EP2649628B1

EP2649628B1 - Schalter mit loeschkammer

Info

Publication number: EP2649628B1
Application number: EP11793783.9A
Authority: EP
Inventors: Volker Lang; Lutz Friedrichsen
Original assignee: Eaton Electrical IP GmbH and Co KG
Current assignee: Eaton Electrical IP GmbH and Co KG
Priority date: 2010-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2031-12-07
Also published as: EP2649628A1; US9214305B2; CA2820791A1; US20130264311A1; PL2649628T3; EP2463877A1; BR112013014209A2; WO2012076604A1; CN103348429A

Description

Technisches Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Schalter mit Löschvorrichtungen zur schnellen Löschung eines Lichtbogens während des Trennvorgangs.

Stand der Technik

Elektrische Schalter sind Komponenten in einem Stromkreis, die mittels interner elektrisch leitender Kontakte eine elektrisch leitende Verbindung herstellen (Schaltzustand "EIN" oder EIN-Zustand) oder trennen (Schaltzustand "AUS", oder AUS-Zustand). Im Fall einer zu trennenden stromführenden Verbindung fließt Strom durch die Kontakte bis diese voreinander getrennt werden. Wenn ein induktiver Stromkreis durch einen Schalter getrennt wird, kann der fließende Strom nicht unmittelbar auf Null gehen. In diesem Fall bildet sich ein Lichtbogen zwischen den Kontakten. Dieser Lichtbogen ist eine Gasentladung durch ein an sich nichtleitendes Medium wie z.B. Luft. Lichtbögen in Schaltern mit Wechselstrombetrieb (AC) löschen in der Regel beim Nulldurchgang des Wechselstroms. Aufgrund des fehlenden Nulldurchgangs des Stroms entstehen in Schaltern mit Gleichstrombetrieb (DC) beim Trennen der Kontakte (Ausschalten des Schalters) stabil brennende Lichtbögen, sofern die Lichtbogenspannung deutlich kleiner als die Betriebsspannung ist. Wenn der Stromkreis bei ausreichend Strom und Spannung betrieben wird, (typischerweise bei mehr als 1A und mehr als 50V) wird sich der Lichtbogen nicht von selbst löschen. Zu diesem Zweck werden in solchen Schaltern Löschkammern zum Löschen des Lichtbogens verwendet. Die Lichtbogenzeit (Zeit in der der Lichtbogen brennt) soll möglichst klein gehalten werden, da der Lichtbogen eine große Wärmemenge freisetzt, die zum Abbrennen der Kontakte und/oder zur thermischen Belastung der Schaltkammer im Schalter führt und somit die Lebensdauer des Schalters verringert. Bei zwei- oder mehrpoligen Schaltern mit zwei oder mehr Schaltkammern werden entsprechend höhere Wärmemengen durch Lichtbögen freigesetzt als bei einpoligen Schaltern. Hier ist es also besonders notwendig, dass dieser Lichtbogen schnell gelöscht wird.
Eine Löschung eines Lichtbogens wird in der Regel durch die Verwendung eines magnetischen Feldes beschleunigt, das so gepolt ist, dass es eine treibende Kraft auf den Lichtbogen in Richtung der Löschkammern ausübt. Die Größe der treibenden Kraft hängt hierbei von der Stärke des oder der Magneten ab. Üblicherweise werden zur Erzeugung eines starken Magnetfeldes Permanentmagneten verwendet. Unglücklicherweise ist die treibende Kraft des magnetischen Feldes in Richtung der Löschkammern nur bei einer bestimmten Stromflussrichtung gegeben. Um polungsbedingte Einbaufehler von Schaltern zu vermeiden oder wenn Schalter für beide Stromrichtungen benötigt werden, wären Schalter mit einem schnellen und von der jeweiligen Polung unabhängigen Löschverhalten für Lichtbögen, die während des Abschaltens des Schalters zwischen den geöffneten Kontakten entstehen, wünschenswert. Insbesondere wäre ein solches Löschverhalten in zweipoligen Schaltern mit einem gegenüber einpoligen Schaltern entsprechend nicht wesentlich komplexeren Aufbau wünschenswert.
Ein Schalter geeignet für einen polaritätsunabhängigen mehrpoligen Gleichstrombetrieb wird in der EP-A-0473014 offenbart.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen für einen mehrpoligen Betrieb geeigneten Schalter bereitzustellen, der ein schnelles, zuverlässiges und von der Stromrichtung unabhängiges Löschverhalten von entstandenen Lichtbögen zeigt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Schalter nach Anspruch 1.
Der Schalter gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt ein schnelles, zuverlässiges und von der Stromrichtung unabhängiges Löschverhalten und beugt daher polungsbedingte Einbaufehler vor und ist für Anwendungen geeignet, wo Schalter für beide Stromrichtungen benötigt werden. Der Ausdruck "im Wesentlichen" umfasst in der vorliegenden Erfindung alle Ausführungsformen, die weniger als 10% vom Sollwert oder Mittelwert abweichen.
Ein Schalter gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst jede Art von Schaltern geeignet für einen mehrpoligen Betrieb mit Schaltkammern mit mindestens zwei unbeweglichen Kontakten, die durch mindestens ein bewegliches Kontaktstück elektrisch geschlossen werden können. Diese Schalter können beispielsweise zwei- oder mehrpolige Schalter sein. Die Anzahl der Schaltkammern kann zwei oder mehr Schaltkammern betragen, wobei die Schaltkammern bevorzugt parallel zueinander betrieben werden. In einer alternativen Ausführungsform können Schalter im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch Schalter sein, in denen die zwei oder mehr Schaltkammern in Reihe geschaltet sind und die damit im Prinzip einpolige Schalter darstellen. Solche Schalter sind dennoch für einen mehrpoligen Betrieb geeignet, da nur die Verschaltung der Schaltkammern für einen mehrpoligen Betrieb angepasst werden müßte. Beispiele für diese Schalter sind Schütze, Lasttrennschalter oder Leistungsschalter. Der Schalter ist dabei geeignet für Gleichstrombetrieb, könnte aber auch im Wechselspannungsbetrieb verwendet werden. Der polaritätsunabhängige Gleichstrombetrieb bezeichnet den Betrieb des Schalters in einem Gleichstromschaltkreis, wobei es für das schnelle Löschen der Lichtbögen im Schalter nicht auf die Stromrichtung im Schalter ankommt. Hier können zwischen den ersten und zweiten Kontaktbereichen der beiden Schaltkammern Lichtbögen auftreten, in denen der Strom vom ersten zum zweiten Kontaktbereich oder umgekehrt fließen kann. Da das im Wesentlichen konstante und in seiner Richtung festgelegte Magnetfeld (vorgegeben durch den Einbau der Magnete in den Schalter) den Lichtbogen bei einer festen Stromrichtung immer in eine entsprechend der Lorenzkraft definierten Richtung treibt, müssen für den Betrieb des Schalter in der anderen Stromrichtung (zweite Stromrichtung im Lichtbogen) zusätzliche Maßnahmen zur schnellen Löschung von Lichtbögen getroffen werden, was durch Anordnung von mindestens zwei Löschvorrichtungen pro Schaltkammer, die für einen der ersten und zweiten Kontaktbereiche gegenüberliegend angeordnet sind, für die beiden möglichen Kraftrichtungen aufgrund der beiden möglichen Stromrichtungen pro Lichtbogen realisiert ist. Damit wird der eine Lichtbogen zuverlässig gelöscht, was damit auch zur Löschen des anderen Lichtbogens führt. Vorzugsweise umfasst eine Schaltkammer vier Löschvorrichtungen zum zuverlässigen Löschen beider Lichtbögen in den jeweiligen Löschvorrichtungen. Der Vorteil der beanspruchten Anordnung ist der einfache, symmetrische und damit kostengünstige Aufbau des Schalters. Je stärker das magnetische Feld am Ort des Lichtbogens ist, desto schneller wird der Lichtbogen in die Löschvorrichtung getrieben und so gelöscht. Löschvorrichtungen können dabei alle geeigneten Mittel zum Löschen eines Lichtbogens sein, beispielsweise Kühlbleche oder Löschkammern.
Doppelunterbrecher bezeichnen hier die mechanischen Komponenten, die zu einer doppelten Unterbrechung eines Stromkreises führen. Dazu besitzen die Doppelunterbrecher jeweils zwei erste und zwei zweite Kontaktbereiche, an denen jeweils (doppelt) der Strom im AUS-Zustand unterbrochen wird. In jedem Doppelunterbrecher bezeichnen die ersten und zweiten Kontaktbereiche hier die Bereiche der unbeweglichen Kontakte und des beweglichen Kontaktstücks, die nach dem Schließen des Schalters (EIN-Zustand) im direkten Kontakt sind. Im EIN-Zustand fließt ein Strom von einem der beiden ersten Kontakt über den ersten Kontaktbereich in den dazu im Kontakt stehenden zweiten Kontaktbereich, von diesem über das elektrisch leitfähige Kontaktstück zum anderen zweiten Kontaktbereich des Kontaktstücks und von dort über den dazu im Kontakt stehenden anderen ersten Kontaktbereich im anderen unbeweglichen Kontakt. Die ersten Kontakte sowie die ersten und zweiten Kontaktbereiche und das Kontaktstück bestehen dazu aus einem elektrisch leitfähigen Material. Zum Schließen der Kontakte (EIN-Zustand) wird das Kontaktstück mit den zweiten Kontaktbereichen auf die ersten Kontaktbereiche bewegt. Die ersten und zweiten Kontaktbereiche können dabei Teilbereiche der unbeweglichen Kontakte oder des Kontaktstücks sein, oder separate Komponenten, die auf den unbeweglichen Kontakten oder dem Kontaktstück angeordnet sind. Die obige Bewegung erfolgt entlang einer Bewegungsachse des Kontaktstücks senkrecht zu den Oberflächen der Kontaktbereiche. Das Kontaktstück ist dabei beispielsweise in einer Brückenanordnung, vorzugsweise aus Plastik, mittels einer Feder beweglich gehaltert, die auch den notwendigen Kontaktdruck im EIN-Zustand des Schalters ausübt. Die Bewegungsachse des Kontaktstücks ist im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Lichtbogens in die Löschvorrichtungen ausgerichtet. Das Öffnen des Schalters erfolgt durch Bewegung des Kontaktstücks in die umgekehrte Richtung. Die Bewegung des Kontaktstücks kann manuell oder elektrisch erfolgen. Die ersten und zweiten Kontaktbereiche können sich in Form und Material unterscheiden. Die Flächen der ersten und zweiten Kontaktbereiche können dabei zwischen ausgedehnten Flächen und punktförmigen Kontakten variieren. Das Material der Kontaktbereiche kann jedes geeignete elektrisch leitfähige Material, beispielsweise Silberzinnoxyd, sein.
Das magnetische Feld übt die treibende Kraft auf die Lichtbögen aus. Je größer die magnetische Feldstärke am Ort des Lichtbogens ist, desto stärker wirkt die treibende Lorenzkraft auf den Lichtbogen. Für eine schnelle Löschung der Lichtbögen mit Stromflüssen in beide Richtungen ist es vorteilhaft, dass ein starkes Magnetfeld im Bewegungsbereich der Lichtbögen für beide Stromrichtungen wirken kann. Ein sehr starkes permanentes Magnetfeld kann durch einen Permanentmagneten bereitgestellt werden, der beispielsweise ein Seltenerdmagnet ist. Seltenerdmagnete bestehen beispielsweise aus einer NdFeB- oder SmCo-Legierung. Diese Materialien besitzen eine hohe Koerzitivfeldstärke und ermöglichen daher auch beispielsweise eine Bereitstellung der Magnete als sehr dünne Platten, was eine kompaktere Bauweise des Schalters ermöglicht. Die Zeit bis der Lichtbogen in die Löschkammern bzw. entlang der Kühlbleche getrieben wird, hängt von der Magnetfeldstärke und von der Homogenität des Magnetfeldes ab. Dazu sind die Permanentmagnete bevorzugt so angeordnet, dass sie ein Magnetfeld senkrecht zum Stromfluss im Lichtbogen und senkrecht zur gewünschten Bewegungsrichtung des Lichtbogens erzeugen. Die Form der Magnete kann im Rahmen der Erfindung vom Fachmann geeignet gewählt werden. Die Magnete sind bevorzugt als Paare von jeweils 2 Magneten angeordnet, die Anzahl der Magnete beträgt somit vorzugsweise zwei oder Vielfaches davon in einem Schalter. In einer Ausführungsform umfassen die Magnete mindestens zwei plattenförmige Magnete, vorzugsweise Permanentmagnete, deren Flächen parallel zueinander angeordnet sind. Bevorzugt sind die Flächen der Magnete parallel zu der gewünschten Bewegungsrichtung der Lichtbögen angeordnet. Die Magnete sind dabei bevorzugt so angeordnet, dass sie ein im Wesentlichen homogenes Magnetfeld entlang der Bewegungsrichtung der Lichtbögen erzeugen. In einer Ausführungsform ist der Magnet ein Permanentmagnet. Der Ausdruck "im Wesentlichen" umfasst in der vorliegenden Erfindung alle Ausführungsformen, die weniger als 10% vom Sollwert oder Mittelwert abweichen. In einer anderen Ausführungsform, die mit der vorherigen Ausführungsform kombinierbar ist, erstrecken sich die Magnete zumindest bis zu den Löschvorrichtungen oder gar über diese hinaus, um ein homogenes Magnetfeld über die gesamte Bewegungs- oder Laufstrecke des Lichtbogens bereitzustellen. In einer Ausführungsform eines Schalters gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Magnete seitlich außerhalb der Anordnung der Schaltkammern (in einer Ebene oder übereinander oder in einer anderen Anordnung) so angeordnet, dass sie ein im Wesentlichen homogenes magnetisches Feld zumindest im Bereich der ersten und zweiten Kontaktbereiche der Doppelunterbrecher mehrerer Schaltkammern erzeugen.
In einer Ausführungsform erstrecken sich in mindestens einem der Schaltkammern erste Lichtbogenleitbleche in zwei entgegengesetzte Richtungen jeweils von mindestens einem der ersten Kontaktbereiche und dem entsprechenden zweiten Kontaktbereich zu zwei jeweils am Ende der Lichtbogenleitbleche angeordneten Löschvorrichtungen ausgeführt als erste Löschkammern. Der Ausdruck "erstrecken" umfasst hierbei die Möglichkeiten, dass die Lichtbogenleitbleche (oder auch die Kühlbleche) bis an die jeweiligen Kontaktbereiche (oder auch Löschvorrichtungen) heranragen, ohne dass sie direkt fest damit verbunden sind oder aber auch eine feste Verbindung der Lichtbogenleitbleche (oder auch der Kühlbleche) mit den Kontaktbereichen (oder auch der Löschvorrichtungen). Die ersten Lichtbogenleitbleche sind dabei vorzugsweise mit den ersten Kontaktbereichen fest verbunden. Damit sind Hindernisse für die Bewegung des Lichtbogens wie beispielsweise Luftspalte zumindest für die unbeweglichen Kontakte vermieden. Die erste Löschkammer umfasst dabei jede Art von Komponenten, die geeignet sind, einen Lichtbogen zum Löschen zu bringen. In einer Ausführungsform der Löschkammer umfassen diese eine Vielzahl an Löschblechen zwischen den ersten Lichtbogenleitblechen, die beide in der Löschkammer parallel zueinander angeordnet sind. Zum schnellen Löschen eines Lichtbogens wird auf diesen durch die Magneten eine Lorenzkraft vorzugsweise ausgeübt, bis dieser in die Löschvorrichtungen eintritt. Wenn die Baugröße innerhalb des Schalters ausreicht, ist es daher vorteilhaft, die Permanentmagneten so dicht wie möglich an die ersten Löschkammern heran oder gar seitlich über die ersten Löschkammern hinaus anzuordnen. Die Löschbleche in den ersten Löschkammern sind beispielsweise V-förmig. Der Lichtbogen wird in der ersten Löschkammer in eine Vielzahl an Teillichtbögen unterteilt (Deionkammer). Die dabei benötigte Minimalspannung zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens ist proportional zur Anzahl der in der ersten Löschkammer vorhandenen Löschbleche, wodurch die benötigte Spannung zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens die zur Verfügung stehende Spannung übersteigt, was zum Löschen des Lichtbogens führt. Die Löschbleche sind in einem isolierenden Material gehaltert, an dem ebenso die Lichtbogenleitbleche befestigt sind. Die Lichtbogenleitbleche können dabei jede Form besitzen, die geeignet ist, den Lichtbogen in die ersten Löschkammern zu leiten. Die Lichtbogenleitbleche können auch als Stanzbiegeteil ausgeführt sein. Auch können Dicke und Breite der Lichtbogenleitbleche variieren. Der Abstand zwischen dem ersten (unteren) und dem zweiten (oberen) Lichtbogenleitblech kann dabei mit größer werdendem Abstand zu den ersten und zweiten Kontakten anwachsen. In einer Ausführungsform erstrecken sich die Magnete zumindest entlang der ersten Lichtbogenleitbleche bis zu den ersten Löschkammern, bevorzugt über die ersten Löschkammern hinaus.
In einer Ausführungsform sind mindestens zwei der Schaltkammern in einer Ebene angeordnet, bevorzugt sind alle Schaltkammern in einer Ebene angeordnet. Das hat den Vorteil, dass der Schalter einen einfacheren Aufbau, eine geringe Einbautiefe und Einbauhöhe besitzt und entsprechend kostengünstig hergestellt werden kann. In einer Ausführungsform besitzen benachbarte Schaltkammern eine gemeinsame Brückenanordnung zur Bewegung der Kontaktstücke mit einer gemeinsamen Brücke zur Führung der Kontaktstücke und zur elektrischen Isolierung der Schaltkammern gegeneinander. Die Brücke isoliert die Schaltkammern gegeneinander. Die Brücke kann dazu beispielsweise zumindest zum Teil aus Plastik gefertigt sein. Die Form der Brücke kann zwischen verschiedenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schalters variieren. Der Fachmann kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Form und Größe der Brücke geeignet wählen. Die Brückenanordnung ist dabei so ausgestaltet, dass die Kontaktstücke der beiden Doppelunterbrecher simultan bewegt werden, also werden entweder beide Kontaktstücke in den EIN-Zustand oder in den AUS-Zustand des Schalters bewegt. Die Bewegung der beiden Kontaktstücke erfolgt nicht unabhängig voneinander.
In einer Ausführungsform dieses Schalters erstrecken sich zwei weitere Löschvorrichtungen zu den anderen ersten und zweiten Kontaktbereichen (die nicht schon mit den ersten Löschkammern verbunden sind), wobei mindestens eine der beiden Löschvorrichtungen als zweite Löschkammer ausgeführt ist und sich zweite Lichtbogenleitbleche von der zweiten Löschkammer zu den ersten und zweiten Kontaktbereichen erstrecken. Die zweite Löschkammer kann einen ähnlichen oder gleichen prinzipiellen Aufbau wie die erste Löschkammer besitzen und gegebenenfalls die Teile umfassen, die bereits bei der ersten Löschkammer beschrieben wurden. Die Größe der zweiten Löschkammer kann aufgrund der dichteren Position der zweiten Löschkammer an dem beweglichen Kontaktstück kleiner als bei der ersten Löschkammer ausfallen. In einer Ausführungsform besitzt die zweite Löschklammer kleinere Abmaße als die erste Löschkammer und ist in einem kleineren Abstand zum Kontaktstück als die erste Löschkammer angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform des obigen Schalters ist die andere der beiden Löschvorrichtungen als Kühlblech ausgeführt, das sich vom Kontaktstück entlang der Bewegungsachse des Kontaktstücks um den ersten Kontaktbereich herum zu der vom Kontaktstück abgewandte Rückseite des unbeweglichen Kontakts erstreckt, bevorzugt mit einem sich entlang der Bewegungsrichtung des Lichtbogens vergrößernden Abstand zwischen dem Kühlblech und der Rückseite des unbeweglichen Kontakts. Hierbei erstreckt sich das Kühlblech zu dem zweiten Kontaktbereich des beweglichen Kontaktstücks. Da der Lichtbogen beim Ausschalten zwischen den ersten und zweiten Kontaktbereichen entsteht, ist es zweckmäßig, dass das Kühlblech nahe an den Ort des Lichtbogens heranreicht, um über eine schnelle Wegleitung des Lichtbogens eine schnelle Löschung bewirken zu können. Bevorzugt vergrößert sich dabei der Abstand zwischen dem Kühlblech und der Rückseite des unbeweglichen Kontakts mit wachsendem Abstand zur Bewegungsachse des Kontaktstücks. Dadurch wird die Lichtbogenstrecke vergrößert und somit die zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens notwendige Lichtbogenspannung erhöht. Übersteigt die Lichtbogenspannung die Betriebsspannung des Schalters, löscht der Lichtbogen. Bei einer bevorzugten Anordnung der Magnete werden im Schalter der eine Lichtbogen zwischen einem der ersten und zweiten Kontaktbereiche in eine erste Löschkammer und der andere Lichtbogen zwischen den anderen ersten und zweiten Kontaktbereichen in die zweite Löschkammer getrieben. Bei einem Betrieb des Schalters mit einer umgekehrten Stromrichtung würde das Löschverhalten genauso aussehen, nur dass dann der eine Lichtbogen in die andere erste Löschkammer und der andere Lichtbogen anstatt in die zweite Löschkammer zum Kühlblech als die andere Löschvorrichtung getrieben würde.
In einer Ausführungsform sind die Kontaktstücke der Doppelunterbrecher in einer Ebene so versetzt zueinander angeordnet, so dass die Kühlbleche benachbarter Schaltkammern durch eine gemeinsame Wand der Brücke im Wesentlichen Parallel zu den Kontaktstücken voreinander getrennt sind. Durch diese Anordnung wird eine besonders kleine Bauweise erreicht.
In einer alternativen Ausführungsform eines Schalters gemäß der vorliegenden Erfindung sind mindestens zwei Schaltkammern übereinander angeordnet. Durch diese Anordnung ist es aufgrund der Bauform und dem damit zur Verfügung stehenden Platz möglich, für alle Löschvorrichtungen Löschkammern zu verwenden. Dadurch wird vermieden, dass ein Lichtbogen zur Löschung Richtung Brückenanordnung getrieben werden muss, was eine erhöhte thermische Belastung der Brückenanordnung vermeidet und somit die Lebensdauer des Schalters erhöht. Ferner besitzt diese Ausführungsform nur erste Löschkammern, wodurch die Einbauhöhe pro Pol reduziert werden kann. Durch den so möglichen symmetrischen Aufbau der Schaltkammern wird das Laufverhalten der Lichtbögen günstiger gestaltet.
In einer Ausführungsform dieses Schalters mit übereinander angeordneten Schaltkammern erstrecken sich die ersten Lichtbogenleitbleche für jede der zwei entgegengesetzten Richtungen in die ersten Löschkammern. Die Lichtbogenleitbleche, die für jede Bewegungsrichtung vorhanden sind, ermöglichen eine schnelle und sichere Löschung des Lichtbogens für jede Stromrichtung im Lichtbogen und jede Polarität des Magnetfeldes. Die ersten Lichtbogenleitbleche sind dabei vorzugsweise mit den ersten Kontaktbereichen fest verbunden. Damit sind Hindernisse für die Bewegung des Lichtbogens wie beispielsweise Luftspalte zumindest für die unbeweglichen Kontakte vermieden.
In einer weiteren Ausführungsform des Schalters mit übereinander angeordneten Schaltkammern verlaufen die Bewegungsachsen der jeweiligen Kontaktstücke zwischen den Lichtbogenleitblechen, bevorzugt decken sich die Bewegungsachsen der jeweiligen Kontaktstücke. Dadurch wird eine sehr kompakte Anordnung ermöglicht.
In einer alternativen Ausführungsform der Anordnung der Schaltkammern des erfindungsgemäßen Schalters können einige Schaltkammern in einer Ebene und andere Schaltkammern übereinander angeordnet sein.
In einer Ausführungsform besitzen die übereinander angeordneten Schaltkammern eine gemeinsame Brückenanordnung zur Bewegung der Kontaktstücke mit einer gemeinsamen Brücke zur Führung der Kontaktstücke und zur elektrischen Isolierung der Schaltkammern gegeneinander. Für die Brücke und die mechanischen Eigenschaften der Brückenanordnung gelten die analogen Ausführungen wie bei der Anordnung der Schaltkammern in einer Ebene.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Diese und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen im Detail dargestellt.

Fig.1:: eine Ausführungsform eines Schalters gemäß der vorliegenden Erfindung mit zwei Schaltkammern in einer Ebene angeordnet in (a) perspektivische Ansicht und (b) in Draufsicht.
Fig.2:: perspektivische Ansicht eines Teilausschnitts der Fig. 1 mit einer Schalkammer und der Brückenanordnung.
Fig.3:: eine andere Ausführungsform des Schalters gemäß der vorliegenden Erfindung mit jeweils zwei Schaltkammern übereinander angeordnet in perspektivischer Ansicht.
Fig.4:: perspektivische Ansicht der Brückenanordnung des Schalters aus Fig. 3.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen

Fig.1 zeigt eine Ausführungsform eines Schalters 1 gemäß der vorliegenden Erfindung mit zwei Schaltkammern 11a, 11b in einer Ebene angeordnet in (a) perspektivische Ansicht und (b) in Draufsicht von oben. Jede der Schaltkammern 11a, 11b besitzt einen Doppelunterbrecher mit zwei separaten unbeweglichen Kontakten 2 mit jeweils einem ersten Kontaktbereich 21, 22 und einem beweglichen elektrisch leitfähigen Kontaktstück 30 mit zwei zweiten Kontaktbereichen 31,32 zur jeweiligen Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen den ersten und zweiten Kontaktbereichen 21, 22, 31, 32 im EIN-Zustand des Schalters 1 und zum Trennen der ersten und zweiten Kontaktbereiche 21, 22, 31, 32 im AUS-Zustand des Schalter 1 entlang einer Bewegungsachse BA der Brückenanordnung. Die Feder 33 übt im EIN-Zustand den nötigen Kontaktdruck auf das Kontaktstück 30 aus. Der Schalter mit den Schaltkammern 11a, 11b in einer Ebene besitzt vier Löschvorrichtungen 41, 42, 43 zum Löschen von Lichtbögen, die beim Herstellen des AUS-Zustands zwischen den ersten und zweiten Kontaktbereichen 21, 22, 31, 32 auftreten können. Die Lichtbögen sind hier nicht im Detail gezeigt, dazu siehe Fig.2 Die vier Löschvorrichtungen pro Schaltkammer sind in Fig. 1 zwei erste Löschkammern 41, eine zweite Löschkammer 42 und ein an der Brückenanordnung befestigtes Kühlblech 43. Die zwei innerhalb des Schalters angeordnete Magnete 81, 82 zur Erzeugung eines magnetischen Feldes M erstrecken sich hier von den ersten und zweiten Kontaktbereiche 21, 22, 31, 32 über die ersten Löschkammern 41 hinaus und sind als plattenförmige Magnete 81, 82 mit parallel zueinander angeordneten Flächen ausgeführt. Der Magnet 81 bildet für die Schaltkammern in diesem Beispiel den magnetische Nordpol (N) und der Magnet 82 den magnetische Südpol (S) mit einer entsprechenden Magnetfeldrichtung M zwischen den Magneten 81, 82, dargestellt durch den gestrichelten Pfeil M. Dadurch wird auf der gesamten Bewegungsstrecke T des Lichtbogens ein im Wesentlichen homogenes Magnetfeld bis in die ersten Löschkammern 41 hinein erzeugt und damit eine starke magnetische Kraft F zur schnellen Löschung der Lichtbögen bereitgestellt. Die vier Löschvorrichtungen 41, 42, 43 stellen sicher, dass jeder Lichtbogen unabhängig von der Stromrichtung I im Lichtbogen in Richtung einer der Löschvorrichtungen 41, 42, 43 getrieben wird. Welches der Löschvorrichtungen 41, 42, 43 die betreffenden Lichtbögen löscht hängt von der Feldrichtung des Magnetfeldes und der Stromrichtung I im Lichtbogen und der daraus resultierenden Richtung der Lorenzkraft F auf den Lichtbogen ab. Für ein schnelles Löschen der Lichtbögen besitzen die gezeigten Schaltkammern 11a, 11b erste Lichtbogenleitbleche 6, die sich in zwei entgegengesetzte Richtungen jeweils von mindestens einem der ersten Kontaktbereiche 21 und dem entsprechenden zweiten Kontaktbereich 31 zu zwei jeweils am Ende der Lichtbogenleitbleche 6 angeordneten Löschkammern 41 erstrecken. Die zweite Löschkammer 42 ist analog zu den ersten Löschkammern durch zweite Lichtbogenleitbleche 7 mit den ersten und zweiten Kontaktbereichen 22, 32 verbunden. Der Ausdruck "verbunden" bezeichnet auch Lichtbogenleitbleche, die sich nahe an die Kontaktbereiche heran erstrecken. Die zweite Löschklammer 42 besitzt in dieser Ausführungsform kleinere Abmaße als die erste Löschkammer 41 und ist in einem kleineren Abstand zum Kontaktstück 30 als die erste Löschkammer 41 angeordnet.
In dieser Ausführungsform besitzen die benachbarten Schaltkammern 11a, 11b eine gemeinsame Brückenanordnung 3 zur Bewegung der Kontaktstücke 30 mit einer gemeinsamen Brücke 34 zur Führung der Kontaktstücke 30 und zur elektrischen Isolierung der Schaltkammern 11a, 11b gegeneinander. Durch die gemeinsame Brückenanordnung 3 wird die Anzahl der benötigten Bauteile im Schalter verringert und damit eine kostengünstigere Fertigung ermöglicht. Die gemeinsame Brückenanordnung 3 kann beispielsweise aus Plastik gefertigt sein, damit die elektrische Isolation zwischen den Schaltkammern 11a, 11b gewährleistet ist. Für eine kompakte Ausführung des Schalters 1 sind die Kontaktstücke 30 der Schaltkammern 11a, 11b so angeordnet, dass sich die zweiten Kontaktbereiche 31, 32 in einer Linie im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung T der Lichtbögen 5 befinden. Für eine weitere Reduzierung des notwendigen Bauvolumens sind die Kontaktstücke 30 der Doppelunterbrecher in einer Ebene so versetzt zueinander angeordnet, so dass die Kühlbleche 43 benachbarter Schaltkammern 11a, 11b durch eine gemeinsame Wand 35 der Brücke 34 im Wesentlichen parallel zu den Kontaktstücken 30 voreinander getrennt sind. Die Anschlussklemmen 12 dienen zum Anschluss der Schaltkammern 11a, 11b an einen Stromkreis.
Fig.2 zeigt einen perspektivischen Teilausschnitt des Schalters aus Fig. 1 mit einer der Schaltkammern 11a, 11b und der gemeinsamen Brückenanordnung 3. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden die Magnete und eine der Schaltkammern gegenüber der Fig. 1 weggelassen. Die mit "12" bezeichneten Komponenten sind die Anschlussklemmen 12 der Schaltkammern 11a, 11b zum Anschluss der Schaltkammern 11a, 11b an einen Stromkreis. In dieser Figur ist ein Lichtbogen 5 zwischen den ersten und zweiten Kontaktbereichen 22, 32 dargestellt, der sich entlang der Bewegungsrichtung T (gestrichelter Pfeil) in Abhängigkeit von der Magnetfeldrichtung und der Stromrichtung im Lichtbogen 5 entweder in die zweite Löschkammer 42 oder entlang des Kühlblechs 43 bewegt. Der entsprechende andere Lichtbogen zwischen den anderen ersten und zweiten Kontaktbereichen 21, 31 ist hier nicht gezeigt. Damit das Löschverhalten besonders günstig ist, erstreckt sich ein Zweites Lichtbogenleitblech 7 von der zweiten Löschkammer 42 in Richtung der ersten und zweiten Kontaktbereiche 22, 32. Das Kühlblech 43 ist auf die gemeinsamen Wand 35 der Brücke 34 montiert. Ein entsprechendes anderes Kühlblech für die andere hier nicht gezeigte Schaltkammer ist auf die hier nicht sichtbare andere Seite der Wand 35 montiert. Das Kühlblech 7 erstreckt sich hier für eine zuverlässige Löschung des Lichtbogens 5 vom zweiten Kontaktbereich 32 des Kontaktstücks 30 um den unbeweglichen Kontakt 2 herum auf dessen Rückseite.
Fig.3 zeigt eine Seitenansicht eines Schalters 1 im AUS-Zustand ZA gemäß der vorliegenden Erfindung mit jeweils zwei Schaltkammern 11a, 11b übereinander angeordnet. Hierbei besitzen die Schaltkammern 11a, 11b im Gegensatz zu der Fig.1 vier erste Löschkammern 41, von denen jeweils zwei Löschkammern 41 gegenüber den jeweiligen ersten und zweiten Kontaktbereichen 21, 22, 31, 32 des jeweiligen Doppelunterbrechers angeordnet sind. Dazu verlaufen die Bewegungsachsen (BA) der jeweiligen übereinander liegenden Kontaktstücke 30 zwischen den Lichtbogenleitblechen 6, bevorzugt decken sich die Bewegungsachsen BA der jeweiligen Kontaktstücke 30.
Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass keiner der Lichtbögen 5 in Richtung der Brückenanordnung 3 läuft. Aus Übersichtsgründen sind hier teilweise die Magnete zur Ausübung der Lorentzkraft auf die Lichtbögen 5 weggelassen. In der oberen Schaltkammer 11a ist ein Lichtbogen 5 dargestellt, die eine Magnetanordnung 81, 82 wie in der unteren Schaltkammer 11b dargestellt besitzt. In dieser Ausführungsform sind pro Schaltkammer ein Paar an Magneten 81, 82 angeordnet. In einer alternativen Ausführungsform können pro Ebene analog zu Fig.1 auch nur 1 Paar an Magneten 81, 82 angeordnet sein.
Fig.4 zeigt eine perspektivische Ansicht der Brückenanordnung 3 des Schalters 1 aus Fig. 3 im AUS-Zustand ZA, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit einige der in Fig.3 gezeigten Komponenten weggelassen wurden. Die übereinander angeordneten Schaltkammern 11a, 11b haben in dieser Ausführungsform eine wie hier dargestellte gemeinsame Brückenanordnung 3 zur gemeinsamen simultanen Bewegung der Kontaktstücke 30 der beiden Schaltkammern mit einer gemeinsamen Brücke 34 zur Führung der Kontaktstücke 30 und zur elektrischen Isolierung der Schaltkammern 11a, 11b gegeneinander. Die Brückenanordnung 3, umfassend die Kontaktstücke 30 der beiden Doppelunterbrecher und die Brücke 34 der übereinander angeordneten Schaltkammern 11a, 11b, bildet eine mechanische Einheit. Diese gemeinsame Brückenanordnung erlaubt eine kompakte Gestaltung des Schalters. Die gemeinsame Brückenanordnung 3 kann beispielsweise aus Plastik gefertigt sein, damit die elektrische Isolation zwischen den Schaltkammern 11a, 11b gewährleistet ist. Die zwischen den ersten und zweiten Kontaktbereichen brennenden Lichtbögen 5 der übereinander angeordneten Schaltkammern 11a, 11b werden entlang der Bewegungsrichtung T in Abhängigkeit von der Magnetfeldrichtung und der Stromrichtung im Lichtbogen 5 immer in eine der ersten Löschkammer 41 und damit von der Brückenanordnung 3 weg getrieben (hier ist exemplarisch nur 1 der Löschkammer 41 aus Gründen der Übersichtlichkeit dargestellt). Die Anschlussklemmen 12 dienen zum Anschluss der Schaltkammern 11a, 11b an einen Stromkreis.

Bezugszeichenliste

1: Schalter gemäß der vorliegenden Erfindung
11a, 11b: Schaltkammern
12: Anschlussklemmen der Schaltkammern
2: unbeweglicher Kontakt
21,22: erste Kontaktbereiche
23: Rückseite der unbeweglichen Kontakte
3: Brückenanordnung
30: bewegliches Kontaktstück
31, 32: zweite Kontaktbereiche
33: Feder der Brückenanordnung
34: Brücke
35: Wand der Brücke
41: erste Löschkammer
42: zweite Löschkammer
43: Kühlblech
5: Lichtbögen
6: erstes Lichtbogenleitblech
7: zweites Lichtbogenleitblech
81, 82: Magnete, bevorzugt Permanentmagnete
9: Löschblech
BA: Bewegungsachse des beweglichen Kontaktstücks
I: Stromrichtung im Lichtbogen
M: Magnetfeld
F: Lorenzkraft auf den Lichtbogen
T: Bewegungsrichtung des Lichtbogens
ZA: getrennter Schalter (AUS-Zustand)

Claims

Ein Schalter (1) geeignet für einen polaritätsunabhängigen mehrpoligen Gleichstrombetrieb mit mindestens zwei Schaltkammern (11a, 11b), wobei jede der Schaltkammern (11a, 11b) einen Doppelunterbrecher mit zwei separaten unbeweglichen Kontakten (2) mit jeweils einem ersten Kontaktbereich (21, 22), einem beweglichen elektrisch leitfähigen Kontaktstück (30) mit zwei zweiten Kontaktbereichen (31, 32) zur jeweiligen Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen den ersten und zweiten Kontaktbereichen (21, 22, 31, 32) im EIN-Zustand des Schalters (1) und zum Trennen der ersten und zweiten Kontaktbereiche (21, 22, 31, 32) im AUS-Zustand des Schalter (1) und mindestens zwei Löschvorrichtungen (41, 42, 43) zum Löschen von Lichtbögen (5), die beim Herstellen des AUS-Zustands zwischen den ersten und zweiten Kontaktbereichen (21, 22, 31, 32) auftreten können, umfasst; sowie mindestens zwei Magnete (71, 72) zur Erzeugung eines magnetischen Feldes (M) zumindest im Bereich der ersten und zweiten Kontaktbereiche (21, 22, 31, 32) der Schaltkammern (11a, 11b) zur Ausübung einer magnetischen Kraft (F) auf die Lichtbögen (5), so dass mindestens einer der Lichtbögen (5) unabhängig von der Stromrichtung (I) im Lichtbogen (5) in Richtung einer der Löschvorrichtungen (41, 42, 43) getrieben wird, wobei die Kontaktstücke (30) der Schaltkammern (11a, 11b) so angeordnet sind, dass sich die zweiten Kontaktbereiche (31, 32) in einer Linie im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung (T) der Lichtbögen (5) befinden, wobei mindestens zwei der Schaltkammern (11a, 11b) in einer Ebene angeordnet sind und sich zwei weitere Löschvorrichtungen (42, 43) zu den anderen ersten und zweiten Kontaktbereichen (22, 32) erstrecken, wobei mindestens eine der beiden Löschvorrichtungen (42, 43) als zweite Löschkammer (42) ausgeführt ist und sich zweite Lichtbogenleitbleche (7) von der zweiten Löschkammer (42) zu den ersten und zweiten Kontaktbereichen (22, 32) erstrecken.
Der Schalter (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem der Schaltkammern (11a, 11b) sich erste Lichtbogenleitbleche (6) in zwei entgegengesetzte Richtungen jeweils von mindestens einem der ersten Kontaktbereiche (21) und dem entsprechenden zweiten Kontaktbereich (31) zu zwei jeweils am Ende der Lichtbogenleitbleche (6) angeordneten Löschvorrichtungen ausgeführt als erste Löschkammern (41) erstrecken.
Der Schalter (1) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Magnete (71, 72) zumindest entlang der ersten Lichtbogenleitbleche (6) bis zu den ersten Löschkammern (41) erstrecken, bevorzugt über die ersten Löschkammer (41) hinaus erstrecken.
Der Schalter (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (71, 72) als mindestens zwei plattenförmige Magnete ausgeführt sind, deren Flächen parallel zueinander angeordnet sind.
Der Schalter (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (71, 72) seitlich außerhalb der Schaltkammern (11a, 11b) so angeordnet sind, dass sie ein im Wesentlichen homogenes magnetisches Feld (M) zumindest im Bereich der ersten und zweiten Kontaktbereiche (21, 22, 31, 32) der Doppelunterbrecher mehrerer Schaltkammern (11a, 11b) erzeugen.
Der Schalter (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Schaltkammern (11a, 11b) eine gemeinsame Brückenanordnung (3) zur Bewegung der Kontaktstücke (30) mit einer gemeinsamen Brücke (34) zur Führung der Kontaktstücke (30) und zur elektrischen Isolierung der Schaltkammern (11a, 11b) gegeneinander besitzen.
Der Schalter (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die andere der beiden Löschvorrichtungen (42, 43) als Kühlblech (43) ausgeführt ist, das sich vom Kontaktstück (30) entlang der Bewegungsachse (BA) des Kontaktstücks (30) um den ersten Kontaktbereich (22) herum zu der vom Kontaktstück (30) abgewandte Rückseite des unbeweglichen Kontakts (2) erstreckt, bevorzugt mit einem sich entlang der Bewegungsrichtung (T) des Lichtbogens vergrößernden Abstand (A) zwischen dem Kühlblech (43) und der Rückseite des unbeweglichen Kontakts (2).
Der Schalter (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Löschklammer (42) kleinere Abmaße als die erste Löschkammer (41) besitzt und in einem kleineren Abstand zum Kontaktstück (30) als die erste Löschkammer (41) angeordnet ist.
Der Schalter (1) gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstücke (30) der Doppelunterbrecher in einer Ebene so versetzt zueinander angeordnet sind, so dass die Kühlbleche (43) benachbarter Schaltkammern (11a, 11b) durch eine gemeinsame Wand (35) der Brücke (34) im Wesentlichen parallel zu den Kontaktstücken (30) voreinander getrennt sind.
Der Schalter (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Schaltkammern (11a, 11b) übereinander angeordnet sind.
Der Schalter (1) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich die ersten Lichtbogenleitbleche (6) für jede der zwei entgegengesetzten Richtungen in die ersten Löschkammern (41) erstrecken.
Der Schalter (1) gemäß Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsachsen (BA) der jeweiligen Kontaktstücke (30) zwischen den Lichtbogenleitblechen (6) verlaufen, bevorzugt dass sich die Bewegungsachsen (BA) der jeweiligen Kontaktstücke (30) decken.
Der Schalter (1) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die übereinander angeordneten Schaltkammern (11a, 11b) eine gemeinsame Brückenanordnung (3) zur Bewegung der Kontaktstücke (30) mit einer gemeinsamen Brücke (34) zur Führung der Kontaktstücke (30) und zur elektrischen Isolierung der Schaltkammern (11a, 11b) gegeneinander besitzen.