischen Elements wirkt möglichen Toleranzen und Verschleiß, welche bei dem elektrischen Kontaktieren auftreten können, entgegen. Zusätzlich wird der Übergangswiderstand auf die gesamte Lebensdauer des zumindest teilweise elastisch angeordneten Kontakts minimiert. Ebenso ergibt sich durch die zumindest teilweise bestehende Elastizität eine Gleichverteilung der Kontaktnormalkraft. Die Kraft, welche durch den beweglichen Kontakt auf den zumindest teilweise elastisch angeordneten Kontakt bei der elektrischen Kontaktierung trifft, wird durch die zumindest teilweise elastische Anordnung ausgeglichen. Dadurch findet ein Kräfteausgleich zwischen den Kontakten statt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der zweite Kontakt nicht zumindest teilweise elastisch angeordnet.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 die Vorrichtung mit einer geschlossenen Position des elektrischen Kontaktelements in einem Ausführungsbeispiel;
- 2 die Vorrichtung mit einer geöffneten Position des elektrischen Kontaktelements in einem weiteren Ausführungsbeispiel und
- 3 eine perspektivische Darstellung des elektrischen Kontaktelements in einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt eine Vorrichtung 100 mit einem elektrischen Kontaktelement 101. Das elektrische Kontaktelement 101 umfasst einen ersten Kontakt 102 und einen zweiten Kontakt 103. Der erste Kontakt 102 ist beweglich angeordnet.
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Der zweite Kontakt 103 umfasst ein Kupferblech 103b, welches mit einem ersten Teil des zweiten Kontakts 103a und einem zweiten Teil des zweiten Kontakts 103a verbunden ist. Durch das Kupferblech 103b ist der zweite Kontakt 103 teilweise elastisch gelagert, wodurch ein Kräfteausgleich zwischen dem ersten Kontakt 102 und dem zweiten Kontakt 103 in der geschlossenen Position des elektrischen Kontaktelements gewährleistet wird.
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Der erste Kontakt 102 umfasst eine Kontaktfläche 119. Der zweite Kontakt 103 umfasst eine Kontaktfläche 121, wobei im geschlossenen Zustand des elektrischen Kontaktelements 101 sich die beiden Kontaktflächen 119, 121 berühren. Wenn die Kontakte 102, 103 an eine Stromquelle oder Spannungsquelle angeschlossen sind, besteht eine elektrische Kontaktierung zwischen dem ersten Kontakt 102 und dem zweiten Kontakt 103. Der erste Kontakt 102 ist mit einer Stromschiene 109 als Halterung verbunden. Zwischen dem ersten Kontakt 102 und der Stromschiene 109 ist ein Kupferblech 111 als elastisches Element angeordnet. Das Kupferblech 111 ist jeweils in einer Nut der Stromschiene 109 und in einer Nut des ersten Kontakts 102 eingesetzt und stoffschlüssig mit der Stromschiene 109 und dem ersten Kontakt 109 verbunden.
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Über ein Rotationsgelenk 113 ist der erste Kontakt 102 mit einem Trennkeil 123 mechanisch verbunden. Wenn sich der Trennkeil 123 in Richtung des elektrischen Kontaktelements 101 bewegt, wird über einen Schenkel 115, welcher über ein weiteres Rotationsgelenk 117 mit dem Trennkeil 123 verbunden ist, die Bewegung des Trennkeils 123 auf das Rotationsgelenk 113 übertragen und löst eine Bewegung des ersten Kontakts 102 aus. Der erste Kontakt 102 bewegt sich von dem zweiten Kontakt 103 weg, sodass das elektrische Kontaktelement 101 geöffnet wird. Besteht in der geschlossenen Position eine elektrische Kontaktierung der Kontaktflächen 119, 121 der Kontakte 102, 103, so wird die elektrische Kontaktierung bei dem Öffnen des elektrischen Kontaktelements unterbrochen. Um eine gleichmäßige Bewegung des Trennkeils 123 zu ermöglichen, ist der Trennkeil 123 ebenfalls über einen weiteren Schenkel 115 und ein weiteres Rotationsgelenk 107 an einer weiteren Stromschiene 109 als Halterung verbunden. Die weitere Stromschiene 109 umfasst ebenfalls ein Kupferblech 111 als elastisches Element. Mittels der Kupferbleche 111 ist eine Flexibilität in dem Bewegungsmechanismus gewährleistet, beispielsweise im Fall von Krümmungen oder zum Ausgleich von Vibrationen oder Unebenheiten. Die Stromschienen 109 können an einem Gehäuse 125 der Vorrichtung angeordnet sein.
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Die 2 zeigt die Vorrichtung 100 mit einer geöffneten Stellung des elektrischen Kontaktelements 101 in einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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In der geöffneten Stellung des elektrischen Kontaktelements 101 ist zwischen der Kontaktfläche 119 und der Kontaktfläche 121 der Trennkeil 123 eingeführt. Durch den Trennkeil 123 wird die elektrische Kontaktierung zwischen dem ersten Kontakt 102 und dem zweiten Kontakt 103 unterbrochen, da der Trennkeil 123 aus einem elektrisch nichtleitenden Material besteht. Zusätzlich wird ein Unterbrechen der elektrischen Kontaktierung durch den ersten Kontakt 102 unterstützt, welche beweglich angeordnet ist und sich während einem Einführen des Trennkeils 123 zwischen die Kontaktflächen 119, 121 durch das Rotationsgelenk 113 von dem zweiten Kontakt 103 entfernt. Die Bewegung des Kontakts 102 ist mit der Bewegung des Trennkeils 123 gekoppelt, sodass der Trennkeil 123 die Kontakte 102, 103 bei dem Einführen nicht berührt. Dadurch sind insbesondere die Kontaktflächen 119,121 der Kontakte 102, 103 vor Reibung und Verschleiß geschützt. Die Vorrichtung umfasst in dem weiteren Ausführungsbeispiel ein Silikonelement 127, wobei das Silikonelement 127 nicht in der Figur 1 gezeigt ist. Wenn das Trennelement 123 zwischen den Kontaktflächen 119, 121 eingeführt ist, steht es in direktem Kontakt mit dem Silikonelement 127. Dadurch kann ein Unterbinden eines Lichtbogens unterstützt werden, welcher bei einem Öffnen der Kontakte 102, 103 entsteht.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung 100 kein Silikonelement 127.
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Die 3 zeigt den ersten Kontakt 102 und den zweiten Kontakt 103 des elektrischen Kontaktelements 101 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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Der zweite Kontakt 103 besteht aus den beiden Kontaktteilen 103a, welche über das Kupferblech 103b als elastisches Element verbunden sind. Die Kontaktteile 103 umfassen Nuten, in welche das Kupferblech 103b eingesetzt und mit den Kontaktteilen stoffschlüssig verbunden ist. Das Kupferblech 103b erlaubt dem zweiten Kontakt 103 eine geringe Flexibilität. Die Kraft, welche in der geschlossenen Position des Kontaktelements 101 durch den ersten Kontakt 102 auf den zweiten Kontakt 103 wirkt, wird durch das Kupferblech 103b ausgeglichen. Dadurch wird der durch das Berühren der Kontakte 102, 103 entstehende Verschleiß reduziert.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Vorrichtung
- 101
- elektrisches Kontaktelement
- 102
- erster Kontakt
- 103
- zweiter Kontakt
- 103a
- Kontaktteile
- 103b
- Kupferblech
- 107
- Rotationsgelenk
- 109
- Stromschiene
- 111
- Kupferblech
- 113
- Rotationsgelenk
- 115
- Schenkel
- 119, 121
- Kontaktfläche
- 117
- Rotationsgelenk
- 123
- Trennkeil
- 125
- Gehäuse
- 127
- Silikonelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017122008 A1 [0003]
