EP4352771A1 - Schaltvorrichtung - Google Patents

Abstract

Es wird eine Schaltvorrichtung (100) beschrieben, die zumindest einen feststehenden Kontakt (2, 3), eine Kontaktbrücke (4) und ein oberes Jochelement (50) in einer Schaltkammer (11) aufweist, wobei das obere Jochelement an der Schaltkammer befestigt ist.

Description

Beschreibung

SchaltVorrichtung

Es wird eine Schaltvorrichtung angegeben.

Die Schaltvorrichtung ist insbesondere als ein durch elektrisch leitenden Strom betreibbarer, elektromagnetisch wirkender, fernbetätigter Schalter ausgebildet. Die Schaltvorrichtung kann über einen Steuerstromkreis aktiviert werden und kann einen Laststromkreis schalten. Insbesondere kann die Schaltvorrichtung als Relais oder als Schütz, insbesondere als Leistungsschütz, ausgebildet sein. Besonders bevorzugt kann die Schaltvorrichtung als gasgefülltes Leistungsschütz ausgebildet sein.

Eine mögliche Anwendung von derartigen Schaltvorrichtungen, insbesondere von Leistungsschützen, ist das Öffnen und Trennen von Batteriestromkreisen, beispielsweise in Kraftfahrzeugen wie etwa elektrisch oder teilelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen.

In seiner Funktion als Sicherheitskomponente wird ein Schütz üblicherweise in Kombination mit einer Sicherung zwischen einer Batterie, etwa einer Lithium-Ionen-Batterie, und einem Elektromotor eingesetzt und muss bei Fehlfunktionen die Stromquelle von der Last trennen können. Ein gravierender Fall einer Batterie-Fehlfunktion ist ein Kurzschluss innerhalb der Batterie, der, je nach Batterie, im vollen Ladezustand zu einer sehr schnellen Entladung mit Strömen im Kilo-Ampere-Bereich und somit einem Vielfachen des Nominalstroms führen kann. Die Hauptaufgabe des Schützes ist es in einem solchen Fall, diesen sehr hohen Strom für eine kurze Zeit, beispielsweise im Bereich von Millisekunden, zu tragen, bis die vorgeschaltete Sicherung den Strom sicher trennen kann oder der Strom sich durch einen steigenden Innenwiderstand der Batterie verringert.

Ein Schütz weist üblicherweise eine durch einen Magnetantrieb bewegbare Schaltbrücke auf, die in einem eingeschalteten Zustand des Schützes beispielsweise zwei feststehende Hauptkontakte elektrisch leitend verbindet. Beim Auftreten eines hohen Kurzschlussstroms entstehen allerdings starke Lorentz-Kräfte durch die Magnetisierung der Leiter, die die Schaltbrücke von den Hauptkontakten wegdrücken. Dieses Phänomen wird auch als Levitation bezeichnet. Durch die Levitation kann ein ungewollter Lichtbogen zwischen den Hauptkontakten und der Brücke entstehen, welcher mit sehr hoher Temperatur brennt. Dadurch kann das Schütz zerstört werden.

Um einen stromdurchflossenen Leiter bildet sich ein Magnetfeld proportional zur Stromstärke aus. Bei bestehenden Lösungen wird das durch den in der Schaltbrücke fließenden Strom hervorgerufene Magnetfeld in Eisenteilen gebündelt, die sich dadurch anziehen. Die Anziehungskraft wird auch als Reluktanzkraft bezeichnet, die genutzt werden kann, um die Schaltbrücke stärker an die Hauptkontakte zu drücken und das Öffnen des Schützes zu verhindern.

Beispielsweise beschreibt die Druckschrift CN 209000835 U eine Anti-Levitations-Vorrichtung, bei der eine Schaltbrücke mit einer Druckfeder vorgespannt und zwischen einem Isolator und einem Haltekäfig gehalten wird. Die Schaltbrücke ist in der Mitte in zwei Strompfade geteilt. Beide Pfade werden von jeweils einer Eisenplatte und einer Eisenklammer umgriffen, wobei die Eisenplatten am Haltekäfig arretiert sind und die Eisenklammern an der Schaltbrücke befestigt sind.

Wird die Schaltbrücke nun von einem elektrischen Strom durchflossen, so bildet sich um jeden Strompfad ein jeweiliger magnetischer Fluss aus, der in den jeweiligen Eisenteilen gebündelt wird. Zwischen den Eisenteilen wirkt eine Anziehungskraft, die bestrebt ist den Luftspalt zu schließen. Mit dieser Kraft wird die Schaltbrücke zusätzlich an die Hauptkontakte gedrückt und so am Öffnen gehindert, wobei sich der Luftspalt nicht ändert und nur durch die Konstruktion der Komponenten vorgegeben ist. Die maximale Haltekraft und damit auch der maximale Kurzschlussstrom werden somit durch folgende Parameter begrenzt: Kraft der Druckfeder, Querschnitt der Eisenteile, Haltekraft des Magnetantriebs, Größe des Luftspalts.

Die Druckschriften EP 2 608235 Bl und DE 102016 206 130 Al beschreiben ebenfalls Anti-Levitations-Vorrichtungen, bei denen jedoch keine Teilung der Schaltbrücke in mehrere Strompfade und somit jeweils nur eine Eisenteilpaarung vorhanden ist.

Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, eine Schaltvorrichtung anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Gegenstands sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist eine Schaltvorrichtung zumindest einen feststehenden Kontakt und zumindest einen beweglichen Kontakt auf. Der bewegliche Kontakt kann insbesondere eine Kontaktbrücke aufweisen oder sein. Mit anderen Worten kann die Kontaktbrücke ein beweglicher Kontakt der Schaltvorrichtung oder Teil eines beweglichen Kontakts der Schaltvorrichtung sein. Nachfolgend beschriebene Eigenschaften und Merkmale des beweglichen Kontakts können somit entsprechende Eigenschaften und Merkmale der Kontaktbrücke sein und umgekehrt. Die Schaltvorrichtung kann besonders bevorzugt eine Kontaktanordnung aufweisen, die den beweglichen Kontakt, also die Kontaktbrücke, aufweist.

Der zumindest eine feststehende Kontakt und der zumindest eine bewegliche Kontakt sind dazu vorgesehen und eingerichtet, einen an die Schaltvorrichtung anschließbaren Laststromkreis ein- und auszuschalten. Der bewegliche Kontakt, also insbesondere die Kontaktbrücke der Kontaktanordnung, ist in der Schaltvorrichtung entsprechend derart zwischen einem nicht-durchschaltenden Zustand und einem durchschaltenden Zustand der Schaltvorrichtung bewegbar, dass der bewegliche Kontakt, also insbesondere die Kontaktbrücke der Kontaktanordnung, im nicht-durchschaltenden Zustand der Schaltvorrichtung vom zumindest einen feststehenden Kontakt beabstandet und damit galvanisch getrennt ist und im durchschaltenden Zustand einen mechanischen Kontakt zum zumindest einen feststehenden Kontakt aufweist und damit galvanisch mit dem zumindest einen feststehenden Kontakt verbunden ist. Im Folgenden wird der durchschaltende Zustand auch als eingeschalteter Zustand der Schaltvorrichtung bezeichnet, während der nicht- durchschaltende Zustand als ausgeschalteter Zustand der Schaltvorrichtung bezeichnet wird.

Besonders bevorzugt weist die Schaltvorrichtung zumindest zwei feststehende Kontakte auf, die voneinander getrennt in der Schaltvorrichtung angeordnet sind und die auf die vorab beschriebene Weise je nach Zustand des beweglichen Kontakts, also insbesondere der Kontaktbrücke, durch den beweglichen Kontakt, also insbesondere die Kontaktbrücke, elektrisch leitend miteinander verbunden oder elektrisch voneinander getrennt sein können. Die Kontaktbrücke weist bevorzugt eine Oberseite mit zumindest einem Kontaktbereich und eine der Oberseite gegenüber liegende Unterseite auf. Im durchschaltenden Zustand der Schaltvorrichtung steht der zumindest eine Kontaktbereich der Kontaktbrücke mit dem zumindest einen feststehenden Kontakt, insbesondere einem Kontaktbereich des zumindest einen feststehenden Kontakts, in mechanischem Kontakt. Weist die Schaltvorrichtung beispielsweise zwei feststehende Kontakte auf, kann die Kontaktbrücke entsprechend zwei Kontaktbereiche aufweisen.

Nachfolgend kann sich der allgemeine Begriff „Kontakte" insbesondere auf alle feststehenden Kontakte sowie auf die Kontaktbrücke oder die Kontaktanordnung mit der Kontaktbrücke beziehen. Insbesondere können die Kontakte ein Metall, bevorzugt Kupfer oder eine Kupferlegierung, aufweisen oder daraus sein. Weiterhin ist zumindest für die Kontaktbereiche beispielsweise auch ein Kompositmaterial in Form eines metallischen Matrixmaterials, bevorzugt mit oder aus Kupfer, und darin verteilten Partikeln, bevorzugt mit oder aus einem Keramikmaterial wie etwa Aluminiumoxid, möglich. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Schaltvorrichtung ein Gehäuse auf, in dem die Kontaktanordnung und der zumindest eine feststehende Kontakt oder die zumindest zwei feststehenden Kontakte angeordnet sind. Die Kontaktanordnung kann insbesondere vollständig im Gehäuse angeordnet sein. Dass ein feststehender Kontakt im Gehäuse angeordnet ist, kann insbesondere bedeuten, dass zumindest der Kontaktbereich des feststehenden Kontakts, der im durchschaltenden Zustand in mechanischem Kontakt zum beweglichen Kontakt steht, innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Zum Anschluss einer Zuleitung eines durch die Schaltvorrichtung zu schaltenden Stromkreises kann ein im Gehäuse angeordneter feststehender Kontakt von außen, also von außerhalb des Gehäuses, elektrisch kontaktierbar sein. Hierzu kann ein im Gehäuse angeordneter feststehender Kontakt mit einem Teil aus dem Gehäuse herausragen und außerhalb des Gehäuses eine Anschlussmöglichkeit für eine Zuleitung aufweisen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Kontakte in einer Gasatmosphäre im Gehäuse angeordnet. Das kann insbesondere bedeuten, dass die Kontaktanordnung vollständig in der Gasatmosphäre im Gehäuse angeordnet ist und dass weiterhin zumindest Teile des oder der feststehenden Kontakte, etwa der oder die Kontaktbereiche des oder der feststehenden Kontakte, in der Gasatmosphäre im Gehäuse angeordnet sind. Die Schaltvorrichtung kann entsprechend besonders bevorzugt eine gasgefüllte Schaltvorrichtung wie etwa ein gasgefülltes Schütz sein.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Kontakte, das bedeutet die Kontaktanordnung vollständig sowie zumindest Teile des oder der feststehenden Kontakte, in einer Schaltkammer innerhalb des Gehäuses angeordnet. In der Schaltkammer kann sich ein Gas, also zumindest ein Teil der vorher beschriebenen Gasatmosphäre, befinden. Das Gas kann bevorzugt einen Anteil von zumindest 20% H2 und bevorzugt zumindest 50% H2 aufweisen. Zusätzlich zum Wasserstoff kann das Gas ein inertes Gas aufweisen, besonders bevorzugt N2 und/oder eines oder mehrere Edelgase.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Kontaktbrücke in der Schaltvorrichtung mittels einer Achse bewegbar. Besonders bevorzugt ist die Kontaktanordnung in der Schaltvorrichtung mittels der Achse bewegbar. Insbesondere kann die Kontaktbrücke und besonders bevorzugt die Kontaktanordnung mittels eines Magnetankers bewegbar sein, der die Achse aufweist. Die Achse kann an einem Ende direkt oder indirekt mit der Kontaktbrücke verbunden derart verbunden sein, dass die Kontaktbrücke vermittels der Achse bewegbar ist, also bei einer Bewegung der Achse durch diese ebenfalls bewegt wird. Besonders bevorzugt kann die Achse an einem Ende mit der Kontaktanordnung derart verbunden sein, dass die Kontaktanordnung vermittels der Achse bewegbar ist, also bei einer Bewegung der Achse durch diese ebenfalls bewegt wird. Die Achse kann insbesondere durch eine Öffnung in der Schaltkammer in die Schaltkammer hineinragen. Der Magnetanker kann durch einen magnetischen Kreis bewegbar sein, um die vorab beschriebenen Schaltvorgänge zu bewirken. Hierzu kann der magnetische Kreis ein Joch aufweisen, das eine Öffnung aufweist, durch die die Achse des Magnetankers hindurch ragt. Die Achse kann bevorzugt Edelstahl aufweisen oder daraus sein. Das Joch kann bevorzugt Reineisen oder eine niedrig dotierte Eisenlegierung aufweisen oder daraus sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Kontaktanordnung ein Halteelement auf. Das Halteelement kann insbesondere an der Achse befestigt sein. Weiterhin können das Halteelement und damit die Kontaktanordnung an der Achse arretiert sein. Dies kann beispielsweise mittels eines Sprengrings oder einer Vernietung an der Achse möglich sein. Darüber hinaus können das Halteelement und damit die Kontaktanordnung auf der Achse aufgeschraubt sein. Hierzu kann das Halteelement beispielsweise ein Loch mit einem Gewinde oder mit einer umformten Gewindebuchse mit einem Gewinde aufweisen, mit dem das Halteelement auf einem Gewinde der Achse aufgeschraubt sein kann. Zusätzlich kann das Halteelement in diesem Fall an der Achse arretiert sein, beispielsweise ebenfalls mittels eines Sprengrings und/oder einer Vernietung und/oder einer Kontermutter. Darüber hinaus kann es auch möglich sein, dass die Achse im Halteelement durch eine Klemmung befestigt ist und/oder dass ein Teil der Achse mit dem Material des Halteelements umformt ist. Die Achse kann in diesem Fall bevorzugt eine oder mehrere Verankerungselemente wie beispielsweise eine oder mehrere Rillen und/oder eine oder mehrere Vorsprünge aufweisen, die ganz oder teilweise um die Achse herum verlaufen können.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Schaltvorrichtung ein oberes Jochelement auf. Das obere Jochelement ist besonders bevorzugt getrennt von der Kontaktbrücke und besonders bevorzugt getrennt von der Kontaktanordnung in der Schaltvorrichtung angeordnet. Insbesondere kann das obere Jochelement unbeweglich in der Schaltvorrichtung angeordnet und befestigt sein.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Schaltvorrichtung zusätzlich zum oberen Jochelement ein unteres Jochelement auf. Insbesondere weist die Kontaktanordnung das untere Jochelement auf. Das untere Jochelement ist somit bevorzugt Teil der Kontaktanordnung.

Das obere Jochelement oder das obere Jochelement und das untere Jochelement können jeweils Eisen aufweisen oder daraus sein. Insbesondere können das obere Jochelement oder das obere Jochelement und das untere Jochelement jeweils Reineisen aufweisen oder daraus sein.

Bevorzugt ist das obere Jochelement im Gegensatz zum unteren Jochelement kein Teil der Kontaktanordnung, sondern ist unabhängig von der Kontaktanordnung und damit für den Fall, dass die Kontaktanordnung das untere Jochelement aufweist, insbesondere unabhängig vom unteren Jochelement in der Schaltkammer angeordnet. Besonders bevorzugt ist das obere Jochelement im Hinblick auf seine Position relativ zu dem zumindest einen feststehenden Kontakt unveränderlich angeordnet und arretiert. Das obere Jochelement kann an der Schaltkammer befestigt sein. Beispielsweise kann das obere Jochelement an einer Innenseite der Schaltkammer befestigt sein, bevorzugt durch eine Verlötung oder Verklebung. Alternativ dazu kann das obere Jochelement auch durch eine Vernietung oder Verschraubung an der Schaltkammer befestigt sein. Weiterhin kann das obere Jochelement beispielsweise mittels eines Befestigungsteils, etwa aus einem Kunststoff, an der Innenseite der Schaltkammer gehalten sein. Beispielsweise kann das obere Jochelement hierbei durch Verstemmen in der Schaltkammer fixiert sein. Hierbei kann das obere Jochelement etwa lose in die Schaltkammer oder einen Teil der Schaltkammer eingelegt werden und bei der Montage, besonders bevorzugt formschlüssig, durch Verklemmen oder Verstemmen, in der Schaltkammer arretiert werden. Dadurch, dass das obere Jochelement nicht Teil der Kontaktanordnung ist, kann mit Vorteil im Gegensatz zum oben beschriebenen Stand der Technik erreicht werden, dass das obere Jochelement nicht während der Schaltbewegung der Kontaktanordnung mitbewegt wird. Dadurch kann das obere Jochelement beispielsweise größer dimensioniert als übliche Jochelemente im Stand der Technik ausgeführt werden, da die Masse des oberen Jochelements im Hinblick auf die Schaltbewegung unbeachtlich ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das untere Jochelement verschiebbar am Halteelement gelagert. Entsprechend kann sich die Position des unteren Jochelements relativ zum oberen Jochelement zum einen durch eine Bewegung des unteren Jochelements in der Kontaktanordnung ändern.

Damit kann ein Luftspalt zwischen dem unteren Jochelement und dem oberen Jochelement insbesondere auch in einem eingeschalteten Zustand der Schaltvorrichtung veränderbar sein. Zum anderen kann sich die Position des unteren Jochelements für den bevorzugten Fall, dass das obere Jochelement an der Schaltkammer befestigt ist, relativ zum oberen Jochelement durch eine Bewegung der Kontaktanordnung in der Schaltkammer ändern. Besonders bevorzugt ist das untere Jochelement in einer Richtung parallel zur Achse verschiebbar am Halteelement gelagert.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Kontaktbrücke am Halteelement angeordnet. Insbesondere kann die Kontaktbrücke am Halteelement verschiebbar gelagert sein. Besonders bevorzugt kann die Kontaktbrücke in einer Richtung parallel zur Achse verschiebbar am Halteelement gelagert sein. Dass ein Element, also insbesondere das untere Jochelement und/oder die Kontaktbrücke, verschiebbar am Halteelement gelagert sind, kann insbesondere bedeuten, dass das besagte Element in vorzugsweise nur einer Richtung, die auch als Bewegungsrichtung bezeichnet werden kann, beweglich in Bezug auf das Halteelement ist und gleichzeitig in seiner Bewegungsfreiheit durch das Halteelement eingeschränkt wird. Die Einschränkung der Bewegungsfreiheit kann entlang der Bewegungsrichtung vorliegen, so dass die Verschiebbarkeit entlang der Bewegungsrichtung auf eine gewisse Strecke begrenzt ist. Vorzugsweise ist die Bewegungsfreiheit in anderen Richtungen als der Bewegungsrichtung, bis auf Toleranzen, zumindest erheblich eingeschränkt.

Besonders bevorzugt sind für den Fall, dass das untere Jochelement vorhanden ist, die Kontaktbrücke, das untere Jochelement und das obere Jochelement jeweils paarweise relativ zueinander bewegbar gelagert. Das bedeutet, dass die Kontaktbrücke und das untere Jochelement relativ zueinander bewegbar gelagert sind, da die Kontaktbrücke und/oder das untere Jochelement beweglich am Halteelement gelagert sind. Weiterhin sind die Kontaktbrücke und, sofern vorhanden, das untere Jochelement relativ zum oberen Jochelement beweglich gelagert, was beispielsweise dadurch erreicht werden kann, dass die Kontaktbrücke und, sofern vorhanden, das untere Jochelement Teile der bewegbaren Kontaktanordnung sind, wohingegen das obere Jochelement kein Teil der Kontaktanordnung ist.

Beispielsweise kann das Halteelement zumindest ein Führungselement zur Führung der Kontaktbrücke und/oder des unteren Jochelements aufweisen. Das zumindest eine Führungselement kann beispielsweise durch eine Führungsschiene gebildet sein und kann insbesondere eine Führung und damit eine Bewegungsrichtung entlang der Richtung parallel zur Achse ermöglichen. Besonders bevorzugt weist das Halteelement mehrere Führungselemente auf. Durch die Führungselemente kann vorzugsweise auch eine Begrenzung der Beweglichkeit in anderen Richtung als der gewollten Bewegungsrichtung erreicht werden. Weiterhin kann das Halteelement zumindest einen Anschlag zur Begrenzung der Verschiebbarkeit der Kontaktbrücke und/oder des unteren Jochelements aufweisen. Der zumindest eine Anschlag kann insbesondere eine Begrenzung entlang der Bewegungsrichtung und damit vorzugsweise entlang der Richtung parallel zur Achse bewirken. Besonders bevorzugt kann das Halteelement mehrere Anschläge aufweisen.

Beispielsweise kann das Halteelement zumindest ein Klammerelement aufweisen, das das zumindest eine Führungselement und den zumindest einen Anschlag aufweist und das zumindest teilweise die Kontaktbrücke und/oder das untere Jochelement umgreift. Das zumindest eine Klammerelement kann beispielsweise an einer Grundplatte des Halteelements angeordnet sein. Insbesondere kann das Klammerelement einen Anschlag aufweisen, der über zwei Führungselemente mit der Grundplatte verbunden ist, so dass die Führungselemente und der Anschlag des Klammerelements zusammen mit der Grundplatte eine Öffnung umgeben. Die Kontaktbrücke und/oder das untere Jochelement können durch die Öffnung hindurchragen. Besonders bevorzugt weist das Halteelement zumindest zwei Klammerelemente auf.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Kontaktbrücke zwischen der Grundplatte des Halteelements und dem oberen Jochelement angeordnet. Für den Fall, dass das untere Jochelement vorhanden ist, ist die Kontaktbrücke zwischen dem unteren Jochelement und dem oberen Jochelement angeordnet. Insbesondere kann das obere Jochelement von der Achse aus gesehen über der Kontaktanordnung angeordnet sein. Die Kontaktbrücke kann eine Oberseite und eine der Oberseite gegenüberliegende Unterseite aufweisen, wobei das untere Jochelement, sofern vorhanden, unter der Kontaktbrücke und damit an der Unterseite der Kontaktbrücke angeordnet ist, während das obere Jochelement über der Kontaktbrücke und damit an der Oberseite der Kontaktbrücke angeordnet ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das obere Jochelement eine Vertiefung an einer der Kontaktbrücke zugewandten Unterseite auf. Die Vertiefung kann insbesondere als rinnenartige oder nutartige Vertiefung ausgebildet sein. Die Kontaktbrücke kann in einem eingeschalteten Zustand der Schaltvorrichtung teilweise in die Vertiefung ragen. Insbesondere kann die Vertiefung eine Breite aufweisen, die, zumindest im Bereich der Vertiefung, größer als eine Breite der Kontaktbrücke ist. Beispielsweise kann die Kontaktbrücke eine Einschnürung aufweisen, also einen Bereich mit einer verringerten Breite, wobei die Einschnürung in einem eingeschalteten Zustand der Schaltvorrichtung zumindest teilweise in der Vertiefung des oberen Jochelements angeordnet ist. Weiterhin kann die Vertiefung eine Tiefe aufweisen, die, zumindest im Bereich der Vertiefung, gleich oder im Wesentlichen gleich einer Dicke der Kontaktbrücke ist. Weiterhin kann die Kontaktbrücke auch eine Dicke aufweisen, die größer als die Tiefe der Vertiefung ist. Die Kontaktbrücke kann beim Übergang von einem ausgeschalteten Zustand in einen eingeschalteten Zustand der Schaltvorrichtung durch die Schaltbewegung der Kontaktanordnung in die Vertiefung einfahren. Das obere Jochelement kann somit in einem eingeschalteten Zustand die Kontaktbrücke zumindest teilweise umgreifen. Die Kontaktbrücke kann bevorzugt im eingeschalteten Zustand der Schaltvorrichtung teilweise aus der Vertiefung herausragen.

Weiterhin kann die Kontaktbrücke auch im eingeschalteten Zustand vom oberen Jochelement beabstandet sein. Mit anderen Worten kann die Kontaktbrücke im eingeschalteten Zustand somit keinen mechanischen Kontakt zum oberen Jochelement haben. Entsprechend kann auch im eingeschalteten Zustand ein Luftspalt zwischen dem oberen Jochelement und der Kontaktbrücke verbleiben.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Halteelement ein elektrisch isolierendes Material auf. Besonders bevorzugt ist das Halteelement aus einem oder mehreren elektrisch isolierenden Materialien, so dass das Halteelement elektrisch isolierend sein kann. Das oder die elektrisch isolierenden Materialien können ausgewählt sein aus Polymeren und Keramikmaterialien, beispielsweise ausgewählt aus Polyoxymethylen (POM), insbesondere mit der Struktur (CH₂0)_n/ Polybutylenterephthalat (PBT), Glasfaser-gefülltem PBT und elektrisch isolierenden Metalloxiden wie etwa AI₂O₃. Insbesondere kann das Halteelement die Kontaktbrücke oder bevorzugt die Kontaktbrücke und die Kontaktfeder sowie das untere Jochelement von der Achse elektrisch isolieren.

Dadurch kann die Kontaktbrücke elektrisch isoliert von den Komponenten des Magnetantriebs, also insbesondere von den weiteren Komponenten des Magnetankers, gelagert sein. Das Halteelement kann dadurch gleichzeitig eine Lagerung der Kontaktbrücke sowie eine elektrische Isolation der Kontaktbrücke ermöglichen. Beispielsweise kann das obere Jochelement lateral neben dem zumindest einen feststehenden Kontakt angeordnet sein. Mit „lateral" werden hier und im Folgenden Richtungen bezeichnet, die senkrecht zur Achse des Magnetankers sind. Besonders bevorzugt weist die Schaltvorrichtung zwei feststehende Kontakte auf und das obere Jochelement ist zwischen den zwei feststehenden Kontakten angeordnet.

Weiterhin kann es möglich sein, dass das Halteelement einen Teil wie etwa einen oben beschrieben Anschlag aufweist, der in einem eingeschalteten Zustand der Schaltvorrichtung in einen Zwischenraum zwischen dem zumindest einen feststehenden Kontakt und dem oberen Jochelement hineinragt. Dadurch kann beispielsweise eine elektrische Isolierung des oberen Jochelements von dem zumindest einen feststehenden Kontakt erreicht werden. Im Fall von zwei feststehenden Kontakten, zwischen denen das obere Jochelement angeordnet ist, kann das Halteelement bevorzugt entsprechend zwei Teile wie etwa zwei Anschläge aufweisen, wobei jeder der Anschläge in einem eingeschalteten Zustand der Schaltvorrichtung in einen Zwischenraum zwischen einem der feststehenden Kontakte und dem oberen Jochelement hineinragen kann.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Kontaktanordnung weiterhin eine Feder auf, die im Folgenden auch als Kontaktfeder bezeichnet werden kann und die auf einer an der dem oberen Jochelement abgewandten Unterseite der Kontaktbrücke angeordnet ist. Weist die Kontaktanordnung auch das untere Jochelement auf, so ist die Kontaktfeder somit auf der dem unteren Jochelement zugewandten Unterseite der Kontaktbrücke angeordnet. Die Kontaktfeder kann die Kontaktbrücke besonders bevorzugt in Richtung des zumindest einen feststehenden Kontakts drücken. Während eines Schaltvorgangs der Schaltvorrichtung von einem ausgeschalteten Zustand in einen eingeschalteten Zustand bewegen sich der Magnetanker und damit die Achse sowie die Kontaktanordnung bevorzugt in einer linearen Bewegung in Form einer Hub- oder Senkbewegung entlang der Achse, die auch als vertikale Richtung bezeichnet werden kann. Bevorzugt weisen die Achse und beispielsweise ein magnetischer Kern des Magnetankers in vertikaler Richtung einen Bewegungsspielraum für die Hubbewegung auf, die größer als der Schaltspalt ist, der durch den Abstand zwischen dem zumindest einen feststehenden Kontakt und der Kontaktbrücke im nicht- durchschaltenden Zustand gebildet wird. Dies kann beispielsweise dadurch ermöglicht sein, dass im ausgeschalteten Zustand ein Spalt zwischen dem magnetischen Kern und dem Joch des magnetischen Kreises, der auch als Bewegungsspalt bezeichnet werden kann, größer als der Schaltspalt ist. Beim Anschlägen der Kontaktbrücke am zumindest einen feststehenden Kontakt und damit beim vollständigen Schließen des Schaltspalts kann die Kontaktfeder einfedern und der Magnetanker kann sich weiter bewegen, bis beispielsweise der magnetische Kern am Joch anliegt. Somit kann es sich bei dem Magentanker mit der Kontaktanordnung um ein Überhubsystem handeln, bei dem die Kontaktbrücke verschiebbar am Halteelement angeordnet ist. Beispielsweise kann der Bewegungsspalt um kleiner oder gleich 1 mm und besonders bevorzugt um etwa 0,5 mm größer als der Schaltspalt sein. Durch ein durch den Überhub hervorgerufenes Einfedern der Kontaktfeder kann der Anpressdruck der Kontaktbrücke am zumindest einen feststehenden Kontakt erhöht werden und es kann eine gewisse Unempfindlichkeit gegenüber Vibrationen und mechanischen Stößen erreicht werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Kontaktfeder zwischen der Kontaktbrücke und der Grundplatte des Halteelements oder, im Fall eines vorhandenen unteren Jochelements, zwischen der Kontaktbrücke und dem unteren Jochelement angeordnet, so dass die Kontaktfeder bestrebt ist, die Kontaktbrücke und Grundplatte oder die Kontaktbrücke und das untere Jochelement auseinander zu drücken. Die Kontaktfeder erzeugt somit insbesondere eine Federkraft, die einer Annäherung des unteren Jochelements an die Grundplatte oder an die Kontaktbrücke entgegenwirkt. Die Feder kann sich, bevorzugt direkt, an der Unterseite der Kontaktbrücke und an der Grundplatte oder am unteren Jochelement abstützen. Im zweiten Fall kann das untere Jochelement eine Vertiefung aufweisen, in die die Feder hineinragt und die die Position der Kontaktfeder fixieren kann. Im Fall, dass die Schaltvorrichtung kein unteres Jochelement aufweist, kann das Halteelement, insbesondere die Grundplatte, einen Federhalter aufweisen, der einer Verschiebung der Kontaktfeder am Halteelement entgegenwirkt. Beispielsweise kann der Federhalter einen Zapfen aufweisen oder daraus gebildet sein, der von einem Teil der Kontaktfeder umgeben ist.

Im eingeschalteten Zustand der Schaltvorrichtung wird bei einem Stromfluss durch die Kontaktbrücke ein Magnetfeld im oberen Jochelement induziert. Dabei können sich, insbesondere im Fall eines großen Stroms wie etwa eines Kurzschlussstroms durch die Kontaktbrücke, die Magnetfeldlinien auf der Oberseite des oberen Jochelements bündeln. Da das Feld den kürzesten Weg zur Energieminimierung anstrebt, ist das Feld auf der der Kontaktbrücke zugewandten Unterseite und durch die Kontaktbrücke hindurch stark gestaucht und erzeugt eine Reluktanzkraft auf die Kontaktbrücke, die der Levitationskraft entgegenwirkt und die entsprechend auch als Anti-Levitations-Kraft bezeichnet werden kann. Somit kann ein Halteeffekt durch einen Fluss des magnetischen Felds vom oberen Jochelement durch die Kontaktbrücke erreicht werden.

Für den Fall, dass die Schaltvorrichtung das untere Jochelement aufweist, ist die Kontaktbrücke besonders bevorzugt wie vorab beschrieben zwischen dem oberen Jochelement und dem unteren Jochelement angeordnet. Die Jochelemente können zusätzlich zum vorher beschriebenen Effekt des oberen Jochelements auf die Kontaktbrücke auch in diesem Fall Magnetfelder, die bei einem Stromfluss durch die Kontaktbrücke entstehen, aufzufangen. Das bedeutet, dass in diesem Fall die beiden Jochelemente durch ein durch die stromdurchflossene Kontaktbrücke entstehendes Magnetfeld so magnetisiert werden, dass eine Anziehungskraft zwischen diesen entsteht. Da das obere Jochelement am Halteelement über der Kontaktbrücke angeordnet ist, während das untere Jochelement unter der Kontaktbrücke angeordnet ist, kann das untere Jochelement durch die entstehende Anziehungskraft zwischen den Jochelementen nach oben, also in Richtung des oberen Jochelements gezogen werden. Dieser Effekt kann den vorab beschriebenen Halteeffekt verstärken. Durch die Kontaktfeder kann das untere Jochelement eine Kraft auf die Kontaktbrücke ausüben, so dass damit auch die Kontaktbrücke zusätzlich nach oben und damit in Richtung des zumindest einen feststehenden Kontakts gedrückt wird. Die wirkende Anziehungskraft zwischen den Jochelementen ist umso stärker, je größer der elektrische Strom ist, der durch die Kontaktbrücke fließt. Da die Kontaktfeder jedoch bestrebt ist, das untere Jochelement von der Kontaktbrücke und damit auch vom oberen Jochelement wegzudrücken, und das untere Jochelement am Halteelement beweglich gelagert ist, kann die Federkraft bei ausreichend kleinen elektrischen Strömen durch die Kontaktbrücke größer sein als die Anziehungskraft zwischen den Jochelementen. Erst wenn die Anziehungskraft zwischen den Jochelementen die Federkraft der Kontaktfeder übersteigt, kann sich das untere Jochelement in Richtung des oberen Jochelements bewegen und dadurch die Kontaktbrücke vermittels der nun stärker komprimierten Kontaktfeder stärker an den zumindest einen feststehenden Kontakt andrücken. Damit kann dem oben beschriebenen Levitationseffekt, insbesondere bei einem Kurzschlussstrom, verstärkt entgegengewirkt werden.

In einem eingeschalteten Zustand der Schaltvorrichtung kann wie beschreiben somit durch die Kontaktbrücke ein elektrischer Strom fließen, der einen magnetischen Fluss erzeugt, der eine Anziehungskraft zwischen der Kontaktbrücke und dem oberen Jochelement sowie, sofern vorhanden, zwischen dem unteren Jochelement und dem oberen Jochelement bewirkt. Weist die Kontaktanordnung das untere Jochelement auf, so sind die Kontaktanordnung und das obere Jochelement so ausgebildet, dass bei einem elektrischen Strom kleiner als eine Stromschwelle das untere Jochelement in einem ersten Abstand zum oberen Jochelement angeordnet ist und dass bei einem elektrischen Strom größer als die Stromschwelle das untere Jochelement in einem zweiten Abstand zum oberen Jochelement angeordnet ist, wobei der zweite Abstand kleiner als der erste Abstand ist. Der erste und zweite Abstand können beispielsweise der jeweiligen Größe des Luftspalts entsprechen, der somit beim Überschreiten der Stromschwelle kleiner wird. Entsprechend ist der Luftspalt zwischen dem unteren Jochelement und dem oberen Jochelement im Betrieb der Schaltvorrichtung von einem elektrischen Strom, der durch die Kontaktbrücke fließt, abhängig. Unterhalb der Stromschwelle kann der Luftspalt und damit der erste Abstand mehr als 1 mm, beispielsweise bis zu 3 mm oder sogar bis zu 5 mm, sein und damit im Vergleich zum oben beschriebenen Stand der Technik, bei dem der Luftspalt weiterhin auch im Wesentlichen unveränderlich ist, erheblich größer sein. Nach dem Überschreiten der Stromschwelle kann der Luftspalt und damit der zweite Abstand kleiner als 1 mm und besonders bevorzugt gleich 0 oder zumindest annähernd 0 sein. Mit anderen Worten kann es nach dem Überschreiten der Stromschwelle bei einer geeigneten geometrischen Ausbildung der Kontaktanordnung und dem oberen Jochelement bevorzugt möglich sein, dass das untere Jochelement soweit an das obere Jochelement herangezogen wird, dass das untere Jochelement am oberen Jochelement anliegt oder zumindest ein Luftspalt von weniger als 1 mm vorliegt.

Die Stromschwelle kann durch eine geeignete Wahl der Federkonstanten der Kontaktfeder und der geometrischen Ausbildung und Größe der Jochelemente sowie dem ersten Abstand eingestellt werden. Insbesondere kann die Stromschwelle so eingestellt werden, dass elektrische Ströme, die einem Normalbetrieb der Schaltvorrichtung entsprechen, unterhalb der Stromschwelle liegen. Dadurch kann erreicht werden, dass im Normalbetrieb sowie beispielsweise auch für kleine Kurzschlussströme die Anziehungskraft zwischen den Jochelementen durch den großen Luftspalt mit dem ersten Abstand gering ist, so dass keine erhöhte Anpresskraft zwischen der Kontaktbrücke und dem zumindest einen feststehenden Kontakt erzeugt wird und die Kontaktbrücke allein durch die Kontaktfeder am zumindest einen feststehenden Kontakt gehalten wird. Erst wenn die Stromschwelle durch einen höheren Kurzschlussstrom überschritten wird, bewegt sich das untere Jochelement zum oberen Jochelement, so dass durch die Anziehungskraft der Jochelemente stärkere Levitationskräfte kompensiert werden können. Der Luftspalt ist somit wie beschrieben variabel in Abhängigkeit vom elektrischen Strom, der durch die Kontaktbrücke fließt, ausgeführt, wodurch ebenso die Haltekraft variabel wird. Es kann erreicht werden, dass sich die durch das untere Jochelement bewirkte zusätzliche Haltekraft durch die Jochelemente nur im Kurzschlussfall „zuschaltet", indem das untere Jochelement den magnetischen Kreis mit dem oberen Jochelement schließt.

Dadurch, dass bei der hier beschriebenen Schaltvorrichtung das obere Jochelement bevorzugt direkt fest an der Schaltkammer befestigt ist, ist dieses nicht mehr von der Haltekraft des Magnetantriebs der Schaltvorrichtung und damit von der Haltekraft der Spule abhängig, wie dies im oben beschriebenen Stand der Technik der Fall ist. Das obere Jochelement der hier beschriebenen Schaltvorrichtung kann somit große Kräfte aufnehmen, insbesondere Kräfte von mehr als 500 N. Bei den Lösungen im Stand der Technik sind die durch Jochelemente bewirkten Kräfte hingegen typischerweise auf etwa 100 N begrenzt, da diese nur so groß wie die Haltekraft der magnetischen Antriebsspule sein können. Folglich sind bei der hier beschriebenen Schaltvorrichtung deutlich größere Kurzschlussströme möglich. Während sich gezeigt hat, dass im Stand der Technik bekannte Lösungen typischerweise nur für Kurzschlussströme von bis zu 8 kA während einer Zeitdauer von 5 ms geeignet sind, haben Versuche mit der hier beschriebenen Schaltvorrichtung gezeigt, dass Kurzschlussströme von bis zu 16 kA möglich sind. Im Vergleich zu den komplexen Aufbauten im Stand der Technik ist der hier beschriebene Anti-Levitations-Effekt im Wesentlichen mit nur mit einem zusätzlichen Bauteil, nämlich dem oberen Jochelement, erreichbar. Eine Vergrößerung des Anti-Levitations-Effekts kann, wie oben beschrieben, mit dem zusätzlich vorsehbaren unteren Jochelement und somit mit dem oberen und unteren Jochelement erreicht werden und ist darüber hinaus gezielt zuschaltbar. Weiterhin kann, unabhängig vom Vorhandensein des unteren Jochelements, durch die Anordnung des oberen Jochelements an der Schaltkammer erreicht werden, dass beim Schalten das obere Jochelement nicht mitbewegt wird. Dadurch verringert sich die dynamische Masse zugunsten eines schnelleren Schaltvorgangs.

Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen .

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels für eine Schaltvorrichtung,

Figuren 2A bis 2F zeigen schematische Darstellungen von

Ausschnitten und Teilen einer Schaltvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung des Effekts des oberen Jochelements auf die Kontaktbrücke,

Figuren 4A und 4B zeigen schematische Darstellungen von Teilen einer Schaltvorrichtung gemäß weiteren Ausführungsbeispielen,

Figuren 5A bis 5D zeigen schematische Darstellungen von

Ausschnitten und Teilen einer Schaltvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel und Figuren 6A bis 6D zeigen schematische Darstellungen von Ausschnitten einer Schaltvorrichtung gemäß weiteren Ausführungsbeispielen .

In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.

In Figur 1 ist ein Beispiel für eine Schaltvorrichtung 100 gezeigt, die beispielsweise zum Schalten starker elektrischer Ströme und/oder hoher elektrischer Spannungen eingesetzt werden kann und die ein Relais oder Schütz, insbesondere ein Leistungsschütz, sein kann. In Figur 1 ist eine dreidimensionale Schnittdarstellung mit einer vertikalen Schnittebene gezeigt. Die gezeigten Geometrien sind nur exemplarisch und nicht beschränkend zu verstehen und können auch alternativ ausgebildet sein.

Die Schaltvorrichtung 100 weist in einem Gehäuse (nicht gezeigt) Kontakte 1 auf, die im Folgenden auch als Schaltkontakte bezeichnet werden. Das Gehäuse dient vornehmlich als Berührschutz für die im Inneren angeordneten Komponenten und weist einen Kunststoff auf oder ist daraus, beispielsweise PBT oder Glasfaser-gefülltes PBT. Im gezeigten Beispiel weist die Schaltvorrichtung 100 als Kontakte 1 zwei feststehende Kontakte 2 und einen auf einem Isolator 3 gelagerten beweglichen Kontakt in Form einer Kontaktbrücke 4 auf. Die Kontaktbrücke 4 ist als Kontaktplatte ausgebildet. Die feststehenden Kontakte 2 bilden zusammen mit der Kontaktbrücke 4 die Schaltkontakte. Alternativ zur gezeigten Kontaktanzahl können auch andere Anzahlen von Kontakten 1, also andere Anzahlen von feststehenden und/oder beweglichen Kontakten möglich sein. Die feststehenden Kontakte 2 und/oder die Kontaktbrücke 4 können beispielsweise mit oder aus Cu, einer Cu-Legierung, einem oder mehreren hochschmelzenden Metallen wie beispielsweise Wo, Ni und/oder Cr, oder einer Mischung von genannten Materialien, beispielsweise von Kupfer mit zumindest einem weiteren Metall, beispielsweise Wo, Ni und/oder Cr, sein.

In Figur 1 ist die Schaltvorrichtung 100 in einem ausgeschalteten Zustand gezeigt, in dem die Kontaktbrücke 4 von den feststehenden Kontakten 2 beabstandet ist, so dass die Kontakte 2, 4 galvanisch voneinander getrennt sind. Die gezeigte Ausführung der Schaltkontakte und insbesondere deren Geometrie sind rein beispielhaft und nicht beschränkend zu verstehen. Alternativ können die Schaltkontakte auch anders ausgebildet sein.

Die Schaltvorrichtung 100 weist einen beweglichen Magnetanker 5 auf, der im Wesentlichen die Schaltbewegung vollzieht. Der Magnetanker 5 weist einen magnetischen Kern 6 auf, beispielsweise mit oder aus einem ferromagnetischen Material. Weiterhin weist der Magnetanker 5 eine Achse 7 auf, die durch den magnetischen Kern 6 geführt ist und an einem Achsenende fest mit dem magnetischen Kern 6 verbunden ist. Am anderen, dem magnetischen Kern 6 gegenüber liegenden Achsenende weist der Magnetanker 5 die Kontaktbrücke 4 auf. Die Achse 7 kann bevorzugt mit oder aus Edelstahl gefertigt sein. Zur elektrischen Isolierung der Kontaktbrücke 4 von der Achse 7 ist der Isolator 3, der auch als Brückenisolator bezeichnet werden kann, zwischen diesen angeordnet. Zur Unterstützung des Ausgleichs möglicher Höhenunterschiede und zur Gewährleistung eines ausreichenden mechanischen Kontakts zwischen den feststehenden Kontakten 2 und der Kontaktbrücke 4 ist eine Kontaktfeder 34 unterhalb der Kontaktbrücke 4 angeordnet, die sich am Isolator 3 abstützt und die eine Kraft in Richtung der feststehenden Kontakte 2 auf die Kontaktbrücke 4 ausübt.

Der magnetische Kern 6 ist von einer Spule 8 umgeben. Ein von außen durch einen Steuerstromkreis aufschaltbarer Stromfluss in der Spule 8 erzeugt eine Bewegung des magnetischen Kerns 6 und damit des gesamten Magnetankers 5 in axialer Richtung, bis die Kontaktbrücke 4 die feststehenden Kontakte 2 kontaktiert. In der gezeigten Darstellung bewegt sich der Magnetanker hierzu nach oben. Der Magnetanker 5 bewegt sich somit von einer ersten Position, einer Ruheposition, die dem trennenden, also nicht-durchschaltendem und somit ausgeschaltetem Zustand entspricht, in eine zweite Position, die dem aktiven, also durchschaltenden und somit eingeschalteten Zustand entspricht. Im aktiven Zustand sind die Kontakte 1 galvanisch miteinander verbunden.

Zur Führung der Achse 7 und damit des Magnetankers 5 weist die Schaltvorrichtung 100 ein Joch 9 auf, das Reineisen oder eine niedrig dotierte Eisenlegierung aufweisen oder daraus sein kann und das einen Teil des magnetischen Kreises bildet. Das Joch 9 weist eine Öffnung auf, in der die Achse 7 geführt wird. Wird der Stromfluss in der Spule 8 unterbrochen, wird der Magnetanker 5 durch eine oder mehrere Federn 10 wieder in die erste Position bewegt. In der gezeigten Darstellung bewegt sich der Magnetanker 5 somit wieder nach unten. Die Schaltvorrichtung 100 befindet sich dann wieder im Ruhezustand, in dem die Kontakte 1 geöffnet sind.

Die Bewegungsrichtung des Magnetankers 5 und damit der Kontaktbrücke 4 wird im Folgenden auch als vertikale Richtung 91 bezeichnet. Die Anordnungsrichtung der feststehenden Kontakte 2, die senkrecht auf der vertikalen Richtung 91 steht, wird im Folgenden als longitudinale Richtung 92 bezeichnet. Die senkrecht zur vertikalen Richtung 91 und senkrecht zur longitudinalen Richtung 92 stehende Richtung wird im Folgenden als transversale Richtung 93 bezeichnet.

Die Richtungen 91, 92 und 93, die auch unabhängig von der beschriebenen Schaltbewegung gelten, sind in einigen Figuren zur Erleichterung der Orientierung angedeutet. Richtungen, die parallel zu einer durch die longitudinale Richtung 92 und die transversale Richtung 93 aufgespannten Ebene liegen und damit senkrecht zur vertikalen Richtung 91 sind, werden auch als laterale Richtungen 90 bezeichnet.

Beispielsweise beim Öffnen der Kontakte 1 kann zumindest ein Lichtbogen entstehen, der die Kontaktflächen der Kontakte 1 beschädigen kann. Dadurch kann die Gefahr bestehen, dass die Kontakte 1 durch eine durch den Lichtbogen hervorgerufene Verschweißung aneinander „kleben" bleiben und nicht mehr voneinander getrennt werden. Die Schaltvorrichtung 100 befindet sich dann somit weiter im eingeschalteten Zustand, obwohl der Strom in der Spule 8 abgeschaltet ist und somit der Laststromkreis getrennt sein müsste. Um die Entstehung derartiger Lichtbögen zu verhindern oder um wenigstens die Löschung von auftretenden Lichtbögen zu unterstützen, können die Kontakte 1 in einer Gasatmosphäre angeordnet sein, so dass die Schaltvorrichtung 100 als gasgefülltes Relais oder gasgefüllter Schütz ausgebildet sein kann. Insbesondere sind die Kontakte 1 innerhalb einer Schaltkammer 11, beispielsweise gebildet durch eine Schaltkammerwand 12 und einen Schaltkammerboden 13, in einem durch einen hermetisch abgeschlossenen Teil gebildeten gasdichten Bereich 14 angeordnet, wobei die Schaltkammer 11 Teil des gasdichten Bereichs 14 sein kann. Der gasdichte Bereich 14 umgibt den Magnetanker 5 und die Kontakte 1, bis auf zum externen Anschluss vorgesehene Teile der feststehenden Kontakte 2, vollständig. Der gasdichte Bereich 14 und damit auch der Innenraum 15 der Schaltkammer 11 sind mit einem Gas gefüllt. Das gasdichte Bereich 14 wird im Wesentlichen durch Teile der Schaltkammer 11, des Jochs 9 und zusätzliche Wandungen gebildet. Das Gas, das durch einen Gasfüllstutzen im Rahmen der Herstellung der Schaltvorrichtung 100 in den gasdichten Bereich 14 eingefüllt werden kann, kann besonders bevorzugt Wasserstoff-haltig sein, beispielsweise mit 20% oder mehr H2 in einem inerten Gas oder sogar mit 100% H2, da Wasserstoff haltiges Gas die Löschung von Lichtbögen fördern kann. Weiterhin können innerhalb oder außerhalb der Schaltkammer 11 sogenannte Blasmagnete vorhanden sein, also Permanentmagnete 16, die eine Verlängerung der Lichtbogenstrecke bewirken und somit das Löschen der Lichtbögen verbessern können.

Die Schaltkammerwand 12 und der Schaltkammerboden 13 können beispielsweise mit oder aus einem Metalloxid wie etwa AI2O3 gefertigt sein. Weiterhin eignen sich auch Kunststoffe mit einer ausreichend hohen Temperaturfestigkeit, beispielsweise ein PEEK, ein PE und/oder ein Glasfaser-gefülltes PBT. Alternativ oder zusätzlich kann die Schaltkammer 11 zumindest teilweise auch POM, insbesondere mit der Struktur (C^O)^ aufweisen. Ein solcher Kunststoff kann sich durch einen vergleichsweise geringen Kohlenstoffanteil und eine sehr geringe Neigung zur Graphitbildung auszeichnen. Durch die gleichen Anteile von Kohlenstoff und Sauerstoff insbesondere bei (CH2O)_n können bei einer Wärme- und insbesondere einer Lichtbogen-induzierten Zersetzung überwiegend gasförmiges CO und H2 entstehen. Der zusätzliche Wasserstoff kann die Bogenlöschung verstärken.

Die vorab beschriebenen Merkmale der Schaltvorrichtung 100 sind rein beispielhaft und nicht beschränkend zu verstehen. Beispielsweise kann die Schaltvorrichtung 100 alternativ zur beschriebenen Ausführung als gasgefülltes Schütz auch ohne Gasfüllung ausgeführt sein. Insbesondere dient die vorstehende Beschreibung des Beispiels der Figur 1 zur Verdeutlichung der Funktionsweise von Schaltvorrichtungen.

Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele für eine Schaltvorrichtung 100 gezeigt, die im Vergleich zur Schaltvorrichtung der Figur 1 eine Kontaktanordnung 200 sowie ein oberes Jochelement 50 oder ein unteres Jochelement 40 und ein oberes Jochelement 50 aufweist, das beziehungsweise die einen Anti-Levitations-Mechanismus bilden.

In den Figuren 2A bis 2F sind verschiedene Ausschnitte und Teile der Schaltvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. Figur 2A zeigt eine dreidimensionale Schnittdarstellung eines Teils der Schaltvorrichtung 100 mit der Kontaktanordnung 200, während die Figuren 2B bis 2F unterschiedliche Ansichten von Teilen der Schaltvorrichtung 100 und insbesondere der Kontaktanordnung 200 zeigen. Die nachfolgende Beschreibung der Schaltvorrichtung 100 bezieht sich gleichermaßen auf alle Figuren 2A bis 2F. Soweit nicht anders ausgeführt entsprechen die in den Figuren 2A bis 2F gezeigten Elemente den in Verbindung mit der Figur 1 erläuterten Elementen.

In Figur 2A ist im Vergleich zur Ansicht der Figur 1 zusätzlich das Gehäuse 19 der Schaltvorrichtung 100 gezeigt. Die Kontaktanordnung 200 ist in der Schaltkammer 11 angeordnet, weist die Kontaktbrücke 4 sowie ein Halteelement 30 auf und ist an der Achse 7 befestigt. Dadurch kann die Kontaktanordnung 200 zur Durchführung der Schaltbewegungen der Schaltvorrichtung 100 durch den oben beschriebenen Magnetantrieb bewegt werden.

Weiterhin weist die Schaltvorrichtung 100 ein oberes Jochelement 50 auf. Das obere Jochelement 50 kann Eisen aufweisen oder daraus sein. Insbesondere kann das obere Jochelement 50 Reineisen aufweisen oder daraus sein. Die Kontaktbrücke 4 ist durch das Halteelement 30 unterhalb dem oberen Jochelement 50 angeordnet.

Das obere Jochelement 50 ist kein Teil der Kontaktanordnung 200, sondern ist unabhängig von der Kontaktanordnung 200 und damit unabhängig vom unteren Jochelement 40 in der Schaltkammer 11 angeordnet. Insbesondere ist das obere Jochelement 50 relativ zu den feststehenden Kontakten 2 zwischen diesen angeordnet und befestigt. Wie in Figur 2A erkennbar ist, ist das obere Jochelement 50 wie auch die feststehenden Kontakte 2 bevorzugt an der Schaltkammer 11, insbesondere der Schaltkammerwand 12, befestigt, die beispielsweise ein Keramikmaterial aufweisen kann, um eine ausreichende Stabilität zu ermöglichen. Beispielsweise können das obere Jochelement 50 und die feststehenden Kontakte 2 jeweils durch eine Verlötung an der Schaltkammer befestigt sein. Das obere Jochelement 50 kann hierzu einen Lötflansch aufweisen. Insbesondere kann das obere Jochelement 50 an einer Innenseite der Schaltkammer 11 durch Verlöten befestigt sein. Alternativ dazu kann das obere Jochelement 50 auch durch eine Verklebung, Vernietung, Verschraubung oder Verstemmung an der Schaltkammer 11 befestigt sein.

Das Halteelement 30 ist an der Achse 7 befestigt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Halteelement 30 einen elektrisch isolierenden Kunststoff, insbesondere einen oben im allgemeinen Teil beschriebenen Kunststoff, auf, wobei ein Teil der Achse 7 mit dem Material des Halteelements 30 umformt ist, wie in Figur 2A erkennbar ist. Die Achse 7 weist zur Arretierung des Halteelements 30 und damit der Kontaktanordnung 200 ein Verankerungselement in Form von Rillen auf, die ganz um die Achse 7 herum verlaufen und in die das Material des Halteelements 30 eingreifen kann. Alternativ hierzu ist auch eine andere Befestigungsmethode möglich, beispielsweise mittels Nieten oder Verschrauben.

Das Halteelement 30 weist eine Grundplatte 31 auf, die an der Achse 7 befestigt ist. An der Grundplatte 31 weist das Halteelement 30, wie in den Figuren 2B und 2C angedeutet ist, Klammerelemente 32 zur beweglichen Lagerung der Kontaktbrücke 4 auf. Das Halteelement 30 kann besonders bevorzugt einstückig ausgebildet sein und ein oben im allgemeinen Teil beschriebenes Material aufweisen. Die Kontaktbrücke 4 ist durch die Klammerelemente 32 verschiebbar am Halteelement 30 gelagert. Insbesondere ist die Kontaktbrücke 4 entlang einer Bewegungsrichtung, die parallel zur Achse 7 ist, verschiebbar am Halteelement gelagert. Zur Führung der Kontaktbrücke 4 weist das Halteelement 30 Führungselemente 36 und Anschläge 37 auf, die die Klammerelemente 32 bilden. Die Führungselemente 36 sind als Führungsschienen ausgeführt und ermöglichen eine Bewegung der Kontaktbrücke 4 entlang der gewünschten Verschiebungsrichtung, während die Beweglichkeit der Kontaktbrücke 4 in anderen Richtungen durch die Führungselemente 36 eingeschränkt ist. Zur Begrenzung der Verschiebbarkeit der Kontaktbrücke 4insbesondere entlang der Bewegungsrichtung entlang der Achse 7 weist das Halteelement 30 Anschläge 37 auf, die auf einer der Grundplatte 31 gegenüberliegenden Seite der Führungselemente 36 angeordnet sind. Insbesondere bilden jeweils zwei Führungselemente und ein Anschlag 37 ein Klammerelement 32, das jeweils mit der Grundplatte 31 eine Öffnung 38 bildet. Wie in Figur 2B gezeigt ist, umgreift jedes der Klammerelemente 32 die Kontaktbrücke 4. Mit anderen Worten kann die Kontaktbrücke 4 durch die Öffnungen 38 hindurchragen und kann dadurch innerhalb der Öffnungen 38 der Klammerelemente 32 geführt werden.

Das Halteelement 30 kann weiterhin so ausgebildet sein, dass die Anschläge 37 in einem eingeschalteten Zustand der Schaltvorrichtung 100 in jeweils einen Zwischenraum zwischen einem feststehenden Kontakt 2 und dem oberen Jochelement 50 hineinragt, wie in Figur 2A erkennbar ist. Dadurch kann beispielsweise eine zumindest teilweise elektrische Isolierung des oberen Jochelements 50 von den feststehenden Kontakten 2 erreicht werden.

Die Kontaktanordnung 200 weist weiterhin eine Kontaktfeder 34 auf, die an der der Grundplatte 31 zugewandten Unterseite der Kontaktbrücke 4 angeordnet ist. Mit anderen Worten ist die Kontaktfeder 34 zwischen der Kontaktbrücke 4 und der Grundplatte 31 angeordnet. Das Halteelement 30 und insbesondere die Grundplatte 31 des Halteelements 30 weist einen Federhalter 39 auf, der einer Verschiebung der Kontaktfeder 34 am Halteelement 30 entgegenwirkt. Wie gezeigt kann der Federhalter 39 beispielsweise einen Zapfen aufweisen oder daraus gebildet sein, der von einem Teil der Kontaktfeder 34 umgeben ist.

Die Kontaktfeder 34 ist als Druckfeder ausgeführt. Wie oben beschrieben kann durch die Kontaktfeder 34 in Verbindung mit einem Überhub ein Anpressdruck der Kontaktbrücke 4 an die feststehenden Kontakte 2 erhöht werden. Dadurch, dass die Kontaktfeder 34 zwischen der Kontaktbrücke 4 und der Grundplatte 31 angeordnet ist, ist die Kontaktfeder 34 bestrebt, die Kontaktbrücke 4 und die Grundplatte 31 auseinander zu drücken, wodurch die Kontaktbrücke 4 in Richtung der feststehenden Kontakte 2 gedrückt wird.

Das obere Jochelement 50 weist eine Vertiefung 52 an der der Kontaktbrücke 4 zugewandten Unterseite auf. Die Vertiefung 52 kann, wie in den Figuren 2A, 2E und 2F erkennbar ist, insbesondere als rinnenartige oder nutartige Vertiefung ausgebildet sein. Die Kontaktbrücke 4 kann in einem eingeschalteten Zustand der Schaltvorrichtung 100 zumindest teilweise in die Vertiefung 52 ragen. Weiterhin kann die Kontaktbrücke 4, wie beispielsweise in Figur 2D in einer Ansicht auf die Unterseite der Kontaktbrücke 4 und auf die Unterseite des oberen Jochelements 50 erkennbar ist, eine Einschnürung 45 aufweisen, also einen beispielsweise stegförmigen Bereich mit einer verringerten Breite im Vergleich zu den Kontaktbereichen der Kontaktbrücke 4, wobei die Einschnürung 45 in einem eingeschalteten Zustand der Schaltvorrichtung 100 zumindest teilweise in der Vertiefung 52 des oberen Jochelements 50 angeordnet ist. Insbesondere weist die Vertiefung 52 eine Breite auf, die größer als eine Breite der Kontaktbrücke 4 zumindest im Bereich der Einschnürung 45 ist. Weiterhin kann die Vertiefung 52 eine Tiefe aufweisen, die kleiner oder gleich oder im Wesentlichen gleich einer Dicke der Kontaktbrücke 4 ist. Die Kontaktbrücke 4 kann beim Übergang von einem ausgeschalteten Zustand in einen eingeschalteten Zustand der Schaltvorrichtung 100 durch die Schaltbewegung der Kontaktanordnung 200 in die Vertiefung 52 einfahren. Das obere Jochelement 50 kann somit in einem eingeschalteten Zustand der Schaltvorrichtung 100 die Kontaktbrücke 4 zumindest teilweise in lateraler Richtung 90, insbesondere in transversaler Richtung 93, umgreifen. In Figur 2D ist weiterhin die Position der Kontaktfeder 34 angedeutet .

Besonders bevorzugt kann die Kontaktbrücke 4, wie insbesondere in Figur 2E erkennbar ist, eine Dicke aufweisen, die größer als die Tiefe der Vertiefung 52 ist. Das obere Jochelement 50 kann somit in einem eingeschalteten Zustand die Kontaktbrücke 4 nur teilweise umgreifen. Die Kontaktbrücke kann somit im eingeschalteten Zustand der Schaltvorrichtung 100 teilweise aus der Vertiefung 52 herausragen .

Weiterhin kann die Kontaktbrücke 4 besonders bevorzugt im eingeschalteten Zustand vom oberen Jochelement 50 beabstandet sein. Wie ebenfalls in Figur 2E erkennbar ist, ist es dadurch möglich, dass die Kontaktbrücke im eingeschalteten Zustand keinen mechanischen Kontakt zum oberen Jochelement 50 hat. Entsprechend kann auch im eingeschalteten Zustand ein Luftspalt zwischen dem oberen Jochelement 50 und der Kontaktbrücke 4 verbleiben. Durch das Vorsehen eines solchen Spalts kann beispielsweise Fertigungstoleranzen Rechnung getragen werden. Außerdem kann erreicht werden, dass sich ein möglicher Abbrand, also ein Abtragen und unkontrolliertes Ablagern von Material der Kontakte 1, wie es beispielsweise bei der Bildung Schaltlichtbögen auftreten kann, zu keinen unerwünschten Folgen kommen kann.

Das obere Jochelement 50 bildet zusammen mit der Kontaktbrücke 4 einen Anti-Levitations-Mechanismus, dessen Funktionsweise in Verbindung mit der Figur 3 anhand eines Ausschnitts der Schaltvorrichtung 100 in einer Schnittdarstellung mit einer Schnittebene entlang der vertikalen Richtung 91 und transversalen Richtung 92 angedeutet ist. Die Schaltvorrichtung 100 ist hierbei in einem eingeschalteten Zustand gezeigt, in dem ein elektrischer Strom I durch die Kontaktbrücke 4 fließt. Insbesondere bei einem Kurzschlussstrom kann, wie oben im allgemeinen Teil beschrieben ist, eine Levitationskraft Flev auftreten, die die Kontaktbrücke 4 von den feststehenden Kontakten wegdrückt. Ohne den im Folgenden beschriebenen Effekt wirkt der Levitationskraft nur die Federkraft der Kontaktfeder entgegen.

Wie in Figur 3 angedeutet ist, wird bei der hier beschriebenen Schaltvorrichtung im oberen Jochelement 50 im eingeschalteten Zustand der Schaltvorrichtung bei einem Stromfluss durch die Kontaktbrücke 4 ein Magnetfeld mit einem magnetischen Fluss MF induziert. Dabei können sich, insbesondere im Fall eines großen Stroms wie etwa eines Kurzschlussstroms durch die Kontaktbrücke 4, die Magnetfeldlinien auf der Oberseite des oberen Jochelements 50 bündeln. Eine große Dicke des oberen Jochelements 50 über der Kontaktbrücke 4 kann dabei von Vorteil sein. Insbesondere kann das obere Jochelement 50 besonders bevorzugt in vertikaler Richtung 91 über der Kontaktbrücke 4 eine größere Dicke als die Kontaktbrücke 4 aufweisen. Da das Feld den kürzesten Weg zur Energieminimierung anstrebt, ist das Feld auf der der Kontaktbrücke 4 zugewandten Unterseite und durch die Kontaktbrücke 4 hindurch stark gestaucht und erzeugt eine Reluktanzkraft Frei auf die Kontaktbrücke 4, die der Levitationskraft entgegenwirkt und die entsprechend auch als Anti-Levitations-Kraft bezeichnet werden kann. Somit kann ein Halteeffekt durch einen Fluss des magnetischen Felds vom oberen Jochelement 50 durch die Kontaktbrücke 4 erreicht werden.

In Verbindung mit den nachfolgenden Figuren sind Modifikationen und Weiterbildungen der Schaltvorrichtung erläutert .

Wie in Figur 4A angedeutet ist, kann die Kontaktbrücke 4 auch ohne Einschnürung ausgebildet sein und somit beispielsweise eine einfache quaderartige Form aufweisen. Weiterhin kann es auch möglich sein, wie in Figur 4B angedeutet ist, dass eine oder mehrere oder alle Kanten des oberen Jochelements 50 und/oder der Kontaktbrücke 4 abgerundet oder angeschrägt sind.

In Verbindung mit den nachfolgend beschriebenen Figuren ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Schaltvorrichtung 100 erläutert. In den Figuren 5A bis 5D sind verschiedene Ausschnitte und Teile der Schaltvorrichtung 100 gemäß dem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt. Figur 5A zeigt eine Schnittdarstellung der Schaltvorrichtung 100 mit der Kontaktanordnung 200, während die Figuren 5B bis 5D unterschiedliche Ansichten von Teilen der Schaltvorrichtung 100 und insbesondere der Kontaktanordnung 200 zeigen. Die nachfolgende Beschreibung der Schaltvorrichtung 100 bezieht sich gleichermaßen auf alle Figuren 5A bis 5D.

In Figur 5A ist im Vergleich zur Ansicht der Figur 1 zusätzlich das Gehäuse 19 der Schaltvorrichtung 100 gezeigt, während im Vergleich zur Figur 1 die Rückstellfeder 10 zur Rückstellung des Magnetantriebs 5 in den ausgeschalteten Zustand der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt ist. In Figur 5B sind weiterhin Spulenanschlüsse 18 zur Ansteuerung der Spule 8 gezeigt. Soweit nicht anders ausgeführt entsprechen die in den Figuren 5A bis 5D gezeigten Elemente den in Verbindung mit der Figur 1 und mit den Figuren 2A bis 3 erläuterten Elementen.

Die Kontaktanordnung 200 ist in der Schaltkammer 11 angeordnet, weist die Kontaktbrücke 4, ein Halteelement 30 sowie ein unteres Jochelement 40auf und ist an der Achse 7 befestigt. Dadurch kann die Kontaktanordnung 200 zur Durchführung der Schaltbewegungen der Schaltvorrichtung 100 durch den oben beschriebenen Magnetantrieb bewegt werden.

Weiterhin weist die Schaltvorrichtung 100 wie im Ausführungsbeispiel der Figuren 2A bis 2F ein oberes Jochelement 50 auf. Das untere Jochelement 40 und das obere Jochelement 50 können jeweils Eisen aufweisen oder daraus sein. Insbesondere können die Jochelemente 40, 50 jeweils Reineisen aufweisen oder daraus sein. Die Kontaktbrücke 4 ist zwischen dem unteren Jochelement 40 und dem oberen Jochelement 50 angeordnet.

Das obere Jochelement 50 ist, wie in Verbindung mit den Figuren 2A bis 2F beschrieben, kein Teil der Kontaktanordnung 200, sondern ist unabhängig von der Kontaktanordnung 200 und damit unabhängig vom unteren Jochelement 40 in der Schaltkammer 11 angeordnet und befestigt, wie in Verbindung mit den Figuren 2A bis 2F erläutert ist.

Das Halteelement 30 ist an der Achse 7 befestigt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Halteelement 30 einen elektrisch isolierenden Kunststoff, insbesondere einen oben im allgemeinen Teil beschriebenen Kunststoff, auf, wobei ein Teil der Achse 7 mit dem Material des Halteelements 30 umformt ist. Die Achse 7 weist zur Arretierung des Halteelements 30 und damit der Kontaktanordnung 200, wie in Figur 5A erkennbar ist, ein Verankerungselement in Form einer Rille auf, die ganz um die Achse 7 herum verläuft und in die das Material des Halteelements 30 eingreifen kann. Alternativ hierzu ist auch eine andere Befestigungsmethode möglich, beispielsweise mittels Nieten oder Verschrauben.

Das Halteelement 30 weist eine Grundplatte 31 auf, die an der Achse 7 befestigt ist. An der Grundplatte 31 weist das Halteelement 30 Klammerelemente 32 zur beweglichen Lagerung der Kontaktbrücke 4 und des unteren Jochelements 40 auf. Das Halteelement 30 kann besonders bevorzugt einstückig ausgebildet sein und ein oben im allgemeinen Teil beschriebenes Material aufweisen.

Die Kontaktbrücke 4 und das untere Jochelement 40 sind jeweils verschiebbar am Halteelement 30 gelagert.

Entsprechend kann die Position des unteren Jochelements 40 relativ zum oberen Jochelement 50 je nach Zustand der Schaltvorrichtung 100 variieren. Zum einen kann sich die relative Position des unteren Jochelements 40 zum oberen Jochelement 50 durch eine Verschiebung des unteren Jochelements 40 am Halteelement 30 und damit in der Kontaktanordnung 200 ändern. Damit kann, wie weiter unten ausführlicher beschrieben ist, ein Luftspalt zwischen dem unteren Jochelement 40 und dem oberen Jochelement 50, insbesondere in einem eingeschalteten Zustand der Schaltvorrichtung 100, veränderbar sein. Weiterhin kann sich die Position des unteren Jochelements 40 relativ zum oberen Jochelement 50 durch eine Bewegung der Kontaktanordnung 200 in der Schaltkammer 11 ändern. Besonders bevorzugt ist das untere Jochelement 40 so am Halteelement 30 gelagert, dass das untere Jochelement 40 entlang einer Bewegungsrichtung verschiebbar ist, die parallel zur Achse 7 ist und damit entlang der vertikalen Richtung 91 verläuft. Weiterhin ist auch die Kontaktbrücke 4 entlang einer Bewegungsrichtung, die parallel zur Achse 7 ist, verschiebbar am Halteelement gelagert. Damit können auch die Kontaktbrücke 7 und das untere Jochelement 40 sowie die Kontaktbrücke 7 und das obere Jochelement 50 relativ zu einander verschiebbar sein.

Das untere Jochelement 40 kann zumindest im in den Figuren 5A bis 5C angedeuteten ausgeschalteten Zustand der Schaltvorrichtung 100 auf der Grundplatte 31 aufliegen. Zur sicheren Positionierung kann das untere Jochelement 40 an der der Grundplatte 31 zugewandten Seite beispielsweise randseitige Nute aufweisen, in die Vorsprünge der Grundplatte 30 eingreifen können.

Zur Führung der Kontaktbrücke 4 und des unteren Jochelements 40 weist das Halteelement 30 Führungselemente 36 und Anschläge 37 auf. Die Führungselemente 36 sind als Führungsschienen ausgeführt und ermöglichen eine Bewegung der Kontaktbrücke 4 und des unteren Jochelements 40 entlang der gewünschten Verschiebungsrichtung, während die Beweglichkeit der Kontaktbrücke 4 und des unteren Jochelements 40 in anderen Richtungen durch die Führungselemente 36 eingeschränkt ist. Zur Begrenzung der Verschiebbarkeit der Kontaktbrücke 4 und des unteren Jochelements 40 insbesondere entlang der Bewegungsrichtung entlang der Achse 7 weist das Halteelement 30 Anschläge 37 auf, die auf einer der Grundplatte 31 gegenüberliegenden Seite der Führungselemente 36 angeordnet sind. Insbesondere bilden jeweils zwei Führungselemente und ein Anschlag 37 ein Klammerelement 32, das jeweils mit der Grundplatte 31 eine Öffnung 38 bildet.

Wie in Figur 5C gezeigt ist, umgreift jedes der Klammerelemente 32 die Kontaktbrücke 4. Mit anderen Worten kann die Kontaktbrücke 4 durch die Öffnungen 38 hindurchragen und kann dadurch innerhalb der Öffnungen 38 der Klammerelemente 32 geführt werden. Das untere Jochelement 40 wird im gezeigten Ausführungsbeispiel zwischen den Klammerelementen 32 geführt. Alternativ oder zusätzlich kann aber auch das untere Jochelement 40 so ausgebildet sein, dass es durch die Öffnungen 38 hindurchragt und innerhalb der Öffnungen 38 geführt wird und somit durch die Klammerelemente 32 umgriffen wird.

Das Halteelement 30 kann weiterhin so ausgebildet sein, dass die Anschläge 37 in einem eingeschalteten Zustand der Schaltvorrichtung 100 in jeweils einen Zwischenraum zwischen einem feststehenden Kontakt 2 und dem oberen Jochelement 50 hineinragt, wie in Figur 5B erkennbar ist. Dadurch kann beispielsweise eine zumindest teilweise elektrische Isolierung des oberen Jochelements 50 von den feststehenden Kontakten 2 erreicht werden.

Die Kontaktanordnung 200 weist weiterhin eine Kontaktfeder 34 auf, die an der dem unteren Jochelement 40 zugewandten Unterseite der Kontaktbrücke 4 angeordnet ist. Mit anderen Worten ist die Kontaktfeder 34 im Vergleich zum Ausführungsbeispiel der Figuren 2A bis 2F zwischen der Kontaktbrücke 4 und dem unteren Jochelement 40 angeordnet.

Die Kontaktfeder 34 ist als Druckfeder ausgeführt. Wie oben beschrieben kann durch die Kontaktfeder 34 in Verbindung mit einem Überhub ein Anpressdruck der Kontaktbrücke 4 an die feststehenden Kontakte 2 erhöht werden. Dadurch, dass die Kontaktfeder 34 zwischen der Kontaktbrücke 4 und dem unteren Jochelement 40 angeordnet ist, ist die Kontaktfeder 40 bestrebt, die Kontaktbrücke 4 und das untere Jochelement 40 auseinander zu drücken. Die Kontaktfeder 34 erzeugt somit eine Federkraft, die einer Annäherung des unteren Jochelements 40 an die Kontaktbrücke 4 entgegenwirkt. Die Kontaktfeder 34 kann sich, wie gezeigt, insbesondere direkt an der Unterseite der Kontaktbrücke 4 und/oder direkt am unteren Jochelement 40 abstützen. Das untere Jochelement 40 weist eine Vertiefung 41 auf, in die die Kontaktfeder 34 hineinragt und durch die die Position der Kontaktfeder 34 fixiert werden kann.

Das obere Jochelement 50 weist eine Vertiefung 52 an der der Kontaktbrücke 4 zugewandten Unterseite auf. Die Vertiefung 52 kann, wie gezeigt, insbesondere als rinnenartige oder nutartige Vertiefung ausgebildet sein. Die Kontaktbrücke 4 kann in einem eingeschalteten Zustand der Schaltvorrichtung 100 zumindest teilweise in die Vertiefung 52 ragen. Weiterhin kann die Kontaktbrücke 4, wie in Figur 5D in einer Ansicht auf die Unterseite der Kontaktbrücke 4 und auf die Unterseite des oberen Jochelements 50 erkennbar ist, wie schon in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel der Figuren 2A bis 2F erläutert, eine Einschnürung 45 aufweisen, also einen beispielsweise stegförmigen Bereich mit einer verringerten Breite im Vergleich zu den Kontaktbereichen der Kontaktbrücke 4, wobei die Einschnürung 45 in einem eingeschalteten Zustand der Schaltvorrichtung 100 zumindest teilweise in der Vertiefung 52 des oberen Jochelements 50 angeordnet ist. Insbesondere kann die geometrische Ausgestaltung der Kontaktbrücke 4 und des oberen Jochelements 50 wie in Verbindung mit den Figuren 2A bis 4B beschrieben sein.

Alternativ oder zusätzlich zum gezeigten Ausführungsbeispiel kann beispielsweise auch das untere Jochelement 40, das im gezeigten Ausführungsbeispiel plattenförmig ausgebildet ist, eine Vertiefung entsprechend der Vertiefung 52 aufweisen, während das obere Jochelement 50 eine ebene Unterseite aufweisen kann. Weiterhin kann es auch möglich sein, dass beide Jochelemente 40, 50 jeweils eine Vertiefung aufweisen, durch die jeder der Jochelemente 40, 50 bei einer entsprechenden Stellung relativ zur Kontaktbrücke 4 die Kontaktbrücke 4 von unten oder von oben teilweise umgreifen kann.

Die Kontaktanordnung 200 und insbesondere das untere Jochelement 40 sowie das obere Jochelement 50 bilden zusätzlich zu dem in Verbindung mit der Figur 3 beschriebenen Effekt einen weiteren Anti-Levitations-Mechanismus, dessen Funktionsweise in Verbindung mit den Figuren 6A bis 6D anhand von Ausschnitten der Schaltvorrichtung 100 in

Schnittdarstellungen mit Schnittebenen entlang der vertikalen Richtung 91 und der longitudinalen Richtung 93 (Figuren 6A,

6C) entlang der der vertikalen Richtung 91 und transversalen Richtung 92 (Figuren 6B, 6D) erläutert wird. Die Schaltvorrichtung 100 ist hierbei in einem eingeschalteten Zustand gezeigt, in dem ein elektrischer Strom I durch die Kontaktbrücke 4 fließt, wie in den Figuren 6A und 6C angedeutet ist. Im ausgeschalteten Zustand der Schaltvorrichtung 100 lagern die beweglichen Teile der Schaltvorrichtung 100 in der unteren Ruhelage, wie beispielsweise vorab in Figur 5A gezeigt ist. Der elektrische Kontakt zwischen den feststehenden Kontakten 2 und der Kontaktbrücke 4 ist in diesem Zustand getrennt. Die Kontaktfeder 34 spannt die Kontaktbrücke 4 und das untere Jochelement 40 vor und hält sie im durch die Grundplatte 31 und die Klammerelemente 32 gebildeten Käfig des Halteelements 30 in Position. Beim Einschalten der Schaltvorrichtung 100 wird die Spule 8 des Magnetantriebs von einem Steuerstrom durchflossen, wodurch sich der magnetische Kern 6 nach oben bewegt. Dadurch bewegt sich vermittels der Achse 7 auch die Kontaktanordnung 200 mit der Kontaktbrücke 4, dem Halteelement 30, der Kontaktfeder 34 und dem unteren Jochelement 40 nach oben, so dass die Kontaktbrücke 4 gegen die feststehenden Kontakte 2 gedrückt wird. Der magnetische Kern 6, die Achse 7, das Halteelement 30, die Kontaktfeder 34 und das untere Jochelement 40 bewegen sich danach weiter aufwärts, bis der magnetische Kern am Joch des Magnetantriebs anschlägt. Dadurch wird die Kontaktfeder 34 weiter komprimiert und es wird eine ausreichende Kontaktkraft zwischen den Kontakten 1 sichergestellt, um dauerhaft den Nominalstrom zu tragen. Dieser Zustand ist der Normalzustand der Schaltvorrichtung 100 im eingeschalteten Zustand und ist in den Figuren 6A und 6B gezeigt.

Durch den elektrischen Strom I, der durch die Kontaktbrücke 4 fließt, wird ein magnetischer Fluss MF in den Jochelementen 40, 50 induziert. Durch die Magnetisierung wird eine Reluktanzkraft Frei, also eine anziehende Kraft, zwischen den Jochelementen 40, 50 bewirkt, die gegen die Federkraft Fs der Kontaktfeder 34 gerichtet ist. Die wirkende Reluktanzkraft Frei, also die Anziehungskraft, ist umso stärker, je größer der elektrische Strom I ist, der durch die Kontaktbrücke 4 fließt. Da die Kontaktfeder 34 jedoch bestrebt ist, das untere Jochelement 40 von der Kontaktbrücke 4 und damit auch vom oberen Jochelement 50 wegzudrücken, kann die Federkraft Fs bei ausreichend kleinen elektrischen Strömen I größer sein als die Reluktanzkraft Frei zwischen den Jochelementen 40,

50. In diesem Fall, der den Normalbetrieb darstellt, verharren die beweglichen Teile in der in den Figuren 6A und 6B gezeigten Position.

Zwischen den Jochelementen 40, 50 ist ein Luftspalt L vorhanden, der einem ersten Abstand LI der Jochelemente 40,

50 zueinander entspricht. Der erste Abstand LI kann besonders bevorzugt mehr als 1 mm und insbesondere mehrere Millimeter, beispielsweise 3 mm oder sogar 5 mm, betragen.

Durch eine geeignete Wahl der Federkonstanten der Kontaktfeder 34, der geometrischen Ausbildung und Größe der Jochelemente 40, 50 sowie des ersten Abstands LI kann eine Stromschwelle für den elektrischen Strom I eingestellt werden, bis zu der der in den Figuren 6A und 6B gezeigte Zustand gehalten wird und der Luftspalt L in der gezeigten Weise geöffnet bleibt. Die Stromschwelle liegt bevorzugt über dem Nominalstrom und kann besonders bevorzugt auch noch über kleineren Kurzschlussströmen liegen. Beispielsweise kann die Stromschwelle bei mehreren Kiloampere, etwa 5 kA, liegen. Im niedrigen Kurzschlussstrombereich unterhalb der Stromschwelle ist die Levitationskraft Flev, die die Kontaktbrücke 4 von den feststehenden Kontakten 2 wegdrückt, gering, so dass die Kontaktfeder 34 allein die Kraft zum Halten der Kontaktbrücke 4 an den feststehenden Kontakten 2 aufbringen kann. Übersteigt der elektrische Strom I durch die Kontaktbrücke 4 schließlich die Stromschwelle, liegt also ein Zustand vor, in dem ein erhöhter Kurzschlussstrom durch die Kontakte 1 fließt, wächst auch die Reluktanzkraft Frei proportional mit dem elektrischen Strom I und übersteigt die Federkraft Fs.

Das untere Jochelement 40 bewegt sich dadurch aufwärts, also auf das obere Jochelement 50 zu. Dadurch verringert sich die Größe des Luftspalts L, wodurch sich wiederum der magnetische Fluss MF zusätzlich vergrößert. Die Reluktanzkraft Frei wächst dadurch exponentiell über die Federkraft Fs. Die Kontaktfeder 34 wird weiter komprimiert, bevorzugt bis das untere Jochelement 40 auf der Unterseite der Kontaktbrücke 4 oder der Unterseite des oberen Jochelements 50 aufliegt. Der Luftspalt L entspricht, wie in den Figuren 6C und 6D gezeigt ist, einem kleineren zweiten Abstand L2 zwischen den Jochelementen 40, 50, der in diesem Fall minimal und sogar gleich 0 oder annähernd gleich 0 sein kann. Die Anpresskraft ist nun maximal und insbesondere so groß, so dass die Reluktanzkraft Frei die Levitationskraft Flev weiterhin übersteigt und die Kontaktbrücke 4 weiterhin an die feststehenden Kontakte 2 gedrückt werden kann. Erst über einem maximalen Kurzschlussstrom, der beispielsweise im Bereich von 16 kA oder mehr liegen kann, werden die Jochelemente 40, 50 vom magnetischen Fluss MF gesättigt und die Levitationskraft Flev kann die Reluktanzkraft Frei überschreiten, wodurch die Kontaktbrücke 4 von den feststehenden Kontakten 2 abheben würde.

Der Luftspalt L ist somit wie beschrieben variabel in Abhängigkeit vom elektrischen Strom I, der durch die Kontaktbrücke 4 fließt, wodurch auch die Haltekraft variabel ist. Es kann erreicht werden, dass sich die zusätzliche Haltekraft durch die Jochelemente 40, 50 nur im Kurzschlussfall über der Stromschwelle „zuschaltet", wodurch die Schaltvorrichtung 100 im Vergleich zu bekannten Lösungen größere Kurzschlussströme tragen kann. Die in den in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Merkmale und Ausführungsbeispiele können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen miteinander kombiniert werden, auch wenn nicht alle Kombinationen explizit beschrieben sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen .

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Bezugszeichenliste

1 Kontakt

2 feststehender Kontakt

3 Isolator

4 Kontaktbrücke

5 Magnetanker

6 magnetischer Kern

7 Achse

8 Spule

9 Joch

10 Feder 11 Schaltkämmer 12 Schaltkammerwand

13 Schaltkämmerboden

14 gasdichter Bereich

15 Innenraum

16 Permanentmagnet 18 Spulenanschlüsse 19 Gehäuse

30 Halteelement

31 Grundplatte

32 Klammerelement 34 Kontaktfeder

36 Führungselernent

37 Anschlag

38 Öffnung

39 Federhalter

40 unteres Jochelement

41 Vertiefung 45 Einschnürung 50 oberes Jochelement

51 Lötflansch 52 Vertiefung

60 Luftspalt

90 laterale Richtung

91 vertikale Richtung 92 longitudinale Richtung

93 transversale Richtung 100 SchaltVorrichtung 200 Kontaktanordnung I elektrischer Strom Flev Levitationskraft Fs Federkraft

Frei Reluktanzkraft LI, L2 Abstand MF magnetischer Fluss

Claims

Patentansprüche

1. Schaltvorrichtung (100), aufweisend zumindest einen feststehenden Kontakt (2, 3), eine Kontaktbrücke (4) und ein oberes Jochelement (50) in einer Schaltkammer (11), wobei das obere Jochelement an der Schaltkammer befestigt ist, das obere Jochelement eine Vertiefung (52) an einer der

Kontaktbrücke zugewandten Unterseite aufweist und die Kontaktbrücke in einem eingeschalteten Zustand der Schaltvorrichtung zumindest teilweise in die Vertiefung ragt.

2. Schaltvorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, wobei das obere Jochelement lateral neben dem zumindest einen feststehenden Kontakt angeordnet ist.

3. Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schaltvorrichtung zwei feststehende Kontakte aufweist und das obere Jochelement zwischen den zwei feststehenden Kontakten angeordnet ist.

4. Schaltvorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Kontaktbrücke eine Einschnürung (45) aufweist, die in einem eingeschalteten Zustand der Schaltvorrichtung zumindest teilweise in der Vertiefung des oberen Jochelements angeordnet ist.

5. Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kontaktbrücke im eingeschalteten Zustand teilweise aus der Vertiefung herausragt.

6. Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kontaktbrücke eine Dicke aufweist, die größer als eine Tiefe der Vertiefung ist.

7. Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kontaktbrücke im eingeschalteten Zustand vom oberen Jochelement beabstandet ist.

8. Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das obere Jochelement über der Kontaktbrücke eine größere Dicke als die Kontaktbrücke aufweist.

9. Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das obere Jochelement an der Schaltkammer mittels Verlöten, Vernieten, Verschrauben, Verkleben oder Verstemmen befestigt ist.

10. Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schaltvorrichtung eine Kontaktanordnung (200) aufweist, die mittels einer Achse (7) bewegbar ist, wobei die Kontaktanordnung ein Halteelement (30) und die Kontaktbrücke aufweist, wobei das Halteelement an der Achse befestigt ist und wobei die Kontaktbrücke verschiebbar am Halteelement gelagert ist.

11. Schaltvorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, wobei das Halteelement zumindest ein Führungselement (36) zur Führung der Kontaktbrücke aufweist.

12. Schaltvorrichtung nach einem der beiden vorherigen Ansprüche, wobei das Halteelement zumindest einen Anschlag (37) zur Begrenzung der Verschiebbarkeit der Kontaktbrücke aufweist.

13. Schaltvorrichtung nach Anspruch 11 und 12, wobei das Halteelement zumindest ein Klammerelement (32) aufweist, das die zumindest eine Führungsschiene und den zumindest einen Anschlag aufweist und das zumindest teilweise die Kontaktbrücke umgreift.

14. Schaltvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei der zumindest eine Anschlag in einem eingeschalteten Zustand der Schaltvorrichtung in einen Zwischenraum zwischen dem zumindest einen feststehenden Kontakt und dem oberen Jochelement hineinragt.

15. Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Kontaktanordnung eine Kontaktfeder (34) aufweist, die an einer dem oberen Jochelement abgewandten Unterseite der Kontaktbrücke angeordnet ist und die Kontaktbrücke in Richtung des zumindest einen feststehenden Kontakts drückt.

16. Schaltvorrichtung nach Anspruch 15, wobei sich die Kontaktfeder direkt an der Unterseite der Kontaktbrücke und/oder direkt am Halteelement abstützt.

17. Schaltvorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, wobei das Halteelement einen Federhalter (39) aufweist, der einer Verschiebung der Kontaktfeder am Halteelement entgegenwirkt und der Federhalter einen Zapfen aufweist, der von einem Teil der Kontaktfeder umgeben ist.

18. Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Kontaktanordnung weiterhin ein unteres Jochelement (40) aufweist, das verschiebbar am Halteelement gelagert ist, und wobei ein Luftspalt (L) zwischen dem unteren Jochelement und dem oberen Jochelement im Betrieb der Schaltvorrichtung von einem elektrischen Strom (I), der durch die Kontaktbrücke fließt, abhängig ist.

19. Schaltvorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Kontaktbrücke zwischen dem unteren Jochelement und dem oberen Jochelement angeordnet ist.

20. Schaltvorrichtung nach einem der beiden vorherigen Ansprüche, wobei zwischen der Kontaktbrücke und dem unteren Jochelement eine Kontaktfeder (34) angeordnet ist, die die Kontaktbrücke und das untere Jochelement auseinander drückt.