DE112013005900T5

DE112013005900T5 - Elektromagnetischer Schalter mit stabilem beweglichem Kontakt

Info

Publication number: DE112013005900T5
Application number: DE112013005900.2T
Authority: DE
Inventors: Ian C. Dimen; Jeff Reichbach; Garland Dughi; Andrew Titus; Gregory Michael Goetchius; Bennett Sprague; Scott I. Kohn
Original assignee: Tesla Motor Inc
Current assignee: Tesla Inc
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2013-12-02
Publication date: 2015-09-10
Also published as: US20150303016A1; WO2014093045A1; JP6334555B2; US20190108958A1; US10964502B2; CN104838463A; JP2015537356A; CN104838463B; US10153116B2

Abstract

Ein elektromagnetischer Schalter umfasst: zumindest zwei stationäre elektrische Kontakte und einen beweglichen Kontakt, wobei der elektromagnetische Schalter für eine Hin- und Herbewegung des beweglichen Kontakts in den und aus dem Kontakt mit den stationären elektrischen Kontakten konfiguriert ist, wobei der bewegliche Kontakt so konfiguriert ist, dass zumindest drei Kontaktpunkte bei der Hin- und Herbewegung entstehen, und dass ein Dreieck, das durch die zumindest drei Kontaktpunkte definiert ist, einen Kräftemittelpunkt der Bewegung umschließt.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldung
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität des Einreichungsdatums der vorläufigen US Anmeldung 61/735,128, die am 10. Dezember 2012 eingereicht wurde, deren gesamter Inhalt hier zum Zwecke der Bezugnahme zitiert wird.
Hintergrund
Eine Reihe von Anwendungen, wie Elektrofahrzeuge, erfordert die Verwendung von Schaltschützen und Relais, um ein Öffnen und Schließen verschiedener Stromleitungen zu steuern. Unter gewissen Bedingungen können Elektrofahrzeuge und/oder andere Elektrogeräte hörbare Geräusche und/oder Vibration erzeugen.
Kurzdarstellung
In einem ersten Aspekt umfasst ein elektromagnetischer Schalter: zumindest zwei stationäre elektrische Kontakte und einen beweglichen Kontakt, wobei der elektromagnetische Schalter für eine Hin- und Herbewegung des beweglichen Kontakts in den und aus dem Kontakt mit den stationären elektrischen Kontakten konfiguriert ist, wobei der bewegliche Kontakt so konfiguriert ist, dass zumindest drei Kontaktpunkte bei der Hin- und Herbewegung entstehen und dass ein Dreieck, das durch die zumindest drei Kontaktpunkte definiert ist, einen Kräftemittelpunkt der Bewegung umschließt.
Ausführungen können eines oder alle der folgenden Merkmale umfassen. Es sind erste und zweite stationäre elektrische Kontakte vorhanden, und der bewegliche Kontakt ist so konfiguriert, dass die drei Kontaktpunkte mit den stationären elektrischen Kontakten entstehen: ein erster und zweiter Kontaktpunkt entsteht an dem ersten stationären elektrischen Kontakt, und ein dritter Kontaktpunkt entsteht am zweiten stationären elektrischen Kontakt. Der elektromagnetische Schalter ist aus einem rechteckigen Metallblock mit zumindest einer ebenen Oberfläche gebildet, wobei der Metallblock eine erste Ausnehmung in der ebenen Oberfläche aufweist, um den ersten und zweiten Kontaktpunkt zu bilden, und eine zweite und dritte Ausnehmung, um den dritten Kontaktpunkt zu bilden. Ein Loch für eine Welle geht am Kräftemittelpunkt durch den Metallblock, wobei die Welle die Bewegung des beweglichen Kontakts antreibt.
Es sind ein erster und ein zweiter stationärer elektrischer Kontakt und zumindest ein nicht leitender mechanischer Kontakt vorhanden, wobei der bewegliche Kontakt so konfiguriert ist, dass ein erster Kontaktpunkt mit dem ersten stationären elektrischen Kontakt entsteht, ein zweiter Kontaktpunkt mit dem zweiten stationären elektrischen Kontakt entsteht und ein dritter Kontaktpunkt mit dem nicht leitenden mechanischen Kontakt entsteht. Der nicht leitende mechanische Kontakt ist so positioniert, dass der dritte Kontaktpunkt an einem Ende der Hin- und Herbewegung und nicht während eines anderen Teils der Hin- und Herbewegung entsteht. Der elektromagnetische Schalter umfasst ferner eine Wärmesenke in thermischem Kontakt mit dem nicht leitenden mechanischen Kontakt. Der elektromagnetische Schalter umfasst ferner einen anderen nicht leitenden mechanischen Kontakt, der mit dem beweglichen Kontakt zu Beginn der Hin- und Herbewegung in Kontakt steht. Der nicht leitende mechanische Kontakt ist so positioniert, dass der dritte Kontaktpunkt während der gesamten Hin- und Herbewegung entsteht. Der elektromagnetische Schalter umfasst ferner eine Wärmesenke in thermischem Kontakt mit dem nicht leitenden mechanischen Kontakt. Der elektromagnetische Schalter umfasst ferner einen anderen nicht leitenden mechanischen Kontakt, wobei der bewegliche Kontakt während der gesamten Hin- und Herbewegung zwischen den mechanischen Kontakten begrenzt ist. Der nicht leitende mechanische Kontakt weist eine Befestigung des beweglichen Kontakts am elektromagnetischen Schalter auf. Die Befestigung weist eine Flexur auf, die die Hin- und Herbewegung ermöglicht. Der elektromagnetische Schalter umfasst ferner eine Wärmesenke in thermischem Kontakt mit der Befestigung.
Der bewegliche Kontakt hat im Wesentlichen eine dreieckige Form, die den drei Kontaktpunkten entspricht. Die im Wesentlichen dreieckige Form hat zumindest eine stumpfe Ecke. Es sind ein erster, ein zweiter und ein dritter stationärer elektrischer Kontakt vorhanden, wobei der bewegliche Kontakt so konfiguriert ist, dass zumindest ein Kontaktpunkt mit jedem von dem ersten, dem zweiten und dem dritten stationären elektrischen Kontakt entsteht. Der erste, der zweite und der dritte stationäre elektrische Kontakt sind so positioniert, so dass die Kontaktpunkte an einem Ende der Hin- und Herbewegung und nicht während eines anderen Teils der Hin- und Herbewegung entstehen. Der bewegliche Kontakt ist federbelastet.
Der Kräftemittelpunkt der Bewegung liegt fern vom Schwerpunkt des Dreiecks, das durch die zumindest drei Kontaktpunkte definiert ist.
Ausführungen können einen oder alle der folgenden Vorteile bieten. Ein Schaltschütz in einem Schalter kann einen mechanisch stabilen elektrischen Kontakt durch Aufnahme einer dreieckigen Kontaktpunktgeometrie bereitstellen. Eine elektrodynamische Bewegung oder schwingende Instabilität, die sich aus Strömen großer Amplitude ergeben, können eliminiert oder verringert werden.
Kurze Beschreibung von Zeichnungen
1A–B zeigen einen Aufriss bzw. einen Querschnitt eines elektromagnetischen Schalters.
2 zeigt einen Kontakt nach dem Stand der Technik.
3 zeigt schematisch ein Dreieck, das durch Kontaktpunkte definiert ist, die einen Kräftemittelpunkt einer Bewegung umschließen.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht des beweglichen Kontakts in 1A–B.
5 zeigt eine Seitenansicht des beweglichen Kontakts in 1A–B.
6 zeigt ein Beispiel eines elektromagnetischen Schalters mit einem Zusatzkontakt.
7 zeigt ein Beispiel eines beweglichen Kontakts mit einer im Wesentlichen dreieckigen Form.
8 zeigt ein weiteres Beispiel eines beweglichen Kontakts mit einer im Wesentlichen dreieckigen Form.
9 zeigt ein weiteres Beispiel eines beweglichen Kontakts mit einer im Wesentlichen dreieckigen Form.
10 zeigt ein weiteres Beispiel eines elektromagnetischen Schalters mit einem Zusatzkontakt.
11 zeigt ein Beispiel eines elektromagnetischen Schalters, wobei ein beweglicher Kontakt durch ein Kugelgelenk befestigt ist.
12 zeigt ein Beispiel eines elektromagnetischen Schalters, wobei ein beweglicher Kontakt durch eine Flexur befestigt ist.
13 zeigt ein Beispiel eines elektromagnetischen Schalters, wobei ein beweglicher Kontakt durch ein Gelenk befestigt ist.
Ausführliche Beschreibung
Dieses Dokument beschreibt Beispiele von elektromagnetischen Schaltern, die jeweils einen beweglichen Kontakt aufweisen, der einer Hin- und Herbewegung ausgesetzt ist, wobei zumindest drei Kontaktpunkte während der Hin- und Herbewegung bestehen. In einigen Ausführungen bildet der bewegliche Kontakt zumindest drei Kontaktpunkte mit den stationären Kontakten, die ebenso Teil des elektromagnetischen Schalters sind. In einigen Ausführungen können zwei Kontaktpunkte mit den stationären Kontakten gebildet werden und ein dritter Kontaktpunkt kann mit einem anderen Kontakt gebildet werden, wie einem nicht leitenden mechanischen Kontakt. Das Dreieck, das durch die drei Kontaktpunkte definiert ist, umschließt den Kräftemittelpunkt, der die Bewegung des beweglichen Kontakts antreibt. Zum Beispiel können solche Konfigurationen das Geräusch eliminieren oder verringern, das durch eine unerwünschte Resonanz verursacht wird, die während der Verwendung in einem beweglichen Kontakt entstehen kann.
1A–B zeigen einen Aufriss bzw. einen Querschnitt eines elektromagnetischen Schalters 100. In einigen Ausführungen ist der Schalter Teil der Leistungselektronik eines Elektromotors. Zum Beispiel kann ein Elektrofahrzeug elektromagnetische Schalter in einem Inverter haben, wo sie zum Umwandeln von Gleichstrom aus einer Batterie in Wechselstrom zum Antreiben des Motors verwendet werden. Im vorliegenden Beispiel ist nur ein elektromagnetischer Schalter dargestellt und einige seiner Komponenten sind der Deutlichkeit wegen nicht dargestellt. Dennoch kann der elektromagnetische Schalter hinsichtlich Eigenschaften oder Aspekten, die hier nicht ausdrücklich erwähnt sind, ähnlich oder gleich wie herkömmliche Schalter arbeiten.
Der elektromagnetische Schalter 100 hat einen beweglichen Kontakt 102, der so konfiguriert ist, dass er in den und aus dem Kontakt mit stationären Kontakten 104A–B bewegt wird. Zum Beispiel können die stationären Kontakte als positiver (+) bzw. negativer (–) Anschluss einer elektrischen Schaltung angesehen werden. In einer geschlossenen Position bildet der bewegliche Kontakt einen elektrischen Pfad zwischen den stationären Kontakten. Dadurch kann zum Beispiel Strom von einem der stationären Kontakte zum anderen fließen.
Der elektromagnetische Schalter 100 hat eine Magnetspule 106, die eine Welle 108 betätigt. Insbesondere interagiert die Magnetspule mit einem Anker 110, der mit der Welle 108 im Inneren der Magnetspule verbunden ist, und versetzt somit die Welle in eine Hin- und Herbewegung. Der bewegliche Kontakt 102 ist an der Welle befestigt. Zum Beispiel ist eine Öffnung 112 für die Welle im beweglichen Kontakt gebildet. Die Öffnung kann ein Loch sein, das sich wie im vorliegenden Beispiel durch die gesamte Dicke des beweglichen Kontakts erstreckt.
Die Hin- und Herbewegung der Welle und des beweglichen Kontakts können durch eine oder mehrere Federn erleichtert werden. In einigen Ausführungen ist der bewegliche Kontakt federbelastet. Zum Beispiel ist hier eine Schraubenfeder 114 um die Welle 108 an der Außenseite der Magnetspule zwischen dem beweglichen Kontakt 102 und der Oberseite der Magnetspule angeordnet. Als ein weiteres Beispiel ist hier eine Feder 116 an der Innenseite, zwischen dem Anker 110 und der Oberseite der Magnetspule, um die Welle angeordnet.
2 zeigt einen Kontakt 200 nach dem Stand der Technik. Der Kontakt 200 ist hier in einer geschlossenen Position dargestellt, wobei der Kontakt einen Pfad zwischen jeweiligen stationären Kontakten 202A–B schließt. Jeder der stationären Kontakte kann eine unebene Oberfläche aufweisen, die dem Kontakt zugewandt ist, wie eine zylindrische Oberfläche mit einem Krümmungsradius, der größer als die Dimensionen des Kontakts sind. Der Kontakt ist federbelastet und kann durch eine Welle 204 in den und aus dem Kontakt mit den stationären Kontakten bewegt werden.
Wenn der Kontakt 200 verwendet wird, können einige unerwünschte Wirkungen eintreten. Der Kontakt kann aus zahlreichen Gründen eine Resonanz oder andere Vibration erfahren, die ein unerwünschtes Geräusch oder einen erhöhten Widerstand erzeugen können, um nur einige Zustände zu nennen. Zum Beispiel kann der Kontakt um eine Längsachse 206 vibrieren, die durch die Welle 204 verläuft. Eine solche Vibration kann durch ein Drehmoment verursacht oder erhöht werden, das auf den Kontakt um die Längsachse wirkt.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 ist der bewegliche Kontakt 102 zur Bildung mehrerer Kontaktpunkte mit den stationären Kontakten 104A–B konfiguriert. Zum Beispiel kann der bewegliche Kontakt eine Fläche 118A für den stationären Kontakt 104B und Flächen 118B–C für den stationären Kontakt 104A aufweisen. Die Flächen 118A–C sind so positioniert, dass die jeweiligen Kontaktpunkte auf besondere Weise um die Welle 108 liegen. Es werden nun Beispiele dafür beschrieben.
3 zeigt schematisch ein Dreieck 300, das durch Kontaktflächen 302A–C definiert ist, die einerseits zwischen den stationären Kontakten 104A–B und andererseits dem beweglichen Kontakt (der Deutlichkeit wegen nicht dargestellt) definiert ist. Das heißt, wenn der bewegliche Kontakt 102 (1A–B) in der geschlossenen Position ist, bildet er jeweils Kontaktpunkte mit den stationären Kontakten innerhalb der Flächen 302A–C. Jeder der Kontaktpunkte ist einem Strom zugeordnet, der zwischen diesem stationären Kontakt und dem beweglichen Kontakt fließt. In diesem Beispiel ist das Dreieck 300 ein gleichschenkeliges Dreieck. In anderen Ausführungen können die Kontaktpunkte eine andere Art von Dreieck bilden. In einigen Ausführungen haben einige oder alle der beweglichen Kontakte und der stationären Kontakte einen endlichen Krümmungsradius.
Ein Mittelpunkt 304 gibt an, wo die Kraft auf den beweglichen Kontakt wirkt. Der Mittelpunkt 304 liegt nicht direkt zwischen den Flächen 302B–C, sondern ist vielmehr in die Richtung zur Fläche 302A verschoben. In einigen Ausführungen, wenn die Hin- und Herbewegung des Kontakts von einer Welle (nicht dargestellt) angetrieben wird, stimmt der Mittelpunkt 304 mit der Welle überein. Wenn, als ein anderes Beispiel, die Antriebskraft auf den Kontakt an mehr als einer Stelle wirkt, gibt der Mittelpunkt 304 den Mittelpunkt der Kraft an, die den Kontakt antreibt.
Der Mittelpunkt 304 ist vom Dreieck 300 umschlossen. Das heißt der bewegliche Kontakt ist so konfiguriert, dass, wenn er Kontaktpunkte mit den stationären Kontakten innerhalb der Flächen 302A–C bildet, diese Kontaktpunkte ein Dreieck bilden, das den Kräftemittelpunkt umschließt, der die Bewegung des Kontakts antreibt. Das heißt, es sind keine zwei Kontaktpunkte mit dem Mittelpunkt 304 kollinear.
In einigen Ausführungen stimmt der Mittelpunkt 304 mit einem Schwerpunkt eines solchen Dreiecks überein, das durch die Kontaktpunkte gebildet wird. In anderen Ausführungen liegt der Mittelpunkt vom Schwerpunkt entfernt (ist aber von dem gebildeten Dreieck umschlossen).
4 zeigt eine perspektivische Ansicht des beweglichen Kontakts 102 in 1A–B. Der bewegliche Kontakt ist aus einem rechteckigen Metallblock 400 gebildet, der eine ebene Oberfläche 402 hat. Ferner hat der Metallblock Ausnehmungen 402A–C, die in der ebenen Oberfläche gebildet sind. Die Ausnehmungen 402A–B befinden sich hier in jeweiligen Ecken an einem Ende des Blocks und bilden dadurch die Kontaktfläche 118A. Die Ausnehmung 402C liegt ihrerseits entlang des kurzen Endes des Metallblocks, zwischen den anderen Ecken und bildet dadurch die Kontaktflächen 118B–C. Zum Beispiel können die Ausnehmungen durch maschinelle Bearbeitung des Metallblocks gebildet werden. Als ein anderes Beispiel kann der Metallblock in die gewünschte Form gegossen werden. Hier befindet sich die Welle gegenwärtig nicht in der Öffnung 112.
5 zeigt eine Seitenansicht des beweglichen Kontakts 102 in 1A–B. Hier ist eine Seite des rechteckigen Metallblocks dargestellt, während die Ausnehmung 402A sichtbar ist. Die Ausnehmung 402B und die Öffnung 112 sind in Phantomlinien dargestellt.
Der bewegliche Kontakt kann mit ausgewählten Eigenschaften, abhängig von der geplanten Ausführung, hergestellt werden. In einer beispielhaften Ausführung besteht der Kontakt aus einem leitenden Material (z. B. Metall), hat eine gewisse Länge, Breite und Höhe und die Ausnehmungen haben besondere Dimensionen. Eine oder alle der soeben erwähnten Eigenschaften können anhand eines Faktors oder mehrerer Faktoren gewählt werden, der bzw. die für die Ausführung relevant ist bzw. sind. Zum Beispiel können solche Faktoren, ohne Einschränkung, enthalten:
Die Größe(n) der Spannung und/oder des Stroms, der voraussichtlich im Schalter verwendet wird
Die Geschwindigkeitsrate und/oder Kraft der Hin- und Herbewegung des Kontakts
Die Größe und/oder Form der oberen Oberflächen der stationären Kontakte
Die Herstellungs- und/oder Materialkosten
6 zeigt ein Beispiel eines elektromagnetischen Schalters 600 mit einem Zusatzkontakt. Im Allgemeinen weist der Schalter zumindest zwei stationäre elektrische Kontakte 602 mit Anschlüssen auf, die an die Außenschaltung angeschlossen sind, die geschlossen/unterbrochen werden soll. In der dargestellten Perspektive ist einer der stationären elektrischen Kontakte hinter dem anderen positioniert und ist daher derzeit nicht sichtbar. Ein beweglicher Kontakt 604 wird von einem Stellglied 606, wie einer Magnetspule, die auf einen Magnet wirkt, der mit einem Kolben verbunden ist, der am beweglichen Kontakt befestigt ist, in eine Hin- und Herbewegung versetzt. Die Komponenten sind an einem Gehäuse 608 wie einer Einhäusung aus einem nicht leitenden Material montiert oder in diesem enthalten, das für eine elektrische Isolierung zur Außenseite sorgt und das Innere vor Flüssigkeit und Teilchen schützt. Die betätigende Kraft ist mit f_a angegeben und wirkt an einem Punkt, der manchmal als Kräftemittelpunkt bezeichnet wird, auf den beweglichen Kontakt.
Der elektromagnetische Schalter 600 umfasst zumindest einen Zusatzkontakt 612, der den beweglichen Kontakt mechanisch stabilisieren soll. In einigen Ausführungen ist dies ein nicht leitender mechanischer Kontakt. Der mechanische Kontakt kann zum Beispiel aus demselben Material wie das Gehäuse 608 (z. B. als ein Vorsprung, der in einem Stück an dessen Oberfläche gebildet ist) oder aus einem anderen Isoliermaterial hergestellt sein. Am Ende der Hin- und Herbewegung befindet sich der bewegliche Kontakt an einer Position 614, wo er den Zusatzkontakt 612 wie auch beide stationären elektrischen Kontakte 602 berührt. Daher erzeugt dies einen elektrischen Anschluss zwischen zumindest den stationären elektrischen Kontakten 602. Das Vorhandensein der zumindest drei Kontaktpunkte erzeugt eine erhöhte Steifigkeit, die das Auftreten von Schwingungen in dem beweglichen Kontakt verhindert.
Wenn das Stellglied 606 den beweglichen Kontakt 604 von den Kontakten 602 weg bewegt, sollte der derart erzeugte elektrische Anschluss unterbrochen werden. Der bewegliche Kontakt 604 kann an das Stellglied 606 in einer Weise angeschlossen werden, die mehr oder weniger starr oder eingeschränkt ist. Wenn der bewegliche Kontakt zum Beispiel an einer Welle befestigt ist, können die anwendbaren Herstellungstoleranzen und/oder die Eigenschaften der enthaltenen Materialien für ein gewisses Spiel beim Befestigen des Kontakts sorgen. Infolgedessen kann der bewegliche Kontakt imstande sein, in einer oder mehreren Phase(n) der Hin- und Herbewegung etwas von der horizontalen Ebene weg zu kippen. Sollte der Kontakt jedoch zu stark kippen, ist es möglich, dass der Kontaktpunkt mit einem oder beiden der stationären elektrischen Kontakte bestehen bleibt (oder erneut eintritt), während sich der Kontakt 604 weg bewegt. Falls dies zutrifft, könnte der elektrische Anschluss nicht vollständig unterbrochen sein und der Schalter nicht zufriedenstellend arbeiten.
Der bewegliche Kontakt 604 kann zumindest während eines Teils der Hin- und Herbewegung auf verschiedene Weisen begrenzt werden. In einigen Ausführungen kann ein Kontakt 616 vorgesehen sein, der ein Ende des beweglichen Kontakts an einer Bewegung zu weit weg vom Zusatzkontakt 612 begrenzt. Dies kann zum Beispiel verhindern, dass das andere Ende des beweglichen Kontakts einen der stationären elektrischen Kontakte 602 berührt. Der Kontakt 616 kann am Gehäuse 608 befestigt sein oder kann in einem Stück mit diesem gebildet sein.
Als ein weiteres Beispiel kann der bewegliche Kontakt 604 so konfiguriert sein, dass eines seiner Enden im Wesentlichen während der gesamten Hin- und Herbewegung auf dem Kontakt 616 liegt. In einigen derartigen Ausführungen kann der Zusatzkontakt 612 so gebildet sein, dass er weniger vorragt, oder vollständig fehlen.
Der Zusatzkontakt 612 und/oder der mechanische Kontakt 616 kann/können für einen oder mehrere andere(n) Zweck(e) zusätzlich zur Bereitstellung eines Kontaktpunkts für den beweglichen Kontakt 604 verwendet werden. Zum Beispiel führt der Stromfluss im beweglichen Kontakt 604 zu einer ohmschen Erwärmung des Kontakts und des Rests des elektromagnetischen Schalters 600. In einigen Ausführungen weist der Schalter eine oder mehrere Wärmesenke(n) 618 auf, die an das Gehäuse 608 angeschlossen ist (sind), die zum Ableiten von Wärme vom Schalter verwendet wird (werden). Dies kann einen zusätzlichen Pfad für einen thermischen Kontakt zwischen dem beweglichen Kontakt und der umliegenden Umgebung des Schalters bereitstellen.
Es kann jede geeignete Art von Wärmesenke verwendet werden, einschließlich, ohne aber darauf beschränkt zu sein, einer nicht isolierten Wärmelamelle, die sich in die unmittelbare Umgebung des Schalters erstreckt. Wenn zum Beispiel der Zusatzkontakt 612 in die Wand des Gehäuses 608 integriert ist, kann er aus einem relativ dünnwandigen Material bestehen, so dass Wärme vom beweglichen Kontakt zur Wärmesenke geleitet wird. Das heißt, der Leiter, die Masse oder ein Tauscher usw., der bzw. die die Wärmesenke aufweist, kann durch eine wärmeleitende Schmiere, Paste, eine gelötete Verbindung, Klebstoff usw. mit der Seite des Zusatzkontakts, die dem beweglichen Kontakt gegenüberliegt, in engen thermischen Kontakt gebracht werden. Da in einigen Ausführungen die Wärmesenke von den stationären Kontakten 602 elektrisch isoliert ist, kann eine Fluidkühlung erleichtert sein. Zum Beispiel können Wärmeaustauschkanäle in den (die) Zusatzkontakt(e) eingegliedert sein, um Wärme vom Kontakt direkt in ein Kühlfluid abzuleiten.
In einigen Beispielen ist der Kontakt 612 und/oder 616 ein nicht leitender mechanischer Kontakt. Zum Beispiel kann der Kontakt aus jedem geeigneten Material bestehen, das angesichts der elektrischen und anderer Eigenschaften der besonderen Ausführung ausreichend isolierend ist.
In anderen Ausführungen jedoch kann der Kontakt 612 und/oder 616 ein elektrischer Kontakt sein. Dies kann die Anzahl von Materialien erhöhen, die für die Ausführung zur Verfügung stehen, zum Beispiel so, dass das ausgewählte Material zäher ist, eine geringere Reibung hat, mehr (oder weniger) wärmeleitend und/oder schlagfester ist. Der bewegliche Kontakt 604 stellt dann einen Kontakt mit zumindest drei separaten elektrischen Kontakten am Ende der Hin- und Herbewegung her. Dadurch kann zum Beispiel ein Kontakt als ein Eingang dienen und zwei andere können als Ausgänge dienen. Als weiteres Beispiel können zwei der elektrischen Kontakte elektrisch verbunden sein (z. B. der Zusatzkontakt 612 mit einem der stationären elektrischen Kontakte 602). Der elektrische Kontakt kann in einigen Ausführungen an einem isolierenden Gehäusematerial befestigt sein. In anderen Ausführungen, in welchen das Gehäuse ein leitendes Material umfasst, kann ein isolierender Abstandhalter, ein Befestigungsmittel oder eine andere Schicht (z. B. Klebstoff) zwischen dem elektrischen Kontakt und dem leitenden Gehäuse angeordnet sein.
7 zeigt ein Beispiel eines beweglichen Kontakts 700 mit einer im Wesentlichen dreieckigen Form. Hier ist der bewegliche Kontakt gemeinsam mit stationären Kontakten 702, 704 und 706 dargestellt, so dass zumindest Kontaktpunkte a, b und c gebildet werden, wenn der bewegliche Kontakt von einem Stellglied (der Deutlichkeit wegen nicht dargestellt) an einem Kräftemittelpunkt 708 angetrieben wird. Zum Beispiel kann der stationäre Kontakt 702 ein nicht leitender mechanischer Kontakt sein und die anderen zwei können elektrische Kontakte sein. Als ein weiteres Beispiel können alle drei der Kontakte 702–706 elektrisch sein.
Normalerweise ist der Kräftemittelpunkt 708 im Wesentlichen relativ zum beweglichen Kontakt 700 aufgrund der Art, wie die Welle daran befestigt ist, fixiert. Es ist jedoch zu beachten, dass der bewegliche Kontakt eine gewisse Drehfreiheit haben kann. Wenn der bewegliche Kontakt zum Beispiel um eine Achse parallel zur Linie b-c zwischen den Kontaktpunkten b und c dreht, bewirkt dies, dass sich die Kontaktpunkte b und c auf der Oberfläche des beweglichen Kontakts in eine Richtung senkrecht sowohl zu b-c wie auch zur Antriebskraft f_a (z. B. 6) bewegen. Diese Drehbewegung in Kombination mit der Antriebskraft f_a erzeugt ein Drehmoment oder Moment an dem beweglichen Kontakt, wobei das Drehmoment durch einen Abstand 710 zwischen dem Kräftemittelpunkt 708 und der Linie b-c gemessen wird. Zum Beispiel kann die erzeugte Kraft eine monotone Funktion der Winkelverschiebung des beweglichen Kontakts sein und kann so ausgerichtet sein, dass sie dazu neigt, das Winkelgleichgewicht des beweglichen Kontakts wiederherzustellen. Wenn Null-Schlupfbedingungen eines Oberflächenkontakts zwischen dem beweglichen Kontakt und den stationären Kontakten 704–706 herrschen, kann auch eine Translationsbewegung des beweglichen Kontakts in eine Richtung senkrecht sowohl zu b-c wie auch der Antriebskraft f_a infolge dieser Drehung eintreten.
In einigen Situationen führt ein Hindurchleiten eines großen Stroms zwischen den stationären elektrischen Kontakten 704 und 706 über den beweglichen Kontakt zu einer selbsterhaltenden elektromechanischen Erregung der Schwenkbewegung. Dies wurde beobachtet, wenn der Strom ein Gleichstrom ist, und es wird angenommen, dass ein ähnliches Verhalten eintreten kann, wenn der Strom ein Wechselstrom ist. Diese Bewegung ist für die Leistung und Lebenserwartung des Schaltschützes nachteilig. Zum Beispiel können vorübergehende Spannungsabfälle über die Kontakte und Leistungsverluste im Schaltschütz die Komponentenmaterialien verschlechtern und eine vorübergehende Bogenbildung kann zu einer Umverteilung von Kontaktmaterial und einer Verschlechterung der Kontaktgeometrie führen.
Hier sorgt der Kontaktpunkt a, der mit dem Kontakt 702 gebildet wird, für eine Steifigkeit um die Drehachse des beweglichen Kontakts, die durch die Linie b-c definiert ist, was eine unerwünschte Dreh- und/oder Translationsbewegung verhindern oder verringern kann. Der bewegliche Kontakt kann so konfiguriert sein, dass die Kontaktpunkte a, b und c eine geeignete Form eines Dreiecks bilden, einschließlich, ohne aber darauf beschränkt zu sein, eines gleichseitigen oder eines gleichschenkeligen Dreiecks. Der Kräftemittelpunkt 708 liegt hier im Inneren des Dreiecks a-b-c. Diese und andere Konfigurationen entsprechen einem starren Körpersystem, das mechanisch stabil ist, wobei alle drei Punkte a, b und c Kontakt mit einer positiven normalen Kraft herstellen. Der Kräftemittelpunkt 708 ist zum Beispiel von der Linie b-c mit einem Abstand 710 getrennt; ebenso ist der Kräftemittelpunkt vom Kontaktpunkt a mit einem Abstand 712 getrennt. Die Abstände 710 und 712 können im Vergleich zu der Strecke, die sich der bewegliche Kontakt bei der Hin- und Herbewegung bewegt, relativ klein sein. In einigen Ausführungen können die Abstände 710 und 712 unterschiedliche Anteile relativ zueinander haben.
An den jeweiligen Ecken der Kontaktpunkte a, b und c hat der bewegliche Kontakt 700 stumpfe Seiten. Zum Beispiel sind die stumpfen Seiten, die den Kontaktpunkten b und c entsprechen, hier parallel zueinander und senkrecht zur stumpfen Seite des Kontaktpunkts a. Der bewegliche Kontakt kann Ränder in abgerundeter Form zwischen zwei oder mehr der stumpfen Seiten haben.
In dem vorangehenden Beispiel hat der bewegliche Kontakt zwei Winkelfreiheitsgrade: Drehung um die Achse, die parallel zur Linie b-c verläuft und durch den Kräftemittelpunkt 708 geht, und Drehung um eine Achse, die den Kontaktpunkt a mit dem Kräftemittelpunkt 708 verbindet. In einigen Ausführungen können die erforderlichen Begrenzungen der Bewegung des beweglichen Kontakts in Freiheitsgrade des beweglichen Kontakts selbst umgesetzt werden. Zum Beispiel kann die zulässige Drehung in den obengenannten Achsen durch eine geeignete Verbindung des beweglichen Kontakts mit dem Stellglied eingeschränkt werden. Wenn der bewegliche Kontakt an dem Stellglied durch eine Antriebsstange befestigt ist, die auf eine rein lineare Bewegung beschränkt ist, und diese Antriebsstange durch ein Loch im beweglichen Kontakt geht, kann eine passende Wahl der dimensionalen Passungstoleranz zwischen dem beweglichen Kontakt und der Antriebsstange als eine Einschränkung dienen. Der Auswirkung eines mechanischen Abriebs auf diese Toleranzen sollte gebührliche Beachtung geschenkt werden.
Es kann auch notwendig oder wünschenswert sein, die Drehbewegung des beweglichen Kontakts um die Achse zu begrenzen, die durch f_a definiert ist. Wenn der bewegliche Kontakt zum Beispiel eine dreieckige Form aufweist, kann eine Begrenzung verwendet werden um sicherzustellen, dass die Kontaktpunkte zwischen dem beweglichen Kontakt und den stationären Kontakten richtig gebildet sind. Zum Beispiel setzt eine +/–60° Drehung des beweglichen Kontakts um die f_a Achse den beweglichen Schaltschütz außer Betrieb. In dieser Ausführungsform kann eine gewisse Form von Begrenzung durch Merkmale bereitgestellt sein, die in einen oder mehrere zusätzliche(n) (mechanische(n) oder elektrische(n) Kontakt(e) eingegliedert sind, oder Hilfsmerkmale, die nahe den Kontakten angeordnet sind (wie Stäbe). Wenn der bewegliche Kontakt andererseits ausreichend drehsymmetrisch um den Kräftemittelpunkt ist, arbeitet der Schaltschütz in jeder Drehposition korrekt. Zum Beispiel ist bei einer vollständigen Drehsymmetrie der bewegliche Kontakt eine Scheibe und kein Dreieck.
8 zeigt ein weiteres Beispiel eines beweglichen Kontakts 800 mit einer im Wesentlichen dreieckigen Form. Der bewegliche Kontakt ist gemeinsam mit stationären Kontakten 802, 804 und 806 dargestellt und die Kontaktpunkte sind wieder mit a, b und c bezeichnet. Der bewegliche Kontakt wird am Kräftemittelpunkt 808 durch eine Antriebskraft f_a angetrieben. Hier ist die Ecke des beweglichen Kontakts, wo der Kontaktpunkt a gebildet ist, im Wesentlichen zwischen den stationären Kontakte 802A–B begrenzt. Zum Beispiel kann das Ausmaß der Trennung zwischen den stationären Kontakten 802A–B anhand der relevanten Dicke des beweglichen Kontakts so gewählt werden, dass sich seine andere Seite (mit den Kontaktpunkten b und c) infolge der Antriebskraft f_a ein gewisses Maß nach oben und nach unten bewegen kann. In diesem Beispiel hat der bewegliche Kontakt eine im Wesentlichen gleichförmige Dicke und bildet ein gleichschenkeliges Dreieck. In einigen Ausführungen kann der Kontakt 802 nicht leitend sein und die anderen können elektrische Kontakte sein. In anderen Ausführungen können alle der Kontakte 802–806 elektrische Kontakte sein.
9 zeigt ein weiteres Beispiel eines beweglichen Kontakts 900 mit einer im Wesentlichen dreieckigen Form. Es sind stationäre Kontakte 902, 904 und 906 dargestellt. Ebenso sind Kontaktpunkte a, b und c und ein Kräftemittelpunkt 908 dargestellt.
An den jeweiligen Ecken der Kontaktpunkte a, b und c hat der bewegliche Kontakt 900 stumpfe Seiten. Zum Beispiel sind hier die stumpfen Seiten, die den Kontaktpunkten b und c entsprechen, parallel zueinander und sind senkrecht zur stumpfen Seite des Kontaktpunkts a. Ebenso hat der bewegliche Kontakt gerade Ränder, die entsprechende der stumpfen Seiten miteinander verbinden.
Ein mechanischer Abrieb und eine Verformung eines Kontakts während der Verwendung können dazu neigen, ein Abweichen von Kontaktpunkten von ihren beabsichtigten, oder ursprünglichen Stellen, zu bewirken. Zum Beispiel ist hier der Kontaktpunkt a zur Mittellinie des beweglichen Kontakts versetzt und liegt dem Kontaktpunkt b näher als c. Die Kontaktpunkte b und c sind ihrerseits in entgegengesetzte Richtung versetzt, so dass sie einander näher sind als zuvor. Das heißt, selbst wenn jeder der Kontaktpunkte ursprünglich relativ zu seinem entsprechenden Kontakt zentriert war, sind die Kontaktpunkte seither zu den dargestellten Stellen gewandert. Der bewegliche Kontakt ist jedoch so konfiguriert, dass trotz eines solchen Abriebs/einer solchen Verformung ein Dreieck 910, das durch die Kontaktpunkte gebildet wird, den Kräftemittelpunkt 908 noch umschließt. Dies trägt dazu bei, die Stabilität und Steifigkeit des beweglichen Kontakts aufrechtzuerhalten.
10 zeigt ein weiteres Beispiel eines elektromagnetischen Schalters 1000 mit einem Zusatzkontakt. Hier erzeugt eine Antriebskraft f_a eine Hin- und Herbewegung eines beweglichen Kontakts 1002 in den und aus dem Kontakt mit stationären elektrischen Kontakten 1004. Ein anderes Ende des beweglichen Kontakts wird durch einen Zusatzkontakt 1006 begrenzt. In diesem Beispiel umfasst der Zusatzkontakt Teile 1006A–B, von welchen beide als Teil des Gehäuses des Schalters gebildet sind. Der Schalter kann eine Wärmesenke 1008 nahe dem Zusatzkontakt bilden. In einigen Ausführungen ist der Zusatzkontakt 1006 ein elektrischer Kontakt.
11 zeigt ein Beispiel eines elektromagnetischen Schalters 1100, wobei ein beweglicher Kontakt 1102 durch ein Kugelgelenk 1104 befestigt ist. Ähnlich wie in den vorangehenden Beispielen übt ein Stellglied eine Antriebskraft f_a aus, um den beweglichen Kontakt gegen stationäre elektrische Kontakte 1106 zu bewegen. In diesem Beispiel hat ein Ende 1102A des beweglichen Kontakts eine abgerundete Form, die zumindest teilweise der Form der Pfanne des Gelenks entspricht, die einem oder mehreren anderen Enden 1102B des beweglichen Kontakts ermöglicht, den (die) stationären Kontakt(e) während der Hin- und Herbewegung zu erreichen. Die Pfanne des Kugelgelenks 1104 kann als eine separate Komponente hergestellt werden, die dann am Gehäuse des Schalters befestigt wird, oder kann ein einstückiges Teil sein, das bei der Herstellung des Gehäuses gebildet wird. In einigen Ausführungen hat das Kugelgelenk die entgegengesetzte Ausrichtung, so dass der bewegliche Schaltschütz das Pfannenteil bildet, und das Kugelteil vom Gehäuse gebildet wird. In einigen Ausführungen ist das Kugelgelenk ein elektrischer Kontakt. Eine Wärmesenke 1108 kann nahe dem Kugelgelenk bereitgestellt sein.
12 zeigt ein Beispiel eines elektromagnetischen Schalters 1200, wobei ein beweglicher Kontakt 1202 durch eine Flexur 1204 befestigt ist. Der bewegliche Kontakt wird durch eine Antriebskraft f_a gegen stationäre elektrische Kontakte 1206 angetrieben. In diesem Beispiel ist die Flexur 1204 an einem Ende 1202A des beweglichen Kontakts befestigt, so dass ein anderes Ende oder mehrere andere Enden 1202B des beweglichen Kontakts, den (die) stationären Kontakt(e) während der Hin- und Herbewegung erreichen können. Die Flexur kann aus jedem geeigneten Material, wie Metall (z. B. Stahl oder Bronze) bestehen. Die Flexur kann an einer Basis 1206 am Gehäuse befestigt sein. Die Basis 1206 kann ein nicht leitender Vorsprung am Gehäuse sein oder kann ein elektrischer Kontakt sein. Es kann eine Wärmesenke 1208 nahe der Flexur bereitgestellt sein.
13 zeigt ein Beispiel eines elektromagnetischen Schalters 1300, wobei ein beweglicher Kontakt 1302 durch ein Gelenk 1304 befestigt ist. Der bewegliche Kontakt wird durch eine Antriebskraft f_a gegen stationäre elektrische Kontakte 1306 angetrieben. In diesem Beispiel ist das Gelenk in einem Stück mit dem beweglichen Kontakt gebildet. Das heißt, ein Ende 1304A des Gelenks ist am Gehäuse befestigt und das andere Ende 1304B erstreckt sich in einer gewissen Länge, um den beweglichen Kontakt zu bilden. Es kann jedes geeignete Material für das Gelenk verwendet werden, wie Stahl, und die Materialdimensionen (z. B. Dicke) werden anhand der speziellen Ausführung gewählt. In einigen Ausführungen ist das Gelenk 1304 ein elektrischer Kontakt. Es kann eine Wärmesenke 1308 nahe dem Gelenk bereitgestellt sein.
In einigen Ausführungen kann ein thermischer Kontakt zwischen dem beweglichen Kontakt und einem oder mehreren Zusatzkontakt(en) auf eine oder mehrere Weisen verstärkt sein. Zu solchen Weisen zählen, ohne aber darauf beschränkt zu sein: Bereitstellen komplementärer Oberflächenradii; Ermöglichen eines kleinen Spalts unter den zulässigen Bewegungsrichtungen (z. B. wie bei Kugel-Pfanne-Merkmalen); Bereitstellen einer beibehaltenen Schmiere, Flüssigkeit oder Paste, die eine Leistung oder verstärkte Konvektion zwischen den Oberflächen ermöglicht; Bereitstellen kleiner, sich wiederholender Stege, Taschen, Kanäle oder dergleichen, die einen konvektiven Austausch durch das Füllgas des Schaltschützes ermöglichen, indem die Konvektion auf definierte Längenmaße begrenzt wird; Bereitstellen biegsamer Verbindungen, wie einer Feder, die aus einem wärmeleitenden Material bestehen; und Einfügen eines Phasenänderungsfluids in das Gelenk zwischen dem beweglichen Kontakt und einem oder mehreren anderen Kontakt(en), um einen Wärmerohreffekt zu erzeugen, um nur einige Beispiele zu nennen.
Wenn ein elektromagnetischer Schalter unter Last geöffnet wird, können elektrische Bögen auftreten. Es kann notwendig oder wünschenswert sein, einen oder mehrere Permanentmagneten in den Schalter einzugliedern, so dass sein/ihr Feld dazu neigt, diese elektrischen Bögen von den Leitern durch Lorentz-Kraft wegzublasen. In einigen Ausführungen können einer oder mehrere solcher Magnete so angeordnet werden, dass der Betrieb des beweglichen Kontakts nicht gestört wird.
Es wurden zahlreiche Ausführungen als Beispiele beschrieben. Dennoch sind andere Ausführungen durch die folgenden Ansprüche abgedeckt.

Claims

Elektromagnetischer Schalter, umfassend: zumindest zwei stationäre elektrische Kontakte; und einen beweglichen Kontakt, wobei der elektromagnetische Schalter für eine Hin- und Herbewegung des beweglichen Kontakts in den und aus dem Kontakt mit den stationären elektrischen Kontakten konfiguriert ist, wobei der bewegliche Kontakt so konfiguriert ist, dass zumindest drei Kontaktpunkte bei der Hin- und Herbewegung entstehen, und dass ein Dreieck, das durch die zumindest drei Kontaktpunkte definiert ist, einen Kräftemittelpunkt der Bewegung umschließt.
Elektromagnetischer Schalter nach Anspruch 1, wobei ein erster und ein zweiter stationärer elektrischer Kontakte vorhanden sind und der bewegliche Kontakt so konfiguriert ist, dass die drei Kontaktpunkte mit den stationären elektrischen Kontakten entstehen: ein erster und zweiter Kontaktpunkt entsteht an dem ersten stationären elektrischen Kontakt und ein dritter Kontaktpunkt entsteht an dem zweiten stationären elektrischen Kontakt.
Elektromagnetischer Schalter nach Anspruch 2, der aus einem rechteckigen Metallblock mit zumindest einer ebenen Oberfläche gebildet ist, wobei der Metallblock eine erste Ausnehmung in der ebenen Oberfläche hat, um den ersten und den zweiten Kontaktpunkt zu bilden, und eine zweite und eine dritte Ausnehmung, um den dritten Kontaktpunkt zu bilden.
Elektromagnetischer Schalter nach Anspruch 3, wobei ein Loch für eine Welle durch den Metallblock am Kräftemittelpunkt geht, wobei die Welle die Bewegung des beweglichen Kontakts antreibt.
Elektromagnetischer Schalter nach Anspruch 1, wobei ein erster und ein zweiter stationärer elektrischer Kontakte und zumindest ein nicht leitender mechanischer Kontakt vorhanden sind und wobei der bewegliche Kontakt so konfiguriert ist, dass ein erster Kontaktpunkt mit dem ersten stationären elektrischen Kontakt entsteht, ein zweiter Kontaktpunkt mit dem zweiten stationären elektrischen Kontakt entsteht und ein dritter Kontaktpunkt mit dem nicht leitenden mechanischen Kontakt entsteht.
Elektromagnetischer Schalter nach Anspruch 5, wobei der nicht leitende mechanische Kontakt so positioniert ist, dass der dritte Kontaktpunkt an einem Ende der Hin- und Herbewegung und nicht an einem anderen Teil der Hin- und Herbewegung entsteht.
Elektromagnetischer Schalter nach Anspruch 6, des Weiteren umfassend eine Wärmesenke in thermischem Kontakt mit dem nicht leitenden mechanischen Kontakt.
Elektromagnetischer Schalter nach Anspruch 6, des Weiteren umfassend einen anderen nicht leitenden mechanischen Kontakt, der mit dem beweglichen Kontakt zu Beginn der Hin- und Herbewegung in Kontakt gelangt.
Elektromagnetischer Schalter nach Anspruch 5, wobei der nicht leitende mechanische Kontakt so positioniert ist, dass der dritte Kontaktpunkt während der gesamten Hin- und Herbewegung entsteht.
Elektromagnetischer Schalter nach Anspruch 9, des Weiteren umfassend eine Wärmesenke in thermischem Kontakt mit dem nicht leitenden mechanischen Kontakt.
Elektromagnetischer Schalter nach Anspruch 9, des Weiteren umfassend einen anderen nicht leitenden mechanischen Kontakt, wobei der bewegliche Kontakt zwischen den mechanischen Kontakten während der gesamten Hin- und Herbewegung begrenzt ist.
Elektromagnetischer Schalter nach Anspruch 5, wobei der nicht leitende mechanische Kontakt eine Befestigung des beweglichen Kontakts am elektromagnetischen Schalter aufweist.
Elektromagnetischer Schalter nach Anspruch 12, wobei die Befestigung eine Flexur umfasst, die die Hin- und Herbewegung ermöglicht.
Elektromagnetischer Schalter nach Anspruch 12, des Weiteren umfassend eine Wärmesenke in thermischem Kontakt mit der Befestigung.
Elektromagnetischer Schalter nach Anspruch 1, wobei der bewegliche Kontakt eine im Wesentlichen dreieckige Form hat, die den drei Kontaktpunkten entspricht.
Elektromagnetischer Schalter nach Anspruch 15, wobei die im Wesentlichen dreieckige Form zumindest eine stumpfe Ecke hat.
Elektromagnetischer Schalter nach Anspruch 1, wobei ein erster, ein zweiter und ein dritter stationärer elektrischer Kontakt vorhanden sind und wobei der bewegliche Kontakt so konfiguriert ist, dass zumindest ein Kontaktpunkt mit jedem von dem ersten, dem zweiten und dem dritten stationären elektrischen Kontakt entsteht.
Elektromagnetischer Schalter nach Anspruch 17, wobei der erste, der zweite und der dritte stationäre elektrische Kontakt so positioniert sind, dass die Kontaktpunkte an einem Ende der Hin- und Herbewegung und nicht während eines anderen Teils der Hin- und Herbewegung entstehen.
Elektromagnetischer Schalter nach Anspruch 1, wobei der bewegliche Kontakt federbelastet ist.
Elektromagnetischer Schalter nach Anspruch 1, wobei der Kräftemittelpunkt der Bewegung von einem Schwerpunkt des Dreiecks entfernt liegt, das durch die zumindest drei Kontaktpunkte definiert ist.