-
Die Erfindung betrifft eine Kontaktanordnung für elektrische Schaltgeräte größerer Leistung mit zumindest zwei parallelen Kontaktstückpaaren. Zur Verbesserung der Kontakteigenschaften und der Lebensdauer bezüglich Abbrand werden in elektrischen Schaltgeräten höherer Schaltleistung oftmals die Ströme eines Strompfades auf zwei oder mehr parallele Kontaktstellen aufgeteilt. Hierzu tragen die beweglichen Kontaktstückträger je nach Ausführung einendig oder beidendig zwei oder auch mehr zumeist kreisrunde Kontaktstücke nebeneinander, die mit ihren zugeordneten zumeist kreisrunden Gegenkontaktstücken zusammenarbeiten. Entsprechend sind die beweglichen Kontaktstückträger stromabgangsseitig schwenkgelagert, selbstfedernd fest eingespannt oder sie sind als Brückenkontaktstückträger ausgebildet, auf deren Enden beidseitig parallele Kontaktstücke sitzen, welche mit entsprechenden Gegenkontaktstücken paarweise korrespondieren. Außerdem können die beweglichen Kontaktstückträger in sich längsgeschlitzt oder konstruktiv, aber nicht elektrisch, getrennt sein, wobei dann jeder Teilkontaktstückträger mindestens ein Kontaktstück trägt. Die korrespondierenden Gegenkontaktstücke für die Kontaktstückpaarungen sind zumeist auf fest eingebauten Kontaktstückträgern angeordnet. Die aufeinander treffenden Kontaktflächen der Kontaktstücke eines Kontaktstückpaares für Schaltgeräte größerer Leistung sind vorzugsweise in einer Kombination aus plan/konvex, konvex/konvex und seltener konvex/konkav anzutreffen. Die Kontaktstücke können durchgängig aus edlem Kontaktmaterial sein oder aus einem weniger edlem Trägermaterial und einem aufplattierten edlen Kontaktmaterial gefertigt sein. Sie werden auf die Kontaktstückträger aufgenietet oder aufgelötet. Alle, jedoch nicht abschließend genannte Konfigurationen, werden von der Erfindung erfasst.
-
Eine bekannte Kontaktanordnung mit zwei parallelen Kontaktstückpaaren offenbart die
EP 1 575 075 A2 , welche zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der Kontaktgabe bei elektromagnetischen Relais eine einteilige, einseitig eingespannte Kontaktfeder aufweist, die am biegsamen freien Ende zwei parallele Kontaktstücke trägt, wobei in einer Alternative zwei korrespondierende Gegenkontaktstücke auf einem Festkontaktstückträger angeordnet sind. Durch Schrägstellen der Kontaktfeder oder des Festkontaktträgers werden ein prellarmes Schließen sowie eine Funktionsweise mit Vor- und Hauptkontakt erreicht. Da der zuerst schließende und zuletzt öffnende Vorkontakt einen Lastkontakt bildet und rascher verschleißt, ist er größer dimensioniert als der andere, dafür aber aus weniger edlem Kontaktmaterial.
-
Aus der
DE 1 175 807 B ist ausgehend von der Erkenntnis, dass bei einem Zwillingskontakt ein Kontaktpaar immer unbeschädigt bleibt, auch wenn das andere Kontaktpaar im Laufe der Zeit durch das Schalten unter Volllast in Mitleidenschaft gezogen wird, eine elektrische Zwillingskontaktanordnung aus ungleichen Werkstoffen mit ebenfalls zeitlich nacheinander schaltenden beweglichen Kontaktstücken bekannt. Die beiden balligen Kontaktstücke sind auf je einem Schenkel der am ausbiegbaren Ende gabelförmig geschlitzten Zunge angeordnet, während die ungleich hohen planen Festkontaktstücke auf einem gemeinsamen Festkontaktstückträger befestigt sind.
-
Nach der
DE 199 39 966 C1 soll ein fertigungsbedingter Höhenversatz der Kontaktstückteile einer Kontaktfeder für elektrische Wippschalter mittels einer großbemessenen definierten Torsionsbewegung um die Längsachse der Kontaktfeder ausgeglichen werden.
-
Eine Kontaktanordnung für Starkstromrelais mit zwei konstruktiv und elektrisch parallelen, einseitig eingespannten Kontaktfedern, die jeweils endseitig ein Kontaktstück tragen und auf zwei ebenfalls konstruktiv und elektrisch verbundene parallele Festkontaktstücke arbeiten, ist beispielsweise aus der
DE 102 49 697 B3 ersichtlich. Ein Schaltmechanismus greift zum Zwecke der Betätigung der Kontaktfedern an den über die Kontaktstücke hinausreichenden Enden der Kontaktfedern an. Bei nicht gleichzeitig schließenden Kontakten verschwenkt die Ankerblattfeder, sobald die vorauseilende Kontaktfeder an ihrem Relaiskontakt anliegt und die nacheilende Kontaktfeder wird stärker in ihre geschlossene Position kraftbeaufschlagt. Hierdurch sollen die Kontaktkräfte möglichst gleich groß und ein Prellen reduziert werden.
-
Aus der
DE 196 01 833 B4 ist eine Kontaktanordnung zur Vermeidung von Spannungsabfällen beim Lastwechsel infolge von durch Abrissfunken verursachte Abbrandprodukte bekannt, die aus nur einem Einzelkontaktstückpaar besteht, dessen Kontaktstücke im Wesentlichen ballig bzw. kugelförmig ausgebildet sind und auf Kontaktstückträgern befestigt sind. Einer der Kontaktstückträger ist so ausgebildet, dass während des Schließvorgangs sich nicht nur sein Kontaktstück auf das andere zubewegt, sondern auch noch nach dem Aufsetzen eine geringe radiale Bewegung zur Selbstjustierung ausführt. Hierzu hat das feststehende Kontaktstück eine zum beweglichen Kontaktstück hin größere zylindrische Ausnehmung, deren Randbereich in Schließstellung der beiden Kontaktstücke eine vergrößerte Kontaktanlagefläche in Form einer Ringschulter für das bewegliche ballige Schaltstück ausbildet. Mit der Justierbewegung ist ein Reibvorgang verbunden, der die auf der Oberfläche der Kontaktstücke abgelagerte Abbrand- oder Ausfallprodukte löst und in die Ausnehmung transportieren soll, um auf der Schaltstückoberfläche abgelagerte Verschmutzungen gering zu halten.
-
Um ein Verschweißen von Kontaktstücken zu verringern ermöglicht nach der
DE 1 804 373 U während der Fertigung eine Kalotte in einem Partner eines Einzelkontaktstückpaares für einen Nockenschalter das passgenaue Einschwimmen des zweiten Kontaktstücks des Kontaktpaares unter Ausnutzung eines Spiels. In dieser Stellung kann dann die Befestigung eines oder beider Kontaktstückpartner durch Nieten, Schweißen oder dergleichen erfolgen.
-
Die
DE 1 062 843 B begegnet einer Krater- oder Hockerbildung auf den Kontaktgabeflächen eines Einzelkontaktpaares, indem rückwärtig eine oder mehrere Aussparungen, die nicht bis zur kontaktgebenden Oberfläche reichen, in das Kontaktmaterial zwecks dessen Kühlung eingebracht werden.
-
In der
DE 35 28 890 A1 ist ein sinter- oder stranggepresstes Kontaktstück eines Einzelkontaktpaares für Schaltgeräte mit einer Bohrung beschrieben, die als Depot aus metallorganischen Verbindungen oder Schwermetallen dient.
-
Gemäß der
DE 18 03 662 C sind die Kontaktflächen für insbesondere Tastschalter derart ausgebildet, dass die Kontaktberührung an drei Punkten erfolgt und dabei die Mittelachse des einen, pendelnd gelagerten Kontaktstiftes bezüglich der Mittelachse des anderen Kontaktstiftes selbsttätig zentriert wird.
-
Die
DE 37 14 83 A beschreibt einleitend die Schwierigkeiten beim passgenauen Einstellen von planen Kontakten eines Kontaktpaares zueinander. Die Hauptschwierigkeit wurde darin gesehen, dass zur endgültigen Fertigstellen ein Einbrennen notwendig sei, indem das Kontaktpaar unter Überwachung so lange zu betätigen ist, bis die Kontaktflächen sich aufeinander gehämmert oder durch Zerstäubung infolge Funkenbildung aufeinander eingepasst hatten.
-
Die bekannten Kontaktanordnungen für elektrische Schaltgeräte mit zumindest zwei parallelen Kontaktstückpaaren neigen dazu, dass die Kontaktstücke ungleichmäßig verschleißen. Der beim Schaltvorgang entstehende Lichtbogen wird immer vorzugsweise eines der Kontaktstückpaare verbrennen, da durch geometrische Toleranzen ein Kontaktstückpaar immer später als das andere öffnet und so den Lichtbogen zieht. Oft führen auch konstruktiv bedingte Asymmetrien in der Stromführung zu elektromagnetischen Feldern derart, dass diese den Lichtbogen auf ein bevorzugtes Kontaktstückpaar drängen. Infolge des ungleichmäßigen Verschleißes der Kontaktpaare zueinander ergeben sich verschiedene Nachteile. So muss der notwendige Anteil an Kontaktstückwerkstoff, in der Regel Silber- oder Goldlegierungen, höher gewählt werden, um bis zum Lebensdauerende des Schaltgerätes ein sicheres Schaltverhalten zu gewährleisten. Da weiterhin der Lichtbogen immer dasselbe Kontaktstückpaar trifft und dieses von Ablagerungen freibrennt, sammeln sich auf dem anderen Kontaktstückpaar vermehrt Ablagerungen aus dem Abbrand des verschleißenden Kontaktstückpaares. Dadurch steigt am nicht verschleißenden Kontaktstückpaar der Kontaktwiderstand und kann bis zum Ausfall dieser Kontaktstelle führen. Somit kann der Gesamtwiderstand des Schaltgerätes bis über das Doppelte des angestrebten Widerstandswertes steigen. Andererseits erfordern Anordnungen, welche eine möglichst gleichmäßige Abnutzung der Kontaktstückpaare gewährleisten, einen sehr hohen konstruktiven und vor allem fertigungstechnischen Aufwand, was mit hohen Kosten einhergeht.
-
Es ist daher, ausgehend vom bekannten Stand der Technik, Aufgabe der Erfindung, für Kontaktanordnungen mit zumindest zwei parallel angeordneten Kontaktstückpaarungen in Schaltgeräten eine höhenausgleichende, selbstjustierende Kontaktstückgeometrie zu schaffen.
-
Wenn Kontaktstückpaarungen vorzugsweise so gestaltet sind, dass ein Kontaktstück flach und das andere leicht ballig oder beide Kontaktstücke leicht ballig sind, ergeben sich definierte Kontaktpunkte, und mögliche Verschiebungen der Kontaktstücke zueinander können gut toleriert werden. Eine weitere Eigenschaft ist, dass sich durch die Kombination aus der hohen Flächenpressung einer Kontaktpaarung flach/ballig oder ballig/ballig in Kombination mit einer thermischen Beeinflussung der Kontaktmaterialien durch den Schaltlichtbogen eine leichte Deformation der Kontaktstückpartner ergibt.
-
Diese Deformation führt zu einer Reduzierung der Höhe des vorrangig schaltenden Kontaktstückpaares, so dass auch ein weiteres paralleles Kontaktstückpaar in Eingriff kommen kann. Die Anordnung kann geometrische Toleranzen von <0,1 mm ausgleichen und hat so bereits in einem gewissen Grade selbstjustierende Eigenschaften. Diese Eigenschaften können im Interesse eines gleichmäßigen Verschleißes zweier oder mehrerer paralleler Kontaktstückpaare gefördert werden, ohne dass die Kontaktstücke durch verstärkten Abtrag der Kontaktwerkstoffe vorschnell verschleißen, indem eine oder mehrere zentrale Ausnehmungen in ein oder beide Kontaktstücke jedes Kontaktstückpaares eingebracht werden. Hierdurch wird bei Schaltvorgängen das relativ weiche Material des zuerst kontaktgebenden und mit der Ausnehmung oder den Ausnehmungen versehenen Kontaktstück eines Kontaktstückpaares in Richtung der Ausnehmung(en) verdrängt und es erfolgt ein höhenmäßiges Absenken der eigentlichen Kontaktfläche so lange, bis auch das zweite Kontaktstückpaar schließt oder im Falle weiterer paralleler Kontaktstückpaare diese schließen. Sind alle Kontaktstückpaare in Eingriff, das heißt, die zwei oder mehr Kontaktstückpaare ziehen statistisch gesehen die gleiche Anzahl von Lichtbögen, verlangsamt sich dieser Effekt und die Kontaktstückpaare arbeiten parallel gleichschaltend.
-
Gemäß weiteren Ausprägungen der Erfindung führen eine oder mehrere zentrale Erhebungen auf der Kontaktoberfläche eines Kontaktstückes eines Kontaktstückpaares oder eine Kombination von parallelen Kontaktpaarungen mit Ausnehmungen und Erhebungen zum gleichen Effekt.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den begleitenden Ansprüchen angegeben.
-
Mit der Erfindung kann der Anteil des für die Kontaktstücke verwendeten Kontaktwerkstoffs, also insbesondere Edelmetalllegierungen, verringert werden, da nicht jedes der parallelen Kontaktstückpaare genauso groß ausgelegt werden muss wie ein einzig schaltendes Kontaktstückpaar. Weiterhin können die Genauigkeitsanforderungen bei der Fertigung und Montage von Schaltgeräten reduziert werden. Letztlich ergibt sich während des Betriebes eines Schaltgerätes ein niedrigerer und stabilerer Kontaktwiderstand.
-
Die Erfindung soll anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
-
1 zwei parallele Kontaktstückpaare nach dem Stand der Technik in einer Schnittdarstellung,
-
2a ein erstes erfindungsgemäßes Kontaktstück im Neuzustand in einer Teilschnittdarstellung,
-
2b das Kontaktstück nach 2a nach häufigem Schalten unter Last in einer Teilschnittdarstellung,
-
3 zwei erfindungsgemäße parallele Kontaktstückpaare nach häufigem Schalten unter Last in einer Schnittdarstellung und
-
4 ein Kontaktstück gemäß einer zweiten Ausprägung der Erfindung im Neuzustand in 3-D-Ansicht.
-
1 zeigt zwei parallel schaltende Kontaktstückepaarungen nach dem Stand der Technik in einer Schnittdarstellung. Auf einen unteren Festkontaktstückträger 1 sind zwei gleichartige kreisrunde Kontaktstücke 2 mit einer im Wesentlichen flachen kontaktgebenden Oberfläche genietet. Beide Kontaktstücke 2 sind über den Festkontaktstückträger 1 elektrisch und mechanisch parallel miteinander verbunden. Oberhalb der Festkontaktanordnung befindet sich eine bewegliche Kontaktanordnung. Sie besteht aus einem gegen Federkraft auslenkbaren beweglichen Kontaktstückträger 3, im Beispiel eine einseitig eingespannte mehrlagige Feder, auf die am freien auslenkbaren Ende zwei gleichartige kreisrunde Kontaktstücke 4 mit leicht balliger Kontaktstückoberfläche so aufgenietet sind, dass sie paarweise den Festkontaktstücken 2 gegenüber stehen. Auch die beiden beweglichen Kontaktstücke 4 sind somit mechanisch und elektrisch miteinander verbunden. In der Figur kontaktieren jeweils die beiden parallelen Kontaktstückpaare 2, 4. Den notwendigen Kontaktdruck stellt ein Schaltmechanismus eines nicht näher dargestellten Schaltgerätes über einen Auslenkmechanismus 5 her, der den Schließ- und Öffnungszustand der Kontaktstücke 2, 4 besorgt. Über die beiden Kontaktstückpaare 2, 4 teilt sich ein zu schaltender Strom von beispielsweise 100 A ~ auf. Bei einem entsprechend hohen Kontaktdruck verformen sich die Kontaktpaare 2, 4 im Zusammenwirken mit den Schaltlichtbögen in ihrer Höhe gering, so dass sich nach einer gewissen Zeit sehr kleine Fertigungstoleranzen im Bereich <0,1 mm bereits selbstjustierend ausgleichen und gleiche Schaltzeitpunkte sowie eine gleichmäßige Stromaufteilung des Schaltstroms auf die Kontaktstückpaare 2, 4 erreicht werden. Größere Höhentoleranzen zwischen den Schaltstückpaaren werden allerdings nicht ausgeglichen.
-
In 2a ist eine erste erfindungsgemäße Maßnahme dargestellt, die vorgenannten Effekt deutlich zu verstärken hilft. Das Festschaltstück 2 gemäß 1 ist hierzu an seiner kontaktgebenden Oberfläche mit einer zentralen Ausnehmung 6 versehen. Die Ausnehmung 6 ist in der Darstellung trichterförmig ausgeführt, sie kann aber zum Beispiel auch die Gestalt einer Sacklochbohrung oder Durchgangsbohrung aufweisen. Der größte Durchmesser der trichterförmigen Ausnehmung 6 beträgt nur wenige Prozent der kontaktgebenden Oberfläche und damit etwa 1/5 des kontaktgebenden Durchmessers des Kontaktnietes 2, so dass noch ausreichend Kontaktierungsfläche und Abbrennmaterial verbleibt. Im Beispiel durchstößt die Ausnehmung 6 nicht das Kontaktmaterial.
-
2b zeigt eine Darstellung des Festkontaktstückes gemäß 2a nach einer größeren Anzahl von Schaltspielen unter Last. Das relativ weiche Kontaktmaterial, beispielsweise eine auf den Kontaktniet 2 aufplattierte Silberlegierung, ist während des Schaltbetriebs in Richtung der trichterförmigen Ausnehmung 6 verdrängt worden, wodurch insgesamt eine geringe Absenkung der kontaktgebenden Oberfläche erfolgt. In die flache kontaktgebende Oberfläche des Festkontaktstückes 2 hämmert die ballige Oberfläche des beweglichen Kontaktstückes 4 eine kleine Senke, das verdrängte Material schnürt die trichterförmige Ausnehmung 6 ein. Dieser Verformungsvorgang verlangsamt sich, sobald sich die Höhen der Kontaktstücke 2, 4 der parallelen Kontaktstückpaare zueinander angeglichen haben.
-
3 zeigt den Zustand unmittelbar nach einem Toleranzausgleich. Die beiden Kontaktstückpaare 2, 4 schalten exakt gleichzeitig, ziehen somit etwa gleichgroße Lichtbögen und verschleißen über die Lebensdauer des Schaltgerätes entsprechend synchron. Bevor sich ein solcher Zustand einstellt, kommt es an demjenigen Kontaktstückpaar 2, 4, welches später kontaktiert, das ist das rechte Kontaktstückpaar in 3, infolge einer kräftigen Lichtbogenbildung zu den üblichen Verrußungen nach dem Stand der Technik. Mit dem höhenmäßigen Ausgleich infolge der thermomechanischen Kontaktmaterialverdrängung am erstkontaktierenden Kontaktstückpaar 2, 4, also das linke in 3, werden Ruß und sonstige Ablagerungen am zunächst zweitkontaktierenden Kontaktstückpaar verbrannt und beide Kontaktstückpaare 2, 4 weisen blanke Kontaktierungsflächen auf. Somit können die Kontaktstücke 2, 4 parallel schaltender Kontaktstückpaare 2, 4 kleiner dimensioniert werden als ohne die Erfindung. Sind die Kontaktstücke 2, 4 nicht in sich homogen, sondern tragen auf einer elektrisch leitenden Trägerschicht eine aufgewalzte Kontaktierungsschicht aus einem edleren Metall, so wird diese Kontaktierungsschicht jedenfalls während des Schaltbetriebes im Zuge der Höhenangleichung der Kontaktstückpaare 2, 4 zueinander nicht durchbrochen. Haben beide Kontaktstücke 2, 4 einer Kontaktstückpaarung eine leicht ballige kontaktgebende Oberfläche, so sind auch Ausgestaltungen derart möglich, dass beide Kontaktstücke 2, 4 eine zentrale Ausnehmung 6 besitzen.
-
Anstelle einer zentralen Ausnehmung 6 können auch mehrere kleinere um das Zentrum der Kontaktoberfläche positionierte Ausnehmungen in das oder die Kontaktstücke 2, 4 eingebracht werden. Eine solche Variante ist figürlich nicht dargestellt.
-
In 4 ist eine zweite erfindungsgemäße Ausprägung eines Festkontaktstückes 2 dargestellt. Im Zentrum des Festkontaktstückes 2 ist eine kleine lokale Erhebung 7 vorgesehen, die von einem balligen Gegenkontaktstück 4 einer der Kontaktpaarungen 2, 4 bei mangelhafter Justierung beim Schalten solange zuerst kontaktiert und mechanisch deformiert wird, bis ein selbstjustierender Höhenausgleich paralleler Kontaktstückpaare 2, 4 untereinander stattgefunden hat. Danach schalten parallele beide Kontaktstückpaarungen 2, 4 synchron. Vorteilhaft ist die kontaktgebende Oberfläche der kreisrunden Festkontaktstücke 2 geometrisch so geformt, dass die zentrale Erhebung 7 aus einer flachen Senke aufsteigt, ihr Durchmesser beträgt etwa 1/5 des Gesamtdurchmessers der kontaktgebenden Oberfläche des Kontaktstücks. So fließt beim Einhämmern durch die kreisrunden beweglichen Gegenkontaktstücke 4 Kontaktmaterial in die Senke und nach dem Höhenausgleich steht eine ausreichende kontaktgebende Oberfläche als Abbrandreserve zur Verfügung.
-
Anstelle einer zentralen Erhebung 7 können auch mehrere kleine Erhebungen um die kontaktgebenden Zentren der Festkontaktstücke 2 vorgesehen sein. Auch hier können beide Kontaktstückpartner eines Kontaktstückpaares 2, 4 eine oder mehrere zentrale Erhebungen 7 tragen. Diese Varianten sind figürlich nicht dargestellt.
-
Die Erfindung eignet sich insbesondere für die Fertigung und den Betrieb von Schaltrelais, Schaltschützen, Leistungsschaltern und anderen elektromagnetisch betätigten Schaltgeräten größerer Leistung. Mit der Erfindung sind fertigungsbedingte Höhentoleranzen parallel schaltender Kontaktstückpartner bis zu +–0,5 mm ausgleichbar.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Festkontaktträger
- 2
- Kontaktstück
- 3
- Kontaktstückträger
- 4
- Kontaktstück
- 5
- Auslenkmechanismus
- 6
- Ausnehmung
- 7
- Erhebung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 1575075 A2 [0002]
- DE 1175807 B [0003]
- DE 19939966 C1 [0004]
- DE 10249697 B3 [0005]
- DE 19601833 B4 [0006]
- DE 1804373 U [0007]
- DE 1062843 B [0008]
- DE 3528890 A1 [0009]
- DE 1803662 C [0010]
- DE 371483 A [0011]
