EP3175466B1

EP3175466B1 - Elektrischer schalter, insbesondere für hohe spannungen und/oder hohe ströme

Info

Publication number: EP3175466B1
Application number: EP15754106.1A
Authority: EP
Inventors: Peter Lell
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-07-30
Filing date: 2015-07-30
Publication date: 2019-09-11
Anticipated expiration: 2035-07-30
Also published as: EP3175466A2; WO2016015719A2; SI3175466T1; US20170229267A1; WO2016015719A3; KR20170030647A; DE102014110825A1; US10236148B2; JP2017525114A

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schalter, insbesondere für hohe Spannungen und/oder hohe Ströme, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Für das Schalten von hohen Spannungen und ggf. zusätzlich hohen Strömen finden elektrische Schalter Verwendung, bei denen ein Schaltglied linear aus einer Ausgangsposition in eine Endposition bewegt wird, um den gewünschten Schaltvorgang auszulösen, beispielsweise um zwei in der Ausgangsposition voneinander elektrisch isolierte Anschlusskontakte einer Kontakteinheit in der Endposition des Schaltglieds zu verbinden.
Beispielsweise ist aus der DE 10 2010 010 669 A1 ein Schalter zum Überbrücken von Submodulen eines Umrichters bekannt, bei dem auf eine Vakuumschaltröhre verzichtet wird. Dies wird dadurch erreicht, dass das Schaltglied des Schalters pyrotechnisch angetrieben wird, wodurch derart hohe Bewegungsgeschwindigkeiten für das Schaltglied erreicht werden, dass auch längere Schaltwege realisierbar sind, die durch den Verzicht auf das Anordnen der Kontakte in einem Hochvakuum nötig werden, um die erforderlichen Isolationsabstände einzuhalten. Die pyrotechnische Antriebseinheit umfasst hier elektrisch leitende Außenwandungen, innerhalb welcher ein teleskopartig verschiebbares Verschiebeelement angeordnet ist. Bei einem Zünden einer pyrotechnischen Treibladung wird das Verschiebeelement an der rückwärtigen Seite mit dem Gasdruck beaufschlagt, welcher durch die Treibladung erzeugt wird, und unter Aufrechterhaltung des Gasdrucks bis an einen feststehenden Kontakt bewegt. Der zuvor unterbrochene Kontakt zwischen der elektrischen Außenwandung des Antriebs und dem feststehenden Kontakt wird dadurch geschlossen, wobei die elektrische Verbindung über die Außenwandung des Antriebs, das damit auch in der Endposition elektrisch verbundene Verschiebeelement und den feststehenden Kontakt verläuft.
Nachteilig hierbei ist, dass bei einer derartigen Konstruktion des pyrotechnischen Antriebs nur ein relativ begrenzter Schaltweg und damit nur ein begrenzter Isolationsabstand realisierbar ist, der in der Ausgangsposition zur Verfügung steht. Zudem ist mit der teleskopartigen Anordnung des Verschiebeelements innerhalb der ortsfesten Wandungen des Antriebs nur ein zweipoliger Schalter mit Schließfunktion realisierbar.
Aus der WO 2009/041064 A1 ist eine elektrische Unterbrechervorrichtung zum Auftrennen eines Stromkreises bekannt, welche ein Sockelteil, welches einen Gas erzeugenden Antrieb beinhaltet, und ein in der Ausgangsstellung im Sockelteil aufgenommenes Steckerteil umfasst. Der Stromfluss in dem aufzutrennenden Stromkreis verläuft über das Steckerteil und das Sockelteil. In der Ausführungsform nach Fig. 1 A und B wird das Steckerteil nach dem Aktivieren des Antriebs mittels eines durch den Gasdruck angetriebenen Kolben aus dem Sockelteil herausbewegt, wodurch der Stromkreis aufgetrennt wird. Der Kolben verbleibt in einer Endstellung innerhalb des Sockelteils. Diese Unterbrechervorrichtung ermöglicht jedoch nur das Auftrennen eines Stromkreises. Nachdem der Kolben des Antriebs seine Endstellung erreicht hat, bewegt sich das Steckerteil infolge der zu diesem Zeitpunkt vorhandenen kinetischen Energie weiter und durchläuft eine freie Bewegungsphase, während der elektrische Kontakt zwischen dem Steckerteil und dem Sockelteil aufgetrennt wird. In den Ausführungsformen nach den Fig. 2 bis 10 (jeweils A und B) wird das Sockelteil bereits in der Ausgangsstellung von einem Kolben beaufschlagt und die Beaufschlagung wird während der Beschleunigungsphase (nach dem Aktivieren des Antriebs) bis zum Erreichen einer Endposition des Steckerteils, in welcher kein elektrischer Kontakt mehr zwischen dem Steckerteil und dem Sockelteil gegeben ist, aufrechterhalten. In der Endposition bleibt das Steckerteil mechanisch mit dem Sockelteil verbunden. Das Trennen des Steckerteils vom Sockteil erfolgt nicht geführt und damit undefiniert.
Die DE 197 12 387 A1 offenbart ein pyrotechnisches Schaltelement für elektrische Stromkreise, das versehen ist mit (i) mindestens einem Stromleiter, der zwei durch einen Zwischenraum voneinander getrennt angeordnete Stromleiterabschnitte aufweist, und (ii) mindestens einem infolge der Zündung einer pyrotechnischen Ladung bewegbaren Überbrückungselement, das in einer Ausgangsposition vor Zündung der pyrotechnischen Ladung von mindestens einem der beiden Stromleiterabschnitte getrennt angeordnet ist und in einer Überbrückungsposition nach Zündung der pyrotechnischen Ladung in elektrischem Kontakt mit beiden Stromleiterabschnitten steht.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Schalter, insbesondere für hohe Spannungen und/oder hohe Ströme, zu schaffen, der größere Schaltwege aufweist und der hinsichtlich der Anzahl der Kontakte und der Art der Schaltvorgänge - öffnende oder schließende Schaltvorgänge-variabel ausgestaltet werden kann.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass das Schaltglied während einer Beschleunigungsphase mittelbar oder unmittelbar vom Antrieb beschleunigt werden kann und anschließend bis zum Erreichen der Endposition eine freie Bewegungsphase durchläuft. Hierdurch ergeben sich größere Freiheitsgrade bei der Ausgestaltung des Schalters, insbesondere lassen sich größere Schaltwege und Isolationsabstände realisieren.
Das Schaltglied und die Kontakte ermöglichen bei geeigneter Auslegung auch das praktisch gleichzeitige Öffnen und/oder Schließen mehrerer Kontakte.
Nach der Erfindung werden die Antriebskräfte während der Beschleunigungsphase nicht unmittelbar auf das Schaltglied übertragen, sondern mittelbar über ein Impulsübertragungselement. Dabei wird zunächst das mit dem Antrieb unmittelbar gekoppelte Impulsübertragungselement auf eine vorbestimmte kinetische Energie bzw. einen vorbestimmten Impuls beschleunigt und anschließend vom Antrieb abgekoppelt. Das Impulsübertragungselement kann dann eine freie Bewegungsphase durchlaufen, bevor es gleich einem Projektil auf das Schaltglied trifft und zumindest einen wesentlichen Teil seines Impulses auf das Schaltglied überträgt. Das Schaltglied wird hierdurch auf eine bestimmte kinetische Energie bzw. einen bestimmten Impuls beschleunigt, die bzw. der so gewählt ist, dass sich eine ausreichende Schaltgeschwindigkeit ergibt. Bei dieser Variante ist also der eigentliche Antrieb immer vom Schaltglied entkoppelt und beschleunigt nur das Impulsübertragungselement. Der Antrieb kann daher auch weiter entfernt vom Schaltglied positioniert werden. Dies ermöglicht beispielsweise das Realisieren von Schaltern, bei denen die Kontakteinheit auf einem hohen Potential liegt und zwischen den Kontakten nur eine Teilspannung einer Gesamtspannung anliegen kann. Der Antrieb muss in diesem Fall nicht ebenfalls auf dem hohen Potential angeordnet werden, sondern kann sich auf einem niedrigeren oder sogar Nullpotential befinden. Das Schaltglied wird bei diesen Ausführungsformen durch Impulsübertragung auf eine gewünschte kinetische Energie bzw. einen gewünschten Impuls beschleunigt, der ausreicht, um die geforderte Schaltzeit zu realisieren.
Der Antrieb kann vorzugsweise als pyrotechnischer Antrieb ausgebildet sein, bei welchem ein Gas erzeugendes Material ansteuerbar aktiviert wird. Hierbei können auch Stoffe zum Einsatz kommen, die bei Aktivierung einfach in Gas zerfallen, wie beispielsweise Tetrazen, auch detonativ umsetzende Stoffe sind hier prinzipiell möglich, wenn besonders schnelle Vorgänge gewünscht oder gefordert werden. Dabei sei erwähnt, dass in der Pyrotechnik weltweit von einer detonativen Umsetzung gesprochen wird, wenn Flammfrontgeschwindigkeiten von definitionsgemäß mehr als 2000 m/s erreicht werden. Allerdings wird die Verwendung eines detonativ umsetzenden Materials meist aus Sicherheitsgründen bei der Herstellung des Antriebs bzw. dessen Handhabung nur in Ausnahmefällen in Frage kommen. Die erforderlichen sehr kurzen Schaltzeiten lassen sich auch mit nicht-detonativ umsetzenden, d.h. deflagrierenden Materialien erreichen. Typisch hiermit erreichbare Schaltzeiten liegen zwischen 0,5 bis 2 ms, bei geometrisch sehr großen Schaltern zwischen 2 ms und 20 ms, wobei die Geschwindigkeit des Schaltglieds bzw. der Impulsübertragungsmasse hierbei zwischen 20 m/sec und 1000 m/sec liegt.
Der Antrieb kann auch in jeder anderen geeigneten Weise realisiert sein, insbesondere auch als elektrodynamischer Antrieb, bei dem mittels einer Spule, die mit einem kurzen Stromstoß beaufschlagt wird, ein "Magnetfeldimpuls" erzeugt wird, der in einem metallischen, nicht magnetischen Antriebselement Wirbelströme erzeugt, die ihrerseits ein dem antreibenden Magnetfeldimpuls entgegen gerichtetes Magnetfeld erzeugen, das zu einem Abstoßen des Antriebselements führt. Auch auf diese Weise lassen sich entsprechend hohe Antriebskräfte erzeugen, die das Antriebselement derart beschleunigen, dass eine gewünschte kinetische Energie bzw. ein gewünschter kinetischer Impuls erreicht wird.
Der Antrieb kann unabhängig vom Beschleunigungsmechanismus, wie z.B. eine Beschleunigung durch Kräfte, die auf elektrodynamische oder pyrotechnische Art erzeugt werden, als Einheit ausgebildet sein. In diesem Fall weist der Antrieb ein Antriebselement auf, welches die beschleunigenden Kräfte mittelbar oder unmittelbar auf das Schaltglied überträgt. Der Antrieb ist in diesem Fall so ausgestaltet, dass das Antriebselement auch nach dem Auslösen des Antriebs im Antrieb verbleibt. Vorzugsweise ragt das Antriebselement auch während oder nach dem Auslösen des Antriebs nicht aus dem Gehäuse des Antriebs heraus. Hierdurch ergibt sich eine zusätzliche Sicherheit bei der Montage oder einem Hantieren mit der Antriebseinheit, insbesondere bei einem versehentlichen Auslösen.
Es ist jedoch ebenfalls möglich, das Impulsübertragungselement selbst als Antriebselement zu verwenden, welches von den Antriebskräften beaufschlagt wird.
Wie bereits vorstehend beschrieben, beschleunigt der Antrieb ein Impulsübertragungselement bei Auslösen eines Schaltvorgangs durch eine Aktivierung des Antriebs in Richtung auf das Schaltglied, wobei das Impulsübertragungselement anschließend vom Antrieb entkoppelt wird, so dass das Impulsübertragungselement mit einem vorgegebenen Impuls eine Freiflugphase durchläuft und zumindest einen solchen Teil des Impulses auf das Schaltglied überträgt, dass das Schaltglied aus der Ausgangsposition in die Endposition bewegt wird. Hier kann eine entsprechende mechanische Kopplung, beispielsweise über eine Presspassung, zwischen dem Impulsübertragungselement und einem Antriebselement verwendet werden. Auch eine einstückige Ausbildung von Impulsübertragungselement und Antriebselement mit einer Sollbruchstelle zwischen den beiden Teilen ist möglich.
In einer Ausgestaltung der Erfindung können das Impulsübertragungselement und das Schaltglied derart beschaffen sein, dass sich das Impulsübertragungselement beim Auftreffen auf das Schaltglied mit diesem verbindet, insbesondere verschweißt, und zusammen mit dem Schaltglied aus der Ausgangsposition in die Endposition bewegt wird.
Zumindest dann, wenn das Schaltglied ohne wesentliche oder gegenüber den durch das Auftreffen des Impulsübertragungselements erzeugten Beschleunigungskräften vernachlässigbaren Haltekräften in seiner Ausgangsposition gehalten ist, kann der sich für die gesamte Einheit von Schaltglied und Impulsübertragungselement ergebende Impuls nach der Beschleunigungsphase nach der Beziehung für den vollständig unelastischen Stoß ermittelt werden.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann das Schaltglied, in seiner Bewegungsrichtung gesehen, aus wenigstens einem Kontaktteil aus einem elektrisch leitenden Material und wenigstens einem Isolatorteil aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen, beispielsweise aus einem, in Bewegungsrichtung gesehen, vorderen Kontaktteil und einem hinteren Isolatorteil. Hierdurch lassen sich mit einem einzigen Schaltglied mehrere Schaltvorgänge gleichzeitig durchführen, wobei die erforderlichen Isolationsabstände eingehalten werden können.
Die Kontakteinheit und das Schaltglied können so ausgebildet sein, dass das Schaltglied in der Endposition mit dem wenigstens einen Isolatorteil derart in einem Kontakt der Kontakteinheit gehalten ist, dass ein minimal erforderlicher Isolationsabstand zwischen dem Kontaktteil und dem Kontakt gegeben ist. Dabei kann das wenigstens eine Isolatorteil auch das, in Bewegungsrichtung gesehen, hintere Ende des Schaltglieds bilden. In diesem Fall dient das Isolatorteil dazu, das Schaltglied auch in seinem hinteren Bereich sicher in der Kontakteinheit zu halten bzw. zu fixieren.
In einer Ausgestaltung kann das Schaltglied einen Stopp-Bereich aufweisen, der vorzugweise am - in Bewegungsrichtung gesehen - vorderen Ende des Schaltglieds vorgesehen und so ausgebildet ist, dass das Schaltglied am Ende der freien Bewegungsphase bis zum Erreichen der Endposition abgebremst wird, wobei der Stopp-Bereich hierzu mit einem separaten ortsfesten Bremselement der Kontakteinheit oder einem als Bremselement ausgebildeten Bremskontakt der Kontakteinheit zusammenwirkt.
Der Stopp-Bereich kann mit einem im Bremselement oder im Bremskontakt vorgesehenen Durchbruch zusammenwirken, welcher bezogen auf die Bewegungsrichtung und die Längsachse des Schaltglieds koaxial im Bremselement oder im Bremskontakt vorgesehen ist, wobei der Stoppbereich zumindest während einer Stopp-Phase bis zum Erreichen der Endposition in den Durchbruch eingreift.
Der Stopp-Bereich kann dabei einen radialen Anschlagsflansch oder ein oder mehrere, sich radial nach außen erstreckende Anschlagsvorsprünge aufweisen, welche mit einer den Durchbruch im Bremselement oder im Bremskontakt umgebenden Wandung zur Begrenzung der axialen Bewegung des Schaltglieds in der freien Bewegungsphase zusammenwirken. Dabei ergibt sich aber ein plötzlicher Stopp-Vorgang mit einem entsprechenden Schlag auf das Bremselement, der sich natürlich auch auf die übrige Kontakteinheit übertragen kann, wenn die Kontakteinheit beispielsweise auf einer gemeinsamen Basis angeordnet ist, um die Abstände der Kontakte einzuhalten.
In einer anderen Ausführungsform kann der Stopp-Bereich einen sich in Richtung auf das vordere Ende des Schaltglieds konisch verjüngenden Bereich aufweisen, welcher mit der Innenwandung des Durchbruchs im Bremselement oder im Bremskontakt zum Abbremsen der axialen Bewegung des Schaltglieds in der freien Bewegungsphase zusammenwirkt, wobei auch die Innenwandung des Durchbruchs, bezogen auf die Längsachse und die Bewegungsrichtung des Schaltglieds, sich konisch verjüngend ausgebildet ist, wobei der Konuswinkel der Innenwandung des Durchbruchs vorzugsweise gleich oder größer, d.h. sich stärker verjüngend, ausgebildet ist als der Konuswinkel des sich verjüngenden Bereichs des Schaltglieds. Hierdurch ergibt sich eine weniger starke Verzögerung beim Abbremsen des Schaltglieds als im Fall eines Anschlags.
Der Stopp-Bereich kann in seinem Umfang und/oder der Durchbruch in seiner Innenwandung eine Strukturierung aufweisen, die so ausgebildet ist, dass sich bei einem Eingreifen des Stopp-Bereichs in den Durchbruch bei der Schaltbewegung des Schaltglieds ein Materialfluss ergibt, der vorzugsweise zum Verschweißen des Stopp-Bereichs mit dem Kontakt führt.
Der Stopp-Bereich kann insbesondere axial verlaufende Nuten oder axial verlaufende und sich radial nach außen erstreckende Vorsprünge aufweisen, deren axial verlaufende Außenflächen sich jeweils auf einem gedachten Konus befinden, der sich in Richtung auf das vordere Ende des Schaltglieds verjüngt. In einer anderen Ausführungsform oder zusätzlich kann die Innenwandung des Durchbruchs axial verlaufende Nuten oder axial verlaufende und sich radial nach innen erstreckende Vorsprünge aufweisen, deren axial verlaufende Innenflächen sich jeweils auf einem gedachten Konus befinden, der sich in der Richtung der Bewegung des Schaltglieds verjüngt, wobei die Geometrie des Stopp-Bereichs und des Durchbruchs und das Material zumindest der Vorsprünge so beschaffen ist, dass sich beim Abbremsen des Schaltglieds ein Materialfluss ergibt.
In einer anderen Variante kann im Stopp-Bereich ein axial verschiebbarer, vorzugsweise geschlitzter Ring vorgesehen sein, der so ausgebildet ist und so mit dem Durchbruch im Bremselement oder Bremskontakt zusammenwirkt, dass sich während der Stopp-Phase mit fortschreitender axialer Bewegung des Schaltglieds bzw. des Kontaktteils ein zunehmender radialer Anpressdruck zwischen der Innenwandung des Durchbruchs und der Außenwandung des Schaltglieds bzw. Kontaktteils im Stopp-Bereich ergibt, wodurch eine axiale Bremswirkung bis zum Erreichen der Endposition erzeugt wird.
Der Stopp-Bereich und der Durchbruch können dabei hinsichtlich der Geometrie und der Materialien so ausgebildet und so auf die kinetische Energie des abzubremsenden Schaltglieds abgestimmt sein, dass sich beim Abbremsen des Schaltglieds ein Verschweißen zumindest eines Teilbereichs des Stopp-Bereichs mit dem Bremselement oder dem Bremskontakt ergibt. Hierdurch ergibt sich ein dauerhafter und sicherer mechanischer und elektrischer Kontakt zwischen dem Schaltglied und dem Bremselement bzw. dem als Bremselement wirkenden Kontakt.
Derartige Strukturen im Stopp-Bereich und/oder im Durchbruch eines Bremskontakts können auch unabhängig von weiteren Merkmalen, die den Antrieb oder das übrige Schaltglied (auch hinsichtlich deren Funktionalität) betreffen, eingesetzt werden, um einen Schalter zu schaffen, der das sichere Schließen eines elektrischen Kontakts bewirkt. Insbesondere die Verbindung eines solchen Bremskontakts mit einem weiteren Kontakt, in dessen Durchbruch für das Schaltglied ein Multikontakt (siehe unten) eingesetzt ist, führt zu einem Schalter, der einen hervorragende und langzeitstabilen elektrischen Kontakt gewährleistet. Selbstverständlich kann ein Schalter mit diesem Kernmerkmal der Verwendung von solchen Strukturen im Stopp-Bereich und/oder im Durchbruch eines Bremskontakts auch weitere Merkmale aufweisen, die vorstehend oder nachstehend in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschrieben sind.
Das Schaltglied kann in der Ausgangsposition und in der Endposition einen oder mehrere Kontakte in einem Durchbruch durchgreifen, wobei für das Herstellen eines elektrischen Kontaktes an der Innenwandung jedes Durchbruchs mehrere, über den Innenumfang verteilte, federnd ausgebildete Kontaktelemente vorgesehen sind, welche den Außenumfang des Schaltglieds beaufschlagen. Für diese Kontaktierungsart können im Handel erhältliche Fertigprodukte eingesetzt werden, die auch als Multikontakt-Elemente bezeichnet werden und lösbare elektrische Steckverbindungen realisieren. Diese umfassen üblicherweise in Nuten eingesetzte federnde Kontaktelemente. Die Nuten verlaufen üblicherweise in axialer Richtung in der Innenwandung eines Durchbruchs, welchen das Schaltglied in der Kontaktstellung durchgreift. Ein derartiges Multikontakt-Element kann als ringförmiges Einsatzteil ausgebildet sein, welches in einen entsprechenden Durchbruch in dem betreffenden Kontakt der Kontakteinheit derart eingesetzt ist, dass sich ein minimaler elektrischer Übergangswiderstand zwischen dem Kontakt und dem ringförmigen Einsatzteil ergibt und das Einsatzteil bzw. der Multikontakt fest im Kontakt gehalten ist. Solche Multikontaktverbindungen ermöglichen äußerst geringe Übergangswiderstände, sind kontaktsicher und langzeitstabil.
Die Verwendung der allgemeinen Struktur eines stabförmigen Schaltglieds, welches mit wenigstens zwei Kontakten zusammenwirkt, die jeweils einen Durchbruch für das Schalglied aufweisen, um in einer Schaltstellung des Schaltglieds einen Kontakt zwischen dem betreffenden Kontakt und dem Schaltglied herzustellen und in einer anderen Schaltstellung den Kontakt zu unterbrechen, kann ebenfalls unabhängig von weiteren Merkmalen, die den Antrieb oder das übrige Schaltglied (auch hinsichtlich deren Funktionalität) betreffen, eingesetzt werden, um eine flexible Ausgestaltung des Schalters hinsichtlich der Funktion als Schließer, Öffner und/oder Wechsler und/oder Abzweigschalter zu ermöglichen. Hierzu müssen lediglich die Anzahl und die Positionen der Kontakte in Bezug auf das Schaltglied (unter Berücksichtigung dessen Länge und Ausgestaltung hinsichtlich der Anzahl und der jeweiligen Länge der Kontaktteile und Isolatorteile des Schaltglieds) so gewählt werden, dass sich die gewünschte Funktionalität ergibt. Zur Auslegung des Schalters in dieser Hinsicht muss also gewährtleistet sein, dass bei einer gegebenen Anzahl von Kontakten jeweils in der Ausgangsstellung und Endstellung die gewünschten Kontakte über das Schaltglied elektrisch verbundenen bzw. nicht verbunden sind.
Selbstverständlich kann auch ein Schalter mit diesem Kernmerkmal auch weitere Merkmale aufweisen, die vorstehend oder nachstehend in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschrieben sind.
Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei die Varianten gemäß den Fig. 1, 3 bis 8, 10 und 11 Antriebe aufweisen, die nicht vom Gegenstand der beanspruchten Erfindung umfasst sind, jedoch dienen diese Figuren zur Erläuterung der Erfindung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung eines als einpoliger Öffner ausgebildeten elektrischen Schalters mit einem das Schaltglied unmittelbar antreibenden pyrotechnischen Antrieb, wobei das Schaltglied in der Ausgangsposition (Fig. 1a) und der Endposition (Fig. 1b) dargestellt ist;
Fig. 2: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines als einpoliger Öffner ausgebildeten elektrischen Schalters nach der Erfindung mit einem das Schaltglied mittelbar über ein Impulsübertragungselement antreibenden pyrotechnischen Antrieb, wobei das Schaltglied in der Ausgangsposition (Fig. 2a) und der Endposition (Fig. 2b) dargestellt ist;
Fig. 3: eine schematische Darstellung ähnlich des Beispiels in Fig. 1, wobei der Antrieb als elektrodynamischer Antrieb ausgebildet ist;
Fig. 4: eine schematische Darstellung eines als einpoliger Abzweigschalter ausgebildeten elektrischen Schalters mit einem das Schaltglied unmittelbar antreibenden elektrodynamischen Antrieb, wobei das Schaltglied in der Ausgangsposition (Fig. 4a) und der Endposition (Fig. 4b) dargestellt ist;
Fig. 5: eine schematische Darstellung eines als einpoliger Wechselschalter ausgebildeten elektrischen Schalters mit einem das Schaltglied unmittelbar antreibenden elektrodynamischen Antrieb, wobei das Schaltglied in der Ausgangsposition (Fig. 5a) und der Endposition (Fig. 5b) dargestellt ist;
Fig. 6: eine schematische Darstellung ähnlich des Beispiels in Fig. 5, wobei der Stopp-Bereich des Schaltglieds einen radialen Anschlagsflansch aufweist;
Fig. 7: eine schematische Darstellung ähnlich des Beispiels in Fig. 6, wobei der elektrodynamische Antrieb ein Hebelgetriebe umfasst;
Fig. 8: eine schematische Darstellung ähnlich des Beispiels in Fig. 6, wobei der Antrieb ein Federelement als Energiespeicher umfasst;
Fig. 9: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung ähnlich der Ausführungsform in Fig. 2, wobei die Kontakteinheit in ein einem dichten Gehäuse angeordnet ist;
Fig. 10: eine schematische Darstellung eines nicht beanspruchten Beispiels ähnlich der Ausführungsform in Fig. 9, wobei der Antrieb das Schaltglied direkt über eine Gehäusemembran beaufschlagt;
Fig. 11: eine schematische Darstellung ähnlich des Beispiels in Fig. 1, wobei der Schalter ein dichtes Gehäuse aufweist, in welchem der Antrieb, die Kontakteinheit und das Schaltglied angeordnet sind;
Fig. 12: eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung ähnlich der Ausführungsform in Fig. 2, wobei das Schaltglied mit seinem rückwärtigen Ende in eine Sackausnehmung im rückwärtigen Kontakt eingepresst ist;
Fig. 13: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform ähnlich der Ausführungsform in Fig. 12, wobei das Schaltglied einstückig mit den beiden Kontakten ausgebildet ist und zwischen dem Schaltglied und den Kontakten Sollbruchstellen vorgesehen sind;
Fig. 14: einen Längsschnitt durch ein Schaltglied mit strukturierten Stopp-Bereichen;
Fig. 15: eine Schnittdarstellung eines Bremskontakts oder eines separaten Bremselements mit einem strukturierten Durchbruch zur Aufnahme des Stopp-Bereichs eines Schaltglieds; und
Fig. 16: eine schematische Darstellung eines Bremskontakts oder eines separaten Bremselements und eines vorderen Endes eines Schaltglieds mit einem ringförmigen, konischen Bremselement in einer Position vor dem Eingreifen des Schaltglieds in einen Durchbruch des Bremskontakts oder des separaten Bremselements (Fig. 16a) und in einer Endposition des Schaltglieds.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer eines elektrischen Schalters 1, der zwei Kontakte 3, 5, ein Bremselement 7, ein Schaltglied 9 und einen Antrieb 11 für das Schaltglied 9 aufweist, der bei dieser Ausführungsform als pyrotechnischer Antrieb 11 ausgebildet ist. Bei dem dargestellten Beispiel sind die einzelnen Komponenten des elektrischen Schalters 1 über Verbindungselemente 13 verbunden, so dass zwischen den einzelnen Komponenten jeweils ein vorgegebener Abstand eingehalten wird. Selbstverständlich kann eine beliebige Anzahl von Verbindungselementen 13 vorgesehen sein. Auch die jeweilige Position ist variabel, solange die Funktionalität der Verbindungselemente 13 gewährleistet ist.
An dieser Stellte sei darauf hingewiesen, dass die exakte Form und Struktur der einzelnen Komponenten selbstverständlich von den jeweils in der gesamten Zeichnung dargestellten Varianten abweichen kann, solange die jeweilige Funktion gewährleistet ist. Bei den Figuren handelt es sich im vorliegenden Fall lediglich um schematische Figuren, die zur Erläuterung der Funktion des betreffenden Schalters dienen.
Der in Fig. 1 dargestellte pyrotechnische Antrieb 1 weist ein Antriebselement 15 auf, welches das rückwärtige Ende des stabförmig ausgebildeten Schaltglieds 9 beaufschlagt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist das rückwärtige Ende des Schaltglieds 9 einen axialen Verbindungszapfen 17 auf, der in eine entsprechende Sackausnehmung in der Frontseite des als Kolben wirkenden Antriebselements 15 eingreift. Diese Verbindung dient dazu, das Schaltglied in der Fig. 1 dargestellten Ausgangsposition des elektrischen Schalters 1 zu fixieren, um ein unbeabsichtigtes Verschieben des Schaltglieds 9 zu vermeiden.
Das Antriebselement 15 des Antriebs 11 ist in einem Gehäuse 19 in axialer Richtung des Schaltglieds 9 verschiebbar angeordnet. Fig. 1a zeigt dabei das Antriebselement 15 in seiner Ausgangsposition. In dieser Position ist das Antriebselement 11 seinerseits über ein Haltemittel 21 mit dem Gehäuse 19 bzw. einem damit fest verbundenen Teil des Antriebs 11 verbunden. Das Haltemittel 21 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als stiftförmiges Element ausgebildet, welches in einer axialen Ausnehmung in der rückwärtigen Stirnseite des Antriebselements 15 und einer Ausnehmung in der Frontseite eines mit dem Gehäuse fest verbundenen Teils 23 aufgenommen ist. Die Aufnahme des stiftförmigen Haltemittels 21 ist dabei so beschaffen, dass das Haltemittel 21 das Antriebselement 15 erst dann freigibt, wenn eine bestimmte minimale axiale Auslösekraft auf das Antriebselement 15 in Richtung auf das Schaltglied 9 wirkt. Hierzu kann das stiftförmige Haltemittel 21 in die beiden Ausnehmungen eingepresst, eingeschraubt oder eingeklebt sein.
Bei Erreichen der Auslösekraft wird das Haltemittel 21 aus einer der beiden Ausnehmungen herausgerissen. In einer anderen Variante kann das Haltemittel 21 jedoch auch so ausgebildet sein, dass es eine Sollbruchstelle, beispielsweise mittig zwischen dem Antriebselement 15 und dem Gehäuseteil 23, aufweist. In diesem Fall wird die Sollbruchstelle und die Befestigung des Haltemittels 21 in den beiden Aufnahmeausnehmungen so ausgeführt, dass bei Erreichen der Auslösekraft das Haltemittel 21 an seiner Sollbruchstelle reißt und das Antriebselement 15 freigibt.
Bei der in Fig. 1 dargestellten pyrotechnischen Ausführung des Antriebs 11 wird durch das Haltemittel 21 somit auch eine gewünschte Verdämmung gewährleistet. Hierdurch ist gewährleistet, dass die Bewegung des Antriebselements 15 und damit des Schaltglieds 9 erst dann beginnt, wenn eine gewisse Mindestkraft, nämlich die Auslösekraft zum Freigeben des Haltemittels 21 erreicht ist.
Selbstverständlich kann das Haltemittel 21 auch auf jede beliebige andere geeignete Weise realisiert sein, beispielsweise durch eine Crimpverbindung zwischen dem Antriebselement und dem Gehäuse 19 oder dem Gehäuseteil 23, oder durch einen radial in der Ausgangsposition des Antriebselements 15 in dieses eingreifenden Scherstift, der erst bei Erreichen der Auslösekraft abgeschert wird. Auch eine Verrastung des Antriebselements 15 im Gehäuse ist möglich.
Wie in Fig. 1 dargestellt, umfasst der Antrieb 11 eine Auslösevorrichtung 25, die insbesondere elektrisch ansteuerbar ausgebildet sein kann. Die Auslösevorrichtung 25 dient dazu, ein pyrotechnisches Material zu aktivieren, welches in einem Aufnahmeraum 27 aufgenommen ist, der als ringförmige Nut in der rückwärtigen Stirnseite des Antriebselements 15 ausgebildet ist. Selbstverständlich kann der Aufnahmeraum 27 auch oder zusätzlich im Teil 23 des Gehäuses 19 ausgebildet sein.
Bei einer Aktivierung des pyrotechnischen Materials wird somit ein Gasdruck erzeugt, der eine entsprechende axiale Druckkraft auf das Antriebselement 11 in Richtung auf das Schaltglied 9 bewirkt.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist das Antriebselement 15 an seinem rückwärtigen, dem Gehäuseteil 23 zugewandten Ende einen umlaufenden Dichtrand 29 auf, um eine ausreichende Abdichtung des Aufnahmeraums 27 gegenüber dem Gehäuse 19 zu gewährleisten.
Wird der Antrieb 11 durch eine entsprechende Ansteuerung der Auslösevorrichtung 25 ausgelöst, so wird durch das vorzugsweise deflagrierend umsetzende Material der pyrotechnischen Ladung im Aufnahmeraum ein Gasdruck erzeugt, der zunächst infolge der Verdämmung, die durch das Haltemittel 21 erreicht wird, schnell ansteigt. Bei Überschreiten der Auslösekraft gibt das Haltemittel 21 das Antriebselement 15 frei. Hierdurch wird das Antriebselement, welches mit dem Schaltglied 9 über den axialen Verbindungszapfen 17 gekoppelt ist, in der axialen Richtung des Schaltglieds 9 mit einer ausreichend hohen Schaltgeschwindigkeit verschoben. Hierdurch wird das Schaltglied aus der in Fig. 1a dargestellten Ausgangsposition in die in Fig. 1b dargestellte Endposition bewegt.
Das Schaltglied besteht bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform aus einem vorderen Kontaktteil 9a und einem hinteren Isolatorteil 9b, welche fest miteinander verbunden sind. Die Verbindung zwischen dem Kontaktteil 9a und dem Isolatorteil 9b kann, wie in Fig. 1 dargestellt, dadurch erfolgen, dass im rückwärtigen Ende des Kontaktteils 9a eine Aufnahmeausnehmung vorgesehen ist, in welcher das frontseitige Ende des Isolatorteils 9b eingreift. Die Verbindung kann durch Einpressen, Einkleben, Vercrimpen oder dergleichen erfolgen.
Das Isolatorteil 9b des Schaltglieds 9 gewährleistet einen ausreichenden Isolationsabstand zwischen dem rückwärtigen Ende des aus einem leitenden Material bestehenden Kontaktteils 9a. Hierzu kann das aus einem isolierenden Material, beispielsweise einem Kunststoff, bestehende Isolatorteil 9b an seinem Umfang derart strukturiert sein, dass sich in axialer Richtung eine längere Wegstrecke für Oberflächenströme bzw. Kriechströme ergibt. Dies kann durch das Einfräsen von Umfangsnuten geschehen, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, die im Längsschnitt zu einem mäanderförmigen Weg zwischen dem rückwärtigen Ende des Schaltteils 9a und der Frontseite des Antriebs 11 bzw. des Gehäuses 19 des Antriebs 11 führen.
Wie aus Fig. 1b ersichtlich, wird das Antriebselement 15 nach Erreichen einer Endposition innerhalb des Gehäuses 19 des Antriebs 11 in seiner axialen Verschiebebewegung gestoppt. Hierzu wirkt der Dichtrand 29 des Antriebselements 15 mit einer Anschlagsschulter zwischen einem vorderen Bereich des Gehäuses 19 mit kleinerem Durchmesser und einem weiteren Bereich innerhalb des Gehäuses 19 mit größerem Durchmesser zusammen. In dem Bereich mit größerem Durchmesser befindet sich auch das Gas, welches bei einem Auslösen des pyrotechnischen Antriebs 11 erzeugt wird.
Dieser, das erzeugte Gas aufnehmende Raum kann durch eine entsprechende Ausführung des Gehäuses und des Dichtrands 29 des Antriebselements 15 auch nach Erreichen der Endposition des Antriebselements 15 annähernd dicht sein, so dass nicht die Gefahr besteht, dass durch Austreten des Heizgases Beschädigungen oder Verletzungen von Personen hervorgerufen werden. Um zu vermeiden, dass der Antrieb 11 nach einem Auslösen fortwährend unter Druck steht, können kleine Auslassöffnungen für das Gas im Gehäuse vorgesehen sein, die vorzugsweise so klein gewählt sind, dass durch Austreten des Heizgas keinerlei Verletzungen oder Beschädigungen hervorgerufen werden können. Solche Auslassöffnungen können auch so vorgesehen sein, dass diese nur in der Endposition des Antriebselements 15 wirksam werden. Beispielsweise können axial verlaufende Nuten in dem vorderen Bereich des Gehäuses 19 mit kleinerem Durchmesser vorgesehen sein, die eine solche radiale Tiefe aufweisen, dass auch bei einem Anschlag des Dichtrands 29 an der Schulter zwischen dem Raum mit kleinerem und größerem Durchmesser Gas aus dem Innenraum über die Nuten nach vorne austreten kann.
Wie aus Fig. 1b ersichtlich, wird durch das plötzliche Stoppen der axialen Verschiebebewegung des Antriebselements 15 die Verbindung über den Verbindungszapfen 17 zwischen dem Schaltglied 9 bzw. dem Isolatorteil 9b des Schaltglieds 9 und dem Antriebselement 15 gelöst, so dass sich das Schaltglied 9 infolge seiner Massenträgheit mit entsprechender Geschwindigkeit weiterbewegt, bis es seine Endposition (Fig. 1b) erreicht hat. Die Verbindung zwischen dem Schaltglied 9 und dem Antriebselement 15 wird man dabei so ausgestalten, dass praktisch keine oder nur eine vernachlässigbare oder in bestimmten Fällen auch ein gewünschter Teil der kinetischen Energie für das Lösen der Verbindung verloren geht, welche das Schaltglied 9 zum Zeitpunkt des Erreichens der Endposition des Antriebselements 15 im Gehäuse 19 des Antriebs 11 besitzt.
Das Schaltglied 11 führt also eine freie Bewegungsphase aus, nachdem es vom Antrieb 9 abgekoppelt wurde bzw. von diesem nicht mehr mit einer Kraft beaufschlagt wird. Hierdurch lassen sich für das Schaltglied 9 praktisch beliebig große Schaltwege realisieren. Denn der Schaltweg ist nicht mehr durch den Bewegungsweg festgelegt, der durch den Antrieb 11 zur Verfügung gestellt werden kann.
Grundsätzlich wäre es auch möglich, das Schaltglied 9 bzw. das Isolatorelement 9b unmittelbar an seiner Rückseite mit dem Gasdruck des Antriebs 11 zu beaufschlagen. Allerdings würde dies die Herstellung der Einheit aus Antrieb 11 und Schaltglied 9 komplizieren. Zudem könnte nicht mehr gewährleistet werden, dass bei einem Auslösen des pyrotechnischen Antriebs 11 die erzeugten Heizgase zumindest nicht derart in die Umgebung gelangen, dass hier die Gefahr von Beschädigungen oder Verletzungen besteht.
Der Bewegungsweg des Schaltglieds 9 wird bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform eines Schalters 1 durch das separate Bremselement 7 begrenzt. Dieses weist in der Achse des Schaltglieds, welche mit der Bewegungsachse des Schaltglieds fluchtet, einen Durchbruch 31 auf, der in seinem Längsschnitt sich konisch verjüngend (in Bewegungsrichtung des Schaltglieds gesehen) ausgebildet ist, d.h. der Innendurchmesser des Durchbruchs 31 verringert sich in der Richtung der Schaltbewegung.
Das Frontende des Schaltglieds 9 bzw. des Kontaktteils 9a ist ebenfalls konisch ausgebildet, wobei der Konuswinkel in etwa dem Konuswinkel des Durchbruchs 31 entspricht. Selbstverständlich muss für das gewünschte Abbremsen des Schaltglieds bei einem Eingreifen in den Durchbruch 31 der minimale Durchmesser des Durchbruchs 31 kleiner sein als der maximale Durchmesser des Schaltglieds 9a in seinem vorderen Bereich. Hierdurch ergibt sich ein verhältnismäßig langsames Abbremsen des Schaltteils 9, welches mit hoher Geschwindigkeit mit seinem vorderen Ende in den Durchbruch 31 des Bremselements 7 eintritt. Dieses verhältnismäßig langsame Abbremsen der Verschiebebewegung des Schaltglieds 9 führt zu geringeren mechanischen Belastungen des Schalters 1.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist in dem separaten Bremselement 7 noch ein Sensor 33 vorgesehen, welcher beispielsweise als Sensordraht ausgebildet sein kann. Dieser verläuft senkrecht zur Längsachse des Schaltglieds 9 in einem Bereich, der so gewählt ist, dass der Sensor 33 bei einem Eintreten des Schaltglieds 9 in den Durchbruch 31 zerstört wird. Hierdurch kann durch eine einfache Widerstandsmessung ein Signal erzeugt werden, sobald der Schalter ausgelöst wurde. Das Signal beinhaltet dann die Information, dass der Schalter tatsächlich ausgelöst wurde und dass das Schaltglied 9 seine korrekte Endposition erreicht hat.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Schalter 1 sind die beiden Kontakte 3 und 5 in der Ausgangsposition (Fig. 1a) elektrisch leitend verbunden. Dies ist durch die betreffenden Pfeile für einen den Schalter durchfließenden Strom I angedeutet. Die Kontaktierung der Kontakte 3, 5 des Schalters 1 kann selbstverständlich in jeder geeigneten Weise erfolgen.
Bei der in Fig. 1b dargestellten Endposition wurde das Schaltglied 9 so weit in seine Endposition bewegt, dass das Kontaktteil 9a, welches in der in Fig. 1a dargestellten Ausgangsposition die beiden Kontakte 3, 5 elektrisch leitend verbindet, nicht mehr in einem elektrischen Kontakt mit dem Kontakt 5 steht. In der Endposition hat der als Öffner ausgebildete elektrische Schalter 1 somit den Stromkreis über die Kontakte 3 und 5 unterbrochen.
In seiner Endposition wird das Schaltteil bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel noch mit seinem Isolatorteil 9b im Kontakt 5 gehalten. Hierdurch kann, insbesondere bei großen Schaltern 1 und damit großen Schaltgliedern 9, eine ausreichende Stabilität erreicht werden. Das Isolatorteil 9b ist dabei so dimensioniert, dass auch in der Endposition in Fig. 1b ein ausreichender minimaler Isolationsabstand zwischen dem Schaltteil 9a und dem Kontakt 5 gewährleistet ist.
Durch den großen Verschiebeweg, der durch die freie Bewegungsphase des Schaltglieds 9 nach dem Abkoppeln vom Antrieb 11 möglich ist, können somit auch die Taktabstände zwischen den Kontakten 3, 5 so groß gewählt werden, dass der Schalter auch für hohe Spannungen, insbesondere Spannungen von mehr als 10 kV, verwendbar ist, die an den Kontakten 3, 5 nach einem Auftrennen des Stromkreises anliegt. Zudem lassen sich bei entsprechender Dimensionierung des Isolatorteils 9b auch große Abstände zwischen der Kontakteinheit 4 und dem Antrieb 11 realisieren. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn zwar die maximale Schaltspannung, die an der Kontakteinheit 4 bzw. den Kontakten 3, 5 anliegen kann, nicht allzu hoch ist, jedoch die Kontakteinheit auf einem sehr viel höheren Potential liegt, als die Antriebseinheit 11.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass der Schalter 1 selbstverständlich in jeder geeigneten Größe realisierbar ist. Dies ist insbesondere abhängig von der zu schaltenden Spannung und dem zu schaltenden Strom. Die Größe kann dabei von kleinen Baugrößen für Spannungen im Bereich von wenigen 10 bis wenigen 100 Volt liegen bis hin zu großen Baugrößen für Spannungen von mehreren Tausend, mehreren Zehntausend oder gar mehreren 100 000 Volt. Bei großen Schaltern kann das Schaltglied durchaus Längen im Bereich von einem bis zu mehreren Metern erreichen.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Schalter 1 ist der Antrieb 11 bereits in der Ausgangsposition des Schaltglieds 9 in einer vom rückwärtigen Ende des Schaltglieds 9 entfernten Position angeordnet, d.h. der Antrieb 11 beaufschlagt das Schaltglied 9 nicht mehr unmittelbar.
Der pyrotechnische Antrieb 11 bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist im Wesentlichen mit dem Antrieb 11 der Variante in Fig. 1 identisch. Im Unterschied zu dieser Variante ist der Antrieb 11 jedoch mit einem Impulsübertragungselement 35 gekoppelt, welches im vorderen Bereich des Gehäuses 19 des Antriebs 11 aufgenommen ist. Das Impulsübertragungselement 35 kann, wie auch das Isolatorteil 9b bei der Variante nach Fig. 1, mit dem Antriebselement 15 verbunden sein, um ein unnötiges Lösen des Impulsübertragungselements 35 vom Antrieb 11 zu vermeiden.
Das Impulsübertragungselement 35 ist so ausgebildet, dass es eine ausreichende Masse aufweist, um einen entsprechend großen Impuls auf das Schaltglied 9 übertragen zu können, der dazu führt, dass das Schaltglied 9 durch diese mittelbare Beaufschlagung mittels des Antriebs 11 beschleunigt und aus seiner Ausgangsposition (Fig. 2a) in seine Endposition (Fig. 2b) bewegt wird.
Die Funktion des in Fig. 2 dargestellten Schalters 1 ist somit weitestgehend mit der Funktion des Schalters nach Fig. 1 identisch. Sie unterscheidet sich lediglich dadurch, dass das Schaltglied 9 nicht mehr unmittelbar durch den Antrieb 11 beaufschlagt wird, sondern dass der Antrieb 11 bei seinem Auslösen das Impulsübertragungselement 35 beschleunigt und gleich einem Projektil auf das rückwärtige Ende des Schaltglieds 9 bzw. des Isolatorteils 9b schießt.
Um zu vermeiden, dass das Impulsübertragungselement 25 nach seinem Auftreffen auf das Schaltglied 9 unkontrolliert im Schalter 1 herumfliegt oder herumliegt, können das Schaltglied, insbesondere das Isolatorteil 9b, und das Impulsübertragungselement 35 so ausgebildet sein, dass sich das Impulsübertragungselement 35 nach seinem Auftreffen auf das rückwärtige Ende des Schaltglieds 9 bzw. des Isolatorteils 9b mit diesem verbindet. Hierzu kann, wie in Fig. 2a angedeutet, die rückwärtige Stirnseite des Isolatorteils 9b eine kleine Vertiefung oder Ausnehmung 37 aufweisen, in welche die Frontseite des Impulsübertragungselements 35 bei dessen Auftreffen eingreift. Alternativ oder zusätzlich können die Materialien des Schaltglieds 9 bzw. des Isolatorteils 9b und des Impulsübertragungselements so gewählt sein, dass sich ein Verschmelzen oder Verschweißen des Impulsübertragungselements 25 mit dem Schaltglied 9 bzw. dem Isolatorteil 9b ergibt. In diesem Fall bewegen sich das Schaltglied 9 und das Impulsübertragungselement 35 gemeinsam in Richtung der Endposition (Fig. 2b).
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform des Schalters 1 wird das Schaltglied 9 somit mittelbar durch den Antrieb durch Impulsübertragung mittels des Impulsübertragungselements 35 angetrieben. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der Antrieb 11 nicht mehr unmittelbar am Ende des Schaltglieds 9 in dessen Ausgangsposition positioniert werden muss. Insbesondere bei großen Schaltern für sehr hohe Spannungen lassen sich hierdurch Abstände von mehreren Metern zwischen der Kontakteinheit 4 und dem Antrieb 11 realisieren. Solche Schalter lassen sich damit auch für solche Fälle einsetzen, in denen ein sehr hoher Potentialunterschied zwischen der Kontakteinheit 4 bzw. den Kontakten 3, 5 und dem Antrieb 11 auftreten kann. Es ist insbesondere nicht mehr erforderlich, den Antrieb 11 so auszugestalten, dass sich dieser auf demselben Potential befindet, wie die Kontakteinheit 4. Sogar eine Potentialtrennung ist realisierbar.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass in Fig. 2 die Verbindungselemente 13 zwischen den Kontakten, dem Bremselement und dem Antrieb nicht dargestellt sind. Selbstverständlich kann die Halterung dieser Komponenten durch jede geeignete Maßnahme realisiert werden.
Das Beispiel nach Fig. 3 entspricht weitestgehend dem Beispiel nach Fig. 1. Dieser Schalter 1, der wiederum als einpoliger Öffner ausgebildet ist, umfasst jedoch anstelle eines pyrotechnischen Antriebs einen elektrodynamischen Antrieb 11. Ein derartiger elektrodynamischer Antrieb 11 kann beispielsweise eine Spule 39 umfassen, die mit einem kurzen Stromimpuls mit sehr hoher Stromstärke beaufschlagt wird. Hierdurch wird ein Magnetfeld erzeugt, welches in dem entsprechend ausgestalteten Antriebselement 15 Wirbelströme erzeugt, die ihrerseits zu einem abstoßenden Magnetfeld führen. Bei ausreichend hohen Stromstärken durch die Spule 39 wird somit das Antriebselement 15, wie auch im Fall eines pyrotechnischen Antriebs, mit entsprechender Kraft und Geschwindigkeit aus seiner Ausgangsposition in seine Endposition (Fig. 3b) bewegt.
Im Übrigen gleicht die Funktionsweise des Schalters 1 in Fig. 3 der Funktionsweise des Schalters 1 in Fig. 1. Lediglich das Isolatorteil 9b ragt in der Endposition des Schaltglieds 9 etwas in Richtung auf den Antrieb 11 aus dem Durchbruch im Kontakt 5 heraus, was sich aus einer geringfügig abweichenden Dimensionierung der Abstände zwischen den Kontakten bzw. der Längen des Kontaktteils 9a und des Isolatorteils 9b ergibt.
Der Schalter 1 nach dem in Fig. 4 dargestellten Beispiel unterscheidet sich von der Ausführungsform in Fig. 3 im Wesentlichen durch eine andere Dimensionierung des Schaltglieds 9 hinsichtlich der Längen des Kontaktteils 9a und des Isolatorteils 9b in Bezug auf die Abstände der Kontakte 3, 5 und des Bremselements 7. Denn wie aus Fig. 4 ersichtlich, realisiert dieser Schalter 1 eine Abzweigfunktion. In der Ausgangsstellung nach Fig. 4a schließt das Kontaktteil 9a die beiden Kontakte 3 und 5 kurz bzw. stellt einen elektrischen Kontakt zwischen diesen her. In der Endstellung des Schaltglieds 9, wie aus Fig. 4b ersichtlich, besteht weiterhin ein elektrischer Kontakt zwischen den Kontakten 3 und 5, da das Kontaktteil 9a des Schaltglieds 9 entsprechend lang ausgebildet ist. Zusätzlich ist bei diesem Beispiel das Bremselement als Bremskontakt 7' ausgebildet. In der Endposition des Schaltglieds 9 wird somit der mittlere Kontakt 3 mit den beiden Kontakten 7' und 5 kurzgeschlossen, so dass sich ein dem Kontakt 3 zugeführter Strom I in Teilströme l1 über den Kontakt 5 und l2 über den Bremskontakt 7' aufteilt.
Der Schalter 1 nach Fig. 5 weist wiederum einen elektrodynamischen Antrieb 11 auf, der das Schaltglied 9 in seiner Ausgangsposition (und während der Beschleunigungsphase) unmittelbar beaufschlagt. Die mechanische Funktionsweise ist somit weitgehend identisch mit dem Beispiel nach Fig. 4. Allerdings ist hier das Schaltglied hinsichtlich seiner axialen Aufteilung in das Kontaktteil 9a und das Isolatorelement 9b so dimensioniert, dass in der Ausgangsposition (Fig. 5a) lediglich die Kontakte 3 und 5 kurzgeschlossen sind und in der Endposition lediglich die Kontakte 3 und 7'. Es handelt sich hierbei also um einen Umschalter.
Wie auch bei dem Beispiel nach Fig. 4 kann der Bremskontakt 7 selbstverständlich ebenfalls einen Sensor 33, beispielsweise in Form eines Sensordrahts, einer Sensorfolie, insbesondere einer Polyvinylidenfluorid- (PVDF) Folie oder PVDF-Drahtes, oder einer Lichtleitfaser, beinhalten.
Wie aus Fig. 5b ersichtlich, ist bei diesem Schalter 1 die Dimensionierung des Schaltglieds in Bezug auf die Kontakteinheit 4 so getroffen, dass das Isolatorteil in der Endposition nicht mehr im Kontakt 5 gehalten ist.
Der Schalter 1 nach Fig. 6 zeigt in dieser Hinsicht eine Variante, bei der eine zusätzliche Halterung des Isolatorteils 9b in der Endposition gegeben ist. Auch dieser Schalter realisiert eine Umschaltfunktion und entspricht weitestgehend der Variante nach Fig. 5.
Im Unterschied zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen wird das Kontaktteil 9a im Bremskontakt 7' jedoch nicht über einen konischen Durchbruch und das konische vordere Ende des Schaltglieds 9 abgebremst, sondern durch einen sich über den Umfang des vorderen Endes des Kontaktteils 9a des Schaltglieds 9 erstreckenden Anschlagsflansch 41. Wie aus Fig.6 ersichtlich, kann die Vorderseite des Anschlagsflanschs 41 mit einem dämpfenden Material belegt sein, beispielsweise einem Kunststoff, um das Abbremsen des Schaltglieds 9 etwas langsamer auszugestalten als im Fall eines völlig starren Anschlagsflanschs.
Um in diesem Fall einen sicheren elektrischen Kontakt zwischen dem Kontaktteil 9a und dem Bremskontakt 7 zu gewährleisten, weist der Bremskontakt 7 Kontaktierungsmittel 43 auf, wie sie auch im Fall der anderen Kontakte verwendet sein können, die sowohl vor als auch nach der Verschiebebewegung des Schaltglieds 9 einen elektrischen Kontakt bewirken müssen. Derartige Kontaktmittel 43 können selbstverständlich auch bei solchen Kontakten verwendet werden, die entweder nur in der Ausgangsposition oder in der Endposition des Schaltglieds 9 mit dem Schaltglied elektrisch verbunden sein müssen.
Die Kontaktmittel 43 können insbesondere als sogenannter Multikontakt ausgebildet sein. Ein Multikontakt weist üblicherweise an der Innenwandung des jeweiligen Durchbruchs im Kontakt 3, 5, 7' federnde Elemente auf, die über den Innenumfang verteilt angeordnet sind. Die federnden Elemente sind an einem Ende mit dem jeweiligen Kontakt, 3, 5, 7' elektrisch verbunden und beaufschlagen mit dem anderen Ende den Außenumfang des Schaltglieds 9 bzw. des Kontaktteils 9a. Hierdurch wird ein sicherer Kontakt gewährleistet. Derartige Multikontakte sind im Handel als Fertigbauteile erhältlich und können beispielsweise ringförmig ausgebildet sein. In der Innenwandung des Rings können axiale Nuten verlaufen, in welchen die federnden Kontaktteile liegen, wobei die Kontaktteile mit einem freien Ende in radialer Richtung über den Innenumfang des Rings hervorstehen. Der Außenumfang des Schaltglieds bzw. des Kontaktteils 9a wird dabei so gewählt, dass er im Wesentlichen dem Innenumfang des Rings des Multikontakts entspricht. Hierdurch wird der Außenumfang des Schaltglieds sicher durch die federnden Kontaktelemente beaufschlagt. Ein solcher Multikontakt erlaubt auch ein mehrfaches Ein- und Ausschieben bzw. eine Bewegung des Schaltglieds unter Aufrechterhaltung des elektrischen Kontakts zwischen dem Schaltglied 9 bzw. dem Kontaktteil 9a und dem betreffenden Kontaktteil 3, 5, 7'.
Der in Fig. 7 dargestellte Schalter 1 entspricht hinsichtlich der Kontakteinheit 4 und dem Schaltglied 9 des Beispiels nach Fig. 6. Anstelle eines elek-trodynamischen Antriebs wird hier jedoch ein Antrieb 11 verwendet, der eine Tauchspule 5 umfasst, in welche ein Betätigungselement 47 eingreift. Das Betätigungselement weist an seinem Ende einen Flansch auf, dessen ferromagnetisches Material bei einer Beaufschlagung der Tauchspule 45 mit einem ausreichend hohen Strom durch das von der Tauchspule 45 erzeugte Magnetfeld angezogen wird. Hierdurch wird ein Hebelgetriebe betätigt, welches einen einseitig angelegten Hebel 49 beaufschlagt. Mit seinem längeren Hebelarm beaufschlagt der Hebel 49 das Schaltglied 9 an seinem rückwärtigen Ende, d.h. am rückwärtigen Ende des Isolatorteils 9b. Hierdurch wird eine Übersetzung des Schaltwegs erreicht, der durch die Tauchspule 45 erzeugt wird. Im Übrigen entspricht die Funktionalität dieses Schalters 1 der Variante nach Fig. 6.
Fig. 8 zeigt eine weitere Variante eines Antriebs 11, welcher als Energiespeicher eine komprimierte Schraubenfeder 41 aufweist. Diese beaufschlagt mit einem Ende das Antriebselement 15 über eine Druckplatte 53. Selbstverständlich wäre auch ein unmittelbares Beaufschlagen des Antriebselements 15 möglich.
Die Druckplatte kann mit einer Auslösevorrichtung in ihrer axialen Bewegbarkeit freigegeben werden. Das Auslösen kann selbstverständlich manuell oder auch angesteuert erfolgen, abhängig von der Ausbildung der Auslösevorrichtung 55. Eine ansteuerbare Auslösevorrichtung kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass ein radial in die Druckplatte eingreifender Stift mittels eines Elektromagneten der Auslösevorrichtung 55 aus einer sperrenden Position in eine Freigabeposition bewegt wird.
Im Übrigen entspricht die Funktionalität dieser Variante eines Schalters 1 wiederum den Beispielen in Fig. 6 oder Fig. 7.
Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform eines elektrischen Schalters 1, bei dem die Kontakteinheit 4 und das Schaltglied 9 in einem dichten Gehäuse 57 angeordnet sind. Das Schaltglied 9 reicht mit seinem rückwärtigen Ende im Wesentlichen bis an eine deformierbare Membran oder einen Membranbereich des Gehäuses 57 heran. Als Antrieb wird in diesem Fall wiederum ein pyrotechnischer Antrieb 11 verwendet, welcher zur mittelbaren Beaufschlagung des Schaltglieds 9 mittels eines Impulsübertragungselements 35, wie im Fall der Ausführungsform nach Fig. 2, ausgebildet ist.
Bei einem Auslösen des Antriebs 11 wird das Impulsübertragungselement 35 nicht mehr unmittelbar auf die rückwärtige Stirnseite des Schaltglieds 9 bzw. des Isolatorteils 9b geschossen, sondern auf die dazwischen angeordnete Membran 59. Die Impulsübertragung erfolgt in diesem Fall also mittelbar vom Impulsübertragungselement 35 über die Membran 59 auf das Schaltglied 9.
Die Membran ist dabei vorzugsweise so ausgebildet und so auf den zu übertragenden Impuls abgestimmt, dass sie sich während der Impulsübertragung verformt. Hierdurch kann das Impulsübertragungselement langsamer abgebremst werden.
Es ist auch möglich, die Membran und das Impulsübertragungselement 35 so auszugestalten, dass das Impulsübertragungselement nach seinem Auftreffen auf die Membran 59 mit dieser verbunden wird, beispielsweise durch das Vorsehen eines entsprechenden Aufnahmemittels oder durch ein Verschweißen der betreffenden Materialien durch die Aufprallenergie.
Im Übrigen entspricht die Funktionalität des in Fig. 9 dargestellten Schalters 1 der Funktionalität der Variante in Fig. 2.
Das in Fig. 10 dargestellte Beispiel entspricht weitestgehend der Ausführungsform in Fig. 9, wobei jedoch der Antrieb 11 in der Ausgangsposition (d.h. im nicht ausgelösten Zustand) so weit an das Gehäuse 57 herangerückt ist, dass das Impulsübertragungselement mit seiner Vorderseite bereits die Membran 59 beaufschlagt. Es ist also praktisch eine unmittelbare Beaufschlagung des Schaltglieds 9 durch den Antrieb 11 gegeben, da das Schaltglied in der Ausgangsposition an der Membran 59 anliegt.
Das Beispiel eines Schalters 1 nach Fig. 11 entspricht hinsichtlich der Funktionalität des Beispiels in Fig. 1. Zusätzlich zu der Variante in Fig. 1 (auf die Darstellung der Verbindungselemente 13 wird in Fig. 11, wie auch in den anderen Varianten nach den Figuren 2-10, verzichtet) ist ein Gehäuse 57 vorgesehen, welches nicht nur die Kontakteinheit 4, sondern den gesamten Schalter 1 umgibt.
Fig. 12 zeigt einen Schalter 1, bei dem wiederum ein pyrotechnischer Antrieb 11 verwendet ist, der zur Übertragung eines Impulses mittels eines Impulsübertragungselements 35 auf das Schaltglied 9 einer Kontakteinheit 4 ausgebildet ist. Diese Kontakteinheit 4 umfasst lediglich einen ersten Kontakt 3 und einen zweiten Kontakt 5. Auf ein zusätzliches Bremselement oder einen Sensor wurde hier verzichtet. Das Schaltglied 9 weist einen Anschlagsflansch 41 auf, welcher zum Abbremsen der Schaltbewegung am Kontakt 3 dient. Der Kontakt 3 kontaktiert das Schaltglied 9 wieder über Kontaktmittel 43, beispielsweise einem Multikontakt.
Als Besonderheit bei dieser Kontakteinheit ist das Schaltglied 9 mit seinem rückwärtigen Ende in eine Aufnahmeausnehmung im rückwärtigen Kontakt 5 gehalten. Das Kontaktelement kann hier bei der Herstellung beispielsweise eingepresst werden. Der Anschlagsflansch 41 kann hier mit seiner Rückseite auch als Begrenzung für ein Einpressen dienen. Es verbleibt somit am Boden der Aufnahmeausnehmung des Kontakts 5 nur noch eine dünne Wandung, die einen Ausbrechbereich 61 bildet. Beim Auftreffen des Kontaktübertragungselements 35 auf den Ausbrechbereich 61 wird dieser aus dem Kontakt 5 ausgebrochen, und der Impuls (zumindest ein ausreichend großer Teil davon) des Impulsübertragungselements 35 wird auf das Schaltglied 9 übertragen. Das Schaltglied 9 wird dann in seine Endposition bewegt, die in Fig. 12b dargestellt ist. Die Wandung bzw. der Ausbrechbereich 61 kann infolge der Auftreffenergie mit der Rückseite des Schaltglieds 9 verschweißt sein.
Wie in Fig. 12b dargestellt, kann das Impulsübertragungselement 35 hinsichtlich seiner Geometrie so ausgestaltet sein bzw. die Ausnehmung bzw. der resultierende Durchbruch im Kontakt 5 so auf das Impulsübertragungselement abgestimmt sein, dass das Impulsübertragungselement im entstehenden Durchbruch aufgefangen wird.
Der Schalter in Fig. 13 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 12 lediglich dadurch, dass die Kontakteinheit 4 abweichend ausgebildet ist. Hier ist das Schaltglied 9, welches wie auch bei der Variante nach Fig. 12 nur aus einem Kontaktteil besteht (es existiert kein isolierender Abschnitt), einstückig mit dem Kontakt 5 ausgebildet. Der Kontakt 5 kann also in einem Prozess mit dem Schaltglied 9 hergestellt werden. Es ist lediglich erforderlich, eine entsprechende Dünnstelle im Kontakt vorzusehen, welche eine Sollbruchstelle zwischen dem Schaltglied 9 und dem Kontakt 5 darstellt.
Zusätzlich ist bei der Ausführungsform nach Fig. 13 auch der vordere Kontakt 3 einstückig mit dem Schaltglied ausgebildet. Auch hier ist eine Dünnstelle 63 zwischen dem Schaltglied und dem Kontakt vorgesehen.
Bei der in Fig. 13 dargestellten Variante kann die Dünnstelle 63 beispielsweise durch einen Schweißvorgang hergestellt werden, wenn das Schaltglied 9 in einen zunächst bestehenden Durchbruch im Kontakt 5 eingesetzt ist.
Befindet sich der Anschlagsflansch 41 nicht unmittelbar am Kontakt 5, so kann die Dünnstelle selbstverständlich auch durch einen Schneid- oder Fräsprozess im Kontakt 5 hergestellt werden. Es ist des Weiteren möglich, ein derart kompliziertes Teil, wie es in Fig. 13a dargestellt ist, in einem Stück mit Verfahren des sogenannten Rapid Prototyping herzustellen. Dies ist auch für metallische Werkstoffe möglich.
Fig. 14 zeigt ein Schaltglied 9 mit einem im Umfang strukturierten vorderen Bereich 9' und einem weiteren im Umfang strukturierten Bereich 9". Das dargestellte Schaltglied 9, welches nur als Kontaktteil aus einem elektrisch leitenden Material besteht, kann selbstverständlich auch nach rechts verlängert sein, auch mittels eines Isolatorteils. Die strukturierten Bereiche 9', 9" sind jeweils dafür vorgesehen, um beim Einschießen des Schaltglieds 9 in entsprechende Kontakte (nicht dargestellt) einen sicheren elektrischen Kontakt zu bewirken. Im dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen die Strukturierungen aus Nuten 73' und 73" bzw. erhabenen Vorsprüngen 75' und 75", wie dies aus dem Schnitt B-B in Fig. 14 ersichtlich ist. Das Schaltglied 9 kann mit diesen strukturierten Stopp-Bereichen in entsprechende Durchbrüche in zwei Bremskontakten eingreifen, so dass diese bei einem Auslösen des Schalters elektrisch leitend verbunden werden. Die Strukturierung ermöglicht dabei einen Materialfluss, insbesondere des Materials der Erhebungen der Strukturen in die Bereiche, in denen zunächst kein Material vorhanden ist. Der Materialfluss wird infolge des hohen Drucks, der Reibung und der hierdurch erzeugten Temperatur bewirkt. Der vordere Bereich 9' des Schaltglieds 9 in Fig. 14 kann beispielsweise in Verbindung mit dem Schaltglied nach Fig. 5 verwendet werden. Beim Einschießen des so ausgestalteten strukturierten Bereichs 9' in den Bremskontakt 7 ergibt sich ein Materialfluss und infolge der hohen Temperatur und der Materialerweichung ein Verschweißen des strukturierten Bereichs 9' mit der Innenwandung des Durchbruchs des Bremskontakts 7.
Die Strukturierung ist dabei ganz entscheidend zur Herstellung eines sicheren Kontakts und für das gewünschte Verschweißen der Materialien des Schaltglieds und des Bremskontakts. Der rückwärtige strukturierte Bereich 9" kann ebenfalls dazu dienen, einen sicheren elektrischen Kontakt mit einem zweiten Kontakt (nicht dargestellt) herzustellen. Dabei kann das Schaltglied 9 nach Fig. 14 in einer Ausgangsposition bereits in einen zunächst stromlosen (d.h. nicht benutzten) Bremskontakt derart eingreifen, dass sich der Bereich des Schaltglieds 9 zwischen den beiden strukturierten Bereichen 9' und 9" im Durchbruch desjenigen Kontakts befindet, welcher in der Endposition des Schaltglied mittels des strukturierten Bereichs 9" kontaktiert werden soll.
Das Schaltglied 9 nach Fig. 14 ermöglicht es somit, zwei sichere elektrische, gegebenenfalls verschweißte Verbindungen zwischen dem Schaltglied 9 in den beiden strukturierten Bereichen 9' und 9" und jeweils einem Kontakt herzustellen.
Anstelle oder zusätzlich zu einer Strukturierung des Schaltglieds 9 in einem Bereich oder axialen Abschnitt des Schaltglieds 9, in dem ein Kontaktieren oder Verschweißen mit der Innenwandung eines entsprechenden Kontakts gewünscht ist, kann auch die Innenwandung des betreffenden Durchbruchs in einem Bremskontakt 7' mit einer Struktur versehen sein. Es werden dann anstelle des oder zusätzlich zu den Materialfluss im strukturierten Bereich des Schaltglieds 9 auch Materialflüsse im Bereich der Innenwandung des Durchbruchs in dem betreffenden Kontakt erzeugt. Ein derartiger strukturierter Durchbruch in einem Bremskontakt 7' ist in Fig. 15 dargestellt. Der Durchbruch mit im axialen Schnitt konischem Verlauf weist an seiner Innenwandung Nuten 77 auf, die im Wesentlichen axial verlaufen. Diese Nuten 77 bilden Freiräume, in denen sich verformendes Material einfließen kann, das bei einem Erweichen bzw. Schmelzen des Materials von Vorsprüngen 79 geliefert wird.
Anstelle von Nuten ist selbstverständlich jede andere Strukturierung denkbar, die entsprechende Freiräume zur Aufnahme von sich erweichendem Material schafft.
Fig. 16 zeigt das vordere Ende eines Schaltglieds 9, an dem ein zylindrisches Element 65 angeordnet ist. Das Element 65 kann, wie in Fig. 16 dargestellt, mit einem Gewindebereich in eine entsprechende axiale Gewindebohrung in der Frontseite des Schaltglieds 9 eingeschraubt sein. Selbstverständlich kann das zylindrische Element 65 auch einstückig mit dem Schaltglied 9 ausgebildet sein. Das zylindrische Element 65 weist einen Außendurchmesser auf, der kleiner ist, als der Außendurchmesser des angrenzenden Bereichs des Schaltglieds 9. Hierdurch entsteht eine Anschlagschulter 67.
Auf dem zylindrischen Element 65 ist ein ringförmiges Konusteil 69 aufgeschoben. Das Konusteil weist hierzu einen Innendurchmesser auf, der im Wesentlichen dem Außendurchmesser des zylindrischen Elements 65 entspricht. Das Konusteil 69 kann auch einen oder mehrere axial verlaufende Längsschnitze oder Längsnuten aufweisen. Die konische Außenwandung des Konusteils 69 ist so gewählt, dass diese bei einem Einschieben des Schaltglieds 9 in den Durchbruch 31 des Kontakts 3 von der Innenwandung des im Schnitt ebenfalls konisch ausgebildeten Durchbruchs 31 so beaufschlagt wird, dass radial einwärts gerichtete Kräfte auf das Konusteil 69 wirken. Dies führt zunächst zu Reibkräften zwischen der Innenwandung des Durchbruchs 31 des Kontakts 3 und der Außenwandung des Konusteils 69 sowie zwischen der Innenwandung des Konusteils 69 und der Außenwandung des zylindrischen Elements 65. Infolge der hohen Energie, mit welcher das Schaltglied 9 eingeschoben wird, führt dies zu einer Temperaturerhöhung und zu Materialflüssen, die wiederum durch die Längsschlitze oder die Längsnuten in der Außenwandung des Konusteils 69 aufgenommen werden können. Die Anschlagschulter stoppt die Verschiebebewegung des Konusteils 69 auf dem Element 65, so dass ab dem Erreichen des Anschlags das Konusteil 69 zusammen mit dem übrigen Schaltglied 9 in den Durchbruch 31 hineingepresst wird.
Die Längsschlitze im Konusteil 69 können gleichmäßig über den Umfang verteilt ausgebildet sein. Es ist jedoch ebenfalls möglich, wie in Fig. 16 gezeigt, nur einen einzigen, axial durchgehenden Längsschlitz 71 vorzusehen. Zudem ist es möglich, im Außenumfang des Konusteils 69 und/oder dem Innenumfang des Durchbruchs 31 beliebige andere Strukturierungen vorzusehen, die fließendes Material aufnehmen können. Zu deren Funktionalität kann auf die Ausführungen zu den Fig. 14 und 15 verwiesen werden.
Abschließend sei erwähnt, dass selbstverständlich Merkmale, die nur in Verbindung mit einer oder mehreren der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen erläutert sind, selbstverständlich auch mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können. Dies gilt insbesondere für die Ausgestaltung des Stopp-Bereichs des Schaltglieds 9, der als bloßer Konus ausgebildet sein kann, oder einen Anschlagsflansch 41 umfassen kann. Selbstverständlich sind auch Kombinationen hieraus denkbar. Auch die in Verbindung mit den Figuren 14, 15 und 16 beschriebenen Strukturierungen zur Ermöglichung von Materialflüssen und das hierdurch mögliche Verschweißen des Schaltglieds mit dem betreffenden Kontakt können selbstverständlich bei allen Varianten vorgesehen sein. Dieses Strukturieren bzw. Verschweißen des Schaltglieds mit einem Kontakt würde auch unabhängig von einer möglichen freien Bewegungsphase des Schaltglieds 9 realisierbar sein.
Dies gilt auch für die in den Figuren beschriebenen verschiedenen Varianten von Kontakteinheiten, Schaltgliedern und Schaltfunktionen. Sind keine derart hohen Schaltwege erforderlich, so kann der Antrieb fortwährend, d.h. während der gesamten Bewegung zwischen der Ausgangsposition und der Endposition des Schaltglieds, mit dem Schaltglied gekoppelt sein. Die Vorteile der vorstehend beschriebenen Kontakteinheiten und Kontaktierungsvarianten, insbesondere die flexible Gestaltung von Schaltfunktionen durch das Vorsehen eines stabförmigen Schaltglieds, welches in Durchbrüche in den Kontakten bzw. im Bremselement eingreift, bleiben erhalten.
Weitere, nicht dargestellte Varianten werden nachfolgend kurz beschrieben.
In einer Variante kann das in der Zeichnung dargestellte, in der Regel im Querschnit kreisrunde Schaltglied einen anderen, beispielsweise rechteckigen, insbesondere flachen, rechteckigen Querschnitt aufweisen. Die Durchbrüche in den Kontakten weisen dann eine entsprechend komplementäre Form auf. Dies führt zu dem Vorteil, dass der Schalter zu einer flachen Baugruppe ausgestaltet sein kann.
Es ist auch möglich, mehrere Schaltglieder zu verwenden, wobei wenigstens zwei Kontakte mit wenigstens zwei Schaltgliedern zusammenwirken. Hierdurch kann zum einen eine Redundanz erzeugt werden und zum anderen können beispielsweise unterschiedliche Kontakte mit demselben Kontakt verbunden oder von diesem getrennt werden.
Das Gehäuse des Schalters, welches, wie vorstehend beschrieben, bestimmte Komponenten oder alle Komponenten des Schalters umgibt, kann auch dazu dienen und hierfür so ausgebildet sein, dass der Zustand des Schalters von außen erkennbar gemacht wird. Gleichzeitig kann das Material des Gehäuses oder einer oder mehrerer Beschichtungen an der Innen- oder Außenseite so gewählt sein, dass sich eine elektromagnetische Abschirmwirkung ergibt.
Das Sichtbarmachen des Schalterzustandes kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das Gehäuse zumindest in relevanten Bereichen aus einem solchen Material besteht oder mit einem solchen Material beschichtet wird, dass eine Verlustleistung, die im Schalter bei bestimmten Schaltzuständen erzeugt wird, oder elektromagnetische Felder, die in bestimmten Schaltzuständen erzeugt werden, zu einer Änderung des Zustands des Materials des Gehäuses bzw. der Gehäusebeschichtung führen. Insbesondere können Materialen verwendet werden, die auf das Vorhandensein von elektromagnetischen Feldern oder Temperaturänderungen, die durch die Verlustleistung hervorgerufen werden, mit einer Farbänderung reagieren. Auf diese Weise kann der Schalterzustand optisch, auch aus größerer Entfernung, festgestellt bzw. überwacht werden.
Generell kann das Gehäuse aus jeglichem Material hergestellt werden, sofern dessen spezifische elektrische Leitfähigkeit klein ist gegenüber der spezifischen Leitfähigkeit der Materialien im Strompfad. Beispielsweise kann als Gehäusematerial auch Graphit verwendet werden, wodurch das Gehäuse bzw. der gesamte Schalter für Hochtemperaturanwendungen verwendet werden kann.

Bezugszeichenliste

1: elektrischer Schalter
3: Kontakt
4: Kontakteinheit
5: Kontakteinheit
7: Bremselement, 7' Bremskontakt
9: Schaltglied
9a: Kontaktteil
9b: Isolatorteil
11: Antrieb
13: Verbindungselemente
15: Antriebselement
17: axialer Verbindungszapfen
19: Gehäuse
21: Haltemittel
23: Gehäuseteil
25: Auslösevorrichtung
27: Aufnahmeraum
29: Dichtrand
31: Durchbruch
33: Sensor
35: Impulsübertragungselement
37: Ausnehmung
39: Spule
41: Anschlagsflansch
43: Kontaktmittel
45: Tauchspule
47: Betätigungselement
49: Hebel
51: Schraubenfeder
53: Druckplatte
55: Auslösevorrichtung
57: dichtes Gehäuse
59: Membran
61: Ausbrechbereich
63: Dünnstelle
65: zylindrisches Element
67: Anschlagschulter
69: Konusteil
71: Längsschlitz
73': Nut
73": Nut
75': Vorsprung
75": Vorsprung
77: Nut
79: Vorsprung

Claims

Elektrischer Schalter, insbesondere für hohe Spannungen und/oder hohe Ströme, mit einer Kontakteinheit (4), welche wenigstens zwei Kontakte (3, 5, 7, 7') umfasst, einem Schaltglied (9) und einem Antrieb (11) für das Schaltglied (9), wobei der Antrieb (11) so ausgestaltet ist, dass er das Schaltglied (9) aus einer Ausgangsposition in eine Endposition bewegt,
wobei das Schaltglied (9) während einer Beschleunigungsphase mittelbar über ein Impulsübertragungselement (35) vom Antrieb (11) beschleunigt wird und anschließend bis zum Erreichen der Endposition eine freie Bewegungsphase durchläuft,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Antrieb (11) das Impulsübertragungselement (35) bei Auslösen eines Schaltvorgangs in Richtung auf das Schaltglied (9) beschleunigt, wobei das Impulsübertragungselement (35) anschließend vom Antrieb (11) entkoppelt wird, so dass das Impulsübertragungselement (35) mit einem vorgegebenen Impuls eine Freiflugphase durchläuft und zumindest einen solchen Teil des Impulses auf das Schaltglied (9) überträgt, dass das Schaltglied (9) aus der Ausgangsposition in die Endposition bewegt wird.
Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Impulsübertragungselement (35) nach seiner Freiflugphase auf das Schaltglied (9) auftrifft, wobei das Impulsübertragungselement (35) und das Schaltglied (9) derart beschaffen sind, dass sich das Impulsübertragungselement (35) beim Auftreffen auf das Schaltglied (9) mit diesem verbindet, insbesondere verschweißt, und zusammen mit dem Schaltglied (9) aus der Ausgangsposition in die Endposition bewegt wird.
Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltglied (9), in der Bewegungsrichtung gesehen, aus wenigstens einem Kontaktteil (9a) aus einem elektrisch leitenden Material und wenigstens einem Isolatorteil (9b) aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen, beispielsweise aus einem in Bewegungsrichtung gesehen, vorderen Kontaktteil (9a) und einem hinteren Isolatorteil (9b).
Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakteinheit (4) und das Schaltglied (9) so ausgebildet sind, dass das Schaltglied (9) in der Endposition mit dem wenigstens einen Isolatorteil (9b) derart in einem Kontakt (5) der Kontakteinheit (4) gehalten ist, dass ein minimal erforderlicher Isolationsabstand zwischen dem Kontaktteil (9a) und dem Kontakt (5) gegeben ist.
Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltglied (9) einen Stopp-Bereich aufweist, der so ausgebildet ist, dass das Schaltglied (9) am Ende der freien Bewegungsphase bis zum Erreichen der Endposition abgebremst wird, wobei der Stopp-Bereich hierzu mit einem separaten ortsfesten Bremselement (7) der Kontakteinheit (4) oder einem als Bremselement ausgebildeten Bremskontakt (7') der Kontakteinheit (4) zusammenwirkt.
Schalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopp-Bereich mit einem im Bremselement (7) oder im Bremskontakt (7') vorgesehenen Durchbruch (31) zusammenwirkt, welcher bezogen auf die Bewegungsrichtung und die Längsachse des Schaltglieds (9) koaxial im Bremselement (7) oder im Bremskontakt (7') vorgesehen ist, wobei der Stoppbereich zumindest während einer Stopp-Phase bis zum Erreichen der Endposition in den Durchbruch eingreift.
Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopp-Bereich einen radialen Anschlagsflansch (41) oder einen oder mehrere, sich radial nach außen erstreckende Anschlagsvorsprünge aufweist, welche mit einer den Durchbruch (31) im Bremselement (7) oder im Bremskontakt (7') umgebenden Wandung zur Begrenzung der axialen Bewegung des Schaltglieds (9) in der freien Bewegungsphase zusammenwirken.
Schalter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopp-Bereich einen sich in Richtung auf das vordere Ende des Schaltglieds (9) konisch verjüngenden Bereich aufweist, welcher mit der Innenwandung des Durchbruchs (31) im Bremselement (7) oder im Bremskontakt (7') zum Abbremsen der axialen Bewegung des Schaltglieds (9) in der freien Bewegungsphase zusammenwirkt, wobei auch die Innenwandung des Durchbruchs (31), bezogen auf die Längsachse und die Bewegungsrichtung des Schaltglieds (9), sich konisch verjüngend ausgebildet ist, wobei der Konuswinkel der Innenwandung des Durchbruchs (31) vorzugsweise gleich oder größer, d.h. sich stärker verjüngend ausgebildet ist als der Konuswinkel des sich verjüngenden Bereichs des Schaltglieds (9).
Schalter nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopp-Bereich in seinem Umfang und/oder der Durchbruch (31) in seiner Innenwandung eine Strukturierung (73', 73", 75', 75"; 77, 79) aufweisen, die so ausgebildet sind, dass sich bei einem Eingreifen des Stopp-Bereichs in den Durchbruch bei der Schaltbewegung des Schaltglieds (9) ein Materialfluss ergibt, der vorzugsweise zum Verschweißen des Stopp-Bereichs mit dem Bremselement (7) oder dem Bremskontakt (7') führt.
Schalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopp-Bereich axial verlaufende Nuten (73', 75') oder axial verlaufende und sich radial nach außen erstreckende Vorsprünge (75", 75") aufweist, deren axial verlaufende Außenflächen sich jeweils auf einem gedachten Konus befinden, der sich in Richtung auf das vordere Ende des Schaltglieds verjüngt und/oder dass die Innenwandung des Durchbruchs (31) axial verlaufende Nuten (77) oder axial verlaufende und sich radial nach innen erstreckende Vorsprünge (79) aufweist, deren axial verlaufende Innenflächen sich jeweils auf einem gedachten Konus befinden, der sich in der Bewegungsrichtung des Schaltglieds (9) verjüngt.
Schalter nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Stopp-Bereich ein axial verschiebbarer, vorzugsweise geschlitzter Ring (69) vorgesehen ist, der so ausgebildet ist und so mit dem Durchbruch (31) im Bremselement (7) oder Bremskontakt (7') zusammenwirkt, dass sich während der Stopp-Phase mit fortschreitender axialer Bewegung des Schaltglieds (9) ein zunehmender radialer Anpressdruck zwischen der Innenwandung des Durchbruchs (31) und der Außenwandung des Schaltglieds (9) im Stopp-Bereich ergibt, wodurch eine axiale Bremswirkung bis zum Erreichen der Endposition erzeugt wird.
Schalter nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopp-Bereich des Schaltglieds (9) und der Durchbruch (31) des Bremselements (7) oder des Bremskontakts (7') hinsichtlich der Geometrie und der Materialien so ausgebildet und so auf die kinetische Energie des abzubremsenden Schaltglieds (9) abgestimmt sind, dass sich beim Abbremsen des Schaltglieds (9) ein Verschweißen zumindest eines Teilbereichs des Stopp-Bereichs mit dem Bremselement (7) oder dem Bremskontakt (7') ergibt.
Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltglied (9) in der Ausgangsposition und in der Endposition einen oder mehrere Kontakte (3, 5, 7') in einem Durchbruch (31) durchgreift, wobei für das Herstellen eines elektrischen Kontaktes an der Innenwandung jedes Durchbruchs (31) mehrere, über den Innenumfang verteilte, federnd ausgebildete Kontaktelemente vorgesehen sind, welche den Außenumfang des Schaltglieds (9) beaufschlagen.
Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens Schaltglied und Kontakte als Einheit koaxial ausgebildet sind.
Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse, in dem sich das Schaltglied und die Kontakte befinden, vollständig aus elektrisch voll / gut isolierenden Werkstoffen hergestellt ist.