DE102022209500A1

DE102022209500A1 - Schalter

Info

Publication number: DE102022209500A1
Application number: DE102022209500.6A
Authority: DE
Inventors: Michael Decker
Original assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Priority date: 2022-09-12
Filing date: 2022-09-12
Publication date: 2024-03-14

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schalter (100, 200) zum Schließen und Öffnen eines Stromkreises, aufweisend:- ein erstes, elektrisches Stromführungselement (109a, 209a) und ein zweites elektrisches Stromführungselement (109b, 209b);- ein aus Kunststoff gebildetes und isolierendes Gehäuse (108a, 108b, 208), das das erste, elektrische Stromführungselement (109a, 209a) und das zweite elektrische Stromführungselement (109b, 209b) haltert;- einen elektrischen Magnetantrieb; und- eine erste, elektrische Kontaktbrücke (106a, 206a) und eine zweite, elektrische Kontaktbrücke (106b, 206b), die durch den Magnetantrieb derart verstellbar sind, dass sie das erste Stromführungselement (109a, 209a) und das zweiten Stromführungselement (109b, 209b) elektrisch miteinander verbinden und hierbei jeweils eine Kontaktkraft auf das erste Stromführungselement (109a, 209a) und das zweite Stromführungselement (109b, 209b) ausüben; wobeidas erste, elektrische Stromführungselement (109a, 209a) und das zweite elektrische Stromführungselement (109b, 209b) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass ein Kraftfluss der durch die erste und zweite Kontaktbrücke (106a, 106b, 206a, 206b) erzeugten Kontaktkräfte über das erste, elektrische Stromführungselement (109a, 209a) und das zweite elektrische Stromführungselement (109b, 209b) verläuft, und die durch die erste und zweite Kontaktbrücke (106a, 106b, 206a, 206b) erzeugten Kontaktkräfte sich gegenseitig aufheben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schalter zum Schließen und Öffnen eines Stromkreises.
Zum Schließen und Öffnen von Stromkreisen werden Schalter (Kontaktoren) verwendet, die mittels Ansteuerung eines mit einer Zylinderspule ausgeführten Magnetaktuators (Solenoid) eine Kontaktbrücke stellen und auf diese Weise eine schaltbare Stromverbindung erstellen bzw. eine Stromverbindung spannungsfrei schalten. Im Stand der Technik wird die Schaltbrücke einseitig zugestellt. Beispielsweise zeigen die Dokumente DE 10 2012 215 344 A1 und DE 10 2019 127 594 A1 solchen Stand der Technik.
Die Ausführung des Solenoids gemäß DE 10 2012 215 344 A1 ist hierbei ein sogenannter push Solenoid. Beim Einschalten eines Gleichstromes, der durch die Spulenwicklung fließt, wird in dieser ein Magnetfeld erzeugt, welches durch die ferromagnetischen Teile, Joch, Pol und Anker, fließt. In den gegenüberliegenden Flächen von Anker und Pol entsteht eine Anziehungskraft, welche einen Luftspalt gegen die Kraft einer Rückstellfeder schließt.
Durch das Schließen des Luftspaltes verbinden Kontakte die Außenanschlüsse des Schalters einseitig. Resultierende Stützkräfte stehen mit Kontaktkräften der Kontakte bzw. der Hebekraft des Magnetaktuators im Gleichgewicht.
Durch die einseitige Zustellung der Kontaktbrücke mittels der Kontaktkraft des Magnetaktuators muss die Kontaktkraft vom Gehäuse des Schalters gegengestützt werden.
Kontaktkraft und Anzahl der Kontaktaktstellen sind maßgeblich verantwortlich für den Kontaktwiderstand R des Schalters.
Die Verlustleistung des Schalters verhält sich direkt proportional zum elektrischen Kontaktwiderstand R und direkt proportional zum Quadrat des Stromes (P = R × I²).
Hinzu kommt, dass sich ferner die Temperaturerwärmung ΔT des Schalters proportional zur Verlustleitung P (ΔT = R_th × P, wobei die Proportionalitätskonstante hierbei den Thermischen Widerstand R_th des Schalters zur Umgebung T_umg bezeichnet) verhält.
Aufgrund der für das Gehäuse verwendeten Kunststoffmaterialien zur Isolation der äußeren Schalterverbindungen und deren Charakteristik bei höheren Temperaturen zu erweichen, sind die Kontaktkräfte und Einsatztemperaturen derartiger Schalter limitiert.
Ferner ermöglicht eine einseitige Zustellung der Kontaktbrücke des Schalters nur eine einseitige Kontaktbildung zu den äußeren Schalterverbindungen.
Vor obigem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Schalter zu schaffen, der höhere Einsatztemperaturen zulässt. Zumindest ist es Aufgabe der Erfindung einen zum Stand der Technik alternativen Schalter zu schaffen.
Diese Aufgabe(n) wird(werden) mit einem Schalter nach Patentanspruch 1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Der erfindungsgemäße Schalter weist insbesondere folgende Merkmale auf:

- ein erstes, elektrisches Stromführungselement und ein zweites elektrisches Stromführungselement;
- ein aus Kunststoff gebildetes und isolierendes Gehäuse, das das erste, elektrische Stromführungselement und das zweite elektrische Stromführungselement haltert;
- einen elektrischen Magnetantrieb; und
- eine erste, elektrische Kontaktbrücke und eine zweite, elektrische Kontaktbrücke, die durch den Magnetantrieb derart verstellbar sind, dass sie das erste Stromführungselement und das zweiten Stromführungselement elektrisch miteinander verbinden und hierbei jeweils eine Kontaktkraft auf das erste Stromführungselement und das zweite Stromführungselement ausüben; wobei das erste, elektrische Stromführungselement und das zweite elektrische Stromführungselement derart ausgebildet und angeordnet sind, dass ein Kraftfluss der durch die erste und zweite Kontaktbrücke erzeugten Kontaktkräfte über das erste, elektrische Stromführungselement und das zweite elektrische Stromführungselement verläuft, und die durch die erste und zweite Kontaktbrücke erzeugten Kontaktkräfte sich gegenseitig aufheben.

Bevorzugt alternativ ausgedrückt sind das erste, elektrische Stromführungselement und das zweite elektrische Stromführungselement derart ausgebildet und angeordnet, dass der Kraftfluss der durch die erste und zweite Kontaktbrücke erzeugten Kontaktkräfte nicht über das Gehäuse verläuft.
Die Stromführungselemente sind durch ihre materialmäßige Dimensionierung und/oder Geometrie so ausgebildet, dass sie auch bei maximal zulässiger Aufheizung des Gehäuses die erzeugten Kontaktkräfte vollständig aufnehmen und eine Stabilität des Gehäuses diesbezüglich keine Rolle spielt. Die Stromführungselemente können den Kraftfluss umleiten, beispielsweise um Gehäuseabschnitte herum (bspw. 1A) oder direkt ohne Umleitung übertragen (bspw. 7A bis 7C).
Die Stromführungselemente sind beispielsweise aus Kupfer.
Durch den erfindungsgemäßen Schalter kann durch starke Kontaktkräfte ein sehr niedriger Kontaktwiderstand erreicht werden. Beispielsweise erreicht der erfindungsgemäße Schalter Kontaktkräfte von 5N bis 20N (Newton) pro Kontaktstelle und hierbei einen Kontaktwiderstand von 50µΩ bis 200µΩ (Ohm) pro Kontaktstelle. Damit kann der zulässige Strom erhöht und eine Performancesteigerung des Schalters bei geringer Baugröße erzielt werden.
Der erfindungsgemäße Schalter lässt beispielsweise mit zwei Kontaktbrücken und insgesamt vier Kontaktflächen (zwischen Kontaktbrücken und Stromführungselementen) in einem Bereich von jeweils 4 mm² bis 25 mm² Gleichströme von bis zu 500A zu. Mit im Folgenden noch erwähnten zusätzlichen Kontaktbrücken kann die Stromführung auf bis zu 2000A (Gleichstrom) erhöht werden.
Eine temperaturbedingte Stabilitätsabnahme des Gehäuses muss nicht beachtet werden, da die Kontaktkräfte Gegenlager zueinander bilden und der Kraftfluss über die Stromführungselemente fließt.
Damit kann für ein bestimmtes Material des Gehäuses die Einsatztemperatur des Schalters erhöht werden. Beispiele für das Material des Gehäuses sind Polybutylenterhephthalat (PBT) mit einer Einsatztemperatur bis 150°C und Polyamide (PA6.6) mit einer Einsatztemperatur bis 180°C.
Bevorzugt ist der Schalter so ausgebildet, dass die erste und zweite Kontaktbrücke jeweils über ein Verbindungselement, bevorzugt einen Verbindungsstift, mit einem Anker verbunden sind, und der elektrische Magnetantrieb eine Magnetspule beinhaltet, die eingerichtet ist, den mit der ersten Kontaktbrücke verbundenen Anker und den mit der zweiten Kontaktbrücke verbundenen Anker in entgegengesetzten Richtungen derart anzuziehen, dass die erste und zweite Kontaktbrücke um gleiche Auslenkungen verstellt werden.
Die Verbindungsstifte und die Anker sind bevorzugt koaxial mit einer Spulenachse der Magnetspule ausgerichtet.
Die Anker verstellen die Kontaktbrücken bevorzugt translatorisch, insbesondere linear translatorisch, und sind hierfür mit den Kontaktbrücken fest verbunden. Die Kontaktbrücken erstrecken sich beispielsweise senkrecht zur Spulenachse und Bewegungsrichtung der Anker.
Bevorzugt ist der Schalter so ausgebildet, dass die Magnetspule eingerichtet ist, den mit der ersten Kontaktbrücke verbundenen Anker und den mit der zweiten Kontaktbrücke verbundenen Anker in entgegengesetzten Richtungen derart anzuziehen, dass mechanische Energie in zumindest einem Rückstellelement zur späteren Trennung der ersten und zweiten Kontaktbrücke von dem ersten und zweiten Stromführungselement gespeichert wird.
Das Rückstellelement ist beispielsweise eine Spiralfeder oder ein Elastomer.
Bevorzugt sind die erste und zweite Kontaktbrücke sowie der mit der ersten Kontaktbrücke verbundene Anker und der mit der zweiten Kontaktbrücke verbundene Anker zu einer Mittenebene, die durch die Mitte der Magnetspule und senkrecht zu ihrer Spulenachse verläuft, symmetrisch angeordnet.
Hierdurch lassen sich betragsmäßig gleiche und richtungsmäßig entgegengesetzte Kräfte gut realisieren.
Bevorzugt ist der Schalter so ausgebildet, dass ein Mittenpol in der Magnetspule angeordnet ist, an den der mit der ersten Kontaktbrücke verbundene Anker und der mit der zweiten Kontaktbrücke verbundene Anker auf entgegengesetzten Seiten durch die Magnetspule angezogen werden.
Beispielsweise ist der Mittenpol im Schnitt entlang der Spulenachse rechteckig oder konisch ausgebildet.
Hierdurch lassen sich bevorzugt Verstellungswege bzw. -distanzen der Kontaktbrücken und bevorzugte Haltekräfte im eingeschalteten Zustand (stromführend) und damit die Kontaktkräfte variieren.
Bevorzugt weist der Schalter bevorzugt weiterhin auf:

eine dritte und vierte Kontaktbrücke, die in Richtung senkrecht zur Spulenachse auf einer der ersten und zweiten Kontaktbrücke abgewandten Seite neben dem Magnetantrieb angeordnet sind.

Beispielsweise lässt sich der maximale Gleichstrom, den der Schalter leiten kann, weiter erhöhen (bspw. auf 2000A).
Der erfindungsgemäße Schalter und seine bevorzugten Ausführungsformen eignen sich beispielsweise für folgende Einsatzzwecke:

- Schließen und Öffnen der elektrischen Verbindung einer Antriebsversorgung eines elektrischen Kraftfahrzeuges oder Kraftrades;
- Ladestruktur eines elektrischen Kraftfahrzeuges oder Kraftrades; beispielsweise Öffnen oder Schließen eines Strompfades vor Trenne oder Anschließen eines Ladekabels.

Der erfindungsgemäße Schalter ist bevorzugt so ausgelegt, dass er im Rahmen einer Notabschaltung auch einen aktiven Stromfluss unterbrechen kann.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schalters und entsprechende Varianten erläutert.

1A und 1B zeigen den erfindungsgemäßen Schalter gemäß einer bevorzugten ersten Ausführungsform der Erfindung in einem Längsschnitt, wobei der Schalter in 1A geschlossen ist und in 1B geöffnet ist;
2 zeigt eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Schalters gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei der Schalter geöffnet ist und sich von 1A und 1B dadurch unterscheidet, dass Anker und Rückstellelemente anders ausgebildet und angeordnet sind;
3, 4, 5 und 6 zeigen wiederum bevorzugte Varianten des erfindungsgemäßen Schalters gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei diese Figuren lediglich Anker, Joch, Spule und Verbindungsstifte zeigen;
7A bis 7C zeigen eine bevorzugte zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schalters, wobei 7B und 7C entsprechende Schnittansichten des Schalters entlang der in 7A gezeigten Schnittlinie im geöffneten und geschlossenen Zustand zeigen.

1A und 1B zeigen eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schalters 100. Die Figuren zeigen jeweils einen Längsschnitt des Schalters 100 entlang einer Symmetrieebene.
Der Schalter 100 dient bestimmungsgemäß zum Öffnen und Schließen eines Stromkreises, wobei 1A den Schalter im geschlossenen Zustand und 1B den Schalter im geöffneten Zustand zeigt. Der im Folgenden erläuterte Schaltvorgang erfolgt insbesondere im stromlosen Zustand.
Der Schalter 100 beinhaltet ein Gehäuse mit einem ersten Gehäuseabschnitt 108a und einem zweiten Gehäuseabschnitt 108b. Die Gehäuseabschnitte 108a, 108b sind aus einem elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial ausgebildet.
Das Gehäuse des Schalters 100 haltert insbesondere ein erstes Stromführungselement 109a und ein zweites Stromführungselement 109b, die beide elektrisch leitend sind. Beispielsweise sind die Stromführungselemente 109a, 109b aus Kupfer.
Das Gehäuse haltert das erste und zweite Stromführungselement 109a, 109b, indem beide Elemente von außen auf den ersten Gehäuseabschnitt 108a passgenau aufgesteckt sind und hierdurch gehaltert werden. Wie aus 1A und 1B ersichtlich ist, werden das erste und zweite Stromführungselement 109a, 109b derart auf den ersten Gehäuseabschnitt 108a gesteckt, dass sie in dem Gehäuse gebildete Durchbrüche durchlaufen und zum einen in einem Innenraum des Gehäuses und zum anderen auf der Außenseite des Gehäuses freiliegen.
Innerhalb des Gehäuses berühren sich die Stromführungselemente 109a, 109b nicht bzw. sind voneinander getrennt. Auf der Außenseite des Gehäuses besitzen die Stromführungselemente 109a, 109b jeweils eine Anschlusslasche 109c, an die der zu schaltende Stromkreis anschließbar ist bzw. über die der Schalter 100 in den Stromkreis eingebunden werden kann. Die Anschlusslaschen 109c haben beispielsweise eine Materialstärke von 2,5mm (Vertikale in 1A) und eine Länge von 16mm (Horizontale in 1A). Eine Höhe des Schalters 100 beträgt bevorzugt h=55mm, eine Breite bevorzugt b=35mm. In Tiefenrichtung hat der Schalter 100 ebenfalls Abmessungen von bevorzugt 35mm.
In dem ersten Gehäuseabschnitt 108a angeordnet ist ein Magnetantrieb, der eine Magnetspule 101, ein Joch 102, einen Mittenpol 104 und zwei sich in der Magnetspule 101 befindende Anker 103 aufweist.
Wesentliche Elemente der Magnetspule 101 sind ein Wickelkörper 112 auf den eine Spulenwicklung mit einer entsprechenden Anzahl an Windungen N gewickelt ist. Der Wickelkörper 112 ist aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet. Damit verhindert er beispielsweise einen Stromfluss von der Spulenwicklung über die anderen Elemente des Magnetantriebes, d. h. das Joch 102, den Mittenpol 104 und/oder die Anker 103a, 103b, die bevorzugt aus ferromagnetischen Materialien ausgebildet sind.
Die Anker 103a, 103b sind bevorzugt symmetrisch zu einer Mittenebene angeordnet. Die genannte Mittenebene durchläuft in 1A und 1B den innerhalb der Magnetspule 101 angeordneten Mittenpol 104 senkrecht zur Spulenachse SA. Die Anker 103a, 103b sind beidseitig zum Mittenpol 104 axial in Richtung der Spulenachse SA verstellbar gelagert.
An den Ankern 103a, 103b ist jeweils ein Verbindungselement in Form eines Verbindungsstiftes 105a, 105b befestigt. Die Verbindungsstifte 105a, 105b erstrecken sich in Richtung der Spulenachse SA und durchlaufen einen entsprechenden Durchbruch in dem ersten Gehäuseabschnitt 108a.
Zum Einbringen der Spulenwickelung und des Wickelkörpers 112 ist das Joch 102 zweiteilig ausgeführt.
Die Anker 103a, 103b sind in ihrem Durchmesser geringer als der Wickelkörper 112 der Magnetspule 101, wodurch die Anker 103a, 103b in das, im Folgenden erläuterte, innere Magnetfeld der Magnetspule 101 bei Schließen des Schalters 100 eintauchen können.
Kontaktbrücken 106a, 106b sind an den in Bezug auf den Magnetantrieb distalen Enden der Verbindungsstifte 105a, 105b befestigt; die Kontaktbrücke 106a an dem in 1A und 1B distalen Ende des oberen Verbindungsstiftes 105a und die Kontaktbrücke 106b an dem distalen Ende des unteren Verbindungsstiftes 105b.
Die Kontaktbrücken 106a, 106b sind aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie beispielsweise Kupfer, ausgebildet, und tragen auf den den Stromführungselementen 109a, 109b zugewandten Seiten elektrische Kontakte 107a. Bevorzugt sind auf den Stromführungselementen 109a, 109b korrespondierende Kontakte 107b vorhanden. Die Kontakte 107a und 107b besitzen bevorzugt eine Goldbeschichtung als Kontaktoberfläche.
Wird an die Magnetspule 101 bzw. ihre Spulenwicklung eine externe Spannung angelegt, wodurch ein Stromfluss erfolgt, bildet sich in der Magnetspule 101 ein Magnetfeld. Durch das bevorzugt ferromagnetische Joch 102, die beiden ferromagnetischen Anker 103a, 103b und den ferromagnetischen Mittenpol 104 ergibt sich ein geschlossener magnetischer Fluss, der in den 1A und 1B durch eine gestrichelte Pfeillinie angedeutet ist.
Die sich durch den magnetischen Fluss einstellende magnetische Anziehungskraft zwischen den Ankern 103a, 103b und dem Mittenpol 104 schließt den jeweils dazwischenliegenden Luftspalt, wobei die Anker 103a, 103b letztendlich die in 1A gezeigte Stellung erreichen. Die Kontaktbrücken 106a, 106b kontaktieren in der erreichten Stellung die Stromführungselemente 109a, 109b unter Ausübung von Kontaktkräften, sodass der Schalter 100 geschlossen ist.
Die Anker 103a, 103b schlagen in der in 1A gezeigten Stellung bevorzugt an dem Mittenpol 104 an, wobei gleichzeitig auch die Kontakte 107a, 107b aneinander anschlagen. Alternativ kann im geschlossenen Zustand zwischen Anker 103a, 103b und Mittenpol 104 ein Restspalt verbleiben, wobei einen die Bewegung der Anker 103a, 103b limitierenden Anschlag die Kontaktbrücken 106a, 106b bilden, wenn sie die Stromführungselemente 109a, 109b kontaktieren und miteinander elektrisch verbinden. Dies ermöglicht, die Kontaktkräfte, die zwischen Kontaktbrücken 106a, 106b und Stromführungselementen 109a, 109b wirken, durch die Höhe des durch die Magnetspule 101 fließenden Stromes und des hieraus resultierenden Magnetfeldes festzulegen.
Die Bewegung der Kontaktbrücken106a, 106b in die in 1A gezeigte Stellung erfolgt unter Kompression der in 1A gezeigten Federelemente 110a, 110b bzw. durch das Schließen des Luftspalts wird die feste Verbindung Anker 103a, 103b, Verbindungsstift 105a, 105b und Kontaktbrücke 106a, 106b gegen die Federelemente 110a, 110b zum Mittenpol 104 gezogen. Die Federelemente 110a, 110b bilden im allgemeinen Rückstellelemente, die mechanische Energie speichern und dafür sorgen, dass bei Unterbrechung/Wieder-Abschaltung des durch die Spulenwicklung fließenden Stromes die Kontaktbrücken 106a, 106b und die mit ihnen verbundenen Anker 103a, 103b unter Freisetzung der mechanischen Energie in den in 1B gezeigten Zustand zurückversetzt werden. In 1B sind die Kontaktbrücken 106a, 106b von den Stromführungselementen 109a, 109b wieder getrennt; der Schalter 100 befindet sich ergo im offenen Zustand, wobei ein Stromfluss über die Stromführungselemente 109a, 109b unterbrochen ist.
Die Rückstellelemente 110a, 110b sind beispielsweise Spiralfedern, die sich zwischen der zugeordneten Kontaktbrücke 106a, 106b und dem Gehäuseabschnitt 108a befinden und sich jeweils hieran abstützen.
Von erfindungswesentlicher Bedeutung ist die Ausgestaltung und der Aufbau der Stromführungselemente 109a, 109b.
Ihr Aufbau ist, wie aus 1A und 1B ersichtlich ist, bevorzugt symmetrisch und durch ihre Geometrien und/oder Materialstärken derart rigide, dass bei geschlossenem Schalter (1A) ein durch die Kontaktkräfte, die zwischen den Kontaktbrücken 106a, 106b und den Stromführungselementen 109a, 109b wirken, erzeugter mechanischer Kraftfluss über die Stromführungselemente 109a, 109b fließt und die Kontaktkräfte sich gegenseitig aufheben. Mit anderen Worten bilden die Kontaktkräfte, die bei Schließen der in 1A beispielsweise oberen Kontaktbrücke 106a auftreten, das Gegenlager für die Kontaktkräfte, die durch die andere Kontaktbrücke 106b erzeugt werden, wobei der Kraftfluss der Kontaktkräfte der Kontaktbrücken 106a, 106b innerhalb der elektrischen Stromführungselemente 109a, 109b aufgenommen wird.
Damit hat eine materialbedingte Stabilitätsabnahme des Gehäuses, insbesondere des Gehäuseabschnittes 108a, die mit Erwärmung (Temperaturerhöhung) des geschlossenen, stromdurchflossenen Schalters 100 einhergeht, untergeordnete Bedeutung, weil die Kontaktkräfte durch die Stromführungselemente 109a, 109b selbst aufgenommen werden.
Dies führt dazu, dass der erfindungsgemäße Schalter 100 bei sehr hohen Einsatztemperaturen eingesetzt werden kann.
2 zeigt eine alternative Variante des Schalters 100 gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im geöffneten Zustand. Diese Variante unterscheidet sich von der unter Bezug auf 1A und 1B beschriebenen dadurch, dass die Anker 113a, 13b sich im Aufbau unterscheiden und die Federelemente 110a, 110b anders angeordnet sind. Im Übrigen ist die in 2 gezeigte Variante mit der in 1A und 1B gezeigten identisch, weshalb auf entsprechende Ausführungen verwiesen wird.
Die Federelemente 110a, 110b befinden sich in der in 2 gezeigten Variante zwischen dem Mittenpol 104 und dem jeweils zugeordneten Anker 113a oder 113b und stützen sich einerseits an dem Mittenpol 104 und andererseits an dem entsprechenden Anker 113a, 113b ab. Die Federelemente 110a, 110b sind in 2 entspannt, wodurch sich der Schalter 100 in dem erwähnten offenen Zustand befindet.
Der Schalter 100 gemäß den unter Bezug auf 1A, 1B und 2 beschriebenen Varianten der ersten Ausführungsform der Erfindung besitzt einen flachen Mittenpol 104, der sich dadurch auszeichnet, dass er zur Spulenachse SA ausschließlich senkrechte Oberflächen besitzt, d.h. der Mittenpol 104 ist in der gezeigten Längsschnittansicht ein Rechteck.
Die gezeigten Anker 103a, 103b, 113a, 113b besitzen jeweils eine Oberfläche, die dem Mittenpol 104 zugewandt ist, wobei diese Oberfläche ebenfalls ausschließlich senkrecht zur Spulenachse verläuft. D.h. die einander zugewandten Oberflächen des Mittenpols 104 und der Anker 103a, 103b, 113a, 113b sind ausschließlich parallel zueinander, sodass die auf die Oberflächen der Anker 103a, 103b, 113a, 113b und des Mittelpols 104 senkrecht stehenden Oberflächennormalen zur axialen Auslenkungsachse, die der Spulenachse SA entspricht, parallel ausgerichtet sind. Dementsprechend ergibt sich ein jeweiliger flacher Luftspalt, der im offenen Zustand des Schalters 100 in Richtung der Spulenachse die Abmessung d aufweist. Bevorzugte Werte für d liegen zwischen 2,5mm und 3,0mm.
Im geschlossenen Zustand (d=min oder d=0mm) führt das erläuterte Design der Anker 103a, 103b, 113a, 113b, des Mittenpols 104 und damit des jeweiligen Luftspalts zu sehr hohen Haltekräften und damit Kontaktkräften des Schalters 100.
Das Design des Luftspaltes kann allerdings auch anders gewählt werden, um beispielsweise größere Versetzungen der Kontaktbrücken/Anker zu realisieren. Diesbezüglich kann der Aufbau des Mittenpols, der Anker und des Jochs variieren. Die 3 bis 6 erläutern solche Variationen, wobei diese Figuren lediglich die Magnetspule, das Joch, den Mittenpol, die Anker und die Verbindungsstifte zeigen. Andere Elemente sind zu den vorangehenden Erläuterungen unverändert, weshalb auf diese Ausführungen verwiesen wird.
3 zeigt eine Variante des Schalters 100 gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei lediglich ein Mittenpol 114 und entsprechende Anker 123a, 123b anders ausgestaltet sind als in den vorangehenden Varianten gemäß 1A, 1B und 2.
Allgemein kann gesagt werden, dass die magnetische Anziehungskraft, die zwischen Mittenpol 114 und jeweiligem Anker 123a, 123b wirkt, abhängig ist von der Dimensionierung des Luftspaltes bzw. der beispielsweise in 1B oder 2 gezeigten Abmessung d, die dem Abstand zwischen dem jeweiligen Anker 103a, 103b, 113a, 113b und Mittenpol 104 entspricht (hierbei geht der Abstand d quadratisch ein gemäß folgender mathematischer Beziehung F~1/d², wobei F der magnetischen Anziehungskraft entspricht).
In 3 sind Anker 23a, 23b und der Mittenpol 104 konisch und insgesamt symmetrisch zur Spulenachse SA ausgeformt. Entsprechende konische Flächenabschnitte sind in 3 zu sehen. Die konische Luftspaltführung zeichnet sich durch einen Winkel α (α < 90°) der Oberflächennormale von Anker 123a, 123b und Mittenpol 114 zur axialen Bewegungsrichtung des jeweiligen Ankers 123a, 123b aus. Der daraus resultierende magnetisch Wirkabstand zwischen Anker und Mittenpol 104 ist in 3 mit dα gekennzeichnet.
An den ferromagnetischen Oberflächen verlässt der magnetische Fluss die Oberfläche in einer Normalen in den Luftspalt. Da die Ausrichtung der magnetischen Kraft entlang des Magnetflusses orientiert ist, ist die in Richtung der Spulenachse SA gerichtete axiale maximale Haltekraft (dα=min bspw. dα=0) entsprechend der Kraftvektorkomponente in axialer Richtung abhängig von cos(90°-α) oder sin(α). Bei α=90° entspräche die Dimensionierung des Luftspaltes dann derjenigen aus 1A, 1B und 2, mit dα = d (da d = dα sin α).
Beträgt der Winkel α, wie in 3 gezeigt, weniger als 90°, beispielsweise zwischen 30° und 45°, verringert sich der Wirkabstand dα proportional sin α. Hierdurch wird bei zu 1A, 1B und 2 gleicher maximaler Auslenkung der Anker 123a, 123b die axiale Anziehungskraft, die auf die Anker 123a, 123b wirkt, erhöht. Dies ermöglicht höhere Auslenkungswege der Verbindungstifte 105a, 105b, reduziert jedoch die Haltekraft bei dα=min (bspw. dα=0) und die Einschaltdauer des Schalters 100.
In 4 ist eine weitere bevorzugte Variante des Schalters 100 gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform mit einer wiederum konischen Luftspaltführung dargestellt, die sich bezüglich der wirkenden Kräfte gleichartig wie die Variante aus 3 verhält, da sich der Winkel α zwischen der Oberflächennormalen zur axialen Ausrichtung (sin α) im Betrag nicht unterscheiden.
In einer weiteren Variante der ersten bevorzugten Ausführungsform des Schalters 100 gemäß der Erfindung, die dargestellt ist in 5, wird eine maximale Auslenkung der Verbindungsstifte 105a, 105b angestrebt. Hierfür sind Anker 143a, 143b und ein Mittelpol 134 des Schalters 100 wie folgt ausgeführt.
Die Anker 143a, 143b besitzen in dem in 5 gezeigten Schnitt eine U-Form, wobei entsprechende Schenkel der U-Form mit dem Mittenpol 134 jeweils einen parallel zur Spulenachse SA verlaufenden Luftspaltabschnitt mit der Abmessung d_k festlegen. Der Winkel α zwischen Oberflächennormalen der Anker 143a, 143b und des Mittenpols 134 zur Spulenachse SA beträgt hier ergo 0°. Der in 5 gezeigte Zustand entspricht dem geöffneten Schalter 100. Bei Schließen des Schalters 100 tauchen die Schenkel der U-Form weiter in den Mittenpol 134 ein, wobei die Abmessungen d_k der Luftspaltabschnitte konstant bleiben.
Diese Variante führt neben einem konstanten Wirkspalt mit den Abmessungen d_k, zu einer konstanten Anziehungskraft zwischen Mittenpol 134 und den Ankern 143a, 143b. Hervorzuheben ist hierbei, dass der Wirkspalt sich auch bei axialer Auslenkung der Anker 143a, 143b nicht in seinem Abstand verändert. Dadurch entstehen höhere Anfangskräfte bei maximaler Auslenkung und die Kraft bleibt über einen langen Auslenkungsbereich konstant.
6 zeigt eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Schalters 100 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, die sich zu den vorangegangenen Varianten wiederum durch die Ausbildung von Mittenpol 144 und Ankern 153a, 153b sowie zusätzlich durch das Joch 112 unterscheiden.
Der Mittenpol 144 füllt einen Innenraum der Magnetspule 101 bevorzugt vollständig aus. Das Joch 112 umläuft die Magnetspule 1 auf ihrer Außenseite und ist hierfür beispielsweise ringförmig ausgebildet.
Das Joch 112, die Enden der Magnetspule 101 und der Mittenpol 144 sind in Ebenen senkrecht zur Spulenachse SA bündig ausgebildet.
In dieser Variante werden die Anker 153a, 153b stirnseitig axial zur Spulenachse SA an die Ebenen bei Schließen des Schalters 100 geführt. Die Anker 153a, 153b weisen eine Außenabmessung auf, die gleich oder größer der Außenabmessung des Jochs 112 ist. Diese Anker 153a, 153b werden als Stirnanker bezeichnet. Beim Anlegen einer Spannung an die Wicklung der Magnetspule 101 fließt ein Strom, der ein Magnetfeld induziert. Dieses Magnetfeld baut zu den Stirnankern eine Magnetkraft auf. Dadurch werden die Stirnanker 153a, 53b zum Joch 112 und Mittelpol 144 gezogen. Der Schalter 100 ist damit geschlossen.
7A bis 7C zeigen eine zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schalters 200, wobei 7A eine perspektivische Ansicht des Schalters 200 zeigt.
7B und 7C zeigen Schnittansichten des Schalters 200 entlang der in 7A gezeigten Schnittlinie 7B, 7C - 7B, 7C.
Der Schalter 200 beinhaltet einen Magnetantrieb mit einer Magnetspule 201, die aus einem Wickelkörper 212 und einer entsprechenden hierum gewickelten Spulenwicklung aufgebaut ist. Innerhalb der Magnetspule 201 ist ein Mittenpol 204 des Magnetantriebs angeordnet, der die Magnetspule 201 entlang der Spulenachse SA vollständig durchläuft.
Ein Joch 202 des Magnetantriebs umläuft die Magnetspule 201 vollständig und bildet zusammen mit der Magnetspule 201 und dem Mittenpol 204 ebene Flächen aus, die senkrecht zur Spulenachse SA verlaufen und in Richtung der Spulenachse SA die Endflächen der Magnetspule 201 bilden.
Stirnanker 203a, 203b sind auf gegenüberliegenden Seiten der Magnetspule 1 angeordnet und ragen senkrecht zur Spulenachse SA über das Joch 202 hinaus.
Zwischen den Stirnankern 203a, 203b und dem Mittenpol 204 befinden sich Rückstellelemente in Form von beispielsweise Spiralfedern 210a, 210b.
Wenn an die Magnetspule 201 eine Spannung angelegt und in ihrer Wicklung ein entsprechender Stromfluss erzeugt wird, zieht das entsprechend ausgebildete Magnetfeld die Stirnanker 203a, 203b entlang der Spulenachse SA an die entsprechenden ebenen Flächen an, wodurch der Schalter 200 den in 7B gezeigten geschlossenen Zustand einnimmt.
Wird der in der Magnetspule 201 erzeugte Stromfluss wieder unterbrochen, wodurch die Erzeugung des Magnetfeldes beendet wird, stoßen die Rückstellelemente 210a, 210b die Stirnanker 203a, 203b von den ebenen Flächen wieder ab, wodurch der Schalter 200 den in 7C gezeigten Zustand einnimmt.
Ein jeweiliger Luftspalt d zwischen Stirnanker 203a, 203b und ebenen Endflächen (Joch 202, Magnetspule 201 und Mittenpol 204) ist in einer Richtung senkrecht zur Spulenachse SA auf beiden Seiten der Magnetspule 201 konstant.
An den Stirnankern 203a, 203b sind jeweils zwei Kontaktbrücken 206a, 206b befestigt, die sich in 7B und 7C senkrecht zur Zeichenebene erstrecken. Insgesamt besitzt der Schalter 200 ergo vier Kontaktbrücken 206a, 206b.
Wie aus 7A ersichtlich ist, haltert ein Gehäuse 208 zwei Stromführungselemente 209a, 209b (erstes und zweites Stromführungselement 209a, 209b). Das Gehäuses 208 ist wiederum aus einem elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial ausgebildet.
Die Stromführungselemente 209a, 209b sind eben ausgeführte Elemente, die beispielsweise Stanzteile sind.
Das Gehäuse 208 haltert die Stromführungselemente 209a, 209b derart, dass sie auf der Außenseite des Gehäuses 208 jeweils mit einer elektrischen Anschlusslasche 209c freiliegen und innerhalb des Gehäuses 208 das Joch 202 bogenförmigen umlaufen und auf jeweiligen Seiten des Jochs in einem Abstand zueinander enden. Die Anschlusslaschen 209c dienen wiederum zur Einbindung des Schalters 200 in einen Stromkreis.
Die vier Kontaktbrücken 206a, 206b sind mit den Stirnankern 203a, 203b über Verbindungstifte 205a, 205b verbunden, wobei jeweils zwei Kontaktbrücken 206a, 206b in Richtung der Spulenachse SA einander gegenüberliegen.
Bei Anlegen einer Spannung an die Spulenwicklung induziert der fließende Strom das Magnetfeld, welches die Stirnanker 203a, 203b zum Mittenpol 204 und Joch 2022 zieht.
Über die an den Stirnankern 203a, 203b befestigten Verbindungsstifte Stifte 5 werden die Kontaktbrücken 206a, 206b durch ihre in Richtung der Spulenachse SA axiale BewegungNerstellung derart an die Stromführungselemente 209a, 209b gedrückt, dass sie die Stromführungselemente elektrisch verbinden bzw. den Abstand zwischen den Stromführungselementen 209a, 209b innerhalb des Gehäuses 208 überbrücken. Der Schalter 200 ist geschlossen.
Auch in dieser zweiten bevorzugten Ausführungsform wird der Kraftfluss, der durch die Kontaktkräfte auftritt, nicht über das Gehäuse 208 geleitet. Die durch die sich gegenüberliegenden Kontaktbrücken 206a, 206b erzeugten Kontaktkräfte heben sich gegenseitig auf bzw. bilden zueinander entsprechende Gegenlager.
Unterschiedlich zu der ersten bevorzugten Ausführungsform ist, dass der durch die Kontaktkräfte erzeugte Kraftfluss von den Stromführungselementen 209a, 209b nicht umgeleitet wird (wie beispielsweise in 1A um den Gehäuseabschnitt 108a herum), sondern direkt auf die jeweils andere Kontaktbrücke 206a, 206b übertragen wird. Anders ausgedrückt kreuzt eine Linie, die senkrecht zu den Kontaktflächen verläuft, zwischen den einander gegenüberliegenden Kontaktbrücken 206a, 206b kein anderes Element als die Stromführungselemente 209a, 209b und etwaige hierauf gebildete Kontakte 207a, 207b.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012215344 A1 [0002, 0003]
DE 102019127594 A1 [0002]

Claims

Schalter (100, 200) zum Schließen und Öffnen eines Stromkreises, aufweisend: - ein erstes, elektrisches Stromführungselement (109a, 209a) und ein zweites elektrisches Stromführungselement (109b, 209b); - ein aus Kunststoff gebildetes und isolierendes Gehäuse (108a, 108b, 208), das das erste, elektrische Stromführungselement (109a, 209a) und das zweite elektrische Stromführungselement (109b, 209b) haltert; - einen elektrischen Magnetantrieb; und - eine erste, elektrische Kontaktbrücke (106a, 206a) und eine zweite, elektrische Kontaktbrücke (106b, 206b), die durch den Magnetantrieb derart verstellbar sind, dass sie das erste Stromführungselement (109a, 209a) und das zweiten Stromführungselement (109b, 209b) elektrisch miteinander verbinden und hierbei jeweils eine Kontaktkraft auf das erste Stromführungselement (109a, 209a) und das zweite Stromführungselement (109b, 209b) ausüben; wobei das erste, elektrische Stromführungselement (109a, 209a) und das zweite elektrische Stromführungselement (109b, 209b) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass ein Kraftfluss der durch die erste und zweite Kontaktbrücke (106a, 106b, 206a, 206b) erzeugten Kontaktkräfte über das erste, elektrische Stromführungselement (109a, 209a) und das zweite elektrische Stromführungselement (109b, 209b) verläuft, und die durch die erste und zweite Kontaktbrücke (106a, 106b, 206a, 206b) erzeugten Kontaktkräfte sich gegenseitig aufheben.
Schalter (100, 200) gemäß Patentanspruch 1, wobei die erste und zweite Kontaktbrücke (106a, 106b, 206a, 206b) jeweils über ein Verbindungselement (105a, 105b, 205a, 205b), bevorzugt einen Verbindungsstift, mit einem Anker (103a, 103b, 203a, 203b) verbunden sind; und der elektrische Magnetantrieb eine Magnetspule (101, 201) beinhaltet, die eingerichtet ist, den mit der ersten Kontaktbrücke (106a, 206a) verbundenen Anker (103a, 203a) und den mit der zweiten Kontaktbrücke (106b, 206b) verbundenen Anker (103b, 203b) in entgegengesetzten Richtungen derart anzuziehen, dass die erste und zweite Kontaktbrücke (106a, 106b, 206a, 206b) um gleiche Auslenkungen verstellt werden.
Schalter (100, 200) gemäß Patentanspruch 2, wobei die Magnetspule eingerichtet ist, den mit der ersten Kontaktbrücke (106a, 206a) verbundenen Anker (103a, 203a) und den mit der zweiten Kontaktbrücke (106b, 206b) verbundenen Anker (103b, 203b) in entgegengesetzten Richtungen derart anzuziehen, dass mechanische Energie in zumindest einem Rückstellelement (110a, 110b) zur späteren Trennung der ersten und zweiten Kontaktbrücke (106a, 106b) von dem ersten und zweiten Stromführungselement (109b, 209b) gespeichert wird.
Schalter (100, 200) gemäß Patentanspruch 2 oder 3, wobei die erste und zweite Kontaktbrücke (106a, 106b, 206a, 206b) sowie der mit der ersten Kontaktbrücke (106a, 206a) verbundene Anker (103a, 203a) und der mit der zweiten Kontaktbrücke (106b, 206b) verbundene Anker (103b, 203b) zu einer Mittenebene, die durch die Mitte der Magnetspule (101, 201) und senkrecht zu ihrer Spulenachse verläuft, symmetrisch angeordnet sind.
Schalter (100, 200) gemäß Patentanspruch 2, 3 oder 4, wobei ein Mittenpol in der Magnetspule (101, 201) angeordnet ist, an den der mit der ersten Kontaktbrücke (106a, 206a) verbundene Anker (103a, 203a) und der mit der zweiten Kontaktbrücke (106b, 206b) verbundene Anker (103b, 203b) auf entgegengesetzten Seiten durch die Magnetspule (101, 201) angezogen werden.
Schalter (100) gemäß Patentanspruch 5, wobei der Mittenpol und der mit der ersten Kontaktbrücke (106a, 206a) verbundene Anker (103a, 203a) und/oder der Mittenpol und der mit der zweiten Kontaktbrücke (106b) verbundene Anker (103b, 203b) in Bezug auf die Spulenachse konische Flächenabschnitte aufweisen.
Schalter (100) gemäß Patentanspruch 5, wobei zwischen dem Mittenpol und dem mit der ersten Kontaktbrücke (106a, 206a) verbundenen Anker (103a, 203a) und/oder zwischen dem Mittenpol und dem mit der zweiten Kontaktbrücke (106b, 206b) verbundenen Anker (103b, 203b) ein Luftspaltabschnitt ausgebildet ist, der bei Auslenkung der ersten und/oder zweiten Kontaktbrücke (106a, 106b, 206a, 206b) konstant bleibt.
Schalter (200) gemäß Patentanspruch 5, wobei der Mittenpol die Magnetspule in Richtung der Spulenachse vollständig durchläuft, der mit der ersten Kontaktbrücke (106a, 206a) verbundene Anker (103a, 203a) und der mit der zweiten Kontaktbrücke (106b, 206b) verbundene Anker (103b, 203b) den Magnetantrieb senkrecht zur Spulenachse überspannen, und die erste und zweite Kontaktbrücke (106a, 106b, 206a, 206b) in Richtung senkrecht zur Spulenachse neben dem Magnetantrieb angeordnet sind.
Schalter (200) gemäß Patentanspruch 8, weiterhin aufweisend eine dritte und vierte Kontaktbrücke (206c, 206d), die in Richtung senkrecht zur Spulenachse auf einer der ersten und zweiten Kontaktbrücke (206a, 206b) abgewandten Seite neben dem Magnetantrieb angeordnet sind.