EP2526557B1

EP2526557B1 - Elektrisches kontaktelement mit einer hauptachse

Info

Publication number: EP2526557B1
Application number: EP11700629.6A
Authority: EP
Inventors: Manfred Meinherz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-01-22
Filing date: 2011-01-07
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2031-01-07
Also published as: BR112012018064A2; EP2526557A1; PL2526557T3; DE102010005945A1; KR101431354B1; WO2011089035A1; US20120295492A1; RU2012136141A; CN102714102B; US8834212B2; RU2530988C2; CN102714102A; KR20120096103A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Kontaktelement mit einer Hauptachse, welche eine mehreckige Grundfläche des Kontaktelements durchstößt und einer um die Hauptachse herum angeordnete Kontaktbuchse, deren Mündungsöffnung in einer Deckfläche mündet, die auf einer entgegengesetzt zur Grundfläche liegenden Seite des Kontaktelementes angeordnet ist.
Ein derartiges elektrisches Kontaktelement ist beispielsweise aus dem US-Patent US 5,468,164 bekannt. Das dortige Kontaktelement weist eine sechseckige Grundfläche auf. Eine Kontaktbuchse des elektrischen Kontaktelementes ist um eine Hauptachse herum angeordnet, welche die Grundfläche des Kontaktelementes durchstößt. Die Kontaktbuchse weist eine in einer Deckfläche liegende Mündungsöffnung auf, die auf einer zur Grundfläche entgegengesetzt liegenden Seite des Kontaktelementes angeordnet ist.
Im Bereich der Grundfläche weist das Kontaktelement eine prismenförmige Gestalt auf, welche die sechseckige Struktur der Grundfläche aufnimmt und ausgehend von zwischen den Ecken verlaufenden Geraden der Grundfläche eine entsprechende sechskantige Mantelfläche um die Hauptachse herum aufweist. Zur Ausbildung einer Deckfläche des elektrischen Kontaktelementes ist das Kontaktelement zweigeteilt ausgeführt, wobei ein erstes Teil ein Außengewinde und ein zweites Teil ein Innengewinde aufweist. Mittels der Gewinde sind die beiden Teile miteinander verbunden. In der Deckfläche mündet die Kontaktbuchse. In der Mantelfläche sind neben den in Richtung der Hauptachse verlaufenden Kanten auch sprungartige unstetige Querschnittsänderungen vorgesehen.
Durch eine trichterartige Erweiterung der Kontaktbuchse in Richtung der Deckfläche ist eine Kontaktierung der Kontaktbuchse des Kontaktelementes mit einem Kontaktbolzen erleichtert möglich, da der Kontaktbolzen bei einer Bewegung in Richtung der Hauptachse zentriert wird.
Zwar wird eine erleichterte Kontaktierung des elektrischen Kontaktelementes bei einer derartigen Ausgestaltung ermöglicht, jedoch ist bei höheren Spannungen aufgrund der dielektrisch ungünstigen Formgebung mit Entladungserscheinungen an der Kontaktbuchse bzw. an dem elektrischen Kontaktelement zu rechnen.
Weiterhin ist durch die radiale Ausladung der trichterartig erweiterten Kontaktbuchse der Platzbedarf für die Kontaktanordnung groß. Insbesondere bei einer gewünschten Miniaturisierung erweist sich eine derartig großbauende Kontaktanordnung als nachteilig.
Aus dem US-Patent US 1,742,246 ist ein elektrisches Kontaktelement bekannt, welches aus mehreren Segmenten zusammengesetzt ist. Das elektrische Kontaktelement weist eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Formgebung auf. Eine Kontaktbuchse ist trichterförmig erweitert ausgeführt.
Daher ist es Aufgabe der Erfindung, ein Kontaktelement derart auszugestalten, dass bei einer hohen Leistungsfähigkeit kompakte Abmessungen gegeben sind, und bei hohen Spannungsbeanspruchungen eine zuverlässige Wirkung sichergestellt ist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem elektrischen Kontaktelement der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Deckfläche sich sphärisch gewölbt über der Grundfläche aufspannt, während eine die Grundfläche und die Deckfläche verbindende Mantelfläche stetig von der mehreckigen Grundfläche in die sphärische Deckfläche übergeht.
Eine mehreckige Grundfläche kann beispielsweise drei-, vier-, fünf-, sechs- oder allgemein vieleckig sein. Die mehreckige Grundfläche sollte eben sein. Die Hauptachse sollte sich im Wesentlichen lotrecht zu der Grundfläche erstrecken. Dadurch ist eine gerade Hüllkontur des elektrischen Kontaktelementes mit im Wesentlichen lotrecht zueinander liegenden Achsen ermöglicht. Bei einer mehreckigen Grundfläche kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Ecken der Grundfläche gebrochen, insbesondere nach Art eines Kreisbogens abgerundet sind, so dass vorstehende spitze Kanten vermieden sind.
Die Deckfläche mit der sphärischen Wölbung sollte ebenfalls symmetrisch zu der Hauptachse angeordnet sein und die Grundfläche möglichst gleichartig und gleichmäßig überspannen. Die sphärische Wölbung sollte dabei um die Mündungsöffnung der Kontaktbuchse herum konvex gewölbt sein, so dass ein möglichst kontinuierlicher stetiger Übergang von der sphärischen Wölbung der Deckfläche in die die Grundfläche umschließende Mantelfläche erfolgt. Insbesondere bei einer Rundung der Ecken der Grundfläche und einer entsprechend angepassten Rundung der Kanten, die sich ausgehend von den Ecken der Grundfläche in die Mantelfläche hinein erstrecken, kann eine Hüllkontur ausgebildet werden, welche möglichst frei von Vorsprüngen und Kanten ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass in der Kontaktbuchse des elektrischen Kontaktelementes zumindest ein Kontaktierungselement angeordnet ist. Das Kontaktierungselement kann beispielsweise elastisch verformbar sein. Derartig Kontaktierungselemente können beispielsweise Kontaktfinger, ringförmig eingesetzte Kontaktfedern, Kontaktblättchen etc. sein. Die Kontaktierungselemente sind dabei vollständig im Innern des elektrischen Kontaktelementes, d.h., innerhalb der Hüllkontur angeordnet, wobei zwischen dem Kontaktelement und den in der Kontaktbuchse angeordneten bewegbaren Kontaktierungselementen eine elektrisch leitende Verbindung vorgesehen ist, so dass innerhalb des elektrischen Kontaktelementes über die elektrisch leitende Verbindung zu den bewegbaren Kontaktelementen ein dauerhafter Strompfad besteht. So kann das elektrische Kontaktelement mit seinem Grundkörper, welcher die mehreckige Grundfläche, die Deckfläche und die Mantelfläche aufweist, selbst als Teil des Strompfades dienen.
Durch eine Wahl einer mehreckigen Grundfläche ist es beispielsweise möglich, mehrere Kontaktelemente im Bereich der Grundfläche zueinander eng benachbart anzuordnen. Dadurch kann die Leistungsdichte einer über benachbarte Kontaktelemente zu übertragenden elektrischen Leistung erhöht werden. Im Gegensatz zu üblicherweise genutzten Kontaktelementen mit rotationssymmetrischer Hüllkontur können so Zwickelräume vermieden werden und zur Verfügung stehender Raum effektiver genutzt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass die Mantelfläche an ihrer der Grundfläche zugewandten Seite zumindest teilweise nach Art einer Mantelfläche eines Pyramidenstumpfes ausgestaltet ist und die sphärische Deckfläche nach Art eines Ellipsoids gerundet stetig Körperkanten brechend in die Mantelfläche des Pyramidenstumpfs übergeht.
Wird die Mantelfläche an der Grundfläche nach Art eines Pyramidenstumpfes ausgebildet, d. h., ausgehend von der Grundfläche verjüngt sich die Hüllkontur des elektrischen Kontaktstückes in Richtung der sphärischen Deckfläche, kann auch bei einer engen Anordnung mehrerer Kontaktelemente nebeneinander zwischen diesen zumindest im Übergangsbereich zu der sphärischen Deckfläche eine Umströmung durch ein Kühlmedium, beispielsweise ein gasförmiges Kühlmedium, erfolgen. Stromwärme kann von der Oberfläche des elektrischen Kontaktelementes abgestrahlt und fortgeführt werden.
Weiterhin ist eine Möglichkeit gegeben, die Grundfläche des Kontaktelementes zur elektrischen Kontaktierung des Kontaktierungselementes zu verwenden. Beispielsweise kann die Grundfläche auf eine elektrische Strombahn aufgesetzt werden, so dass eine große Fläche zur Verfügung gestellt ist, über welche ein Strom von der Strombahn in das Kontaktelement übertreten kann. Der in die Grundfläche eintretende Strom kann mittels der elektrisch leitenden Verbindung über die innerhalb der Kontaktbuchse angeordneten bewegbaren Kontaktierungselemente auf einen gegebenenfalls in die Kontaktbuchse eingefahrenen Kontaktbolzen übertragen werden. Aufgrund der im Verhältnis zu Kontaktpunkten der Kontaktierungselemente vergrößerten Oberfläche tritt an der Grundfläche eine geringere Erwärmung auf, als in der Kontaktbuchse selbst. Somit ist von der elektrischen Kontaktanordnung im Wesentlichen die Stromwärme, welche durch den Übergangswiderstand in der Kontaktbuchse hervorgerufen wird, abzuleiten.
Durch eine elipsoide Ausgestaltung der sphärischen Deckfläche wird die Mündungsöffnung vorteilhafterweise von einer ringförmig gerundeten Struktur umgeben. Vorteilhafterweise ist das Elipsoid nach Art einer Kugelkappe ausgeformt, welche in die Mantelfläche übergeht. Die Mündungsöffnung kann als kreisförmiger Durchbruch in der Kugelkappe liegen. Eine von einer idealen Kugel abweichende eslipsoide Form ermöglicht ebenfalls eine ausreichende dielektrische Schirmung der Mündungsöffnung. Eine Kugelkappe weist darüber hinaus den Vorteil auf, dass im Bereich der sphärischen Deckfläche bei einer Drehung des Kontaktelementes um die Hauptachse seine dielektrische Wirkung auf benachbarte Bauteile nicht verändert. Die mehreckige Grundfläche ist von dem dielektrisch geschirmten Bereich der Mündungsöffnung entfernt, so dass dort eine Ausgestaltung in Form eines pyramidenstumpfes vorteilhaft ist. Durch die pyramidenartig schrägen Anteile der Mantelfläche im Bereich der Grundfläche des Kontaktelementes ist ein Übergang in die sphärisch gewölbte Deckfläche in vereinfachter Form ermöglicht, da die pyramidenstumpfförmige Grundform in Richtung der Mündungsöffnung verjüngt zuläuft. Ein stetiger Übergang von der pyramidenstumpfförmigen Grundform in die sphärische Deckfläche erfolgt kontinuierlich frei von sprungartigen Oberflächenänderungen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass die Mantelfläche an ihrer der Grundfläche zugewandten Seite zumindest teilweise nach Art einer Mantelfläche eines Prismas ausgestaltet ist und die sphärische Deckfläche nach Art eines Ellypsoids gerundet stetig Körperkanten brechend in die Mantelfläche des Prismas übergeht.
Abweichend von einem sich verjüngenden Pyramidenstumpf ist bei einem Prisma über eine größere Strecke in Richtung der Deckfläche ein Querschnitt mit zunächst gleichbleibendem Umfang am Kontaktelement zur Verfügung gestellt. Damit kann bis in den Bereich der Kontaktbuchse eine ausreichende Wandstärke um die Buchse herum zur Verfügung gestellt werden, um von der Grundfläche des Kontaktelementes in Richtung der Buchse auch größere Ströme durch größere Querschnitte zu leiten.
Auch hier kann vorgesehen sein, dass die ellypsoide Deckfläche vorteilhafterweise eine Kugelkappe darstellt, innerhalb welcher eine Mündungsöffnung der Kontaktbuchse liegt.
Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der stetige Übergang in die sphärische Deckfläche unter Nutzung von Abschnitten erfolgt, die auf einer Mantelfläche eines Kreiszylinders liegen.
Um einen vergleichmäßigten Übergang zwischen der mehreckigen Grundfläche und der sphärischen ellypsoiden Deckfläche zu bewirken, kann vorgesehen sein, dass abweichend von einem unmittelbaren Übergang einer pyramidenstumpfförmigen bzw. prismenförmigen Mantelfläche in die sphärische Deckfläche zumindest ein Abschnitt einer Mantelfläche des Kontaktelementes einem Ausschnitt eines Mantels eines Kreiszylinders entspricht. Der (gedachte) Kreiszylinder sollte dabei vorzugsweise koaxial zur Hauptachse ausgerichtet sein, wobei der Durchmesser des Kreiszylinders beispielsweise einer Sehne durch einen Brennpunkt eines ellypsoiden Querschnittes der sphärischen Deckfläche entspricht. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass in einer Seite der mehreckigen Grundfläche eine Mittelsenkrechte errichtet ist, welche beispielsweise annähernd lotrecht auf der Grundfläche steht. Eine entsprechend abgerundete Körperkante ragt beispielsweise aus einem pyramidenstumpfförmigen Mantelflächenbereich, beginnend in einer Seite der Grundfläche, endend in der sphärischen Deckfläche der Mittelsenkrechten folgend, heraus. Diese zusätzlichen Körperkanten, welche auf den Mittelsenkrechten liegen, verlaufen parallel zu der Hauptachse und weisen jeweils den gleichen radialen Abstand zu der Hauptachse auf, so dass die Mittelsenkrechten und die daran ausgerichteten zusätzlichen Körperkanten in einer Mantelfläche eines Kreiszylinders liegen.
Bei einer prismenförmigen Gestaltung verlaufen die zusätzlichen Körperkanten innerhalb der Mantelfläche des Prismas. Bei einem Übergang von der prismenförmigen Mantelfläche auf die sphärische Deckfläche können Anteile einer kreiszylinderförmigen Mantelfläche, beispielsweise ein schmaler Ring oder ähnliches, zur Erzeugung eines stetigen Übergangs von der Grundfläche auf die Deckfläche Verwendung finden.
Eine weitere Ausgestaltung kann vorsehen, dass Körperkanten gerundet gebrochen sind.
Bei einer mehreckigen Ausgestaltung einer Grundfläche bilden Körperkanten in der Mantelfläche hervorstehende Ausformungen. Diese Körperkanten sollten vorteilhafterweise gerundet gebrochen sein. Dadurch ist zum einen die Verletzungsgefahr an den Kontaktelementen reduziert, zum anderen wird die dielektrische Festigkeit des Kontaktelementes positiv beeinflusst, da sich bevorzugt an vorspringenden Kanten Teilentladungen ausbilden. Ausgehend von der Grundfläche sollten die Körperkanten, die in Richtung der Deckfläche verlaufen, in Richtung der Deckfläche zunehmend stärker abgerundet/abgestumpft sein, so dass ein kontinuierlicher Übergang von einer eckigen Grundfläche in eine Deckfläche mit ellypsoidem Querschnitt gegeben ist.
Durch eine Rundung der Körperkanten ist es weiterhin möglich, einen vergleichmäßigten Übergang von der mehreckigen Grundfläche über einen pyramidenstumpfartigen Sockel bzw. einen prismaförmigen Sockel in die ellypsoide Deckfläche zu schaffen. Einzelne zwischen den Körperkanten liegende Abschnitte der Mantelfläche erinnern dabei an Rechtecke bzw. an Trapeze. Die Mantelfläche mit ihren in der Mantelfläche liegenden Körperkanten kann dabei vorteilhaft derart gebrochen sein, dass der Grad der Brechung ausgehend von der Grundfläche in Richtung der Mündungsöffnung zunimmt, so dass die Körperkanten in Richtung der sphärischen Deckflächen zunehmend aufgelöst werden und eine sphärische gewölbte Kontur die Grundfläche überspannt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass die Mantelfläche konkav gewölbt ist.
Zwischen Körperkanten in der Mantelfläche befindliche Abschnitte der Mantelfläche können konkav gewölbt sein. Eine konkave Wölbung geslattet die Oberfläche der Mantelfläche im Vergleich zu einer planen Ausführung zu vergrößern und damit die zum Abstrahlen von Stromwärme zur Verfügung stehende Oberfläche an dem Kontaktelement zu vergrößern. Damit ist es möglich, Stromwärme aus dem Innern des Kontaktstückes, insbesondere aus der Kontaktbuchse heraus über die vergrößerte Oberfläche des Kontaktelementes erleichtert abzugeben. Dabei ist die konkave Wölbung weiter geeignet, einen vereinfachten abgerundeten Übergang zu Körperkanten auszubilden und diese gerundet zu brechen. Damit entstehen bauchige Strukturen, welche weiterhin ein enges Aneinandersetzen mehrerer Kontaktelemente im Bereich der Grundfläche ermöglichen und bei einer hohen Strombelastbarkeit eine ausreichende Umströmung mit einem Kühlmedium ermöglichen. Die zwischen den Ecken der Grundfläche verlaufenden Seiten weisen ebenfalls einen konvex gebogenen Verlauf auf.
Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass in die Grundfläche Gewindebohrungen eingebracht sind, die in ihrer Anzahl der Anzahl der Ecken der Grundfläche entsprechen.
Ist die Grundfläche zur Aufnahme von Gewindebohrungen vorgesehen, ist es in einfacher Weise möglich, den durch die Mantelfläche und die sphärische Deckfläche gebildeten geschirmten Bereich innerhalb der Hüllkontur zu nutzen, um im Schutz der Schirmwirkung eine Befestigung des Kontaktelementes vorzunehmen. Insbesondere bei einer Kontaktierung des Kontaktelementes an einem Leiterzug über die Grundfläche ist es möglich, die Grundfläche mittels in die Gewindebohrungen eingeschraubten Bolzen gegen den Leiterzug zu pressen. So wird einerseits eine hohe Anpresskraft zwischen Grundfläche und dem anliegenden Leiterzug erzeugt und andererseits eine mechanische Haiterung und Positionierung des Kontaktelementes an dem Leiterzug sichergestellt. Der Leiterzug kann beispielsweise eine zur Grundfläche gegengleiche Anpreßfläche gleichen Querschnitts aufweisen. Insbesondere bei einer Anordnung des Kontaktelementes auf einer vorspringenden Anformung kann die Mantelfläche in die Anformung übergehen, so dass zwischen Anformung des Leiterzuges und dem Kontaktelement ein schmaler Fügespalt gegeben ist. Die Anformung kann die Kontur der Mantelfläche des Kontaktelementes weiterführen, so dass die dielektrische Gestalt des Kontaktelementes im Bereich der Grundfläche auch auf die Anformung übertragen wird.
Die Nutzung der Ecken des Kontaktelementes ermöglicht, dort vorhandene Wandstärken im Grundkörper auszunutzen, um auch größere Kräfte übertragen zu können. Insbesondere bei einer rotationssymmetrischen Struktur der Kontaktbuchse bilden sich in den Ecken der Hüllkontur Zwickelräume, welche der Aufnahme der Gewindebohrungen dienen können. Darüber hinaus können auch andere Befestigungsvarianten zur Befestigung des Kontaktelementes vorgesehen sein. So kann beispielsweise auch ein einzelner Zentralbolzen zur Befestigung des Kontaktelementes dienen, welcher in die Kontaktbuchse hineinragt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass die Grundfläche und die Deckfläche einstückig miteinander verbunden sind.
Eine einstückige Verbindung von Grundfläche und Deckfläche ermöglicht zum einen eine Kontaktierung des Kontaktelementes über die Grundfläche vorzunehmen, zum anderen aufgrund der Einstückigkeit das elektrische Potential der Grundfläche auch in die Deckfläche hinein zu übertragen und so der Hüllkontur des Kontaktelementes durchgehend das gleiche elektrische Potential aufzuprägen. Ein einstückiger Verbund ermöglicht weiter, beispielsweise mittels Gussverfahren oder Schmiedeverfahren eine Ausnehmung für die Kontaktbuchse in das KontaktelemenL einzubringen. Des Weiteren sind durch eine einstückige Ausbildung Übergangswiderstände innerhalb des Kontaktelementes reduziert. Ein Strompfad zwischen der Grundfläche und der Deckfläche, welcher eine Mündungsöffnung der Kontaktbuchse umgibt, ist aufgrund der Einstückigkeit mit einer geringen elektrischen Impedanz versehen. Ein elektrischer Strom kann innerhalb des Kontaktelementes relativ verlustarm weitergeleitet werden. Zur Ausbildung von Grundfläche und Deckfläche eignen sich Grundkörper aus elektrisch leitenden Materialien wie beispielsweise Aluminium, Kupfer sowie weitere Eisen- sowie Nichteisenmetallen und Legierungen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass die Grundfläche und die Deckfläche elektrisch leitend sind.
Eine elektrische Leitfähigkeit einer Oberfläche ermöglicht es, diese Oberfläche gezielt mit einem bestimmten elektrischen Potential zu beaufschlagen. Dadurch kann zu weiteren Bauteilen eine bestimmte Potentialsteuerung hervorgerufen werden. Insbesondere bei stetig gewölbten vorsprungsreduzierten Körpern kann so eine homogene Verteilung von aus der Oberfläche austretenden Feldlinien erzielt werden, so dass ein erfindungsgemäßes Kontaktelement von einem homogenen elektrischen Feld umgeben ist.
Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Kontaktbuchse sowohl in der Deckfläche als auch in der Grundfläche mündet.
Die Kontaktbuchse kann in dem Kontaktelement beispielsweise nach Art einer Sackbohrung eingebracht sein, d. h., die Kontaktbuchse ist sackartig innerhalb des Kontaktelementes angecrdnet und ist ausschließlich von ihrer Mündungsöffnung in der Deckfläche unmittelbar zugänglich und einsehbar.
Dies hat den Vorteil, dass der im Bodenbereich der sackartigen Ausgestaltung der Kontaktbuchse befindliche Bereich genutzt werden kann, um einen elektrischen Strom aus der Grundfläche allseitig um die Kontaktbuchse herum zu verteilen. Weiterhin ist bei einer entsprechenden Dimensionierung des Bodenbereiches der Kontaktbuchse die Kontaktbuchse selbst durch den Boden stabilisiert.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Kontaktbuchse das elektrische Kontaktelement vollständig durchsetzt, d. h., das Kontaktelement ist nach Art einer Hülse ausgestaltet. Eine derartige Ausgestaltung erweist sich als vorteilhaft, wenn in die Kontaktbuchse ein Kontaktbolzen eingeführt werden soll und die Eindringtiefe des Kontaktbolzens zu ermitteln ist. Bei einer möglichst zylindrischen gleichmäßigen Struktur des Kontaktbolzens ist an dessen Mantel die Tiefe des Einfahrens in die Kontaktbuchse nicht unmittelbar zu erkennen. Ist nunmehr auch die Grundfläche von der Kontaktbuchse durchsetzt, d. h., die Kontaktbuchse mündet neben ihrer Mündungsöffnung in der Deckfläche auch in der Grundfläche, kann in der Grundfläche durch Blickkontakt oder andere geeignete Mittel die Eindringtiefe eines Kontaktbolzens in die Kontaktbuchse kontrolliert werden. Weiterhin ist es möglich, dass die Kontaktbuchse des Kontaktelementes zusätzlich von einer Strömung eines Kühlmediums, beispielsweise eines Gases oder einer Flüssigkeit durchsetzt ist und eine verbesserte Kühlung möglich ist.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch in einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend näher beschrieben. Dabei zeigt die

Figur 1: ein elektrisches Kontaktelement in einer ersten Ausführungsvariante in einer Draufsicht, in einem Querschnitt längs der Achse I-I sowie in einen Querschnitt längs der Achse II-II, die
Figur 2: eine zweite Ausführungsvariante eines elektrischen Kontaktelementes in einer Draufsicht, in einem Querschnitt längs der Achse III-III und in einem Querschnitt längs der Achse IV-IV, die
Figur 3: einen Querschnitt durch ein elektrisches Kontaktelement in einer dritten Ausführungsvariante montiert auf einem Leiterzug, die
Figur 4: die prinzipielle Anordnung mehrerer elektrischer Kontaktelemente an mehreren Leiterzügen eines mehrphasigen Elektroenergieübertragungssystems und die
Figur 5: die erste Ausführungsvariante eines Kontaktelementes in einem Gittermodell.

Das elektrische Kontaktelement in seiner ersten Ausführungsvariante gemäß Figur 1 weist eine im Wesentlichen quadratische Grundfläche 1 mit vier Ecken auf. Die Ecken der Grundfläche 1 sind gerundet gebrochen, so dass eine im Wesentlichen eine Grundfläche 1 mit quadratischem Umriss gebildet ist, deren Ecken gerundet sind. Lotrecht zu der Grundfläche 1 ist eine Hauptachse 2 angeordnet. Die Hauptachse 2 durchstößt die Grundfläche 1 mittig. Koaxial zur Hauptachse 2 weist das elektrische Kontaktelement in seiner ersten Ausführungsvariante eine Kontaktbuchse 3 auf. Die Kontaktbuchse 3 durchsetzt das elektrische Kontaktelement in der ersten Ausführungsvariante längs der gesamten Hauptachse 2, so dass die Kontaktbuchse 3 eine durchgehende Ausnehmung in dem elektrischen Kontaktelement der ersten Ausgestaltungsvariante darstellt. Die Kontaktbuchse 3 mündet an seiner von der Grundfläche 1 abgewandten Seite in einer symmetrisch zur Hauptachse 2 ausgerichteten sphärischen Deckfläche 4. Die sphärische Deckfläche 4 erstreckt sich im Wesentlichen ringförmig um die Mündungsöffnung der Kontaktbuchse 3. Die sphärische Deckfläche 4 ist vorliegend ein Ausschnitt aus einem Ellypsoid, welches sich symmetrisch um die Hauptachse 2 erstreckt. Beispielsweise ist die sphärische Deckfläche 4 ein Abschnitt einer Mantelfläche einer Kugelkappe. Ausgehend von der Grundfläche 1 ist das elektrische Kontaktelement der ersten Ausgestaltungsvariante von einer Mantelfläche 5 umgeben, welche um die Hauptachse 2 umläuft und in Richtung der sphärischen Deckfläche 4 geführt ist. Vorliegend ist die Mantelfläche 5 derart gestaltet, dass die Mantelfläche 5 nach Art einer Mantelfläche eines Pyramidenstumpfes ausgehend von der Grundfläche 1 in Richtung der sphärischen Deckfläche 4 verjüngt zuläuft. Dabei sind die Kanten, welche in der Mantelfläche der Pyramide liegen, entsprechend abgerundet ausgeführt, wobei die Rundungen der gerundeten Ecken der Grundfläche 1 aufgenommen werden und in Richtung der sphärischen Deckfläche 4 fortgeführt werden. Die Abrundung der gerundeten Kanten ist dabei in Richtung der sphärischen Deckfläche 4 derartig zunehmend ausgestaltet, dass ein stetiger Übergang der Mantelfläche 5 mit den gerundeten Kanten im Bereich der Grundfläche in die kantenfreie sphärische Deckfläche 4 gebildet ist. Der Übergang von der pyramidenstumpfförmigen Mantelfläche 5 in die sphärische Deckfläche 4 ist in der Draufsicht des elektrischen Kontaktelementes der ersten Ausgestaltungsvariante durch eine Risslinie 6 symbolhaft dargestellt. Aufgrund der rotationssymmetrischen Ausgestaltung der sphärischen Deckfläche 4 und der rechteckigen Grundfläche 1 ergibt sich eine Mantelfläche nach Art eines Pyramidenstumpfes. Gemäß dem Schnitt I-I weist die Mantelfläche Komponenten auf, die parallel zur Hauptachse 2 verlaufen. Ausgehend von einem seitenhalbierenden Punkt auf einer Seite der Grundfläche 1 erstrecken sich lotrecht auf der Grundfläche stehnde Mittelsenkrechten, welche die pyramidenstumpfartige Mantelfläche überlagern. Die Mittelsenkrechten sind parallel zu der Hauptachse 2 ausgerichtet und ermöglicht ein Durchbrechen der pyramidenstumpfartigen Mantelfläche und einen stetigen Übergang in die sphärische Deckfläche. Die Mittelsenkrechten verbinden die Grundfläche und die sphärische Deckfläche 4.
Durch die Wahl einer quadratischen Grundfläche 1 ist in jeder der Seiten der Grundfläche 1 jeweils eine Mittelsenkrechte angeordnet. Die Mittelsenkrechten sind in radialer Richtung von der Hauptachse 2 gleich beabstandet. Die Mittelsenkrechten liegen in Richtung der Hauptachse 2 auf einer Kreisbahn verteilt um die Hauptachse 2.
In den Querschnitten I-I und II-II ist erkenntlich, dass sich die Kontaktbuchse 3 durch das gesamte elektrische Kontaktelement hindurch erstreckt, so dass die Kontaktbuchse 3 sowohl in der Grundfläche 1 als auch in der sphärischen Deckfläche 4 Mündungsöffnungen aufweist. Die Kontaktbuchse 3 ist mit einer in ihrer Innenwand um die Hauptachse 2 umlaufenden Nut 7 ausgestattet. In die Nut 7 ist zumindest ein Kontaktierungselement 8 eingelegt. Das Kontaktierungselement 8 ist vorliegend eine in sich geschlossene Wurmfeder, welche unter Nutzung ihrer Federkraft in die Nut 7 eingespannt ist. Das Kontaktierungselement 8 überragt in radialer Richtung nach innen die Ausnehmung der Kontaktbuchse 3. Somit ist in die Kontaktbuchse 3 beispielsweise ein Kontaktierungsbolzen einfahrbar, welche an seiner äußeren Umfangsfläche mit dem Kontaktierungselement 8 elektrisch leitend in Kontakt treten kann. Das Kontaktierungselement 8 ist dazu reversibel verformbar und ermöglicht eine elektrische Kontaktierung des elektrischen Kontaktelementes mit dem Kontaktbolzen.
Bei der ersten Ausführungsvariante gemäß Figur 1 ist die Grundfläche mit linearen Geraden begrenzt, welche in gerundeten Ecken enden.
In der Grundfläche 1 sind vier Gewindebohrungen 9a, 9b, 9c, 9d eingelassen. Mittels der Gewindebohrungen 9a, 9b, 9c, 9d kann die erste Ausgestaltungsvariante des elektrischen Kontaktelementes fixiert werden, beispielsweise kann das Kontaktelement auf einen elektrischen Leiterzug geschraubt werden, wodurch die Grundfläche 1 der elektrischen und mechanischen Kontaktierung mit dem elektrischen Leiterzug dient und zwischen der Grundfläche 1 und dem angepressten elektrischen Leiterzug eine elektrisch leitende Verbindung gebildet ist. Diese elektrisch leitende Verbindung wird durch Wandungen des elektrischen Kontaktelementes bis zu dem Kontaktierungselement 8 fortgeleitet, so dass das elektrische Potential eines tragenden elektrischen Leiterzuges bis zu dem Kontaktierungselement 8 geleitet wird.
Ausgehend von der Figur 1 zeigt die Figur 2 ein elektrisches Kontaktelement in einer zweiten Ausführungsvariante. In den folgenden Figuren 2, 3, 4 und 5 werden für die gleichwirkenden Elemente die gleichen Bezugszeichen wie aus Figur 1 bekannt genutzt. Da die zweite Ausführungsvariante des elektrischen Kontaktelementes gemäß der Figur 2 auf einer Abwandlung des aus der Figur 1 bekannten elektrischen Kontaktelementes beruht, soll im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zwischen der ersten und der zweiten Ausführungsvariante eingegangen werden. Grundsätzlich ist der Aufbau der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsvarianten eines elektrischen Kontaktelementes gleich. Die Variante nach Figur 2 variiert lediglich hinsichtlich der Gestaltung der Grundfläche 1a. Bei der zweiten Ausführungsvariante des elektrischen Kontaktelementes gemäß Figur 2 weist die Grundfläche 1a einen mehreckigen Umriss auf. Die Ecken der Grundfläche 1a sind gerundet, wie auch aus der Figur 1 bekannt. Jedoch sind die die Ecken der Grundfläche 1a verbindenden Linien konvex gekrümmt, so dass daraus folgend auch eine konkave Wölbung von Abschnitten der Mantelfläche 5 erfolg. Die Abschnitte liegen zwischen den gerundeten Körperkanten der Mantelfläche 5.
Wie bei der ersten Ausführungsvariante nach Figur 1 ist auch bei der Ausführungsvariante nach Figur 2 durch die radiale Ausdehnung der sphärischen Deckfläche 4 ein Übergang von der sphärischen Deckfläche 4 in die im Wesentlichen pyramidenstumpfförmige Mantelfläche 5 unter Nutzung eines Abschnittes einer Mantelfläche eines Kreiszylinders vorgesehen. In der Mantelfläche sind so abweichend von einem idealen Pyramidenstumpf parallel zur Hauptachse 2 verlaufende Mittelsenkrechten zu finden (vgl. Figur 2, Schnitt III-III).
Die Figur 3 zeigt einen Schnitt durch ein elektrisches Kontaktelement in einer dritten Ausführungsvariante, wobei das in der Figur 3 gezeigte Kontaktelement eine rechteckige Grundfläche 1b aufweist, die von einer Mantelfläche 5a umgeben ist. Die Mantelfläche 5a ist die Mantelfläche eines Prismas, im vorliegenden Falle eines Prismas mit gebauchter rechteckiger Grundfläche, dessen Ecken gebrochen sind und sich im Verlauf der Hauptachse 2 von der Grundfläche 1b zu der sphärischen Deckfläche 4 in ein Prisma mit kreisförmigen Querschnitt wandelt und in die Deckfläche 4 übergeht. Durch einen stetigen Übergang werden die an der Grundfläche 1b gerundet gebrochenen Ecken bzw. die gerundeten Körperkanten zunehmend verwischt, so dass die Mantelfläche, welche sich an die sphärische Deckfläche 4 anschließt, einen Abschnitt eines Mantels eines Kreiszylinders aufweist. Weiterhin ist abweichend zu den aus den Figuren 1 und 2 bekannten Ausführungsvarianten eines elektrischen Kontaktelementes bei der dritten Ausführungsvariante gemäß Figur 3 vorgesehen, dass die dortige Kontaktbuchse 3a als sacklochartige Ausnehmung ausgestaltet ist. Damit ist das elektrische Kontaktelement in der dritten Ausgestaltungsvariante oberhalb der Grundfläche 1b durch einen geschlossenen Boden mechanisch stabilisiert. Die dritte Ausführungsvariante des elektrischen Kontaktelementes ist mit der Grundfläche 1b gegen einen Leiterzug 10 gepresst. Eine Anpressfläche des Leiterzuges 10 ist gegengleich zu der Grundfläche 1b des elektrischen Kontaktelementes der dritten Ausführungsvariante ausgestaltet. Die Anpressfläche weist die gleiche Dimension wie die Grundfläche 1b auf. Die Anpressfläche ist auf einer sockelförmigen Anformung des Leiterzuges 10 befindlich. Die sockelförmige Anformung nimmt dabei die Gestalt der Mantelfläche 5a des Kontaktelementes auf und bildet einen dielektrisch günstig gerundeten Übergang zu dem Leiterzug 10 aus. Weiterhin ist in der Figur 3 dargestellt, dass Gewindebolzen 12a, 12b den Leiterzug 10 durchsetzen und in Gewindebohrungen des elektrischen Kontaktelementes hineinragen und so eine Anpresskraft zwischen Leiterzug 10 und elektrischem Kontaktelement bewirken.
In der Figur 3 ist eine Anwendung eines elektrischen Kontaktelementes in einem Trennschalter dargestellt. Dabei weist der Trennschalter einen Kontaktbolzen 11 auf, welcher sich koaxial zu der Hauptachse 2 erstreckt und in Richtung der Hauptachse 2 bewegbar ist. Der Querschnitt des Kontaktbolzens 11 korrespondiert dabei zum Querschnitt der Kontaktbuchse 3a und des dort eingelegten Kontaktierungselementes 8. Der Kontaktbolzen 11 ist in die Kontaktbuchse 3a einfahrbar und kontaktiert dort mantelseitig das Kontaktierungselement 8. Das Kontaktierungselement 8 stellt einen Teil eines elektrisch leitenden Strompfades zwischen dem Leiterzug 10 und dem Kontaktbolzen 11 dar. Dabei ist der elektrisch leitende Strompfad von dem Leiterzug 10, über die Grundfläche 1a, die Kontaktbuchse 3a und das eingelegte Kontaktierungselement 8 auf die Mantelfläche des Kontaktbolzens 11 ausgebildet. Es kann vorgesehen sein, dass der Kontaktbolzen 11 wiederholt in die Kontaktbuchse 3a einführbar und ausführbar ist, so dass ein wiederholtes Herstellen und Auftrennen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem Kontaktbolzen 11 und dem Leiterzug 10 möglich ist. Der Kontaktbolzen 11 befindet sich in der Darstellung der Figur 3 in seiner Ausschaltstellung, wobei der Kontaktbolzen 11 von einer Führungseinrichtung umgeben ist, welche auch einer dielektrischen Schirmung desselben dient.
Die Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf mehrere aus der Figur 3 bekannte elektrische Kontaktelemente in der dritten Ausführungsvariante, wobei drei baugleiche elektrische Kontaktelemente der dritten Ausführungsvariante jeweils an einem Leiterzug 10 befestigt sind, wobei jeder der Leiterzüge 10 gleichartig ausgeformt ist. Die Kontaktelemente dienen einer Übertragung eines mehrphasigen Wechselspannungssystems. Zur Verdeutlichung sind in der Figur 4 die elektrischen Kontaktelemente der dritten Ausführungsvariante in einem Schnitt dargestellt, so dass Gewindebohrungen 9a, 9b, 9c, 9d jeweils sichtbar sind.
Die Figur 5 zeigt ergänzend die erste Ausführungsvariante eines Kontaktelementes schematisch als Gittermodell, um die Achslagen zu verdeutlichen. Zu erkennen ist, dass die rechteckige Grundfläche 1 von der Hauptachse 2 lotrecht durchstoßen ist. Ausgehend von der Grundfläche 1 in Richtung der sphärischen Deckfläche 4 erstreckt sich ausgehend von der Grundfläche 2 die Mantelfläche 5 des elektrischen Kontaktelementes zunächst nach Art einer Mantelfläche eines Pyramidenstumpfes in Richtung der sphärischen Deckfläche 4, welche ellypsoid ausgeformt ist. Vorliegend handelt es sich um eine Kugelkappe, welche einen kreisrunden Querschnitt aufweist. In der Kugelkappe ist die Mündungsöffnung der Kontaktbuchse 3 angeordnet. Der Durchmesser der Risslinie 6, welche Teil der sphärischen Deckfläche ist, entspricht der Seitenlänge der Grundfläche 1. Aus der Grundfläche 1 ragen Seitenhalbierende 13a, 13b, 13c, 13d hervor, welche lotrecht auf der Grundfläche 1 stehen. Diese Seitenhalbierende 13a, 13b, 13c, 13d unterteilen die zwischen den Körperkanten der Mantelfläche 5 liegenden Abschnitte zusätzlich. Die Seitenhalbierenden liegen in einer Mantelfläche eines gedachten Zylinders, welcher sich koaxial zur Hauptachse 2 erstreckt, wobei die Mittelsenkrechten parallel zur Hauptachse 2 ausgerichtet sind.
In einer Alternative weist die Risslinie 6, d. h., der Querschnitt des Ellypsoids eine geringere Ausdehnung aus, als die Seitenlänge der Grundfläche 1, so dass bei einem stetigen Übergang der Mantelfläche zwischen Grundfläche 1 und sphärischer Deckfläche 4 die in der Figur 5 gezeigten Mittelsenkrechten 13a, 13b, 13c, 13d in der Mantelfläche liegen und nicht lotrecht zur Grundfläche 1 angeordnet sind, sondern geneigt auf einen fiktiven Schnittpunkt zulaufen.
Grundsätzlich sind die in den einzelnen Figuren gezeigten Ausgestaltungen hinsichtlich der Ausgestaltung von Mantelflächen, Kontaktierungselementen, Kontaktbuchsen, Gewindebohrungen usw. variabel, ohne den Charakter der Erfindung zu verändern. Insbesondere können beispielsweise die Stärke der Wölbung der sphärischen Deckflächen 4, radiale Ausdehnungen der sphärischen Deckfläche oder die Neigung der Mantelfläche variieren.

Claims

Elektrisches Kontaktelement mit einer Hauptachse (2), welche eine mehreckige Grundfläche (1, 1a) des Kontaktelements durchstößt und einer um die Hauptachse (2) herum angeordnete Kontaktbuchse (3, 3a), deren Mündungsöffnung in einer Deckfläche (4) mündet, die auf einer entgegengesetzt zur Grundfläche (1, 1a) liegenden Seite des Kontaktelementes angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Deckfläche (4) sich sphärisch gewölbt über der Grundfläche (1, 1a) aufspannt, während eine die Grundfläche (1, 1a) und die Deckfläche (4) verbindende Mantelfläche (5) stetig von der mehreckigen Grundfläche (1, 1a) in die sphärische Deckfläche (4) übergeht.
Elektrisches Kontaktstück nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mantelfläche (5) an ihrer der Grundfläche (1, 1a) zugewandten Seite zumindest teilweise nach Art einer Mantelfläche (5)eines Pyramidenstumpfes ausgestaltet ist und die sphärische Deckfläche (4) nach Art eines Ellipsoids gerundet, Körperkanten brechend stetig in die Mantelfläche (5) des Pyramidenstumpfs übergeht.
Elektrisches Kontaktelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mantelfläche (5) an ihrer der Grundfläche (1, 1a) zugewandten Seite zumindest teilweise nach Art einer Mantelfläche (5) eines Prismas ausgestaltet ist und die sphärische Deckfläche (4) nach Art eines Ellypsoids gerundet, Körperkanten brechend stetig in die Mantelfläche (5) des Prismas übergeht.
Elektrisches Kontaktelement nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der stetige Übergang in die sphärische Deckfläche (4) unter Nutzung von Abschnitten erfolgt, die auf einer Mantelfläche (5) eines Kreiszylinders liegen.
Elektrisches Kontaktelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
Körperkanten gerundet gebrochen sind.
Elektrisches Kontaktelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (5) konkav gewölbt ist.
Elektrisches Kontaktelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
in die Grundfläche Gewindebohrungen (9a, 9b, 9c, 9d) eingebracht sind, die in ihrer Anzahl der Anzahl der Ecken der Grundfläche (1, 1a) entsprechen.
Elektrisches Kontaktelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Grundfläche (1, 1a) und die Deckfläche (4) einstückig miteinander verbunden sind.
Elektrisches Kontaktelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Grundfläche (1, 1a) und die Deckfläche (4) elektrisch leitend sind.
Elektrisches Kontaktelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kontaktbuchse (3, 3a) sowohl in der Deckfläche (4) als auch in der Grundfläche (1, 1a) mündet.