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Die Erfindung betrifft einen Kontaktträger zur Befestigung eines Kontaktelements eines Niederspannungs-Schutzschaltgerätes mittels eines Lötvorgangs, so dass zwischen dem Kontaktträger und dem Kontaktelement eine Lotschicht ausgebildet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Kontaktträgeranordnung mit einem Kontaktträger und einem durch Löten daran befestigten Kontaktelement sowie ein Niederspannungs-Schutzschaltgerät mit einem derartigen Kontaktträger und/oder einer derartigen Kontaktträgeranordnung.
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Elektromechanische Niederspannungs-Schutzschaltgeräte, beispielsweise Leistungsschalter, Leitungsschutzschalter verschiedener Stromklassen wie MCB (miniature circuit breaker), MCCB (moulded case circuit breaker) oder ACB (air circuit breaker), aber auch industrielle Niederspannungs-Schutzschaltgeräte wie Motorschutzschalter, Schütze oder Sanftstarter weisen zumindest einen Schaltkontakt auf, mit dessen Hilfe der vom jeweiligen Niederspannungs-Schutzschaltgerät überwachte Stromkreis bei Auftreten eines vordefinierten Zustandes, beispielsweise eines Kurzschlusses oder einer thermischen Überlast, unterbrochen werden kann. Hierzu werden zwei Kontaktelemente des Schaltkontakts voneinander getrennt, zumeist indem ein bewegbares Kontaktelement von einem im Gehäuse des Schutzschaltgerätes fest angeordneten Kontaktelement wegbewegt wird. Unter dem Begriff „Schaltkontakt“ sind dabei sowohl einfache Schaltkontakte mit nur einer Kontaktstelle zu verstehen als auch doppelt unterbrechende Schaltkontakte, beispielsweise Brückenkontakte, bei denen der Stromfluss an zwei elektrisch hintereinander geschalteten Kontakten mittels einer Kontaktbrücke, an der zwei bewegliche Kontaktelemente angeordnet sind, unterbrochen wird.
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Das eigentliche Kontaktelement ist zumeist aus einer Silberlegierung hergestellt, da diese eine gute elektrischen Leitfähigkeit aufweisen. Da Silber jedoch einerseits teuer und andererseits relativ weich ist, werden die Kontaktträger, d.h. die Bauteile, auf denen die Kontaktelemente befestigt sind und die eine gewisse Festigkeit aufweisen müssen, nicht aus Silber, sondern aus Kupfer oder Stahl gefertigt. Unter dem Begriff „Kontaktträger“ ist dabei sowohl ein ortsfest in einem Gehäuse des Schutzschaltgerätes angeordneter Kontaktträger, sogenannter Festkontaktträger, als auch ein im Gehäuse bewegbarer Kontaktträger, sogenannter Bewegkontaktträger, zu verstehen.
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Als Fügeverfahren zum Befestigen der zumeist quaderförmigen Kontaktelemente auf dem jeweiligen Kontaktträger wird in der Regel ein Lötverfahren, beispielsweise Widerstandslöten, verwendet, um trotz der geringeren Fügetemperatur eine gute Festigkeit der Fügeverbindung zu erhalten. Dabei kann es passieren, dass die Lotmasse, welche sich als Zwischenschicht zwischen dem Kontaktträger und dem Kontaktelement mit beiden Fügepartnern verbinden und auf diese Weise eine stabile Fügeverbindung bilden soll, seitlich unter dem Kontaktelement hervortritt und an den Seitenflächen des Kontaktelements hochsteigt. Da hierdurch die Prozesssicherheit des Fügeprozesses sowie die Zuverlässigkeit der Fügeverbindung - und damit die Zuverlässigkeit des Niederspannungs-Schutzschaltgerätes negativ beeinflusst werden können, ist dieser sogenannte Lothochstieg zu vermeiden oder möglichst gering zu halten.
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Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Kontaktträger, eine Kontaktträgeranordnung sowie ein Niederspannungs-Schutzschaltgerät bereitzustellen, welches die vorstehend genannten Probleme vermeidet oder zumindest reduziert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Kontaktträger, die Kontaktträgeranordnung sowie das Niederspannungs-Schutzschaltgerät gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Der erfindungsgemäße Kontaktträger dient zur Befestigung eines Kontaktelements eines Niederspannungs-Schutzschaltgerätes mittels eines Lötvorgangs, so dass zwischen dem Kontaktträger und dem Kontaktelement eine Lotschicht ausgebildet ist, und weist eine Kontaktierungsfläche für die Lotschicht auf, welche ihrerseits eine raue Oberflächenstruktur aufweist und durch eine erste rillenartige Vertiefung begrenzt ist.
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Je nachdem um welche Art von Schaltkontakt es sich handelt (einfache oder doppelt unterbrechender Schaltkontakt) können an einem Kontaktträger auch zwei Kontaktelemente angeordnet sein. Unabhängig von der Anzahl der Kontaktelemente wird beim Fügen des Kontaktelements auf den Kontaktträger mittels Widerstandslöten in der Regel zunächst die Unterseite des Kontaktelements mit dem Lot beschichtet. Anschließend wird das Kontaktelement mit seiner Unterseite auf die am Kontaktträger ausgebildete Kontaktierungsfläche gesetzt mittels elektrischen Stroms erwärmt. Durch die raue Oberflächenstruktur, welches beispielsweise durch Rauplanieren oder Prägen erzeugt werden kann, erhält die Kontaktierungsfläche eine Vielzahl kleiner Vertiefungen, welche als Lotdepot dienen, in die das durch die Erwärmung sich verflüssigende Lot laufen kann. Dies bewirkt, dass eine geringere Menge des flüssigen Lotmaterials seitlich unter dem Kontaktelement hervortritt und an den Seitenflächen des Kontaktelements hochsteigt. Denn bei einem Lothochstieg an einer oder mehreren Seitenflächen des Kontaktelements besteht die Gefahr, das Lot aufgrund der Kapillarwirkung auf die Oberseite des Kontaktelements läuft, was zum Ausfall des Niederspannungs-Schutzschaltgerätes führen kann. Darüber hinaus wird durch das Rauplanieren der Übergangswiderstand zwischen dem Kontaktelement und dem Kontaktträger erhöht.
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Auch die erste rillenartige Vertiefung, welche die Kontaktierungsfläche begrenzt und ebenfalls durch Prägen herstellbar ist, dient als weiteres Lotdepot, d.h. als Aufnahmevolumen, in die überschüssiges Lotmaterial einfließen kann, um ein Hochsteigen des Lotmaterials an einer oder mehreren der Seitenflächen des Kontaktelements zu vermeiden. Weiterhin wird der Bindeanteil der Lotverbindung, d.h. der Anteil der durch die Lotverbindung verbundenen Fläche deutlich erhöht. Auf diese Weise kann das Flussverhalten des Lotmaterials während des Lötvorgangs gezielt zu beeinflusst werden, so dass der Lothochstieg deutlich reduziert werden kann. Die Qualität der Fügeverbindung - und damit die Prozesssicherheit des Fügeprozesses - werden dadurch deutlich verbessert, wodurch die Ausfallwahrscheinlichkeit des Niederspannungs-Schutzschaltgerätes deutlich reduziert werden kann.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Kontaktträgers ist die Kontaktierungsfläche im Wesentlichen rechteckig geformt und weist eine zweite rillenartige Vertiefung auf, welche sichelförmig von einer ersten Ecke zu einer benachbarten zweiten Ecke der rechteckigen Kontaktierungsfläche verläuft.
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Die zweite rillenartige Vertiefung ist beispielsweise durch Prägen herstellbar. Mit ihrer Hilfe ist es möglich, den Lotfluss, d.h. das verflüssigte Lotmaterial, aus der Mitte der rechteckigen Kontaktierungsfläche in Richtung der Ecken - und damit in die erste rillenartige Vertiefung, welche die Kontaktierungsfläche umgibt, zu lenken. Auf diese Weise kann der lothochstieg, d.h. das Hochsteigen des Lotmaterials an den Seitenflächen des Kontaktelements deutlich reduziert werden. Die Geometrie der zweiten rillenartige Vertiefung ist dabei durch Variation der Sichelbreite und -tiefe an die Gegebenheiten der jeweiligen Kontaktträgeranordnung, d.h. an das Zusammenwirken eines jeweiligen Kontaktträgers mit einem jeweiligen Kontaktelement, anpassbar.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Kontaktträgers weist die Kontaktierungsfläche eine dritte rillenartige Vertiefung auf, welche sichelförmig von einer dritten Ecke zu einer benachbarten vierten Ecke der rechteckigen Kontaktierungsfläche verläuft. Der Effekt der zweiten rillenartigen Vertiefung, den Lothochstieg zu begrenzen, wird durch die dritte rillenartige Vertiefung weiter verstärkt. Die zweite und die dritte rillenartige Vertiefung können dabei symmetrisch auf der Kontaktierungsfläche angeordnet sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Kontaktträgers ist die Kontaktierungsfläche durch die erste rillenartige Vertiefung vollständig umschlossen. Die Kontaktierungsfläche ist durch die erste rillenartige Vertiefung umlaufend begrenzt und somit unterbrechungsfrei umschlossen, so dass ein Austreten von Lotmaterial auf die die die erste rillenartige Vertiefung umgebende Fläche des Kontaktträgers weitestgehend vermieden werden kann. Die Prozesssicherheit des Fügeprozesses wir dadurch weiter verbessert.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der Kontaktträger aus Blech, insbesondere aus Kupferblech gebildet. Die Verwendung von Kupferblech ermöglicht eine gute elektrische Leitfähigkeit bei gleichzeitig ausreichender mechanischer Stabilität. Die Verwendung des Begriffs „Kupfer“ umfasst dabei sowohl reines Kupfermaterial als auch Kupferlegierungen. Ferner wird unter dem Begriff „Blech“ ein Bauteil verstanden, dessen laterale und horizontale Ausdehnung deutlich größer sind als seine vertikale Ausdehnung, d.h. das Bauteil weist eine im Vergleich zu Längen- und Breitenausdehnung relativ geringe Dicke bzw. Höhe auf.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist der Kontaktträger im Bereich der Kontaktierungsfläche eine rückseitige Einprägung auf. Im Bereich der Kontaktierungsfläche, welche an einer Oberseite des Kontaktträgers ausgebildet ist, weist der Kontaktträger an einer der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite des Kontaktträgers eine Einprägung auf. Auf diese Weise kann der Stromfluss - und damit die Erwärmungszone beim Widerstandslöten - gezielt beeinflusst werden. Die Prägung an der Unterseite des Kontaktträgers ist dabei je nach Variante hinsichtlich ihrer Größe und Kontur an die jeweiligen Gegebenheiten anpassbar.
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Die erfindungsgemäße Kontaktträgeranordnung für einen Schaltkontakt eines Niederspannungs-Schutzschaltgerätes weist einen Kontaktträger der vorstehend beschriebenen Art sowie ein daran mittels Löten befestigtes Kontaktelement, so dass zwischen dem Kontaktträger und dem Kontaktelement eine Lotschicht ausgebildet ist, auf.
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Hinsichtlich der generellen Vorteile der erfindungsgemäße Kontaktträgeranordnung wird auf die vorstehenden Ausführungen zu den Vorteilen den erfindungsgemäßen Kontaktträger betreffend verwiesen. Unter der Formulierung „mittels Löten“ ist zu verstehen, dass das Kontaktelement unter Verwendung eines Lötverfahrens, beispielsweise des Widerstandslötverfahrens, an dem Kontaktträger stoffschlüssig befestigt ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Kontaktträgeranordnung weist das Kontaktelement eine bauchige Oberseite auf. Eine Unterseite des Kontaktelements ist der Kontaktierungsfläche des Kontaktträgers zugewandt und durch Löten mit diesem verbunden. Die der Unterseite gegenüberliegende Oberseite des Kontaktelements dient der Kontaktierung mit einem weiteren Kontaktelement des Schaltkontakts und ist hierzu konvex, d.h. nach oben bzw. außen gewölbt, ausgebildet.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Kontaktträgeranordnung ist das Kontaktelement aus einer Silberlegierung gebildet. Die Verwendung einer Silberlegierung für das Kontaktelement hat den Vorteil, dass Silber eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweist und die Anforderungen an die Festigkeit des Kontaktelements vernachlässigbar sind.
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Das erfindungsgemäße Niederspannungs-Schutzschaltgerät, beispielsweise Leitungsschutzschalter, Motorschutzschalter oder dergleichen, weist einen Kontaktträger und/oder eine Kontaktträgeranordnung der vorstehend beschriebenen Art auf.
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Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Kontaktträgers und/oder der erfindungsgemäßen Kontaktträgeranordnung wird die Qualität der Fügeverbindung - und damit die Prozesssicherheit des Fügeprozesses - deutlich verbessert, wodurch die Ausfallwahrscheinlichkeit des Niederspannungs-Schutzschaltgerätes deutlich reduziert werden kann.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele des Kontaktträgers sowie der Kontaktträgeranordnung unter Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren sind:
- 1 und 2 schematische Darstellungen eines ersten Ausführungsbeispiels einer Kontaktträgeranordnung;
- 3 und 4 schematische Darstellungen eines zweiten Ausführungsbeispiels der Kontaktträgeranordnung;
- 5 und 6 schematische Darstellungen eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kontaktträgers;
- 7 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kontaktträgers;
- 8 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kontaktträgers;
- 9 und 10 schematische Darstellungen eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kontaktträgers.
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In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche Teile stets mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Die Beschreibung gilt für alle Zeichnungsfiguren, in denen das entsprechende Teil ebenfalls zu erkennen ist.
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In den 1 und 2 ist ein erste Ausführungsbeispiel einer Kontaktträgeranordnung 1 in Grund- und Aufriss schematisch dargestellt. Die Kontaktträgeranordnung 1 weist einen Kontaktträger 10 auf, auf dem ein im Wesentlichen quaderförmiges Kontaktelement 20 befestigt ist. Das Kontaktelement 20 ist auf eine hierfür vorgesehene Kontaktierungsfläche 13 (siehe 5ff) des Kontaktträgers 10 aufgesetzt und durch Löten stoffschlüssig verbunden, so dass sich zwischen der Kontaktierungsfläche 13 des Kontaktträgers 10 und dem Kontaktelement 20 eine flächige Lotschicht 21 ausbildet.
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Der Kontaktträger 10 weist elektrisch leitendes Material - beispielsweise Stahl, Kupfer oder eine Kombination aus beiden Materialien, beispielsweise kupferplattiertes Stahlblech oder auf Stahlblech galvanisch aufgetragenes Kupfer - auf und kann beispielsweise durch Stanzen hergestellt werden. Das Kontaktelement 20 ist vorzugsweise aus einer Silberlegierung gebildet. Da sowohl der Kontaktträger 10 als auch das Kontaktelement 20 elektrisch leitend sind, wird als Lötverfahren zum Verbinden der beiden Fügepartner - des Kontaktelements 20 und des Kontaktträgers 10 - vorzugsweise Widerstandslöten eingesetzt. Um überschüssiges Lotmaterial aufzunehmen weist der Kontaktträger 10 ferner eine erste rillenartige Vertiefung 14 auf, welche die Kontaktierungsfläche 13 nach außen hin begrenzt.
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In den 3 und 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Kontaktträgeranordnung 1 in Grund- und Aufriss schematisch dargestellt. Hierbei handelt es sich um einen sogenannten Brückenkontakt mit zwei elektrisch in Reihe geschalteten Schaltstellen, bei dem auf dem beweglich gelagerten Kontaktträger 10 dementsprechend zwei Kontaktelemente 20 mittels Löten befestigt sind.
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Das im Wesentlichen quaderförmig dargestellte Kontaktelement 20 weist eine Unterseite auf, über die es mit einer Oberseite 11 des Kontaktträgers 10 verbunden ist. Eine der Unterseite gegenüberliegende Oberseite des Kontaktelements 20 ist in den Darstellungen der 1 bis 4 als ebene, zur Oberseite 21 parallel orientierte Fläche ausgeführt. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich; es ist ebenso möglich, die Oberseite des Kontaktelements 20 ballig, d.h. nach oben gewölbt, also konvex, auszubilden.
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In den 5 bis 10 sind verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kontaktträgers 10 in verschiedenen Ansichten schematisch dargestellt. Die 5 und 6 zeigen dabei schematische Darstellungen eines ersten Ausführungsbeispiels des Kontaktträgers 10, wobei 5 eine Draufsicht auf den Kontaktträger 10 zeigt, während in 6 eine Schnittdarstellung entlang der in 5 eingezeichneten Schnittlinie A-A schematisch dargestellt ist.
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Der Kontaktträger 10 weist eine blechförmige Gestalt auf, d.h. seine Längen- und Breitenausdehnung in einer ersten Richtung x bzw. einer zweiten Richtung y ist deutlich größer als seine Dicken-Ausdehnung in einer dritten Richtung z. Der Kontaktträger 10 besteht aus einem elektrisch leitenden Material und ist beispielsweise durch Stanzen herstellbar. An der Oberseite 11 des Kontaktträgers 10 ist die im Wesentlichen rechteckförmige Kontaktierungsfläche 13 zur Kontaktierung des Kontaktelements 20 ausgebildet. Die Kontaktierungsfläche 13 weist eine raue Oberflächenstruktur auf, welcher beispielsweise durch Prägen oder Rauplanieren herstellbar ist, und ist durch die erste rillenartige Vertiefung 14 begrenzt, welche die Kontaktierungsfläche 13 vollständig umgibt.
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In 7 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kontaktträgers 10 schematisch dargestellt. Dabei stellt 7 ebenfalls eine Schnittdarstellung entlang der in 5 eingezeichneten Schnittlinie A-A dar - jedoch weist der hier dargestellte Kontaktträger 10 an seiner der Oberseite 11 gegenüberliegenden Unterseite 12 eine Einprägung 17, welche im Bereich der Kontaktierungsfläche 13 rückseitig ausgebildet ist. Mit Hilfe der Einprägung 17, die hinsichtlich Größe und Form an die zu bildenden Variante eines Niederspannungs-Schutzschaltgerätes angepasst werden kann, kann der über den Kontaktträger - und damit über die Kontaktanordnung - beim Widerstandlöten fließende elektrische Strom gezielt beeinflusst werden. Auf diese Weise kann der Lothochstieg an den Seiten des Kontaktelements 20 reduziert werden.
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In 8 ist ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kontaktträgers 10 schematisch dargestellt. Die Darstellung des Kontaktträgers 10 entspricht dabei im Wesentlichen der vorstehend beschriebenen Darstellung zu 5, wobei der Kontaktträger 10 im Bereich der rechteckigen Kontaktierungsfläche 13 nun zusätzlich eine zweite rillenartige Vertiefung 15 sowie eine dritte rillenartige Vertiefung 16 auf. Die beiden rillenartigen Vertiefung 15 und 16 sind zueinander symmetrisch angeordnet und verlaufen jeweils sichelförmig von einer Ecke zu einer benachbarten Ecke der rechteckigen Kontaktierungsfläche 13, dabei jeweils eine der Längsseiten der rechteckigen Kontaktierungsfläche 13 überspannend.
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Die zweite und dritte rillenförmige Vertiefung sind ebenfalls durch Prägen oder Rauplanieren herstellbar und dienen dazu, den Lotfluss weg von den Seiten, hin zu den Ecken der Kontaktierungsfläche 13 zu lenken, um einen Lothochstieg an den Seiten des Kontaktelements 20 zu verhindern oder zumindest zu reduzieren. Die Breite sowie die Krümmung der beiden sichelförmigen rillenartigen Vertiefungen 15 bzw. 16 können dabei hinsichtlich ihrer Größe und Kontur an den jeweiligen Schaltgeräte-Typ angepasst werden. Die in 8 dargestellte Ausführungsform ist dabei mit oder ohne rückseitige Einprägung gemäß den Darstellungen der 6 und 7 realisierbar.
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In der Darstellung der 8 weist die Kontaktierungsfläche 13 eine erste und eine zweite rillenartige Vertiefung auf; es ist jedoch ebenso möglich, die Kontaktierungsfläche 13 mit nur eine der beiden sichelförmigen, rillenartigen Vertiefungen 15 bzw. 16 zu versehen.
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Die 9 und 10 zeigen schematisch weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kontaktträgers 10 gemäß der aus den 3 und 4 bereits bekannten Ausführung als Brückenkontakt im Grundriss, d.h. mit Blick auf die Oberseite 11 des Kontaktträger 10. 9 zeigt dabei den als Brückenkontakt ausgebildeten Kontaktträger 10 mit zwei Kontaktierungsflächen 13, welche jeweils von einer erste rillenartige Vertiefung 14 umgeben ist. Die Unterseite 12 (siehe 6 und 7) kann dabei mit oder ohne Einprägung 17 ausgeführt sein. In 10 ist der als Brückenkontakt ausgebildeten Kontaktträger 10, wobei die beiden Kontaktierungsflächen 13 jeweils neben der erste rillenartige Vertiefung 14 auch die beiden sichelförmigen rillenartige Vertiefung 15 und 16 aufweisen. Auch hier kann die Unterseite 12 mit oder ohne Einprägung 17 ausgeführt sein.
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Durch die vorstehend beschriebenen konstruktiven Maßnahmen, d.h. die Kontaktierungsfläche 13 eine raue Oberflächenstruktur, die erste rillenartige Vertiefung 14 sowie die beiden sichelförmigen, rillenartigen Vertiefungen 15 und 16 kann der Lothochstieg deutlich reduziert werden. Die geometrische Ausführung dieser konstruktiven Maßnahmen ist dabei in Abhängigkeit von Kontaktgröße, Kontaktmaterial, Abmessungen des Kontaktträgers, usw. an die jeweiligen Gegebenheiten des jeweiligen Schaltgerätetyps anpassbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kontaktträgeranordnung
- 10
- Kontaktträger
- 11
- Oberseite
- 12
- Unterseite
- 13
- Kontaktierungsfläche
- 14
- erste rillenartige Vertiefung
- 15
- zweite rillenartige Vertiefung
- 16
- dritte rillenartige Vertiefung
- 17
- Einprägung
- 20
- Kontaktelement
- 21
- Lotschicht
- X
- erste Richtung
- Y
- zweite Richtung
- Z
- dritte Richtung
