DE202012012813U1 - switching device - Google Patents
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Abstract
Schaltvorrichtung (1) zum Öffnen und Schließen eines Laststromkreises, insbesondere in einem Elektrofahrzeug, mit wenigstens einer in einer Schließrichtung (S) von einer Offenstellung (O) in eine Schließstellung (C) überführbaren Schaltkontaktfläche (21a, 21b), die in der Offenstellung (O) von einer Gegenkontaktfläche (31a, 31b) der Schaltkontaktanordnung (2) beabstandet gehalten ist und in der Schließstellung (C) elektrisch leitend an der Gegenkontaktfläche (31a, 31b) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schaltkontaktfläche (21a, 21b) unter einem Kontaktwinkel (α) schräg zur Schließrichtung (S) ausgerichtet ist.Switching device (1) for opening and closing a load circuit, in particular in an electric vehicle, having at least one switch contact surface (21a, 21b) which can be converted from an open position (O) into a closed position (C) in an opening direction (S). O) is kept at a distance from a mating contact surface (31a, 31b) of the switch contact arrangement (2) and bears electrically conductively against the mating contact surface (31a, 31b) in the closed position (C), characterized in that the at least one switch contact surface (21a, 21b) is aligned at a contact angle (α) obliquely to the closing direction (S).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung zum Öffnen und Schließen eines Laststromkreises, insbesondere in einem Elektrofahrzeug, mit wenigstens einer in einer Schließrichtung von einer Offenstellung in einer Schließstellung überführbaren Schaltkontaktfläche, die in der Offenstellung von einer Gegenkontaktfläche der Schaltvorrichtung beabstandet gehalten ist und in Schließstellung elektrisch leitend an der Gegenkontaktfläche anliegt. The present invention relates to a switching device for opening and closing a load circuit, in particular in an electric vehicle, having at least one switchable in a closing direction from an open position in a closed switching contact surface, which is held in the open position spaced from a mating contact surface of the switching device and in the closed position electrically conductive abuts against the mating contact surface.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Schalten eines Laststromkreises, insbesondere in einem Elektrofahrzeug, wobei wenigstens eine Schaltkontaktfläche in einer Schaltrichtung von einer Offenstellung in eine Schließstellung überführt und elektrisch leitend in Kontakt mit einer Gegenkontaktfläche gebracht wird. Furthermore, the invention relates to a method for switching a load circuit, in particular in an electric vehicle, wherein at least one switching contact surface is transferred in a switching direction from an open position to a closed position and brought into electrical contact with a mating contact surface.
Schaltvorrichtungen und Verfahren der vorbenannten Art zum Schalten von Laststromkreisen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie werden beispielsweise in Elektrofahrzeugen dazu verwendet, um eine Batterie bzw. einen Akkumulator eines Elektrofahrzeuges bei Nichtgebrauch von den Verbrauchern zu trennen bzw. den Laststromkreis zu öffnen und damit das Bordnetz von der Batterie bzw. dem Akkumulator zu trennen. Die Schaltvorrichtungen sind Teil von Leistungsschaltern, bei denen es sich im Regelfall um Schütze handelt. Switching devices and methods of the aforementioned type for switching load circuits are known from the prior art. They are used for example in electric vehicles to disconnect a battery or a rechargeable battery of an electric vehicle when not in use by the consumers or to open the load circuit and thus to disconnect the electrical system from the battery or the accumulator. The switching devices are part of circuit breakers, which are usually Sagittarius.
Insbesondere in Elektroautomobilen können aufgrund eines relativ geringen Innenwiderstandes der Batterien bzw. Akkumulatoren sehr hohe Kurzschlussströme im Fehlerfall eines Bauteils auftreten. So kann ein regulärer maximaler Laststrom beispielsweise um die 200 A betragen, wohingegen ein Kurzschlussstrom 5000–9000 A betragen kann. Ströme in dieser Größenordnung erfordern in einem konventionellen Aufbau der eingangs genannten Schaltvorrichtung bzw. in konventionellen Verfahren zum Schalten von Laststromkreisen sehr große Zuhaltekräfte. Especially in electric vehicles can occur due to a relatively low internal resistance of the batteries or accumulators very high short-circuit currents in case of failure of a component. For example, a regular maximum load current can be around 200 A, whereas a short-circuit current can be 5000-9000 A. Currents of this magnitude require in a conventional structure of the switching device mentioned above or in conventional methods for switching load circuits very large locking forces.
Die großen Zuhaltekräfte sind bei Hochstromanwendungen wegen der dabei auftretenden Kontaktabstoßung erforderlich. Die Kontaktabstoßung resultiert daraus, dass die zur Berührstelle eines Schaltkontaktes mit einem Gegenkontakt zulaufenden Strompfade sich an die aus der Berührstelle entfernenden Strompfade des Gegenkontaktes koppeln. Eine daraus resultierende repulsive Kraft ist in quadratischer Ordnung abhängig vom geführten Strom und lässt sich nach folgender Formel berechnen:
Die repulsive Kraft FR vervielfacht sich entsprechend der Anzahl der verwendeten Schließkontakte. Es ist beispielsweise für gedoppelte Kontaktanordnungen eine doppelte repulsive Kraft zu berücksichtigen. The repulsive force F R multiplies according to the number of contacts used. For example, for dual contact arrangements, a double repulsive force has to be considered.
Zusätzlich zur repulsiven Kraft können weitere strominduzierte Kräfte auftreten. So können beispielsweise die Anschlüsse einer zwei symmetrisch zueinander angeordnete Schaltkontakte aufweisenden Kontaktbrücke eine nahezu geschlossene Leiterschleife bilden, die durch den Stromfluss auseinandergetrieben wird. Aus dieser Leiterschleife können sogenannte Brückenkräfte FB resultieren. In addition to the repulsive force, other current-induced forces can occur. Thus, for example, the terminals of a contact bridge having two symmetrically arranged switching contacts can form a virtually closed conductor loop, which is driven apart by the current flow. From this conductor loop so-called bridge forces F B can result.
Folglich ergibt sich beispielsweise für eine Brücke mit zwei symmetrischen Schaltkontakten mit sich senkrecht zur Schließrichtung erstreckenden Kontaktflächen eine gesamte Abstoßungskraft FR,Gesamt aus der folgenden Formel:
Bei einem maximalen Strom von 9000 A ergibt sich aus der oben genannten Formel zur Näherung der gesamten repulsiven Kraft beispielsweise eine notwendige minimale Schließkraft von ca. 113,4 N. Derart hohe Schließkräfte können beispielsweise im Fall von Schaltvorrichtungen mit kleiner bis mittlerer Dauerstromtragfähigkeit für Elektrofahrzeuge derzeit nicht ökonomisch bereitgestellt werden. At a maximum current of 9000 A, the above-mentioned formula for approximating the total repulsive force results, for example, in a necessary minimum closing force of approximately 113.4 N. Such high closing forces can currently be achieved, for example in the case of switching devices with low to medium continuous current carrying capacity for electric vehicles not be provided economically.
Der vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, insbesondere bei Schaltvorrichtungen zum Schließen von Laststromkreisen in Hochstromanwendungen, wie beispielsweise in Elektrofahrzeugen, die Schließkräfte zu verringern. The present invention is therefore based on the object, in particular in switching devices for closing load circuits in high-current applications, such as in electric vehicles, to reduce the closing forces.
Diese Aufgabe wird für die eingangs genannte Schaltvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die wenigstens eine Kontaktfläche unter einem Kontaktwinkel schräg zur Schließrichtung ausgerichtet ist. This object is achieved according to the invention for the switching device mentioned above in that the at least one contact surface is aligned obliquely to the closing direction at a contact angle.
In einem eingangs genannten Verfahren wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die wenigstens eine Schaltkontaktfläche unter einem Kontaktwinkel schräg zur Schaltrichtung in Kontakt mit der Gegenkontaktfläche gebracht wird. In a method mentioned above, the object is achieved in that the at least one switching contact surface is brought at a contact angle obliquely to the switching direction in contact with the mating contact surface.
Durch diese überraschend einfache Lösung kann die Richtung der repulsiven Kraft von der im Wesentlichen parallel zur Schließrichtung wirkenden Schließkraft zum Zusammenführen bzw. Zusammenhalten von wenigstens einem Schaltkontakt und Gegenkontakt entkoppelt werden. Dazu kann beispielsweise ein die wenigstens eine Kontaktfläche tragender Kontaktträger abgeknickt werden. Die neue Schließkraft pro Kontakt ist somit um den Faktor des Kosinus vom Kontaktwinkel verringert:
Als weiteren Vorteil vermindert die erfindungsgemäße Lösung das sogenannte Einschaltprellen, das auftreten kann, wenn die wenigstens eine Schaltkontaktfläche beim Schließen auf der Gegenkontaktfläche auftrifft und von dieser zurückgeworfen wird. Somit führt eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung zu einer Verminderung von Schaltgeräuschen und Beschädigungen der Schaltkontakte aufgrund des Einschaltprellens gegenüber bislang gängigen bzw. aus dem Stand der Technik bekannten Schaltvorrichtungen. As a further advantage, the solution according to the invention reduces the so-called switch-on bounce, which can occur when the at least one switch contact surface strikes the countercontact surface during closing and is reflected by it. Thus, a switching device according to the invention leads to a reduction of switching noise and damage to the switching contacts due to the Einschaltprellens compared to previously known or known from the prior art switching devices.
Die erfindungsgemäße Lösung kann durch die folgenden weiteren, jeweils für sich vorteilhaften Ausführungsformen beliebig ergänzt und weiter verbessert werden:
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltkontaktanordnung kann der Kontaktwinkel zwischen 40° und 50° betragen. In diesem Bereich des Kontaktwinkels kann ein Kompromiss zwischen erfindungsgemäßer Minderung der Schaltkräfte und durch den Kontaktwinkel hervorgerufenen Reibungskräften, die beim translatorischen und/oder rotatorischen Öffnen und Schließen zwischen Schaltkontaktfläche und Gegenkontaktfläche auftreten können, gefunden werden. Der Kontaktwinkel kann im Wesentlichen 45° betragen. The solution according to the invention can be optionally supplemented and further improved by the following further, respectively advantageous embodiments:
According to a first advantageous embodiment of a switching contact arrangement according to the invention, the contact angle can be between 40 ° and 50 °. In this range of the contact angle, a compromise between inventive reduction of the switching forces and caused by the contact angle friction forces that can occur during translational and / or rotational opening and closing between the switch contact surface and mating contact surface can be found. The contact angle can be substantially 45 °.
Wenigstens eine weitere Schaltkontaktfläche kann spiegelsymmetrisch zur wenigstens einen Schaltkontaktfläche angeordnet sein. In anderen Worten können wenigstens zwei Kontaktflächen zumindest in einer Projektion quer zur Schaltrichtung sich bezüglich einer im Wesentlichen parallel zur Schaltrichtung verlaufenden Mittelachse der Schaltkontaktanordnung spiegelsymmetrisch gegenüberliegend angeordnet sein. So können durch die schräge Anordnung der wenigstens einen Schaltkontaktfläche auftretende Querkräfte, die quer zur Schaltrichtung verlaufen, kompensiert werden. At least one further switching contact surface can be arranged mirror-symmetrically to the at least one switching contact surface. In other words, at least two contact surfaces, at least in a projection transversely to the switching direction, can be arranged mirror-symmetrically opposite one another with respect to a central axis of the switching contact arrangement extending essentially parallel to the switching direction. Thus, due to the oblique arrangement of the at least one switching contact surface occurring transverse forces that extend transversely to the switching direction can be compensated.
Die wenigstens eine Schaltkontaktfläche kann von der im Wesentlichen parallel zur Schaltrichtung verlaufenden Mittelachse der Schaltvorrichtung weg weisen. Somit kann die Gegenkontaktfläche in Richtung der Mittelachse weisen. Insbesondere bei einer Vielzahl von Schaltkontakt- und Gegenkontaktflächen können so auf einen Schaltkontaktträger wirkende Kräfte bzw. Biegemomente im Bereich der Mittelachse kompensiert werden. The at least one switching contact surface can point away from the central axis of the switching device extending substantially parallel to the switching direction. Thus, the mating contact surface can point in the direction of the central axis. In particular, in the case of a large number of switching contact and mating contact surfaces, forces or bending moments acting on a switching contact carrier in the region of the central axis can thus be compensated.
Die Schaltkontaktfläche kann an einem Schaltkontakt ausgeformt sein, der in Schaltrichtung von einem den Schaltkontakt tragenden Schaltkontaktträger vorspringt. Somit kann der wenigstens eine Schaltkontakt zumindest abschnittsweise als Lichtbogenfußpunktfalle fungieren, durch die der Fußpunkt eines Schaltlichtbogens fixiert wird, so dass unabhängig von der übrigen Gestaltung der Schaltkontaktanordnung ein Auswandern des Schaltlichtbogens verhindert wird. Der Schaltlichtbogen kann somit ruhiger brennen. Eine derartige Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltkontaktanordnung kann schon bei zu schaltenden Spannungen von ca. 12 V von Vorteil sein, ab denen ein Schaltlichtbogen zwischen Schaltkontakt und Gegenkontakt auftreten kann. The switching contact surface may be formed on a switching contact, which protrudes in the switching direction of a contact carrier carrying the switching contact. Thus, the at least one switching contact at least partially function as Lichtbogenfußpunktfalle, by which the base of a switching arc is fixed, so that regardless of the rest of the design of the switching contact arrangement, an emigration of the switching arc is prevented. The switching arc can burn more quietly. Such a configuration of a switching contact arrangement according to the invention can be advantageous even at voltages of about 12 V to be switched, from which a switching arc between the switching contact and the mating contact can occur.
Ein Randbereich der Schaltkontaktfläche kann eine Lichtbogenfußpunktfalle zum Fixieren eines Lichtbogenfußpunktes ausbilden. So kann der Randbereich von einer Ecke, Kante und/oder einem Vorsprung des Schaltkontaktes ausgebildet sein. So wird beispielsweise der Schaltlichtbogenfußpunkt an spitzen Strukturen stabiler fixiert als auf gekrümmten bzw. stumpfen Vorsprüngen. An edge region of the switch contact surface may form an arc base trap for fixing an arc root. Thus, the edge region of a corner, edge and / or a projection of the switching contact may be formed. Thus, for example, the switching arc root is fixed more stable on sharp structures than on curved or blunt projections.
Ein Laststrompfad kann zumindest in der Schließstellung ein Haltemagnetfeld erzeugen, das eine zumindest parallel zur Schaltrichtung verlaufende Haltekraft ausübt, die zumindest in der Schließstellung eine Schließkraft erhöht, welche die wenigstens eine Schaltkontaktfläche an die Gegenkontaktfläche drückt. Somit lassen sich Schließkräfte weiter reduzieren, indem die vom Haltemagnetfeld erzeugten Haltekraft die wenigstens eine Schaltkontaktfläche an die Gegenkontaktfläche zieht und damit die von einem Antrieb für die Schaltkontaktanordnung aufzubringenden Kräfte zur Erreichung und Aufrechterhaltung der notwendigen Schließkraft vermindert werden. At least in the closed position, a load current path can generate a holding magnetic field which exerts a holding force extending at least parallel to the switching direction, which increases a closing force, which presses the at least one switching contact surface against the mating contact surface, at least in the closed position. Thus, closing forces can be further reduced by the holding force generated by the holding magnetic field pulls the at least one switching contact surface against the mating contact surface and thus the forces to be applied by a drive for the switching contact arrangement to achieve and maintain the necessary closing force can be reduced.
Analog lässt sich das eingangs genannte Verfahren dadurch weiter verbessern, dass zumindest in der Schließstellung die wenigstens eine Schaltkontaktfläche zumindest teilweise durch ein von einem Laststrompfad erzeugtes Haltemagnetfeld an die Gegenkontaktfläche gedrückt wird. Der Laststrompfad kann Teil eines vom wenigstens einen Schaltkontakt geschlossenen Laststromkreis sein. Similarly, the method mentioned at the outset can be further improved in that, at least in the closed position, the at least one switching contact surface is pressed at least partially against the mating contact surface by a holding magnetic field generated by a load current path. The load current path may be part of a load circuit closed by the at least one switching contact.
Die obigen Ausführungen zu erfindungsgemäßen Schaltvorrichtungen begründen einzeln und in Kombination jeweils Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Schalten eines Laststromkreises bzw. zum Schließen und Zusammenhalten von Schaltkontakt und Gegenkontakt. Ein Fachmann wird also erkennen, dass bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Schalten und Zusammenhalten von Schaltkontakt und Gegenkontakt die oben genannten Vorrichtungsmerkmale einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung jeweils in Form von Verfahrensschritten zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet bzw. umformuliert werden können. The above statements on switching devices according to the invention justify, individually and in combination, respective method steps of a method according to the invention for switching a load circuit or for closing and holding together switching contact and mating contact. A person skilled in the art will therefore recognize that in a method according to the invention for switching and holding together switching contact and mating contact, the abovementioned device features of a switching device according to the invention are each in the form of method steps for executing a inventive method can be used or reformulated.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand einer Ausführungsform mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Die Ausführungsform stellt lediglich eine mögliche Ausgestaltung dar, bei der einzelne Merkmale, wie oben beschrieben ist, unabhängig voneinander realisiert und weggelassen werden können. In der Beschreibung der Ausführungsform sind der Einfachheit halber gleiche Merkmale und Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In the following the invention with reference to an embodiment with reference to the accompanying drawings is explained in more detail by way of example. The embodiment represents only one possible embodiment, in which individual features, as described above, can be implemented and omitted independently of each other. In the description of the embodiment, the same features and elements are provided with the same reference numerals for the sake of simplicity.
Es zeigen: Show it:
Die Schaltkontaktanordnung
Die Gegenkontakte
Der Schaltkontaktträger
Die Antriebseinheit
Die Schaltvorrichtung
In der in
Ferner kann ein Laststrompfad
Zwischen der Schaltkontaktanordnung
In Schaltrichtung S von der Schaltvorrichtung
Innerhalb des Erfindungsgedankens sind Abweichungen von der oben beschriebenen Ausführungsform möglich. So kann eine Schaltvorrichtung mit einer beliebigen Anzahl von Schaltkontaktanordnungen
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Schaltvorrichtung switching device
- 2 2
- Schaltkontaktanordnung Switching contact arrangement
- 3 3
- Gegenkontaktanordnung Against contact arrangement
- 4 4
- Schaltkontaktträger Switching contact carrier
- 5 5
- Antriebseinheit drive unit
- 6 6
- Schaltlichtbogen Switching arc
- 20a 20a
- erster Schaltkontakt first switching contact
- 20b 20b
- weiterer Schaltkontakt another switching contact
- 21a 21a
- erste Schaltkontaktfläche first switching contact surface
- 21b 21b
- weitere Schaltkontaktfläche further switching contact surface
- 22a 22a
- schaltkontaktseitige erste Lichtbogenfußpunktfalle switch contact side first arc base trap
- 22b 22b
- schaltkontaktseitige weitere Lichtbogenfußpunktfalle Switch contact-side further arc base trap
- 30a 30a
- erster Gegenkontakt first counter contact
- 30b 30b
- weiterer Gegenkontakt another counter contact
- 31a 31a
- erste Gegenkontaktfläche first mating contact surface
- 31b 31b
- weitere Gegenkontaktfläche further counter contact surface
- 32a 32a
- erster Gegenkontaktträger first mating contact carrier
- 32b 32b
- weiterer Gegenkontaktträger another mating contact carrier
- 33a 33a
- erster Halteabschnitt first holding section
- 33b 33b
- weiterer Halteabschnitt another holding section
- 35a 35a
- gegenkontaktseitige erste Lichtbogenfußpunktfalle contact-side first arc base trap
- 35b 35b
- gegenkontaktseitige weitere Lichtbogenfußpunktfalle against contact side further arc base trap
- 40a 40a
- erster Brückenabschnitt first bridge section
- 40b 40b
- weiterer Brückenabschnitt further bridge section
- 41a 41a
- erster Schaltkontaktbefestigungsabschnitt first switch contact attachment portion
- 41b 41b
- weiterer Schaltkontaktbefestigungsabschnitt another switching contact attachment section
- 42 42
- Schaft shaft
- 43a 43a
- erster Gegenkontaktbefestigungsabschnitt first mating contact attachment portion
- 43b 43b
- weiterer Gegenkontaktbefestigungsabschnitt another mating contact attachment section
- 60b 60b
- Schaltlichtbogen Switching arc
- 61b 61b
- unterer Lichtbogenfußpunkt lower arc base
- 62b 62b
- oberer Lichtbogenfußpunkt upper arc base
- 63b 63b
- Lichtbogenabschnitt Arc section
- 100 100
- Laststrompfad Load current path
- 101 101
- Haltemagnetfeld holding magnetic field
- 101a, 101b 101a, 101b
- Magnetfeldlinien magnetic field lines
- C C
- Schließstellung closed position
- F101a F 101a
- obere magnetische Zuhaltekräfte upper magnetic clamping forces
- F101b F 101b
- untere magnetische Zuhaltekräfte lower magnetic clamping forces
- FB F B
- Brückenkraft bridge power
- FR,a, FR,b F R, a , F R, b
- repulsive Kraft repulsive force
- FS F S
- Schließkraft closing force
- FS,a F S, a
- erste Schließkraft first closing force
- FS,b F S, b
- weitere Schließkraft further closing force
- I I
- Gesamtstrom total current
- Ia Ia
- erster Strom first stream
- Ib ib
- weiterer Strom another stream
- M M
- Mittelachse central axis
- O O
- Offenstellung open position
- S S
- Schaltrichtung switching direction
- X X
- Seitrichtung Seitrichtung
- Y Y
- Höhenrichtung height direction
- α α
- Kontaktwinkel contact angle
- β β
- Knickwinkel bending angle
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R207 | Utility model specification |
Effective date: 20140123 |
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R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: TE CONNECTIVITY GERMANY GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: TYCO ELECTRONICS AMP GMBH, 64625 BENSHEIM, DE |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: GRUENECKER PATENT- UND RECHTSANWAELTE PARTG MB, DE |
|
R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years | ||
R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years | ||
R071 | Expiry of right |