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Das
technische Gebiet der Erfindung ist dasjenige der elektrischen Schaltschütze, insbesondere derjenigen,
die in den Elektromotoren verwendet werden, die Batterien aufweisen
und dazu dienen, Kraftfahrzeuge oder Raumfahrzeuge wie Satelliten anzutreiben.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich spezieller auf einen elektrischen
Schaltschütz
mit pyrotechnischem Betrieb, der es im Fall einer Anomalie erlaubt,
den Stromkreis vor dem defekten Batterieelement zu öffnen und
einen Abzweigkreis zu schließen,
um das defekte Batterieelement zu isolieren und gleichzeitig die
Kontinuität
des Stromkreises zu gewährleisten.
Diese Art von Schaltschütz
wird eingesetzt, um zu verhindern, dass ein Elektromotor im Fall
eines mangelhaften Betriebs eines seiner Batterieelemente systematisch
ausfällt.
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Mehrere
Arten von elektrischen Schaltschützen
mit pyrotechnischem Betrieb waren bereits Gegenstand von Patenten.
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Eine
erste Art von Schaltschütz
ist im amerikanischen Patent
US
3 885 223 beschrieben. Es handelt sich um einen elektrischen
Schaltschütz
mit pyrotechnischem Betrieb, der in einer seiner Kammern mit einem
Rohr mit abgeflachtem Querschnitt versehen ist. Wenn dieser Schaltschütz noch
nicht funktioniert hat, schließt
er einen Stromkreis über
die Außenfläche der
Hülle des
Rohrs in Höhe
der beiden am weitesten vom geschlossenen abgeflachten Querschnitt
entfernten Punkte. In den Betriebsphase dringen die Verbrennungsgase
in das Rohr ein und erzeugen einen solchen Druck, dass das Rohr
sich verformt und einen kreisförmigen
Querschnitt annimmt.
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In
der Richtung, in der das Rohr sich radial zusammengezogen hat, wurden
so die ursprünglichen
elektrischen Kontakte unterbrochen, und im Gegenzug wurden in der
Richtung, in der es sich radial ausgeweitet hat, zwei neue, diametral
entgegengesetzte elektrische Kontakte aufgebaut.
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Der
in dem europäischen
Patent
EP 0 665 566 beschriebene
elektrische Schaltschütz
arbeitet ebenfalls pyrotechnisch. Er verwendet einen Gasgenerator,
dessen Funktion es ist, ein mit einem anderen leitenden Bauteil
in Kontakt stehendes leitendes Bauteil zu verschieben, um sie zu
trennen und den elektrischen Strom zu unterbrechen.
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Die
elektrischen Schaltschütze,
die zum Anwendungsgebiet der mit Batterien versehenen Elektromotoren
gehören
können
und die doppelte Funktion haben, einen Stromkreis zu öffnen und
praktisch gleichzeitig einen anderen zu schließen, müssen zwei vom Fachmann erwünschte Eigenschaften
haben: sie müssen
einerseits in einer extrem kurzen Zeit reagieren, und andererseits
nicht streuen, d.h., dass der Widerstand des aktiven Kreises, und
insbesondere der Widerstand der Kontakte, auf ein Minimum reduziert
sein muss, um so weit wie möglich
die Streuung der Energie durch Joule-Effekt zu vermeiden, während der
Widerstand des inaktivierten Kreises unendlich ist.
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Der
erfindungsgemäße Schaltschütz erfüllt diese
doppelte Forderung. Die Druckschrift
DE
197 12 387 zeigt eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Der
Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft einen elektrischen
Schaltschütz
gemäß Anspruch
1.
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Vorteilhafterweise
ist der Hohlkörper
ein längliches
Rohr. Vorzugsweise befinden sich die elektrischen Kontaktpunkte
in der Seitenwand des hinteren Bereichs des Rohrs.
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Vorteilhaiterweise
bestehen die elektrischen Kontaktpunkte aus leitenden Kontaktplättchen.
Vorzugsweise sind die drei Kontaktplättchen ortsfest, fluchtend
zueinander ausgerichtet und gleichmäßig beabstandet, und der Kolben
erfährt
eine Translationsbewegung im hinteren Bereich, wenn er dem Druck
der Verbrennungsgase ausgesetzt ist, die von der pyrotechnischen
Zündvorrichtung
stammen.
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Vorteilhafterweise
besteht der leitende Bereich des Kolbens aus einer Platte, die während ihrer Verschiebung
konstant mit mindestens zwei Kontaktplättchen in Kontakt bleibt, und
die in einem gegebenen Zeitpunkt der Verschiebung momentan mit den drei
Kontaktplättchen
verbunden ist.
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So
erfolgt die Öffnung
des ersten Stromkreises, wenn der elektrische Strom bereits im zweiten Stromkreis
fließt,
was es ermöglicht,
während
einer kurzen Zeit die gleichzeitige Öffnung der beiden Stromkreise
zu vermeiden.
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Eine
momentane Unterbrechung des elektrische Stroms könnte nämlich unerwünschte Störphänomene hervorrufen, zum Beispiel
eine unzeitige Nullrücksetzung
der gespeisten funktionellen Organe.
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Vorzugsweise
weist der hintere Bereich des Rohrs ein kegelförmiges freies Ende auf, das
es dem durch die Verbrennungsgase in Bewegung versetzten Kolben
ermöglicht,
seinen Hub durch Reibung in dem kegelförmigen Ende zu beenden. Auf
diese Weise bleibt der Kolben in dieser Stellung erstarrt, ohne die
Gefahr der Rückkehr
in den hinteren Bereich.
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Vorteilhafterweise
ist die pyrotechnische Zündvorrichtung
in den vorderen Teil des längliche Rohrs
geschraubt.
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Vorzugsweise
ist jedes leitende Kontaktplättchen
in eine isolierende Struktur eingefügt, die in die Wand des hinteren
Bereichs des Rohrs eingesetzt ist.
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Vorzugsweise
ist jedes leitende Kontaktplättchen
in eine isolierende Hohlschraube eingeführt, die in die Wand des hinteren
Teils des länglichen
Rohrs geschraubt ist.
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Vorteilhafterweise
bestehen jedes leitende Kontaktplättchen sowie die Platte aus
einem Material auf der Basis von Kupfer.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung besteht der Hohlkörper
aus einer Leichtlegierung auf der Basis von Aluminium.
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Vorzugweise
ist die pyrotechnische Zündvorrichtung
ausgehend von einem Heißdrahtzünder von der
Art aufgebaut, wie sie in der Serienherstellung von Kraftfahrzeugen
verwendet werden. Vorteilhafterweise besteht die pyrotechnische
Ladung des Zünders
aus einer sauerstoffreduzierenden Zusammensetzung.
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Der
erfindungsgemäße Schaltschütz hat den Vorteil,
leicht und von einfacher Gestaltung zu sein und wenig Platz zu erfordern.
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Die
beim Betrieb des Mechanismus des Schaltschütz verwendeten Bauteile sind
mäßigen Reibungskräften ausgesetzt.
Daher erfordert ihre Verschiebung nur einer geringe Menge an pyrotechnischem
Stoff in Höhe
des Zünders,
und ihre mechanische Festigkeit kann durch eine Herstellung aus leichtem
Material gewährleistet
werden.
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Wenn
er in der Schaltphase ist, gewährleistet der
Schaltschütz
außerdem
permanent das Fließen des
elektrischen Stroms in dem einen oder dem anderen der beiden Stromkreise,
wodurch eine totale und momentane Unterbrechung vermieden wird,
die unerwünschte
Störphänomene mit
unvorhersehbaren Auswirkungen auf den Stromkreis nach sich ziehen
könnten.
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Schließlich ist
ein weiterer durch die Erfindung gelieferter Vorteil der nicht streuende
Charakter des Schaltschützes,
der sich in der Abwesenheit von energetischen Streuungen durch Joule-Effekt
ausdrückt.
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Nachfolgend
wird eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Schaltschützes unter
Bezugnahme auf die 1, 2 und 3 ausführlich beschrieben.
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1 ist
ein Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Schaltschütz, der
noch nicht funktioniert hat.
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2 ist
ein Querschnitt gemäß der Ebene II-II
eines erfindungsgemäßen Schaltschützes.
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3 ist
ein Längsschnitt
durch den Schaltschütz
der 1, der die Umschaltung durchgeführt hat.
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In 1 besteht
ein erfindungsgemäßer elektrischer
Schaltschütz 1 aus
einem Hohlkörper 2 aus
einer Leichtlegierung auf der Basis auf Aluminium, der einen im
Wesentlichen zylindrischen hinteren Bereich aufweist, der von einem
vorderen verbreiterten zylindrischen Bereich 11 verlängert wird,
wobei die beiden Bereiche sich in der gegenseitigen Verlängerung
befinden und miteinander in Verbindung stehen.
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Der
verbreiterte zylindrische Bereich 11 hat eine Gewindebohrung
und besitzt an einem seiner Enden eine kreisförmige Fläche 12 mit einer Öffnung in
ihrer Mitte. Die pyrotechnische Zündvorrichtung 3 hat
die Form einer Schraube mit einem verbreiterten Sechskantkopf 13 und
einem mit Gewinde versehenen zylindrischen Körper, und sie ist ausgehend
von einem Heißdrahtzünder aufgebaut,
wie er üblicherweise
in der Kraftfahrzeug-Serienherstellung verwendet wird, der eine
gaserzeugende pyrotechnische Ladung enthält, wie diejenigen, die zum
Beispiel aus einer sauerstoffreduzierenden Zündzusammensetzung bestehen.
Die pyrotechnische Zündvorrichtung 3 wird
geschraubt, bis der Kopf 13 gegen die kreisförmige Fläche 12 in
Anschlag kommt. Eine kreisförmige
Dichtung, die zwischen den Körper
der pyrotechnischen Zündvorrichtung 3 und
die Innenwand des vorderen Bereichs des Hohlkörpers 2 geklemmt ist,
gewährleistet
eine einwandfreie Dichtheit des vorderen Bereichs 11 gegenüber der
Umgebung.
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Der
im Wesentlichen zylindrische hintere Bereich besitzt einen flachen
vorspringenden Bereich von rechteckiger Form 14, der als
Plattform dient und drei gleiche Innengewinde aufweist, die gemäß der Achse
des Hohlkörpers 2 fluchtend
angeordnet sind und einen regelmäßigen Abstand
voneinander haben, wobei die Innengewinde den hinteren Bereich des
Hohlkörpers 2 mit
der Außenseite
des Schaltschützes 1 verbinden.
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Drei
auf ihrer zylindrischen Außenseite
mit Gewinde versehene isolierende Hohlschrauben 10, 30, 40 sind
in die Innengewinde geschraubt und dazu bestimmt, zylindrische leitende
Kontaktplättchens 5, 6, 7 aufzunehmen
und fest zu halten, die je in einem verbreiterten flachen zylindrischen
Kopf 15, 25, 35 mit einem Durchmesser
enden, der größer ist
als der Durchmesser der Bohrungen der Hohlschrauben 10, 30, 40.
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Der
hintere Bereich des Hohlkörpers 2,
der einen im Wesentlichen zylindrischen Raum begrenzt, umschließt einen
einstückigen
Kolben 4, der zwei zylindrische Endbereiche, deren Durchmesser
geringfügig
kleiner als derjenige des zylindrischen Raums ist und von denen
der der pyrotechnischen Zündvorrichtung 3 näher liegende
Bereich an seinem Umfang, und gegen die Innenwand des hinteren Bereichs
des Hohlkörpers 2 geklemmt,
zwei parallele Dichtungen 16, 17 besitzt, und
einen Zwischenbereich mit gleichmäßigem reduziertem Querschnitt
in Form eines Kreissegments aufweist, der teilweise den hinteren
Bereich besetzt und folglich einen freien Raum 18 in dem
hinteren Bereich ausspart. Der Kolben 4 ist aus Isoliermaterial.
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In
den 1 und 2 besitzt der Zwischenbereich
des Kolbens 4 in seinem zentralen Bereich eine oberflächliche
Aussparung, an deren Boden eine geradlinige Rille gemäß der Achse
des hinteren Bereichs ausgearbeitet ist, in der ein einstückiges leitendes
Bauteil gleitet. Dieses Bauteil ermöglicht es, eine leitende parallelepipedische
Platte 8 rechteckiger Form und eine leitende Basis 19 zu
unterscheiden. Die Basis 19, die ebenfalls parallelepipedisch
und von rechteckiger Form ist, besitzt eine geringere Länge als
die Platte 8 und befindet sich in der zentralen Zone der
Platte 8 auf ihrer größten Achse
lotrecht zu dieser. Anders gesagt, hat über die ganze Länge der
Basis 19 das einstückige
leitende Bauteil einen T-förmigen
Querschnitt, und zu beiden Seiten dieser Länge wird der Querschnitt des
einstückigen
Bauteils derjenige der Platte 8, die rechteckig ist.
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Das
einstückige
leitende Bauteil wird im Zwischenbereich des Kolbens 4 so
angeordnet, dass die Platte 8 die Aussparung besetzt und
die Basis 19 sich in der Rille befindet.
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Die
Höhe der
Platte 8 entspricht der Tiefe der Aussparung, wodurch eine
Kontinuität
zwischen der Oberfläche
des Zwischenbereichs des Kolbens 4 und derjenigen der Platte 8 gewährleistet
wird. Da die Höhe
der Basis 19 geringer ist als die Tiefe der Rille, während die
Breite der Platte 8 geringer ist als der Durchmesser des
hinteren Bereichs des Hohlkörpers 2,
und die Platte 8 zu beiden Seiten ihrer Länge gegen
den Zwischenbereich des Kolbens 4 in Anschlag kommt, ist
das einstückige
leitende Bauteil vom Hohlkörper 2 isoliert.
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Die
verschiedenen zum hinteren Bereich gehörenden Elemente sind so angeordnet,
dass die zylindrischen flachen Köpfe 15, 25, 35 jedes
Kontaktplättchens 5, 6, 7 aus
den Bohrungen der Hohlschrauben 10, 30, 40 in
den freien Raum 18 des hinteren Bereichs austreten und
entweder mit dem Zwischenbereich des Kolbens 4 oder mit
der leitenden Platte 8 in Kontakt kommen, die kontinuierlich
aneinander anschließen.
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Die
leitenden Kontaktplättchen 5, 6, 7 sowie die
leitende Platte sind aus geschütztem
Kupfer.
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Das
freie Ende 9 des hinteren Bereichs hat eine kegelige konvergierende
Form, was sich durch eine progressive Verringerung des Durchmessers
in Richtung des Ausgangs des hinteren Bereichs äußert.
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Die
beiden Enden des Kolbens 4 weisen je eine ebene kreisförmige Fläche auf,
und die Länge des
Kolbens 4 ist geringer als diejenige des hinteren Bereichs.
Er ist von der pyrotechnischen Zündvorrichtung 3 durch
einen freien Raum 20 getrennt, der als Expansionsraum für die Gase
dient, wenn die Zündvorrichtung 3 ausgelöst wird.
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Das
Betriebsprinzip des erfindungsgemäßen Schaltschützes 1 folgt
den folgenden Schritten:
Ein Fühler, der außerhalb
des Schaltschützes 1 liegt, erfasst
eine anormale Spannung im Stromkreis, d.h. eine Spannung außerhalb
der Grenzen des Wertebereichs, für
den er programmiert wurde, und schickt einen elektrischen Impuls
an die pyrotechnische Zündvorrichtung 3,
wodurch ihre Zündung
bewirkt wird. Die Verbrennungsgase expandieren in dem zu diesem
Zweck vorgesehenen freien Raum 20 direkt vor dem Kolben 4,
und wenn die auf den Kolben 4 aufgrund des Gasdrucks ausgeübten Kräfte groß genug sind
und die aus der Reibung entstehenden Kräfte übersteigen, wird der Kolben 4 in
Bewegung versetzt und gleitet in den hinteren Bereich des Hohlkörpers 2.
Wenn der Kolben 4 seinen Hub noch nicht gestartet hat,
ist die leitende Platte 8 in Kontakt mit den beiden ersten
leitenden Kontaktplättchen 5, 6 in
Höhe ihrer
flachen zylindrischen Köpfe 15, 25,
wodurch der Lade/Entladekreis der Batterie geschlossen wird. Wenn
der Kolben 4 begonnen hat, sich in Translationsrichtung
in den hinteren Teil zu bewegen, kommt die leitende Platte 8 zuerst
mit dem flachen zylindrischen Kopf 35 des dritten Kontaktplättchens 7 in Kontakt,
während
die Platte 8 immer noch mit dem ersten Kontaktplättchen 5 in
Kontakt ist, dann setzt er seinen Weg fort, indem er den Kontakt
zwischen dem zweiten Kontaktplättchen 6 und
dem dritten Kontaktplättchen 7 hält, sich
aber vom ersten Kontaktplättchen 5 löst. In 3 endet
der Kolben 4 seine Verschiebung, indem er sich in das kegelige
Ende 9 des hinteren Bereichs einklemmt, ohne aus diesem
auszutreten, in einer Stellung, die der Trennung des ersten Kontaktplättchens 5 und
der Verbindung des zweiten Kontaktplättchens 6 mit dem
dritten Kontaktplättchen 7 entspricht.
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Auf
diese Weise schlägt
der erfindungsgemäße Schaltschütz 1 eine Übergangsphase
vor, in der die beiden Stromkreise vor dem Öffnen des ersten Stromkreises
momentan geschlossen sind. So liegt vor der Verbindungsphase zwischen
dem zweiten Kontaktplättchen 6 und
dem dritten Kontaktplättchen 7 keine
vorhergehende Phase der totalen und momentanen Unterbrechung des
elektrischen Stroms, um bestimmte unerwünschte Störphänomene zu vermeiden.
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In
der Betriebsphase des Schaltschützes 1 entsprechend
der Verschiebung des Kolbens 4 sind die Köpfe 15, 25, 35 der
drei leitenden Kontaktplättchen 5, 6, 7 fluchtend
ausgerichtet und permanent mit dem Zwischenbereich des Kolbens 4 in
Kontakt, entweder in Höhe
der leitenden Platte 8, oder in Höhe des Kolbens 4 selbst.
Es ist anzumerken, dass eine solche Vorrichtung in weniger als fünf Millisekunden ab
dem Zeitpunkt des Anlegens des Zünd-Nennstroms
funktioniert.