JP2022526315A - 短絡電流の高速切断のためのスイッチングデバイス - Google Patents

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Abstract

短絡電流の高速切断のためのスイッチングデバイス（１）が、スイッチングブリッジ（１０）と、磁場を生成するためのコイル（２０）を有する電磁スイッチングドライブ（１００）と、磁石アンカー（１５）と、を備える。スイッチングデバイス（１）が、磁石アンカー（１５）の動きを案内するためのガイドスリーブ（３０）をさらに備える。磁石アンカー（１５）が、空洞（３３）が磁石アンカー（１５）の下に形成されるように、ガイドスリーブ（３０）内に配置されている。火工品推進薬（６０）が、空洞（３３）内に位置している。空洞（３３）内の火工品推進薬（６０）の点火の結果として、磁石アンカー（１５）が、スイッチングブリッジ（１０）が閉状態で動作するガイドスリーブ（３０）内の第１の位置からスイッチングブリッジ（１０）が開状態で動作する第２の位置へ移動される。

Description

本開示は、主にエレクトロモビリティの分野における用途のための、短絡電流、例えば高ＤＣ電流、の高速切断のためのスイッチングデバイスに関する。
特に電気自動車のいわゆる高電圧車載電源システムにおいて、高ＤＣ電流を伝導および切り替えるために、極性に依存しないＤＣコンパクトスイッチングデバイスを使用することがある。多数のスイッチング動作を実現するために、スイッチングデバイスは、電磁スイッチングドライブ／アクチュエータを介してスイッチングブリッジのスイッチング接点の開閉を可能にする少なくとも２つの接点対を装備したスイッチングブリッジ／コンポーネントを備えるコンタクタの原理に基づいている。
定格動作でＤＣ電流を切り替えるために、スイッチング回路は、接点が脱イオンアーク消弧室の方向に開かれたときに形成されるアークを駆動する永久磁気アークドライバ構成を含み、そこでそれらを個々の部分アークに分割して冷却することによって迅速に消弧する。
衝突時に発生する可能性のあるキロアンペア範囲の過電流および短絡電流を制御するために、スイッチングデバイスの電流ルーティングは、このような場合、永久磁場を重ね合わせる動的な磁気ブラスト場力が生成されるような仕方で設計されており、スイッチング接点を開いた後、消弧室の方向へのアークの迅速な移動とその後の消滅とを確実にする。
好ましくはホールセンサの形態で、スイッチングデバイスの電流が電流制限値を超えたときにスイッチングデバイスの制御電子機器においてスイッチオフ信号を開始する監視センサは、スイッチングデバイスの接点の早期の開放を保証し、これは順次、電磁スイッチングドライブのソレノイドドライブコイルの迅速な非通電を保証し、こうして接点の迅速な開放を保証する。
スイッチングデバイスによる高短絡電流の制御について、アークのエネルギーを最小限に抑えるために、短絡の発生から関連するアークの消滅までの時間スパンが可能な限り短いことが基本的に重要である。短絡が発生した後の電気自動車の安全のために、少なくとも短絡の原因が発見されて解消されるまで、高電圧の車載電源システムを再びオンに切り替えることができないことも重要である。
スイッチングデバイスの接点間に生成されるアークの高エネルギーによって引き起こされるどんな損傷も防ぐことができるように、短絡電流の高速切断のためのスイッチングデバイスを提供することが望まれている。
発明の概要
短絡電流の高速切断のためのスイッチングデバイスの実施形態は、請求項１に記載されている。
可能な実施形態によれば、スイッチングデバイスは、可動接触要素および固定接触要素を備えたスイッチングブリッジを備える。スイッチングブリッジは、可動接触要素が固定接触要素と接触している閉状態と、可動接触要素が固定接触要素から離間している開状態とで動作可能である。スイッチングデバイスは、磁場を生成するためのコイルおよび磁石アンカーを備えた電磁スイッチングドライブをさらに備え、磁石アンカーの動きは、スイッチングブリッジの動きに結合されている。
スイッチングデバイスは、コイルの磁場内の磁石アンカーの動きを案内するためのガイドスリーブをさらに備える。磁石アンカーは、空洞が磁石アンカーの下に形成されるように、ガイドスリーブ内に配置されている。スイッチングデバイスは、空洞内に位置する火工品推進薬を備える。ガイドスリーブと磁石アンカーと火工品推進薬とは相互作用し、それにより、空洞内の火工品推進薬の点火の結果として、磁石アンカーは、スイッチングブリッジが閉状態で動作するガイドスリーブ内の第１の位置からスイッチングブリッジが開状態で動作するガイドスリーブ内の第２の位置へ移動する。
火工品の有効成分に基づくスイッチングデバイスは、短絡電流の高速スイッチオフを可能にする。さらに、スイッチングデバイスは、可動接触要素と固定接触要素との間に生成されたアークの高速消滅が可能になるように有利に構成され得、それにより、短絡の発生から接触間のアークの消滅までの時間スパンが可能な限り短くなる。この目的のために、火工品推進薬の点火によって生成されたガスジェットは、開放された可動接触要素と固定接触要素との間の空間に案内され得、そこで、アークはスイッチングブリッジの開状態で生成される。
別の有利な実施形態によれば、スイッチングデバイスは、スイッチングブリッジの可動接触要素をロックするための拘束デバイスを備える。スイッチングデバイスの拘束機能は、機械的または電気機械的な方法で実現され得る。可動接触要素をスイッチングブリッジの開状態にロックするための拘束デバイスは、前回の短絡事象の後にスイッチングブリッジが開状態から閉状態に意図せずに再び移動するのを防ぐことを可能にする。追加の特徴および利点は、以下の詳細な説明に記載されており、その説明から当業者には容易に明らかになるか、または本明細書の書面による説明および特許請求の範囲ならびに添付の図面に記載されているような実施形態を実施することによって認識されるであろう。前述の一般的な説明および以下の詳細な説明の両方は、単なる例示であり、特許請求の範囲の性質および特徴を理解するための概要またはフレームワークを提供することを意図していることを理解されたい。
添付の図面は、さらなる理解を提供するために含まれており、明細書に組み込まれ、その一部を構成する。図面は、１つ以上の実施形態を示し、詳細な説明とともに、様々な実施形態の原理および動作を説明するのに役立つ。したがって、本開示は、添付の図と併せて、以下の詳細な説明からより完全に理解されるであろう。
短絡電流の高速切断のためのスイッチングデバイスの実施形態を示す。 電気アークを消弧するための消弧剤を吸収するための吸収体要素を有する短絡電流の高速切断のためのスイッチングデバイスの拡大部分を図示する。 可撓性突起を有するディスクを備える可動接触要素をロックするための拘束デバイスの実施形態を伴う、短絡電流の高速切断のためのスイッチングデバイスの拡大部分を示す。 スイッチングブリッジヘッドを受容するためのブリッジレセプタクルの壁内に可撓性突起を有する可動接触要素をロックするための拘束デバイスの実施形態を伴う、短絡電流の高速切断のためのスイッチングデバイスの拡大部分を示す。 スイッチングブリッジヘッドの壁に可撓性突起を備えた可動接触要素をロックするための拘束デバイスの実施形態を伴う、短絡電流の高速切断のためのスイッチングデバイスの拡大部分を示す。 電気機械原理に基づいて可動接触要素をロックするための拘束デバイスの実施形態を伴う、短絡電流の高速切断のためのスイッチングデバイスの拡大部分を図示する。
図１は、可動接触要素４０および固定接触要素４５を有するスイッチングブリッジ／コンポーネント１０を備える、短絡電流の高速切断のためのスイッチングデバイス１の実施形態を示す。スイッチングデバイス１は、磁場を生成するためのコイル２０およびドライブコイル２０に面する端部にある磁石アンカー１５を有する電磁スイッチングドライブ／アクチュエータ１００をさらに備える。磁気アンカー１５はフェライト系材料でできており、好ましくは円筒形状を有し得る。磁石アンカー１５の動きがスイッチングブリッジ１０の動きに結合されるように、磁石アンカー１５はスイッチングブリッジ１０に結合されている。スイッチングブリッジ１０は、可動接触要素４０が固定接触要素４５と接触している閉状態で動作可能である。スイッチングブリッジ１０は、可動接触要素４０が固定接触要素４５から離間している開状態でさらに動作可能である。
スイッチングデバイス１は、コイル２０の磁場内で磁石アンカー１５の動きを案内するためのガイドスリーブ３０を備える。ガイドスリーブ３０は、好ましくは、耐熱性金属材料でできている。ガイドスリーブ３０内での磁石アンカー１５のスライド運動を可能にするために、磁石アンカー１５の外径とガイドスリーブ３０の壁との間にはわずかな隙間しかない。
スイッチングブリッジ１０と電磁スイッチングドライブ１００とは、磁石アンカー１５がガイドスリーブ３０内の第１の位置に移動するとき、スイッチングブリッジ１０が閉状態で動作し、磁石アンカー１５がガイドスリーブ３０内で第２の位置に移動するとき、スイッチングブリッジ１０が開状態で動作するように、協同する。
図１に示すように、磁石アンカー１５は、空洞３３が磁石アンカー１５の下に形成されるように、ガイドスリーブ３０内に配置されている。火工品推進薬６０が、空洞３３内に位置している。火工品推進薬６０は、一成分点火可能混合物または初期点火器を、例えば、導火線６１の形態で、それを取り囲む推進薬とともに備え得る。どちらの場合も、点火は、図１に示す２つの点火電極６５を介して電気的に行われる。
ガイドスリーブ３０と磁気アンカー１５と火工品推進薬６０とは相互作用し、それにより、空洞３３内の火工品推進薬６０の点火の結果として、磁気アンカー１５は、スイッチングブリッジ１０が閉状態で動作するガイドスリーブ３０内の位置からスイッチングブリッジ１０が開状態で動作するガイドスリーブ３０内の第２の位置へ移動する。
スイッチングデバイス１は、ガイドスリーブ３０を支持するための支持デバイス３５を備える。図１に示すように、空洞３３は、磁気アンカー１５の底側と支持デバイス３５の底面３２との間に形成されている。火工品推進薬６０は、好ましくは、ガイドスリーブ３０の内側で空洞／空容積３３における支持デバイス３５の底面に配置され、（浸漬）磁気アンカー１５がコイル２０の中心に位置するスイッチングブリッジ１０のスイッチオンの場合に、磁気アンカー１５の下に留まっている。
支持デバイス３５およびガイドスリーブ３０は、ガイドスリーブ３０と支持デバイス３５との間にギャップ３２が形成されるように配置されている。スイッチングデバイス１の実施形態によれば、ガイドスリーブ３０は、火工品推進薬６０の点火中に生成されたガスが空洞３３からギャップ３７に出てくる少なくとも１つの開口部３１を有する。少なくとも１つの開口部３１は、ガイドスリーブ３０の壁３４に環状の穴配置として形成され得る。
図１に示されるように、ガイドスリーブ３０は、ガイドスリーブ３０の周囲に位置する少なくとも１つの開口部３１の下でガイドスリーブ３０をしっかりと取り囲む、同様に固定されて配置されたカップ形状の支持デバイス３５にそれ自体埋め込まれている。図１にさらに示されるように、少なくとも１つの開口部配置３１から開始して、支持デバイス３５はわずかに拡大された直径を有し、それによって（環状）ギャップ３７がガイドスリーブ３０と支持デバイス３５との間のこの領域に形成される。
図１に示すスイッチングデバイス１の実施形態によれば、可動接触要素４０および固定接触要素４５は各々、可動接触要素４０を固定接触要素４５と電気的に接触させるための接点部材４１および４６を備える。ギャップ３７は、空洞３３からのガスの流出のための出口開口部３８を有する。図１に図示されるように、接点部材４１、４６のレベルで、ギャップ３７は、２つの接点部材４１、４６と整列した２つの正反対の出口開口部３８を有する。支持デバイス３５およびガイドスリーブ３０は、火工品推進薬６０が点火されたときに、ギャップ３７の出口開口部３８から出てくるガスが、可動接触要素４０の接点部材４１と固定接触要素４５の接点部材４６との間の空間に流れ込むように形作られている。
スイッチングブリッジ１０のスイッチング動作中、磁気アンカー１５は、固定ガイドスリーブ３０内を移動する。スイッチングブリッジ１０のスイッチオン動作状態中にドライブコイル２０が通電されるとき、磁気アンカー１５がコイル２０の中心に引き込まれる。同時に、可動接触要素４０の端部にある接点部材４１と固定接点部材４６との間に電気的接触が行われる。接点圧力ばね５０は、スイッチングブリッジ１０の閉状態で必要な接点圧力を保証する。可動接触要素４０は、本質的に線形形状であるか、または過電流および短絡の場合の動的磁気ブローアウト場の生成のために修正された形態を有することができる。
例えば、ホールセンサによって検出され得る、車両の高電圧供給システムで短絡が発生した場合、車両電子機器のスイッチ電子機器は、火工品推進薬６０が数マイクロ秒以内に点火するように、点火電極６５に点火信号を提供し得る。火工品推進薬６０はまた、衝突によって引き起こされる車両の高電圧供給システムにおいて起こり得る短絡を防止するために、車両が衝突した場合の安全対策として点火することができる。この場合、点火信号は、車両のエアバッグ電子機器によってトリガーされることが好ましい。点火信号と同時に、電磁スイッチングドライブ１００の制御電子機器はまた、ドライブコイル２０の即時切断および高速非通電のための信号を受信する。
活性化の直後に、火工品物質６０は、磁気アンカー１５の下の空洞３３内に高いガス圧を増強し、空洞３３に反応室の特徴を与える。ガス圧は、磁気アンカー１５が、それ自体を可動接触要素４０の方向に直接動かし、したがって非常に速い接触開放を開始するような方法で、磁気アンカー１５に強い力を生成する。さらに、ガス流は、同時に空洞３３内に生成され、これは、最初に、少なくとも１つの開口部３１、例えば環状穴配置３１を通して、ガイドスリーブ３０と支持デバイス３５との間の（環状）ギャップ３７に押し込まれ、さらに出口開口部３８を通して開いた接点部材４１と４６との間の領域に押し込まれる。
パルスの形態で出てくるガス流は、離間した接点部材４１、４６の間に形成されたアークがそれらの形成直後に強力な冷却および脱イオン化を受けるような仕方で、接点部材４１と４６との間の領域に直接作用し、それにより、アークは、磁気ブラスト場力の影響下で消弧室に押し込まれる前でも消弧し得る。高速消弧効果を可能にするために、一方で、火工品推進薬６０の材料の種類と量との間の最適な調整が必要であり、他方、少なくとも１つの開口部／穴配置３１およびギャップ３７ならびに出口開口部３８の断面の寸法決定が必要である。
スイッチングデバイス１における火工品推進薬の使用に基づく特に効率的なアーク消滅は、消弧剤を反応室、すなわち空洞３３またはギャップ３７に導入することによって達成することができる。ギャップ３７内に消弧剤が設けられているスイッチングデバイスの一部の例示的な実施形態が、図２に示されている。図２に示すスイッチングデバイス１の実施形態によれば、スイッチングデバイス１は、ギャップ３７内に配置されているガス透過性吸収体要素１３７を備える。ガス透過性吸収体要素１３７は、接点部材４１、４６の間に生成された電気アークを消弧するための消弧剤を吸収するように適合された材料を含む。スイッチングデバイス１の有利な実施形態によれば、ガス透過性吸収体要素１３７は、鉱物繊維パッド／クッションとして形成される。
有利な実施形態によれば、蒸発可能な液体消弧剤は、開いた接点部材４１と４６との間に生成されたアークの高速消滅のための援助として使用され得る。シリコーンオイルは、蒸発可能な液体消弧剤として使用され得る。消弧剤が電気アークと接触した場合、消弧剤は完全にまたは少なくとも部分的にガス状態に変化し、それによってエネルギーがアークから抜き出される。さらに、蒸発した消弧剤の電気的絶縁特性は、アークの電気抵抗を増加させる。
図２に示すスイッチングデバイス１の例示的な実施形態によれば、多孔質のガス透過性キャリア材料が、吸収体要素１３７に使用される。吸収体要素１３７は、水に浸されたスポンジに匹敵する、シリコーンオイルで含浸され、消弧剤を含浸された吸収体要素１３７のキャリア材料が、出口開口部３８の高さのすぐ下に環状の様態でガイドスリーブ３０を取り囲むような仕方で、ギャップ３７内に位置する鉱物繊維パッド／クッションとして構成され得る。吸収体要素１３７は、ガス透過性キャリア材料で作られたキャリアリングとして具体化され得る。
火工品推進薬６０の点火によって生成されたガスジェットが吸収体要素１３７に当たるとき、そこに貯蔵された消弧剤、例えばシリコーンオイルは、微細な液滴１４０に細分化され、接点部材４１、４６が開いているときに形成されるアーク１４５に出口開口部３８を通して吹き込まれる。噴霧された消弧剤、例えばシリコーンオイルは、電気アークとの接触の影響下で大部分は気化する。同時に、アークの電気抵抗は、蒸発した消弧剤の絶縁効果によって増加する。関連するエネルギーの損失および抵抗の増加は、アーク電圧の急速な増加をもたらし、通常、アークの早期の消弧を引き起こす。
電磁スイッチングドライブ１００によってトリガーされるスイッチングブリッジ１０の通常のスイッチオフの場合、スイッチングブリッジ１０の接点開放経路は、ブリッジレセプタクル１１０に配置され、可動接触要素４０に接続された制限ばね７０によって制限されることになる。ばね７０は、スイッチオフされたスイッチングブリッジ１０の復元力に対抗する。最大接点開口点は、２つの反対の力の平衡によって決定される。短絡または偶発的なシャットダウンの事象の場合、磁気アンカー１５上の火工品推進薬の点火によって生成された高い力が、可動接触要素４０の移動シーケンスを支配する。この力は、最大接点開口点を超えて可動接触要素４０のさらなる移動および制限ばね７０の圧縮を引き起こす。
スイッチングデバイス１の有利な実施形態によれば、スイッチングデバイスは、可動接触要素４０をロックするための拘束デバイス８０を備える。拘束デバイス８０は、火工品推進薬６０の点火の結果として、スイッチングブリッジ１０が開状態に移動したときに、拘束デバイス８０が可動接触要素４０を開状態に拘束するように配置されている。
スイッチングデバイスは、可動接触要素４０に接続されたスイッチングブリッジヘッド９０を備える。スイッチングデバイス１は、スイッチングブリッジヘッド９０を受容するため、および可動接触要素４０の移動中にスイッチングブリッジヘッド９０を案内するためのブリッジレセプタクル１１０をさらに備える。
可能な実施形態によれば、拘束デバイス８０は、ブリッジレセプタクル１１０の壁１１１内の穿孔１１２内に配置され得る。
図１に示すスイッチングデバイス１の実施形態によれば、拘束デバイス８０は、拘束ピン８５およびばね８６を備える。スイッチングブリッジヘッド９０は、凹部９１を有する。拘束デバイス８０は、火工品推進薬６０の点火の結果として、スイッチングブリッジ１０が閉状態から開状態に移動するときに、ばね８６が拘束ピン８５に力を加えて、それにより、拘束ピン８５のヘッド８１がスイッチングブリッジヘッド９０の表面に沿ってスライドし、スイッチングブリッジヘッド９０の凹部９１内に係合するように具現化されている。
スイッチングブリッジ１０の可動接触要素４０の拘束点は、ブリッジレセプタクル１１０に横方向に取り付けられた拘束ピン８５が、スイッチングブリッジヘッド９０の円錐形状の端部９２を通過した後、拘束ばね８６を介してバイアスされて、次に、スイッチングブリッジヘッド９０に設けられた円周方向の溝９１に入るときにのみ到達し、それによって、スイッチングブリッジ１０の可動接触要素４０のさらなる動きを遮断する。結果として、スイッチングブリッジ１０の可動接触要素４０は、例えば、拘束ピン８５を引き戻すかまたは取り外すことによって、それが外部から再び解除されるまで、この緊急停止位置にロックされたままである。このようにして、緊急シャットダウン直後の高電圧電源システムの意図しない再接続が確実に防止される。
短絡または衝突による火工技術的に割り出された緊急シャットダウン後の、スイッチングブリッジ１０の可動接触要素４０の永久ロックのための有利な実施形態が図３に示されている。この実施形態によれば、拘束デバイス８０は、環状ディスク１２０の内部に突出する、可撓性突起１２１、例えば、舌形状の突起を有する環状ディスク１２０として形成される。スイッチングブリッジヘッド９０は、凹部９１を有する。
図１に示されるスイッチングデバイスの実施形態と比較すると、図１に示されるブリッジレセプタクル１１０は、ばね張力を伴う拘束ピン構成が環状ディスク１２０によって置き換えられる仕方で、このバージョンでは変更されている。可撓性隆起１２１を備える環状ディスク１２０は、別個の部品として、好ましくは好適な弾性プラスチックからの一体として構築され得、または、好適なばね鋼からの板ばね構成としても構築され得る。環状ディスク１２０は、ブリッジレセプタクル１１０のステップ１１３上に載り、シーリングプラグ１３０で固定される仕方で、ブリッジレセプタクル１１０の下側に位置決めされる。
拘束デバイス８０は、火工品推進薬６０の点火の結果として、スイッチングブリッジ１０が閉状態から開状態に移動するときに、可撓性突起１２１がスイッチングブリッジヘッド９０の表面に沿ってスライドし、スイッチングブリッジヘッド９０の凹部９１内に係合するように具現化されている。
トリッピングの場合、スイッチングブリッジヘッド９０は、火工品推進薬６０のガス圧によってブリッジレセプタクル１１０に打ち込まれる。スイッチングブリッジヘッド９０の円錐形の端面９２がディスク１２０に当たると、内側に向けられた弾性突起１２１は、スイッチングブリッジヘッド９０の移動方向に上向きに曲げられる。円錐面９２のすぐ後ろの円周方向の溝９１に達すると、可撓性突起１２１の端部が溝内に曲がり、したがって、スイッチングブリッジの可動接触要素４０が後方に走るのを防ぎ、高電圧電源システムが意図せずに再びスイッチオンするのを防ぐ。
スイッチングブリッジ１０の永久的な機械的ロックのための別の有利な実施形態は、図３に示される可撓性突起ロック機構が、ブリッジレセプタクル１１０に統合されることである。この実施形態を図４に示す。
図４に示すスイッチングデバイスの実施形態によれば、スイッチングデバイスは、可動接触要素４０に接続されたスイッチングブリッジヘッド９０を備える。スイッチングデバイスは、スイッチングブリッジヘッド９０を受容するため、およびスイッチングブリッジ１０の移動中にスイッチングブリッジヘッド９０を案内するためのブリッジレセプタクル１１０をさらに備える。拘束デバイス８０は、ブリッジレセプタクル１１０の壁１１１から突出する突起１１４として形成されている。拘束デバイスは、好ましくは、ブリッジレセプタクルの射出成形された内向きの隆起１１４として設計することができる。スイッチングブリッジヘッド９０は、凹部９１を有する。拘束デバイス８０は、火工品推進薬６０の点火の結果として、スイッチングブリッジ１０が閉状態から開状態に移動するときに、突起１１４がスイッチングブリッジヘッド９０の表面に沿ってスライドし、スイッチングブリッジヘッド９０の凹部９１内に係合するように具現化されている。
拘束デバイス８０の別の有利な実施形態が図５に示されている。図５に図示される実施形態によれば、ロック機構は、その円周に沿ったその下端に、いくつかの可撓性突起９３、例えば、舌形状の弾性隆起を有するスイッチングブリッジヘッド９０に統合することができる。
図５に示す実施形態によれば、スイッチングデバイス１は、可動接触要素４０に接続されたスイッチングブリッジヘッド９０を備える。スイッチングブリッジヘッド９０は、スイッチングブリッジヘッド９０の壁９４から突出する可撓性突起９３を有する。スイッチングデバイスは、スイッチングブリッジヘッド９０を受容するため、およびスイッチングブリッジ１０の移動中にスイッチングブリッジヘッド９０を案内するためのブリッジレセプタクル１１０をさらに備える。ブリッジレセプタクル１１０の壁は、空洞１１５を有する。拘束デバイス８０は、火工品推進薬６０の点火の結果として、スイッチングブリッジ１０が閉状態から開状態に移動するときに、可撓性突起９３がブリッジレセプタクル１１０の外側壁１１１に沿ってスライドし、壁１１１の空洞１１５内に係合するように具体化される。
緊急シャットダウン直後のスイッチングブリッジ１０のロックはまた、電気信号を介してロックを意図的に解除することができ、高電圧回路を再び閉じることができる仕方で、電気機械的に有利に実行することができる。電気機械式ロック機構の有利な設計が、図６に示されている。この設計の動作原理は、図１に示す機械的ロック構成の対象を絞った変更形態である。
図６に示すように、拘束デバイス８０は、拘束ピン８５を取り囲むコイル８３を備える。拘束ピンは、円筒形のロックピンとして構成され得る。拘束ピン８５は、丸みを帯びた先端８１を備えたスイッチングブリッジヘッド９０の方向に向けられたフェライト材料で作られた前部を備え、それは、スイッチングブリッジヘッド９０がブリッジレセプタクル１１０に入るときに上側が丸められたスイッチングブリッジヘッド９０に接触し、ばね８６が後方に移動するときに圧力をかける。火工品の緊急シャットダウンによってトリガーされて、スイッチングブリッジヘッド９０が事前に高速であるとき、予圧されていた拘束ピン８５の先端８１は、それが通過するときに円周方向の溝９１に飛び込み、それによって、スイッチングブリッジ１０のさらなる動きを遮断する。同時に、制限ばね７０は、この状態で圧縮される。
拘束デバイス８０は、コイル８３にエネルギーを与えることによって拘束ピン８５に力が加えられるように具現化され、それにより、拘束ピン８６のヘッド８１は、スイッチングブリッジヘッド９０内の凹部９１から引き出され、可動接触要素４０のロックが解除される。特に、スイッチングブリッジ１０の遮断は、（環状）コイル８３によって解除することができ、（環状）コイル８３は、ボルトガイド８８によって固定され、ロックされた場合、その中央において拘束ピン８５の後部が位置している。これは、コイル８３にエネルギーを与えることによって行われ、例えば、電気自動車の車載電子機器からのリセット信号によってトリガーされる。
したがって、コイル８３の中央の外側に位置する拘束ピンのフェライト先端８１は、コイル８３の中央に少し引き込まれ、ロックされたスイッチングブリッジを再び解除する。次に、制限ばね７０を解除し、制限ばねとスイッチングデバイスの押しばねとの間の力の平衡としてスイッチングブリッジ１０の通常のスイッチオフ位置に到達するまで、スイッチングブリッジの可動接触要素は閉鎖方向に移動する。その後、スイッチングデバイスの通常のスイッチオンおよびスイッチオフ動作が再び可能になる。
１ スイッチングデバイス
１０ スイッチングブリッジ
１５ 磁気アンカー
２０ コイル
３０ ガイドスリーブ
３１ ガイドスリーブ内の開口部
３２ 支持デバイスの底面
３３ 空洞
３４ ガイドスリーブの壁
３５ 支持デバイス
３７ ギャップ
３８ 出口開口部
４０ 可動接触要素
４１ 可動接点部材
４５ 固定接触要素
４６ 固定接点部材
５０ 接点圧力ばね
６０ 火工品推進薬
６１ 導火線
６５ 点火電極
７０ 圧縮ばね
８０ 拘束デバイス
８１ 拘束ピンのヘッド／先端
８３ 拘束デバイスのコイル
８５ 拘束ピン
８６ ばね
８８ ボルトガイド
９０ スイッチングブリッジヘッド
９１ スイッチングブリッジヘッド内の溝
９２ スイッチングブリッジヘッドの端部
９３ スイッチングブリッジヘッドの可撓性突起
９４ スイッチングブリッジヘッドの壁
９５ スイッチングブリッジヘッドの上部
１００ 磁気スイッチングドライブ
１１３ ブリッジレセプタクルのステップ
１１４ ブリッジレセプタクルの隆起
１１５ ブリッジレセプタクルの空洞
１２０ ディスク
１２１ 可撓性突起
１３０ シーリングプラグ
１３７ ガス透過性吸収体要素
１４０ 液滴
１４５ アーク
本開示は、主にエレクトロモビリティの分野における用途のための、短絡電流、例えば高ＤＣ電流、の高速切断のためのスイッチングデバイスに関する。
特に電気自動車のいわゆる高電圧車載電源システムにおいて、高ＤＣ電流を伝導および切り替えるために、極性に依存しないＤＣコンパクトスイッチングデバイスを使用することがある。多数のスイッチング動作を実現するために、スイッチングデバイスは、電磁スイッチングドライブ／アクチュエータを介してスイッチングブリッジのスイッチング接点の開閉を可能にする少なくとも２つの接点対を装備したスイッチングブリッジ／コンポーネントを備えるコンタクタの原理に基づいている。
定格動作でＤＣ電流を切り替えるために、スイッチング回路は、接点が脱イオンアーク消弧室の方向に開かれたときに形成されるアークを駆動する永久磁気アークドライバ構成を含み、そこでそれらを個々の部分アークに分割して冷却することによって迅速に消弧する。
衝突時に発生する可能性のあるキロアンペア範囲の過電流および短絡電流を制御するために、スイッチングデバイスの電流ルーティングは、このような場合、永久磁場を重ね合わせる動的な磁気ブラスト場力が生成されるような仕方で設計されており、スイッチング接点を開いた後、消弧室の方向へのアークの迅速な移動とその後の消滅とを確実にする。
好ましくはホールセンサの形態で、スイッチングデバイスの電流が電流制限値を超えたときにスイッチングデバイスの制御電子機器においてスイッチオフ信号を開始する監視センサは、スイッチングデバイスの接点の早期の開放を保証し、これは順次、電磁スイッチングドライブのソレノイドドライブコイルの迅速な非通電を保証し、こうして接点の迅速な開放を保証する。
スイッチングデバイスによる高短絡電流の制御について、アークのエネルギーを最小限に抑えるために、短絡の発生から関連するアークの消滅までの時間スパンが可能な限り短いことが基本的に重要である。短絡が発生した後の電気自動車の安全のために、少なくとも短絡の原因が発見されて解消されるまで、高電圧の車載電源システムを再びオンに切り替えることができないことも重要である。
ＷＯ２０１０／０６１５７６（Ａ１）は、可動接点を有するスイッチングブリッジを備えるスイッチングデバイスを対象としている。スイッチングデバイスは、スイッチングブリッジを動かすための電磁スイッチング機構２５およびガス作動機構３２を備える。ＣＮ１０９０３６９５７Ａは、可動接点を移動してコンタクタを閉じる動作を完了するために、爆発性構造および電磁部品を備えた永久磁石爆発性ハイブリッドコンタクタを対象としている。ＤＥ４３４１３３０（Ｃ１）は、スイッチングブリッジをロックするための拘束手段を備えた電磁スイッチングデバイスを対象としている。
スイッチングデバイスの接点間に生成されるアークの高エネルギーによって引き起こされるどんな損傷も防ぐことができるように、短絡電流の高速切断のためのスイッチングデバイスを提供することが望まれている。
発明の概要
短絡電流の高速切断のためのスイッチングデバイスの実施形態は、請求項１に記載されている。
可能な実施形態によれば、スイッチングデバイスは、可動接触要素および固定接触要素を備えたスイッチングブリッジを備える。スイッチングブリッジは、可動接触要素が固定接触要素と接触している閉状態と、可動接触要素が固定接触要素から離間している開状態とで動作可能である。スイッチングデバイスは、磁場を生成するためのコイルおよび磁石アンカーを備えた電磁スイッチングドライブをさらに備え、磁石アンカーの動きは、スイッチングブリッジの動きに結合されている。
スイッチングデバイスは、コイルの磁場内の磁石アンカーの動きを案内するためのガイドスリーブをさらに備える。磁石アンカーは、空洞が磁石アンカーの下に形成されるように、ガイドスリーブ内に配置されている。スイッチングデバイスは、空洞内に位置する火工品推進薬を備える。ガイドスリーブと磁石アンカーと火工品推進薬とは相互作用し、それにより、空洞内の火工品推進薬の点火の結果として、磁石アンカーは、スイッチングブリッジが閉状態で動作するガイドスリーブ内の第１の位置からスイッチングブリッジが開状態で動作するガイドスリーブ内の第２の位置へ移動する。
火工品の有効成分に基づくスイッチングデバイスは、短絡電流の高速スイッチオフを可能にする。さらに、スイッチングデバイスは、可動接触要素と固定接触要素との間に生成されたアークの高速消滅が可能になるように有利に構成され得、それにより、短絡の発生から接触間のアークの消滅までの時間スパンが可能な限り短くなる。この目的のために、火工品推進薬の点火によって生成されたガスジェットは、開放された可動接触要素と固定接触要素との間の空間に案内され得、そこで、アークはスイッチングブリッジの開状態で生成される。
別の有利な実施形態によれば、スイッチングデバイスは、スイッチングブリッジの可動接触要素をロックするための拘束デバイスを備える。スイッチングデバイスの拘束機能は、機械的または電気機械的な方法で実現され得る。可動接触要素をスイッチングブリッジの開状態にロックするための拘束デバイスは、前回の短絡事象の後にスイッチングブリッジが開状態から閉状態に意図せずに再び移動するのを防ぐことを可能にする。追加の特徴および利点は、以下の詳細な説明に記載されており、その説明から当業者には容易に明らかになるか、または本明細書の書面による説明および特許請求の範囲ならびに添付の図面に記載されているような実施形態を実施することによって認識されるであろう。前述の一般的な説明および以下の詳細な説明の両方は、単なる例示であり、特許請求の範囲の性質および特徴を理解するための概要またはフレームワークを提供することを意図していることを理解されたい。
添付の図面は、さらなる理解を提供するために含まれており、明細書に組み込まれ、その一部を構成する。図面は、１つ以上の実施形態を示し、詳細な説明とともに、様々な実施形態の原理および動作を説明するのに役立つ。したがって、本開示は、添付の図と併せて、以下の詳細な説明からより完全に理解されるであろう。
短絡電流の高速切断のためのスイッチングデバイスの実施形態を示す。 電気アークを消弧するための消弧剤を吸収するための吸収体要素を有する短絡電流の高速切断のためのスイッチングデバイスの拡大部分を図示する。 可撓性突起を有するディスクを備える可動接触要素をロックするための拘束デバイスの実施形態を伴う、短絡電流の高速切断のためのスイッチングデバイスの拡大部分を示す。 スイッチングブリッジヘッドを受容するためのブリッジレセプタクルの壁内に可撓性突起を有する可動接触要素をロックするための拘束デバイスの実施形態を伴う、短絡電流の高速切断のためのスイッチングデバイスの拡大部分を示す。 スイッチングブリッジヘッドの壁に可撓性突起を備えた可動接触要素をロックするための拘束デバイスの実施形態を伴う、短絡電流の高速切断のためのスイッチングデバイスの拡大部分を示す。 電気機械原理に基づいて可動接触要素をロックするための拘束デバイスの実施形態を伴う、短絡電流の高速切断のためのスイッチングデバイスの拡大部分を図示する。
図１は、可動接触要素４０および固定接触要素４５を有するスイッチングブリッジ／コンポーネント１０を備える、短絡電流の高速切断のためのスイッチングデバイス１の実施形態を示す。スイッチングデバイス１は、磁場を生成するためのコイル２０およびドライブコイル２０に面する端部にある磁石アンカー１５を有する電磁スイッチングドライブ／アクチュエータ１００をさらに備える。磁気アンカー１５はフェライト系材料でできており、好ましくは円筒形状を有し得る。磁石アンカー１５の動きがスイッチングブリッジ１０の動きに結合されるように、磁石アンカー１５はスイッチングブリッジ１０に結合されている。スイッチングブリッジ１０は、可動接触要素４０が固定接触要素４５と接触している閉状態で動作可能である。スイッチングブリッジ１０は、可動接触要素４０が固定接触要素４５から離間している開状態でさらに動作可能である。
スイッチングデバイス１は、コイル２０の磁場内で磁石アンカー１５の動きを案内するためのガイドスリーブ３０を備える。ガイドスリーブ３０は、好ましくは、耐熱性金属材料でできている。ガイドスリーブ３０内での磁石アンカー１５のスライド運動を可能にするために、磁石アンカー１５の外径とガイドスリーブ３０の壁との間にはわずかな隙間しかない。
スイッチングブリッジ１０と電磁スイッチングドライブ１００とは、磁石アンカー１５がガイドスリーブ３０内の第１の位置に移動するとき、スイッチングブリッジ１０が閉状態で動作し、磁石アンカー１５がガイドスリーブ３０内で第２の位置に移動するとき、スイッチングブリッジ１０が開状態で動作するように、協同する。
図１に示すように、磁石アンカー１５は、空洞３３が磁石アンカー１５の下に形成されるように、ガイドスリーブ３０内に配置されている。火工品推進薬６０が、空洞３３内に位置している。火工品推進薬６０は、一成分点火可能混合物または初期点火器を、例えば、導火線６１の形態で、それを取り囲む推進薬とともに備え得る。どちらの場合も、点火は、図１に示す２つの点火電極６５を介して電気的に行われる。
ガイドスリーブ３０と磁気アンカー１５と火工品推進薬６０とは相互作用し、それにより、空洞３３内の火工品推進薬６０の点火の結果として、磁気アンカー１５は、スイッチングブリッジ１０が閉状態で動作するガイドスリーブ３０内の位置からスイッチングブリッジ１０が開状態で動作するガイドスリーブ３０内の第２の位置へ移動する。
スイッチングデバイス１は、ガイドスリーブ３０を支持するための支持デバイス３５を備える。図１に示すように、空洞３３は、磁気アンカー１５の底側と支持デバイス３５の底面３２との間に形成されている。火工品推進薬６０は、好ましくは、ガイドスリーブ３０の内側で空洞／空容積３３における支持デバイス３５の底面に配置され、（浸漬）磁気アンカー１５がコイル２０の中心に位置するスイッチングブリッジ１０のスイッチオンの場合に、磁気アンカー１５の下に留まっている。
支持デバイス３５およびガイドスリーブ３０は、ガイドスリーブ３０と支持デバイス３５との間にギャップ３２が形成されるように配置されている。スイッチングデバイス１の実施形態によれば、ガイドスリーブ３０は、火工品推進薬６０の点火中に生成されたガスが空洞３３からギャップ３７に出てくる少なくとも１つの開口部３１を有する。少なくとも１つの開口部３１は、ガイドスリーブ３０の壁３４に環状の穴配置として形成され得る。
図１に示されるように、ガイドスリーブ３０は、ガイドスリーブ３０の周囲に位置する少なくとも１つの開口部３１の下でガイドスリーブ３０をしっかりと取り囲む、同様に固定されて配置されたカップ形状の支持デバイス３５にそれ自体埋め込まれている。図１にさらに示されるように、少なくとも１つの開口部配置３１から開始して、支持デバイス３５はわずかに拡大された直径を有し、それによって（環状）ギャップ３７がガイドスリーブ３０と支持デバイス３５との間のこの領域に形成される。
図１に示すスイッチングデバイス１の実施形態によれば、可動接触要素４０および固定接触要素４５は各々、可動接触要素４０を固定接触要素４５と電気的に接触させるための接点部材４１および４６を備える。ギャップ３７は、空洞３３からのガスの流出のための出口開口部３８を有する。図１に図示されるように、接点部材４１、４６のレベルで、ギャップ３７は、２つの接点部材４１、４６と整列した２つの正反対の出口開口部３８を有する。支持デバイス３５およびガイドスリーブ３０は、火工品推進薬６０が点火されたときに、ギャップ３７の出口開口部３８から出てくるガスが、可動接触要素４０の接点部材４１と固定接触要素４５の接点部材４６との間の空間に流れ込むように形作られている。
スイッチングブリッジ１０のスイッチング動作中、磁気アンカー１５は、固定ガイドスリーブ３０内を移動する。スイッチングブリッジ１０のスイッチオン動作状態中にドライブコイル２０が通電されるとき、磁気アンカー１５がコイル２０の中心に引き込まれる。同時に、可動接触要素４０の端部にある接点部材４１と固定接点部材４６との間に電気的接触が行われる。接点圧力ばね５０は、スイッチングブリッジ１０の閉状態で必要な接点圧力を保証する。可動接触要素４０は、本質的に線形形状であるか、または過電流および短絡の場合の動的磁気ブローアウト場の生成のために修正された形態を有することができる。
例えば、ホールセンサによって検出され得る、車両の高電圧供給システムで短絡が発生した場合、車両電子機器のスイッチ電子機器は、火工品推進薬６０が数マイクロ秒以内に点火するように、点火電極６５に点火信号を提供し得る。火工品推進薬６０はまた、衝突によって引き起こされる車両の高電圧供給システムにおいて起こり得る短絡を防止するために、車両が衝突した場合の安全対策として点火することができる。この場合、点火信号は、車両のエアバッグ電子機器によってトリガーされることが好ましい。点火信号と同時に、電磁スイッチングドライブ１００の制御電子機器はまた、ドライブコイル２０の即時切断および高速非通電のための信号を受信する。
活性化の直後に、火工品物質６０は、磁気アンカー１５の下の空洞３３内に高いガス圧を増強し、空洞３３に反応室の特徴を与える。ガス圧は、磁気アンカー１５が、それ自体を可動接触要素４０の方向に直接動かし、したがって非常に速い接触開放を開始するような方法で、磁気アンカー１５に強い力を生成する。さらに、ガス流は、同時に空洞３３内に生成され、これは、最初に、少なくとも１つの開口部３１、例えば環状穴配置３１を通して、ガイドスリーブ３０と支持デバイス３５との間の（環状）ギャップ３７に押し込まれ、さらに出口開口部３８を通して開いた接点部材４１と４６との間の領域に押し込まれる。
パルスの形態で出てくるガス流は、離間した接点部材４１、４６の間に形成されたアークがそれらの形成直後に強力な冷却および脱イオン化を受けるような仕方で、接点部材４１と４６との間の領域に直接作用し、それにより、アークは、磁気ブラスト場力の影響下で消弧室に押し込まれる前でも消弧し得る。高速消弧効果を可能にするために、一方で、火工品推進薬６０の材料の種類と量との間の最適な調整が必要であり、他方、少なくとも１つの開口部／穴配置３１およびギャップ３７ならびに出口開口部３８の断面の寸法決定が必要である。
スイッチングデバイス１における火工品推進薬の使用に基づく特に効率的なアーク消滅は、消弧剤を反応室、すなわち空洞３３またはギャップ３７に導入することによって達成することができる。ギャップ３７内に消弧剤が設けられているスイッチングデバイスの一部の例示的な実施形態が、図２に示されている。図２に示すスイッチングデバイス１の実施形態によれば、スイッチングデバイス１は、ギャップ３７内に配置されているガス透過性吸収体要素１３７を備える。ガス透過性吸収体要素１３７は、接点部材４１、４６の間に生成された電気アークを消弧するための消弧剤を吸収するように適合された材料を含む。スイッチングデバイス１の有利な実施形態によれば、ガス透過性吸収体要素１３７は、鉱物繊維パッド／クッションとして形成される。
有利な実施形態によれば、蒸発可能な液体消弧剤は、開いた接点部材４１と４６との間に生成されたアークの高速消滅のための援助として使用され得る。シリコーンオイルは、蒸発可能な液体消弧剤として使用され得る。消弧剤が電気アークと接触した場合、消弧剤は完全にまたは少なくとも部分的にガス状態に変化し、それによってエネルギーがアークから抜き出される。さらに、蒸発した消弧剤の電気的絶縁特性は、アークの電気抵抗を増加させる。
図２に示すスイッチングデバイス１の例示的な実施形態によれば、多孔質のガス透過性キャリア材料が、吸収体要素１３７に使用される。吸収体要素１３７は、水に浸されたスポンジに匹敵する、シリコーンオイルで含浸され、消弧剤を含浸された吸収体要素１３７のキャリア材料が、出口開口部３８の高さのすぐ下に環状の様態でガイドスリーブ３０を取り囲むような仕方で、ギャップ３７内に位置する鉱物繊維パッド／クッションとして構成され得る。吸収体要素１３７は、ガス透過性キャリア材料で作られたキャリアリングとして具体化され得る。
火工品推進薬６０の点火によって生成されたガスジェットが吸収体要素１３７に当たるとき、そこに貯蔵された消弧剤、例えばシリコーンオイルは、微細な液滴１４０に細分化され、接点部材４１、４６が開いているときに形成されるアーク１４５に出口開口部３８を通して吹き込まれる。噴霧された消弧剤、例えばシリコーンオイルは、電気アークとの接触の影響下で大部分は気化する。同時に、アークの電気抵抗は、蒸発した消弧剤の絶縁効果によって増加する。関連するエネルギーの損失および抵抗の増加は、アーク電圧の急速な増加をもたらし、通常、アークの早期の消弧を引き起こす。
電磁スイッチングドライブ１００によってトリガーされるスイッチングブリッジ１０の通常のスイッチオフの場合、スイッチングブリッジ１０の接点開放経路は、ブリッジレセプタクル１１０に配置され、可動接触要素４０に接続された制限ばね７０によって制限されることになる。ばね７０は、スイッチオフされたスイッチングブリッジ１０の復元力に対抗する。最大接点開口点は、２つの反対の力の平衡によって決定される。短絡または偶発的なシャットダウンの事象の場合、磁気アンカー１５上の火工品推進薬の点火によって生成された高い力が、可動接触要素４０の移動シーケンスを支配する。この力は、最大接点開口点を超えて可動接触要素４０のさらなる移動および制限ばね７０の圧縮を引き起こす。
スイッチングデバイス１の有利な実施形態によれば、スイッチングデバイスは、可動接触要素４０をロックするための拘束デバイス８０を備える。拘束デバイス８０は、火工品推進薬６０の点火の結果として、スイッチングブリッジ１０が開状態に移動したときに、拘束デバイス８０が可動接触要素４０を開状態に拘束するように配置されている。
スイッチングデバイスは、可動接触要素４０に接続されたスイッチングブリッジヘッド９０を備える。スイッチングデバイス１は、スイッチングブリッジヘッド９０を受容するため、および可動接触要素４０の移動中にスイッチングブリッジヘッド９０を案内するためのブリッジレセプタクル１１０をさらに備える。
可能な実施形態によれば、拘束デバイス８０は、ブリッジレセプタクル１１０の壁１１１内の穿孔１１２内に配置され得る。
図１に示すスイッチングデバイス１の実施形態によれば、拘束デバイス８０は、拘束ピン８５およびばね８６を備える。スイッチングブリッジヘッド９０は、凹部９１を有する。拘束デバイス８０は、火工品推進薬６０の点火の結果として、スイッチングブリッジ１０が閉状態から開状態に移動するときに、ばね８６が拘束ピン８５に力を加えて、それにより、拘束ピン８５のヘッド８１がスイッチングブリッジヘッド９０の表面に沿ってスライドし、スイッチングブリッジヘッド９０の凹部９１内に係合するように具現化されている。
スイッチングブリッジ１０の可動接触要素４０の拘束点は、ブリッジレセプタクル１１０に横方向に取り付けられた拘束ピン８５が、スイッチングブリッジヘッド９０の円錐形状の端部９２を通過した後、拘束ばね８６を介してバイアスされて、次に、スイッチングブリッジヘッド９０に設けられた円周方向の溝９１に入るときにのみ到達し、それによって、スイッチングブリッジ１０の可動接触要素４０のさらなる動きを遮断する。結果として、スイッチングブリッジ１０の可動接触要素４０は、例えば、拘束ピン８５を引き戻すかまたは取り外すことによって、それが外部から再び解除されるまで、この緊急停止位置にロックされたままである。このようにして、緊急シャットダウン直後の高電圧電源システムの意図しない再接続が確実に防止される。
短絡または衝突による火工技術的に割り出された緊急シャットダウン後の、スイッチングブリッジ１０の可動接触要素４０の永久ロックのための有利な実施形態が図３に示されている。この実施形態によれば、拘束デバイス８０は、環状ディスク１２０の内部に突出する、可撓性突起１２１、例えば、舌形状の突起を有する環状ディスク１２０として形成される。スイッチングブリッジヘッド９０は、凹部９１を有する。
図１に示されるスイッチングデバイスの実施形態と比較すると、図１に示されるブリッジレセプタクル１１０は、ばね張力を伴う拘束ピン構成が環状ディスク１２０によって置き換えられる仕方で、このバージョンでは変更されている。可撓性隆起１２１を備える環状ディスク１２０は、別個の部品として、好ましくは適切な弾性プラスチックからの一体として構築され得、または、適切なばね鋼からの板ばね構成としても構築され得る。環状ディスク１２０は、ブリッジレセプタクル１１０のステップ１１３上に載り、シーリングプラグ１３０で固定される仕方で、ブリッジレセプタクル１１０の下側に位置決めされる。
拘束デバイス８０は、火工品推進薬６０の点火の結果として、スイッチングブリッジ１０が閉状態から開状態に移動するときに、可撓性突起１２１がスイッチングブリッジヘッド９０の表面に沿ってスライドし、スイッチングブリッジヘッド９０の凹部９１内に係合するように具現化されている。
トリッピングの場合、スイッチングブリッジヘッド９０は、火工品推進薬６０のガス圧によってブリッジレセプタクル１１０に打ち込まれる。スイッチングブリッジヘッド９０の円錐形の端面９２がディスク１２０に当たると、内側に向けられた弾性突起１２１は、スイッチングブリッジヘッド９０の移動方向に上向きに曲げられる。円錐面９２のすぐ後ろの円周方向の溝９１に達すると、可撓性突起１２１の端部が溝内に曲がり、したがって、スイッチングブリッジの可動接触要素４０が後方に走るのを防ぎ、高電圧電源システムが意図せずに再びスイッチオンするのを防ぐ。
スイッチングブリッジ１０の永久的な機械的ロックのための別の有利な実施形態は、図３に示される可撓性突起ロック機構が、ブリッジレセプタクル１１０に統合されることである。この実施形態を図４に示す。
図４に示すスイッチングデバイスの実施形態によれば、スイッチングデバイスは、可動接触要素４０に接続されたスイッチングブリッジヘッド９０を備える。スイッチングデバイスは、スイッチングブリッジヘッド９０を受容するため、およびスイッチングブリッジ１０の移動中にスイッチングブリッジヘッド９０を案内するためのブリッジレセプタクル１１０をさらに備える。拘束デバイス８０は、ブリッジレセプタクル１１０の壁１１１から突出する突起１１４として形成されている。拘束デバイスは、好ましくは、ブリッジレセプタクルの射出成形された内向きの隆起１１４として設計することができる。スイッチングブリッジヘッド９０は、凹部９１を有する。拘束デバイス８０は、火工品推進薬６０の点火の結果として、スイッチングブリッジ１０が閉状態から開状態に移動するときに、突起１１４がスイッチングブリッジヘッド９０の表面に沿ってスライドし、スイッチングブリッジヘッド９０の凹部９１内に係合するように具現化されている。
拘束デバイス８０の別の有利な実施形態が図５に示されている。図５に図示される実施形態によれば、ロック機構は、その円周に沿ったその下端に、いくつかの可撓性突起９３、例えば、舌形状の弾性隆起を有するスイッチングブリッジヘッド９０に統合することができる。
図５に示す実施形態によれば、スイッチングデバイス１は、可動接触要素４０に接続されたスイッチングブリッジヘッド９０を備える。スイッチングブリッジヘッド９０は、スイッチングブリッジヘッド９０の壁９４から突出する可撓性突起９３を有する。スイッチングデバイスは、スイッチングブリッジヘッド９０を受容するため、およびスイッチングブリッジ１０の移動中にスイッチングブリッジヘッド９０を案内するためのブリッジレセプタクル１１０をさらに備える。ブリッジレセプタクル１１０の壁は、空洞１１５を有する。拘束デバイス８０は、火工品推進薬６０の点火の結果として、スイッチングブリッジ１０が閉状態から開状態に移動するときに、可撓性突起９３がブリッジレセプタクル１１０の外側壁１１１に沿ってスライドし、壁１１１の空洞１１５内に係合するように具体化される。
緊急シャットダウン直後のスイッチングブリッジ１０のロックはまた、電気信号を介してロックを意図的に解除することができ、高電圧回路を再び閉じることができる仕方で、電気機械的に有利に実行することができる。電気機械式ロック機構の有利な設計が、図６に示されている。この設計の動作原理は、図１に示す機械的ロック構成の対象を絞った変更形態である。
図６に示すように、拘束デバイス８０は、拘束ピン８５を取り囲むコイル８３を備える。拘束ピンは、円筒形のロックピンとして構成され得る。拘束ピン８５は、丸みを帯びた先端８１を備えたスイッチングブリッジヘッド９０の方向に向けられたフェライト材料で作られた前部を備え、それは、スイッチングブリッジヘッド９０がブリッジレセプタクル１１０に入るときに上側が丸められたスイッチングブリッジヘッド９０に接触し、ばね８６が後方に移動するときに圧力をかける。火工品の緊急シャットダウンによってトリガーされて、スイッチングブリッジヘッド９０が事前に高速であるとき、予圧されていた拘束ピン８５の先端８１は、それが通過するときに円周方向の溝９１に飛び込み、それによって、スイッチングブリッジ１０のさらなる動きを遮断する。同時に、制限ばね７０は、この状態で圧縮される。
拘束デバイス８０は、コイル８３にエネルギーを与えることによって拘束ピン８５に力が加えられるように具現化され、それにより、拘束ピン８６のヘッド８１は、スイッチングブリッジヘッド９０内の凹部９１から引き出され、可動接触要素４０のロックが解除される。特に、スイッチングブリッジ１０の遮断は、（環状）コイル８３によって解除することができ、（環状）コイル８３は、ボルトガイド８８によって固定され、ロックされた場合、その中央において拘束ピン８５の後部が位置している。これは、コイル８３にエネルギーを与えることによって行われ、例えば、電気自動車の車載電子機器からのリセット信号によってトリガーされる。
したがって、コイル８３の中央の外側に位置する拘束ピンのフェライト先端８１は、コイル８３の中央に少し引き込まれ、ロックされたスイッチングブリッジを再び解除する。次に、制限ばね７０を解除し、制限ばねとスイッチングデバイスの押しばねとの間の力の平衡としてスイッチングブリッジ１０の通常のスイッチオフ位置に到達するまで、スイッチングブリッジの可動接触要素は閉鎖方向に移動する。その後、スイッチングデバイスの通常のスイッチオンおよびスイッチオフ動作が再び可能になる。
１ スイッチングデバイス
１０ スイッチングブリッジ
１５ 磁気アンカー
２０ コイル
３０ ガイドスリーブ
３１ ガイドスリーブ内の開口部
３２ 支持デバイスの底面
３３ 空洞
３４ ガイドスリーブの壁
３５ 支持デバイス
３７ ギャップ
３８ 出口開口部
４０ 可動接触要素
４１ 可動接点部材
４５ 固定接触要素
４６ 固定接点部材
５０ 接点圧力ばね
６０ 火工品推進薬
６１ 導火線
６５ 点火電極
７０ 圧縮ばね
８０ 拘束デバイス
８１ 拘束ピンのヘッド／先端
８３ 拘束デバイスのコイル
８５ 拘束ピン
８６ ばね
８８ ボルトガイド
９０ スイッチングブリッジヘッド
９１ スイッチングブリッジヘッド内の溝
９２ スイッチングブリッジヘッドの端部
９３ スイッチングブリッジヘッドの可撓性突起
９４ スイッチングブリッジヘッドの壁
９５ スイッチングブリッジヘッドの上部
１００ 磁気スイッチングドライブ
１１３ ブリッジレセプタクルのステップ
１１４ ブリッジレセプタクルの隆起
１１５ ブリッジレセプタクルの空洞
１２０ ディスク
１２１ 可撓性突起
１３０ シーリングプラグ
１３７ ガス透過性吸収体要素
１４０ 液滴
１４５ アーク

Claims (15)

  1. 短絡電流の高速切断のためのスイッチングデバイスであって、
    －可動接触要素（４０）および固定接触要素（４５）を有するスイッチングブリッジ（１０）であって、前記スイッチングブリッジ（１０）が、前記可動接触要素（４０）が前記固定接触要素（４５）と接触している閉状態と、前記可動接触要素（４０）が前記固定接触要素（４５）から離間している開状態とで動作可能である、スイッチングブリッジ（１０）と、
    －磁場を生成するためのコイル（２０）および磁石アンカー（１５）を有する電磁スイッチングドライブ（１００）であって、前記磁石アンカー（１５）の動きが、前記スイッチングブリッジ（１０）の動きに結合されている、電磁スイッチングドライブ（１００）と、
    －前記コイル（２０）の前記磁場内で、前記磁石アンカー（１５）の前記動きを案内するためのガイドスリーブ（３０）であって、前記磁石アンカー（１５）が、空洞（３３）が前記磁石アンカー（１５）の下に形成されるように、前記ガイドスリーブ（３０）内に配置されている、ガイドスリーブ（３０）と、
    －前記空洞（３３）内に位置する火工品推進薬（６０）と、を備え、
    －前記ガイドスリーブ（３０）と前記磁石アンカー（１５）と前記火工品推進薬（６０）とが、前記空洞（３３）内の前記火工品推進薬（６０）の点火の結果として、前記磁石アンカー（１５）が、前記スイッチングブリッジ（１０）が前記閉状態で動作する前記ガイドスリーブ（３０）内の第１の位置から前記スイッチングブリッジ（１０）が前記開状態で動作する前記ガイドスリーブ（３０）内の第２の位置へ移動するように、相互作用する、スイッチングデバイス。
  2. －前記ガイドスリーブ（３０）を支持するための支持デバイス（３５）を備え、
    －前記支持デバイス（３５）および前記ガイドスリーブ（３０）が、前記ガイドスリーブ（３０）と前記支持デバイス（３５）との間にギャップ（３７）が形成されるように配置されている、請求項１に記載のスイッチングデバイス。
  3. 前記ガイドスリーブ（３０）が、前記火工品推進薬（６０）の点火中に生成されたガスが前記空洞（３３）から前記ギャップ（３７）内に出てくる少なくとも１つの開口部（３１）を有する、請求項２に記載のスイッチングデバイス。
  4. 前記少なくとも１つの開口部（３１）が、前記ガイドスリーブ（３０）の壁（３４）に環状の穴配置として形成されている、請求項３に記載のスイッチングデバイス。
  5. －前記可動接触要素（４０）および前記固定接触要素（４５）が各々、前記可動接触要素（４０）を前記固定接触要素（４５）と電気的に接触させるための接点部材（４１、４６）を備え、
    －前記ギャップ（３７）が、前記ガスの流出のための出口開口部（３８）を有し、
    －前記支持デバイス（３５）および前記ガイドスリーブ（３０）が、前記火工品推進薬（６０）が点火されたときに、前記ギャップ（３７）の前記出口開口部（３８）から出てくる前記ガスが、前記可動接触要素（４０）の前記接点部材（４１）と前記固定接触要素（４５）の前記接点部材（４６）との間の空間に流れ込むように形作られている、請求項３または４に記載のスイッチングデバイス。
  6. －前記ギャップ（３７）内に配置されたガス透過性吸収体要素（１３７）を備え、
    －前記ガス透過性吸収体要素（１３７）が、電気アークを消弧するための消弧剤を吸収するように適合された材料を含む、請求項５に記載のスイッチングデバイス。
  7. 前記ガス透過性吸収体要素（１３７）が、鉱物繊維パッドとして形成されている、請求項６に記載のスイッチングデバイス。
  8. 前記火工品推進薬（６０）が、一成分点火可能混合物または初期点火器を備える、請求項１～７のいずれか一項に記載のスイッチングデバイス。
  9. －前記可動接触要素（４０）をロックするための拘束デバイス（８０）を備え、
    －前記拘束デバイス（８０）が、前記火工品推進薬（６０）の前記点火の結果として、前記スイッチングブリッジ（１０）が前記開状態に移動したときに、前記拘束デバイス（８０）が前記可動接触要素（４０）を前記開状態に拘束するように配置されている、請求項１～８のいずれか一項に記載のスイッチングデバイス。
  10. －前記可動接触要素（４０）に接続されたスイッチングブリッジヘッド（９０）と、
    －前記スイッチングブリッジヘッド（９０）を受容するため、および前記スイッチングブリッジ（１０）の前記移動中に前記スイッチングブリッジヘッド（９０）を案内するためのブリッジレセプタクル（１１０）と、を備え、
    －前記拘束デバイス（８０）が、前記ブリッジレセプタクル（１１０）の壁（１１１）内の穿孔（１１２）内に配置されている、請求項９に記載のスイッチングデバイス。
  11. －前記拘束デバイス（８０）が、拘束ピン（８５）およびばね（８６）を備え、
    －前記スイッチングブリッジヘッド（９０）が、凹部（９１）を有し、
    －前記拘束デバイス（８０）が、前記火工品推進薬（６０）の点火の結果として、前記スイッチングブリッジ（１０）が前記閉状態から前記開状態に移動するときに、前記ばね（８６）が前記拘束ピン（８５）に力を加えて、それにより、前記拘束ピン（８５）のヘッド（８１）が前記スイッチングブリッジヘッド（９０）の表面に沿ってスライドし、前記スイッチングブリッジヘッド（９０）の前記凹部（９１）内に係合するように具現化されている、請求項１０に記載のスイッチングデバイス。
  12. －前記拘束デバイス（８０）が、前記拘束ピン（８５）を取り囲むコイル（８３）を備え、
    －前記拘束デバイス（８０）が、前記コイル（８３）にエネルギーを与えることによって前記拘束ピン（８５）に力が加えられるように具現化され、それにより、前記拘束ピン（８６）の前記ヘッド（８１）が、前記スイッチングブリッジヘッド（９０）内の前記凹部（９１）から引き出され、前記可動接触要素（４０）の前記ロックが解除される、請求項１１に記載のスイッチングデバイス。
  13. －前記拘束デバイス（８０）が、環状ディスク（１２０）の内部に突出する可撓性突起（１２１）を有する前記環状ディスク（１２０）として形成され、
    －前記スイッチングブリッジヘッド（９０）が、凹部（９１）を有し、
    －前記拘束デバイス（８０）が、前記火工品推進薬（６０）の前記点火の結果として、前記スイッチングブリッジ（１０）が前記閉状態から前記開状態に移動するときに、前記可撓性突起（１２１）が前記スイッチングブリッジヘッド（９０）の表面に沿ってスライドし、前記スイッチングブリッジヘッド（９０）の前記凹部（９１）内に係合するように具現化されている、請求項１０に記載のスイッチングデバイス。
  14. －前記可動接触要素（４０）に接続されたスイッチングブリッジヘッド（９０）と、
    －前記スイッチングブリッジヘッド（９０）を受容するため、および前記スイッチングブリッジ（１０）の前記移動中に前記スイッチングブリッジヘッド（９０）を案内するためのブリッジレセプタクル（１１０）と、を備え、
    －前記拘束デバイス（８０）が、前記ブリッジレセプタクル（１１０）の壁（１１１）から突出する突起（１１４）として形成され、
    －前記スイッチングブリッジヘッド（９０）が、凹部（９１）を有し、
    －前記拘束デバイス（８０）が、前記火工品推進薬（６０）の前記点火の結果として、前記スイッチングブリッジ（１０）が前記閉状態から前記開状態に移動するときに、前記突起（１１４）が前記スイッチングブリッジヘッド（９０）の表面に沿ってスライドし、前記スイッチングブリッジヘッド（９０）の前記凹部（９１）内に係合するように具現化されている、請求項９に記載のスイッチングデバイス。
  15. －前記可動接触要素（１０）に接続されたスイッチングブリッジヘッド（９０）であって、前記スイッチングブリッジヘッド（９０）が、前記スイッチングブリッジヘッド（９０）の壁（９４）から突出する可撓性突起（９３）を有する、スイッチングブリッジヘッド（９０）と、
    －前記スイッチングブリッジヘッド（９０）を受容するため、および前記スイッチングブリッジ（１０）の前記移動中に前記スイッチングブリッジヘッド（９０）を案内するためのブリッジレセプタクル（１１０）であって、前記ブリッジレセプタクル（１１０）の壁（１１１）が、空洞（１１５）を有する、ブリッジレセプタクル（１１０）と、を備え、
    －前記拘束デバイス（８０）が、前記火工品推進薬（６０）の前記点火の結果として、前記スイッチングブリッジ（１０）が前記閉状態から前記開状態に移動するときに、前記可撓性突起（９３）が前記ブリッジレセプタクル（１１０）の前記壁（１１１）に沿ってスライドし、前記ブリッジレセプタクル（１１０）の前記壁（１１１）の前記空洞（１１５）内に係合するように具現化されている、請求項９に記載のスイッチングデバイス。
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