WO2019057870A1 - Elektrischer schalter - Google Patents

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WO2019057870A1
WO2019057870A1 PCT/EP2018/075562 EP2018075562W WO2019057870A1 WO 2019057870 A1 WO2019057870 A1 WO 2019057870A1 EP 2018075562 W EP2018075562 W EP 2018075562W WO 2019057870 A1 WO2019057870 A1 WO 2019057870A1
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WO
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contact
movement
electrical switch
separating element
contact point
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/075562
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English (en)
French (fr)
Inventor
Fabian Oehler
Michael Wortberg
Original Assignee
Lisa Dräxlmaier GmbH
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Publication date
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/46—Interlocking mechanisms
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/04—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H33/06—Insulating body insertable between contacts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/42—Driving mechanisms
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/30—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H9/32—Insulating body insertable between contacts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H3/00—Mechanisms for operating contacts
    • H01H3/32—Driving mechanisms, i.e. for transmitting driving force to the contacts
    • H01H3/40—Driving mechanisms, i.e. for transmitting driving force to the contacts using friction, toothed, or screw-and-nut gearing

Definitions

  • the present invention relates to an electrical switch for interrupting a current path, in particular a DC voltage supply in a motor vehicle.
  • Switching elements for vehicle electrical systems in the range of 48 volts or high voltage (HV), about 60 volts or the usual for motor vehicles HV voltage range between 400 volts and 1000 volts described.
  • HV high voltage
  • the invention can be used in for all applications in which electrical loads are switched.
  • a pyrofuse pyrotechnic fuse
  • HV contactors are in particular blowing magnets to increase the arc length in connection with the mechanism of the "arc against a wall pressing" and the use of a Noble gases known as inert gas for arc quenching.
  • inert gas for arc quenching.
  • the short-term “toleration" of the arcs leads to a relatively low or insufficiently large maximum current carrying capacity and separability of high-voltage contactors, which results from the maximum permissible energy input into the component during switching.
  • An object of the invention is therefore to provide an electrical switch using structurally simple means as possible which solves the above challenges or part thereof or at least provides an improvement for this.
  • the object is solved by the subject matter of the independent claim.
  • the electrical switch described below is suitable for interrupting a current path of a power supply in a motor vehicle.
  • the electrical switch comprises a formed by a first contact piece and a second contact piece
  • the contact pieces can also be shortened simply referred to as contacts.
  • the second contact piece is movably mounted about a rotation axis.
  • the contact point is electrically opened when the two contact pieces do not touch or when no current flows from the first contact piece to the second contact piece, or vice versa.
  • the electrical switch comprises an actuator unit and a separating element.
  • the separator takes on two functions. First, it lifts the contact pieces from each other at the moment of penetration between the two contacts, the second it acts with the penetration as an insulator between the two contacts. By this property is the dielectric
  • the actuator unit is designed such that translationally movable, electrically nonconductive separating element in a first direction of movement and, alternatively, in one to the first
  • the actuator comprises a
  • Movement element a drive device, a device for generating and simultaneously or alternatively storing a kinetic energy and a
  • the moving element is mechanically coupled to the separating element of the electrical switch, so that a movement of the
  • Movement element also means a corresponding movement of the separating element and vice versa.
  • the drive means is arranged to move the moving member in the first direction of movement to close the pad.
  • the device for generating and simultaneously or alternatively storing a kinetic energy in the form of potential energy is set up, the moving element and thus the separating element in to move the opposite to the first direction of movement second direction of movement to open the contact point.
  • the electromagnetic actuator is set up to assume three operating states. The following is an explanation of a monostable electrical switch is assumed, which, if it is not driven, the circuit bypasses. When the electromagnetic actuator is de-energized, the moving member is free to move and may be moved by the means for generating and simultaneously or alternatively storing kinetic energy in the second direction of movement to open or keep the pad open. From this operating state, by coupling the moving element with the drive means the
  • Movement element and the separating element are moved in the first direction of movement and thus the separation point are closed.
  • the electromagneitsche actuator can now lock the moving element and / or the separating element - as long as the electromagnetic actuator is energized. This is reflected in the at least three operating states of the electromagnetic actuator. In a first operating state of the electromagnetic actuator blocked movement of the moving member in the second direction of movement or locks the electromagnetic actuator that
  • Movement element in a defined position.
  • the moving member is held in a rest position to keep the pad closed.
  • Operating state of the electromagnetic actuator is adapted to move the moving member in the direction of the drive means and thus to mechanically couple the drive means with the moving member.
  • Movement element is mechanically coupled, the moving member can be moved by means of the drive means in the first direction of movement to close the contact point.
  • the electromagnetic actuator is in a third operating condition
  • electromagnetic actuator is a movement of the moving element, nor is that
  • Movement element mechanically coupled to the drive device.
  • the means for generating and simultaneously or alternatively storing a kinetic energy in the form of potential energy in the second direction of movement movable Due to this rapid movement of the moving element and the separating element coupled thereto, the contact point opened or the two contact pieces separated from each other, and then kept apart from each other.
  • a contact of the contactor is not actuated, as is known from the prior art, but a disconnecting element is actuated. This separating element is moved between the contact pieces, which is why one of the contact pieces is designed to be movable further. It was also recognized that closing a contactor does not have to be done at the same speed as opening. The closing of the contact takes place in the electrical switch described here, therefore, via the drive device, which is designed for example as an electric motor with a transmission, and the opening by means for generating and / or storing a kinetic energy in the form of potential energy, which, for example, as a prestressed spring is executed.
  • Solenoid which permanently closes the voltage when the contact is closed
  • an electromagnetic actuator for example, a reluctance actuator, solenoid or English solenoid can be understood.
  • the solenoid can be designed as a monostable solenoid. If the lifting magnet is a monostable solenoid, the electrical switch is also monostable.
  • the lifting magnet is a bistable lifting magnet
  • the electrical switch is likewise bistable. This property is thus transferred directly to the entire electrical switch.
  • a separating element is actuated as presented. In the state of switching on, the separating element is between the contacts
  • the flexible contact in the form of the second contact piece is tracked by a spring, in particular a contact pressure spring, on the separating element, thus applying "gently" and establishing contact with the first contact piece, thereby completely preventing or at least greatly reducing contact bounce can be avoided by known shooters when closing the contact due to the accelerated impact of the movable contact bridge on the rigid contact behavior, the well-known contact bounce, in which the contact bridge a few more times easily lifts, resulting in small arcs that lead to increased wear during normal operation and potentially the contact resistance after repeated
  • the electromagnetic actuator may comprise a force storage drive.
  • the energy storage drive can be designed as a spring.
  • the energy storage drive supports the monostable property of the electromagnetic actuator, since it is pulled away from the movement device in the de-energized state. In other words, in the de-energized state, the actuator (pin of the solenoid) can be withdrawn. Thus, switching off the supply voltage for the electromagnetic actuator leads to a release of the moving element.
  • a contact piece is, however, carried out further movable, but geometrically arranged so that a lift does not occur due to the effect of levitation in the event of short circuit, since a large part of the levitation force can be absorbed by the contact itself.
  • the levitation force is the component of the following forces acting at the contact point normal to the contact system, ie
  • the former force (Holm's tightening force) is created by antiparallel current filaments at the so-called ⁇ -spots, ie the actual contact points and works according to the theory exactly normal to the fixed, first contact piece.
  • the vectorial component which then exerts a lifting effect on the flexible contact, thus depends on the angle in the closed state.
  • the second force is the classical well-known Lorentz force, which arises when electric charges move in a stationary magnetic field. In the case of the contactor structure described here, this force does not counterbalance, but regardless of the current direction even leading to a contact lift
  • a portion of the separating element extends obliquely to the
  • the direction of movement of the separating element substantially corresponds to the main extension direction of the separating element.
  • the inclined portion of the separating element thus has the shape of a tip, ramp or chamfer.
  • the separating element essentially comprises one
  • Ceramic material or the separating element is essentially made of a ceramic material. As a result, a high electrical insulation capacity is created.
  • the conductive resistance material is either exclusively on the
  • corresponding portion applied or the portion is made entirely of a corresponding conductive resistance material, for example a metal.
  • the electrical resistance can be designed such that it fulfills the function of a Vorladenikes.
  • transients can thereby be avoided at high inrush currents, whereby both the electrical switch and downstream electrical loads are protected. If the resistance value of a separator in the region of the tip corresponds to the resistance of a correspondingly designed precharge resistor, the precharging can take place in that the Inrush current first flows over this tip and close the switch contacts only after a defined time.
  • the electrical switch can have an electrically insulating base plate into which, upon a movement of the separating element in the second direction of movement, the tip or the oblique section of the separating element after separation of the two
  • the base plate may have a recess which substantially corresponds to the shape of the tip of the separating element and is formed such that the tip of the separating element substantially completely fills the recess when the tip of the separating element dips into the base plate. Under a recess can thus be understood a hole or a depression in the base plate.
  • the separating element dives after opening the
  • a protective gas and / or blowing magnets are dispensed with. This is advantageous because when using inert gas sufficient gas pressure "end of life" must be ensured, resulting in high leakage requirements. Since permanent magnets are also expensive, a waiver of these is also advantageous.
  • the drive device may be designed as an electric motor or as an electric motor with a transmission.
  • the drive device may comprise a toothed wheel which can be coupled mechanically to the movement element in order to convert a rotational movement of the drive device into a translationally proportional movement of the movement element.
  • a spindle as a converter
  • the device for generating and simultaneously or alternatively for storing a kinetic energy in one embodiment is a spring, in particular a helical spring. It may be a compression or tension spring, wherein the spring acts in the direction of the second direction of movement to open the contact point quickly.
  • the movement element may be a rack.
  • a gear of the drive means may be mechanically coupled to the rack by meshing the teeth of the rack with the teeth of the gear.
  • the electromagnetic actuator is set up in the first one
  • the rack may have a bore or recess that is shaped such that a member of the electromagnetic actuator, for example a locking bolt, engages it when the electromagnetic actuator is in the first operating state.
  • a member of the electromagnetic actuator for example a locking bolt
  • a control device for controlling the operating states of the electromagnetic actuator and the drive device can be integrated in the form of appropriate electronics in the electrical switch. Such a control device has corresponding control connections. As part of the control device or as a separate device may be a
  • Condition monitoring device may be provided, which determines the state of the electrical switch by means of a terminal current measurement.
  • a terminal current measurement may be provided.
  • Condition monitoring also be done by detecting the position of the locking element of the electromagnetic actuator.
  • the electrical switch may have a precharging circuit which in particular has a resistor in combination with an electromechanical relay or a
  • Power semiconductor includes.
  • capacitors of the high-voltage electrical system are protected against steep current transients, since the capacitors contained otherwise they will act as short circuits in the non-steady state.
  • the electric switch can even be completely dispensed with a Vorladenik, wherein its function is taken over by the electrical switch (contactor) itself. This would be conceivable, firstly, if the resistance value of a separating element in the region of the tip, that of the external described above
  • 1 - 3 is a schematic representation of an electrical switch according to a
  • 4 - 5 is a schematic representation of an electrical switch according to a
  • Fig. 6-7 is a schematic representation of the mode of action of Holm's Engekraft and the
  • Fig. 1 shows an electrical switch 100 according to a first embodiment.
  • the electrical switch 100 has two contact pieces 102, 104 which extend in one
  • the electrical switch is thus closed.
  • the first contact piece 102 is rigid.
  • the second contact piece 104 is arranged to be movable about an axis of rotation 108.
  • the second contact piece 104 and the third contact piece 1 10 are electrically connected together. This is realized via a flexible line 1 12, whose one end is connected to the second contact piece 104 and whose other end is connected to the third contact piece 1 10.
  • a screw contact 1 14 for connection to a current path, for example a
  • the electrical switch 100 comprises an electrically non-conductive partition element 16 and an actuator unit 18 connected to the partition element 166.
  • the partition element 16 is set up to be moved translationally.
  • the separating element 1 16 is set up the two contact pieces 102, 104, d. H. the first contact piece 102 and the movable second contact piece 104 to be separated from each other and then keep apart.
  • the actuator unit 1 18 comprises a movement element 120, a drive device 122, an electromagnetic actuator 124 and a device 126 for generating and / or
  • the movement element 120 is mechanically coupled to the separation element 1 16. Thus, a movement of the moving member 120 is transmitted directly to the separating element 1 16 and vice versa.
  • the drive device 122 is set up to move the movement element 120 in a first movement direction 128 in order to close the contact point 106.
  • the device 126 for generating and / or
  • the electromagnetic actuator 124 has at least three operating states, as well
  • FIGS. 1 to 3 show the electromagnetic actuator 124 in a third operating state in which the moving element 120 in its Movement is released.
  • the device 126 for generating and / or storing a kinetic energy acts directly on the moving element 120 and indirectly on the separating element 1 16 or in an embodiment not shown directly to the separating element 1 16 and indirectly via the mechanical coupling of the two on the moving element 120.
  • FIG. 2 shows the electromagnetic actuator 124 in a second operating state, in which the
  • Drive means 122 pushes, whereby the drive means 122 is mechanically coupled to the moving member 120.
  • the drive means 122 is mechanically coupled to the moving member 120.
  • FIG. 3 shows the first operating state of the electromagnetic actuator 124 in which the latter blocks movement of the movement element 120 and keeps the movement element 120 in a defined position.
  • the means 126 for generating and / or storing a kinetic energy formed as a spring 132 is held under a bias voltage. In other words, the moving member 120 is thus held in a rest position, whereby the contact point 106 remains closed and thus the two electrical
  • the movement element 120 is shaped as a rack 134.
  • the drive device 122 is as a
  • Electric motor 136 is formed. Furthermore, the movable second contact piece 104 is pressed with the contact point 106 closed by the restoring force of a contact pressure spring 138 against the first contact piece 102.
  • Opening operation has in the illustrated embodiment, the separating element 1 16 at the second contact piece 104 side facing an obliquely to Movement direction of the separating element 1 16 extending portion 140.
  • This inclined portion 140 is also referred to as tip 142, ramp, wedge or bevel.
  • formed as a tip 142 inclined portion 140 of the separator 1 16 made of conductive resistance material to produce in the initial phase of the contact separation is not an arc, but for a short time still allow a current flow. The current flow does not tear off initially and thus there is no arc.
  • the advancing portion of the partition member 1 16 changes into an insulating, electrically non-conductive material portion.
  • the tip 142 immersed in a base plate 144 of the electric switch 100.
  • the base plate 144 is electrically insulating and has a shape of the tip 142 adapted recess 146 which is formed such that the tip 142 of the
  • the recess 146 substantially completely fills when, as described here, the tip 142 is immersed in the base plate 144.
  • the drive device 122 further includes a gear 148.
  • the gear 148 may be understood in one embodiment as a transmission.
  • the teeth of the gear 148 would come in the illustration in Fig. 2 d. H. in the second operating state of the electromagnetic actuator 124 with the teeth of the rack 134th
  • the electromagnetic actuator 124 is essentially one
  • Solenoids 150 wherein additionally a tension spring 152 is provided.
  • the tension spring 152 is configured, in the de-energized state of the solenoid 150, to move its armature / bolt away from the rack 134 in order to release it. This ensures that the electromagnetic actuator 124 is monostable. Furthermore, it is set as a safe state of the electrical switch "off".
  • the solenoid is bistable, which would also be transmitted directly to the entire contactor.
  • the first contact piece 102 has an insulation jacket 154 which is interrupted in the region of the contact point 106 in order to make room for a contact surface 156.
  • the contact surface 156 electrically penetrates the insulation jacket 154.
  • the contact surface 156 is part of the first contact piece 102, so that further an electrical contact between the first contact piece 102 and the second contact piece 104 can be produced.
  • the insulating jacket 154 helps to prevent or reduce arcing.
  • the insulating jacket 154 is made, for example, from a plastic or a ceramic material.
  • the movement element 120 or the rack 134 have a recess 158 or a bore into which an element of the electromagnetic actuator 124 in
  • the lifting magnet 150 has an armature whose section projecting out of the lifting magnet 150 projects from the lifting magnet 150 on the side of the lifting magnet 150 opposite the tension spring 152. This protruding portion is formed to engage in the recess 158 in the third operating state and thus to block the movement of the moving member 120.
  • the electric switch 100 will be described below again in other words
  • a DC switching device such as the electric switch 100 shown here is suitable, for example, for manufacturing and disconnecting a power supply in a motor vehicle under load.
  • the arrangement has a switching area and an actuator area.
  • In the switching area are two contacts (first contact piece 102 and second and third contact piece 104, 1 10), wherein a contact (second and third contact piece 104.1 10) is deflected via a flexible connection 160.
  • a spring or contact pressure spring 138 designed in particular as a helical or torsion spring, presses the flexible contact part (second contact piece 104) against the other contact (first contact piece 102).
  • the attachment to the second contact point, zone, area or line can be performed.
  • This second contact (first contact piece 102) is rigid and has an upstream surface (contact surface 156) where the flexible contact (second contact piece 104) rests in the closed state of the electrical switch 100. Beyond this contact surface 156, the first contact piece 102 is surrounded by an insulating material, in particular plastic. As a result, a bilateral separation of the contact is achieved in the course.
  • Aktor Symposium there are an electric motor 136 with a not explicitly shown gear and an electromagnetic actuator 124, in particular reluctance actuator (solenoid 150) and a rack 134 and another preferably executed in helical spring 132.
  • the rack 134 is provided with a separator 1 16 connected.
  • the separating element 1 16 has lateral guides, not shown, or is passively guided laterally and can thus be moved between the contact pieces 102, 104.
  • the spring 132 may be connected either directly or indirectly via the rack 134 to the separating element 1 16.
  • the separator 1 16 consists of a non-electrically conductive material, preferably of ceramic or glass, but its tip 142 is in a
  • Embodiment made of an electrically conductive material, preferably metal.
  • the rack 134 has a hole or a recess 158, in which the further energized actuator 124 can dip.
  • the electrical switch 100 has the decisive advantage over the solution known from the prior art that no electromagnetic actuator is required, which must hold the entire force of the prestressed spring 132, which results in significantly lower holding currents, which allow the actuator or the actuator unit 1 18 considerably smaller, lighter and thus cheaper to perform.
  • the electromagnetic actuator 124 can be executed either mono- or bistable depending on the purpose. This property would then also be transmitted directly to the electrical switch 100, also referred to as a contactor. In the following, initially a monostable arrangement is assumed. By switching off the control current on the electromagnetic actuator 124, the actuator 124 is removed by a return spring 152 from the hole (recess 158) in the rack 134. Thereupon the separating element 1 16 jumps between the contacts
  • Embodiment according to FIG. 1 to FIG. 3 since the electromagnetic Lorentz force additionally increases the contact force under current supply.
  • a design can be designed for low voltages in the range 40-60 V, in particular for 48 V applications or for HV applications with voltages in the range -400-1000 V.
  • the electrical switch 100 can be executed in stages such that it can be used for different maximum separation currents.
  • separating element 1 16 As opposed to the known in the prior art solutions not one Contact itself but a third element (here: separating element 1 16) is actuated, different conductor cross-sections can be used with approximately constant actuator arrangement.
  • the control of the electromagnetic actuator 124 and the electric motor 136 is usually carried out via control terminals not shown here and the sequential
  • Bestromungs merge of electromagnetic actuator 124 and electric motor 136 is realized by an external electronics.
  • the electrical switch 100 may additionally be integrated with a terminal current measurement for condition monitoring.
  • an external pre-charge circuit as it is currently connected in parallel to the electrical switch 100 on the plus side, be integrated into the electronics.
  • this precharge circuit consists of a relay and a resistor. When you turn on the system, the relay first
  • Precharge circuit can be replaced by a resistor and a power semiconductor for integration into the switch electronics.
  • the actuator unit is arranged between the first contact piece 102 and the third contact piece 110.
  • a base plate 144 with a recess 146 is arranged with respect to the second contact piece 104 on the side opposite to the separating element 16.
  • the contact pressure spring 138 is disposed between the second contact piece 104 and the base plate 144 to bring the second contact piece 104 back into electrical and mechanical contact with the first contact piece 102 during a closing operation of the electrical switch 100 or in the case of a manufactured electrical and mechanical contact between the two two contact pieces in 102, 104 to keep this.
  • the second contact piece 104 is in
  • the corresponding angle between the first contact piece 102 and the second contact piece 104 usually moves between 10 ° and 80 °, wherein the corresponding angle is preferably between 20 ° and 45 °.
  • the slope of the tip 142 of the separator 1 16 is related to said angle. In this case, the tip 142 preferably has an acute angle.
  • a classic contactor 600 is shown in FIG.
  • the current flow is symbolically represented by arrows designated i.
  • a translationally movable armature 672 is arranged, which is set up by means of a switching piece 674 to connect a first busbar 676 with a second busbar 678. Between the switching piece 674 and the two busbars 676, 678, the contact is closed in the closed state of the contactor 600. In the illustration of FIG. 6, the contact piece 674 moves to open the contactor 600 in the
  • the Holm Engekraft 680 acts in the contact points between the bell 674 and the two busbars 676, 678 in the plane upwards.
  • the Lorentz force 682 acts on the contact piece 674 in the drawing plane upwards.
  • the Lorentz force 682 and the Holm restraint force 680 act in the same direction, which corresponds to the direction of movement for opening the contactor 600.
  • the Holm's clamping force 680 and the Lorentz force 682 in the case of an electrical switch 100, as shown in the first exemplary embodiment according to FIGS. 1 to 3.
  • the corresponding force arrows are shown in a simplified representation of such an electrical switch 100 in Fig. 7.
  • the tightening force 780 acts perpendicular to the contact point 106 of the first contact piece 102 in the direction of the third contact piece 1 10.
  • the tightening force 780 can be considered vectorially.
  • a first force vector 780 'of the constraining force 780 acts along the second contact 104, at the top of which a second force vector 780 "connects and closes the force triangle to the top of the vector of constraining force 780.
  • the second force vector 780" is perpendicular to the orientation of the constraining force 780 or in other words, parallel to the first contact piece 102.
  • the Lorentz force 782 acts on the second contact piece 104, with the direction of the Lorentz force 782 the second force vector 780 "exactly opposite is. Since the devices described in detail above are embodiments, they may be modified in a conventional manner by those skilled in the art to a great extent without departing from the scope of the invention. In particular, the mechanical arrangements and the size ratios of the individual elements are shown by way of example only.

Landscapes

  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)
  • Switch Cases, Indication, And Locking (AREA)

Abstract

Elektrischer Schalter (100) zum Unterbrechen eines Strompfades insbesondere einer Spannungsversorgung in einem Kraftfahrzeug mit einer Kontaktstelle (106), die aus einem ersten Kontaktstück (102) und einem um eine Drehachse (108) beweglich gelagertem zweiten Kontaktstück (104) gebildet ist. Dabei ist die Kontaktstelle (106) elektrisch geschlossen, wenn sich die beiden Kontaktstücke (102, 104) berühren und elektrisch geöffnet, wenn sich die beiden Kontaktstücke (102, 104) nicht berühren. Weiterhin umfasst der elektrische Schalter (100) eine Aktoreinheit (118) und ein mittels der Aktoreinheit (118) translatorisch bewegbares, elektrisch nicht-leitfähiges Trennelement (116), welches eingerichtet ist, die beiden Kontaktstücke (102, 104) voneinander zu trennen und anschließend auseinander zu halten, um die Kontaktstelle (106) zu öffnen und offen zu halten und als Isolator zwischen den kontaktflächen zu agieren. Die Aktoreinheit (118) umfasst ein Bewegungselement (120), welches mit dem Trennelement (116) mechanisch gekoppelt ist, eine Antriebseinrichtung (122), die eingerichtet ist, das Bewegungselement (120) in eine erste Bewegungsrichtung (128) zu bewegen, um die Kontaktstelle (106) zu schließen, eine Einrichtung (126) zum Erzeugen und/oder Speichern einer Bewegungsenergie, die eingerichtet ist, das Bewegungselement (120) und/oder das Trennelement (116) in eine der ersten Bewegungsrichtung (128) entgegengesetzte zweite Bewegungsrichtung (130) zu bewegen, um die Kontaktstelle (116) zu öffnen, und einen elektromagnetischen Aktor (124).

Description

ELEKTRISCHER SCHALTER
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Schalter zum Unterbrechen eines Strompfades insbesondere einer Gleichspannungsversorgung in einem Kraftfahrzeug.
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden hauptsächlich in Verbindung mit
Schaltelementen für Fahrzeugbordnetze im Bereich von 48 Volt oder Hochvolt (HV), über 60 Volt oder dem für Kraftfahrzeuge üblichen HV-Spannungsbereich zwischen 400 Volt und 1000 Volt beschrieben. Die Erfindung kann aber in für alle Anwendungen genutzt werden, in welchen elektrischen Lasten geschaltet werden.
Derzeit erfolgt in Kraftfahrzeugen die Trennung der HV-Batterie in HV-Bordnetzen allpolig mit insgesamt zwei Hochvolt-Schützen. Auf der Plusseite ist dem Hochvolt-Schütz zur
Absicherung zusätzlich eine HV-Sicherung nachgeschaltet. Vor dem Schütz kann auf dieser Seite noch eine Pyrofuse (pyrotechnische Sicherung) vorgesehen werden, die als
technologisch zu einem Schütz diverse Komponente im Sinne der von ASIL geforderten Diversität das irreversible Trennen von "harten" Kurzschlüssen (in der Regel bis bis 16 kA) übernehmen kann. Zusätzlich kommen Hochvolt-Schütze fahrzeugseitig für ein ebenfalls allpoliges Schalten von Ladeströmen zum Einsatz.
Eine Herausforderung der Hochvolt-Schütze sind die auftretenden Lichtbögen und entsprechende Maßnahmen, um diese zu löschen. In Bezug auf HV-Schütze sind hier insbesondere Blasmagnete zur Vergrößerung der Lichtbogenlänge in Zusammenhang mit dem Mechanismus des "Lichtbogen gegen eine Wand drückens" und die Verwendung eines Edelgases als Schutzgas zur Lichtbogenlöschung bekannt. In beiden Fällen führt jedoch die kurzzeitige "Tolerierung" von den Lichtbögen zu einer verhältnismäßig geringen bzw. nicht hinreichend großen maximalen Stromtrag- und trennfähigkeit von Hochvolt-Schützen, die sich aus dem beim Schalten maximal zulässigen Energieeintrag in die Komponente ergibt.
Dabei ergeben sich in der Anwendung im Kraftfahrzeug einige Herausforderungen. So macht die Verwendung einer HV-Sicherung aufgrund ihrer Trägheit bei kleinen Überströmen und dynamischen Stromprofilen große Leitungsquerschnitte notwendig. Die für den
Leistungsbereich U ~ 450-1000 V und I ~ 400 A einsetzbaren Schütze besitzen große Aktoren, um bei den benötigten schweren Kontakten die geforderte Schockfestigkeit zu gewährleisten. Die großen Spulen der Aktoren machen die Schütze verhältnismäßig teuer und erfordern verhältnismäßig hohe Halteströme mit den damit einhergehenden hohen Verlustleistungen. Die im Kraftfahrzeugbereich bekannten Schütze besitzen keine Fähigkeit zur Trennung von Strömen > 6 kA, da andernfalls die in den Schaltlichtbögen (Schaltzeit ~ 10 ms) auftretende Energie zu einer Zerstörung des Schützes führen würde. Im
Trennvorgang wird bei bekannten Schützen an beiden Kontaktpunkten ein Lichtbogen zwischen festem und aktuiertem Kontakt gezogen, der bis zur Löschung auf dem
Kontaktpunkt brennt. Dies führt zu einer Beschädigung mit einhergehender Erhöhung des Übergangswiderstands an den Kontakten. Die Levitation (elektromagnetische
Kontaktabhebung) führt bei großen Strömen dazu, dass die Kontakte verschweißen können.
Herausforderung und Anforderung zugleich ist somit neben einer deutlichen Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit die schnelle Unterbrechung des Schaltlichtbogens durch einen geeigneten Mechanismus zu erreichen. Außerdem gilt es zu verhindern, dass ein solcher Lichtbogen an der Kontaktfläche des geschlossenen Schützes entsteht. Darüber hinaus ist bei einer sehr schnellen Unterbrechung des Lichtbogens mit einer Spannungserhöhung zu rechnen, der gegebenenfalls mit einer parallel geschalteten Komponente zur
Überspannungsbegrenzung begegnet werden muss. Beschreibung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel einen elektrischen Schalter zu schaffen der die genannten Herausforderungen oder einen Teil davon löst oder zu mindestens eine Verbesserung hierfür schafft. Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.
Der im Folgenden beschriebene elektrischer Schalter ist geeignet einen Strompfad einer Spannungsversorgung in einem Kraftfahrzeug zu unterbrechen. Der elektrische Schalter umfasst eine durch ein erstes Kontaktstück und ein zweites Kontaktstück gebildete
Kontaktstelle. Die Kontaktstücke können auch verkürzt einfach als Kontakte bezeichnet werden. Das zweite Kontaktstück ist beweglich um eine Drehachse gelagert. Die
Kontaktstelle ist elektrisch geschlossen, wenn sich die beiden Kontaktstücke in der
Kontaktstelle berühren. Entsprechend ist die Kontaktstelle elektrisch geöffnet, wenn sich die beiden Kontaktstücke nicht berühren bzw. wenn kein Strom von dem ersten Kontaktstück zum zweiten Kontaktstück fließt, bzw. umgekehrt. Weiterhin umfasst der elektrische Schalter eine Aktoreinheit sowie ein Trennelement. Das Trennelement übernimmt zwei Funktionen. Zum ersten hebt es im Moment des Eindringens zwischen die beiden Kontaktstücke die Kontaktstücke voneinander ab, zum zweiten fungiert es mit dem Eindringen als Isolator zwischen den beiden Kontakten. Durch diese Eigenschaft ist die dielektrische
Durchschlagsfestigkeit für diese Anordnung höher als für klassische Schütze oder Relais. Die Aktoreinheit ist ausgebildet, dass translatorisch bewegbare, elektrisch nicht-leitfähige Trennelement in eine erste Bewegungsrichtung und alternativ in eine zur ersten
Bewegungsrichtung entgegengesetzte zweite Bewegungsrichtung zu bewegen, um die beiden Kontaktstücke voneinander zu trennen, um den elektrischen Schalter zu öffnen bzw. den Strompfad zu unterbrechen bzw. um den geöffneten Schalter wieder zu schließen und somit den Strompfad auch wieder zu schließen. Hierfür umfasst die Aktoreinheit ein
Bewegungselement, eine Antriebseinrichtung, eine Einrichtung zum Erzeugen und gleichzeitig oder alternativ Speichern einer Bewegungsenergie sowie einen
elektromagnetischen Aktor. Das Bewegungselement ist mit dem Trennelement des elektrischen Schalters mechanisch gekoppelt, sodass eine Bewegung des
Bewegungselements auch eine entsprechende Bewegung des Trennelements bedeutet und umgekehrt. Die Antriebseinrichtung ist eingerichtet, das Bewegungselement in die erste Bewegungsrichtung zu bewegen, um die Kontaktstelle zu schließen. Die Einrichtung zum Erzeugen und gleichzeitig oder alternativ Speichern einer Bewegungsenergie in Form von potentieller Energie ist eingerichtet, das Bewegungselement und somit das Trennelement in die zur ersten Bewegungsrichtung entgegengesetzte zweite Bewegungsrichtung zu bewegen, um die Kontaktstelle zu öffnen. Der elektromagnetische Aktor ist eingerichtet, drei Betriebszustände einzunehmen. Im Folgenden wird für eine Erläuterung von einem monostabilen elektrischen Schalter ausgegangen, der, wenn er nicht angesteuert wird, den Stromkreislauf unterbicht. Wenn der elektromagnetische Aktor nicht bestromt wird, so ist das Bewegungselement frei in seiner Bewegung und kann von der Einrichtung zum Erzeugen und gleichzeitig oder alternativ Speichern einer Bewegungsenergie in die zweite Bewegungsrichtung bewegt werden, um die Kontaktstelle zu öffnen oder diese offen zu halten. Aus diesem Betriebszustand kann durch ein Koppeln des Bewegungselements mit der Antriebseinrichtung das
Bewegungselement sowie das Trennelement in die erste Bewegungsrichtung bewegt werden und somit die Trennstelle geschlossen werden. In dieser offenen Position kann nun der elektromagneitsche Aktor das Bewegungselement und/oder das Trennelement arretieren - solange der elektromagnetische Aktor bestromt ist. Dies spiegelt sich in den zumindest drei Betriebszuständen des elektromagnetischen Aktors wieder. In einem ersten Betriebszustand blockiert der elektromagnetische Aktor eine Bewegung des Bewegungselements in die zweite Bewegungsrichtung bzw. arretiert der elektromagnetische Aktor das
Bewegungselement in einer definierten Position. Somit wird das Bewegungselement in einer Ruheposition gehalten, um die Kontaktstelle geschlossen zu halten. Im zweiten
Betriebszustand ist der elektromagnetische Aktor dazu eingerichtet, das Bewegungselement in Richtung der Antriebseinrichtung zu bewegen und somit die Antriebseinrichtung mit dem Bewegungselement mechanisch zu koppeln. Wenn die Antriebseinrichtung mit dem
Bewegungselement mechanisch gekoppelt ist kann das Bewegungselement mittels der Antriebseinrichtung in die erste Bewegungsrichtung bewegt werden, um die Kontaktstelle zu schließen. Der elektromagnetische Aktor ist in einem dritten Betriebszustand dazu
eingerichtet, das Bewegungselement freizugeben. So blockiert weder der
elektromagnetische Aktor eine Bewegung des Bewegungselements, noch ist das
Bewegungselement mit der Antriebseinrichtung mechanisch gekoppelt. So ist im dritten Betriebszustand des elektromagnetischen Aktors durch die Einrichtung zum Erzeugen und gleichzeitig oder alternativ Speichern einer Bewegungsenergie in Form von potentieller Energie in die zweite Bewegungsrichtung bewegbar. Durch diese schnelle Bewegung des Bewegungselements und des damit gekoppelten Trennelements wird die Kontaktstelle geöffnet bzw. die beiden Kontaktstücke voneinander getrennt, um dann voneinander getrennt gehalten zu werden.
Bei dem hier beschriebenen elektrischen Schalter wird nicht wie aus dem Stand der Technik bekannt ein Kontakt des Schützes, sondern ein Trennelement aktuiert. Dieses Trennelement wird zwischen die Kontaktstücke bewegt, weshalb eines der Kontaktstücke weiter beweglich ausgeführt wird. Weiterhin wurde erkannt, dass das Schließen eines Schützes nicht mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Öffnen erfolgen muss. Das Schließen des Kontakts erfolgt bei dem hier beschriebenen elektrischen Schalter daher über die Antriebseinrichtung, welche beispielsweise als ein Elektromotor mit einem Getriebe ausgeführt ist, und das Öffnen durch Einrichtung zum Erzeugen und/oder Speichern einer Bewegungsenergie in Form von potentieller Energie, welche beispielsweise als eine vorgespannte Feder ausgeführt ist.
Weiterhin kommt der hier beschriebene elektrischer Schalter ohne einen großen
Hubmagneten aus, der bei geschlossenem Kontakt dauerhaft die Spannung der
Auslösefeder halten müsste. Stattdessen bedarf es nur eines kleineren elektromagnetischen Aktors, der das Trennelement bei geschlossenem Kontakt in einer definierten Position arretieren kann. Unter einem elektromagnetischen Aktor kann beispielsweise ein Reluktanz- Aktor, Hubmagnet oder englisch Solenoid verstanden werden. Der Hubmagnet kann als monostabiler Hubmagnet ausgebildet sein. Wenn es sich bei dem Hubmagneten um einen monostabilen Hubmagneten handelt, so ist auch der elektrische Schalter monostabil.
Alternativ wenn es sich bei dem Hubmagneten um einen bistabilen Hubmagneten handelt, so ist auch der elektrische Schalter entsprechend bistabil. Diese Eigenschaft überträgt sich somit direkt auf den gesamten elektrischen Schalter.
Bei dem vorliegenden elektrischen Schalter wird wie vorgestellt ein Trennelement aktuiert. Im Zustand des Einschaltens wird das Trennelement zwischen den Kontakten
herausgezogen. Der flexible Kontakt in Form des zweiten Kontaktstücks wird durch eine Feder, insbesondere eine Kontaktdruckfeder, an dem Trennelement nachgeführt, legt sich somit„sanft" an und stellt den Kontakt zum ersten Kontaktstück her. Ein Kontaktprellen wird dadurch vollständig verhindert oder mindestens stark reduziert. Somit kann das von bekannten Schützen beim Schließen des Kontakts durch das beschleunigte Auftreffen der beweglichen Kontaktbrücke auf den starren Kontakt auftretende Verhalten, dem allgemein bekannten Kontaktprellen, vermieden werden, bei dem die Kontaktbrücke noch einige Male leicht abhebt, wodurch kleine Lichtbögen entstehen, die zu einem erhöhten Verschleiß im Normalbetrieb führen und potentiell den Übergangswiderstand nach wiederholten
Schaltspielen erhöhen. Weiterhin kann der elektromagnetische Aktor einen Kraftspeicherantrieb umfassen. Dabei kann der Kraftspeicherantrieb als eine Feder ausgebildet sein. Der Kraftspeicherantrieb unterstützt die monostabile Eigenschaft des elektromagnetischen Aktors, da dieser im unbestromten Zustand von der Bewegungseinrichtung weg gezogen wird. Mit anderen Worten kann im unbestromten Zustand der Aktor (Bolzen des Hubmagnets) zurückgezogen werden. Somit führt ein Abschalten der Versorgungsspannung für den elektromagnetischen Aktor zu einer Freigabe des Bewegungselements.
Wie bereits ausgeführt wird bei dem hier beschriebenen elektrischen Schalter im
Unterschied zu den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen nicht ein Kontakt, sondern ein Trennelement aktuiert. Ein Kontaktstück wird dabei jedoch weiter beweglich ausgeführt, allerdings geometrisch so angeordnet, dass ein Abheben durch den Effekt der Levitation im Kurzschlussfall nicht auftritt, da ein Großteil der Levitationskraft von dem Kontakt selbst aufgenommen werden kann. Die Levitationskraft ist die Komponente der folgenden Kräfte, die an der Kontaktstelle normal zur Kontaktanlage wirkt, also die
Komponente, die zu einem Abheben (Levitation / approx "freies Schweben") des
beweglichen Kontakts führt. Diese Kraft setzt sich stets aus zwei Teilen zusammen:
Holmsche Engekraft und Lorentzkraft. Erstere Kraft (Holmsche Engekraft) entsteht durch antiparallele Stromfäden an den sogenannten α-Spots, also den tatsächlichen Kontaktstellen und wirkt der Theorie nach genau normal zum festen, ersten Kontaktstück. Die vektorielle Komponente, die dann abhebend für den flexiblen Kontakt wirkt ist somit vom Winkel im geschlossenen Zustand abhängig. Die zweite Kraft ist die klassische bekannte Lorentzkraft, die entsteht, wenn sich elektrische Ladungen in einem stationären Magnetfeld bewegen. Im Fall des hier beschriebenen Schützaufbaus wirkt diese Kraft nicht abhebend, sondern unabhängig von der Stromrichtung sogar der zu einer Kontaktabhebung führenden
Komponente der Holmschen Engekraft entgegen. Das ist ein gravierender Unterschied zu Schützen aus dem Stand der Technik, bei denen beide beschriebenen Komponenten "100%" abhebend wirken. In einer Ausführungsform verläuft ein Abschnitt des Trennelements schräg zur
Bewegungsrichtung des Trennelements. Dabei entspricht die Bewegungsrichtung des Trennelements im Wesentlichen der Haupterstreckungsrichtung des Trennelements. Der schräg verlaufende Abschnitt des Trennelements weist somit die Form einer Spitze, Rampe oder Anschrägung auf. Durch eine derartige Spitze des Trennelements wird bei einem
Bewegen in die zweite Bewegungsrichtung das zweite Kontaktstück über die Spitze von dem ersten Kontaktstück getrennt. Somit wird der Trennvorgang erleichtert und das Kontaktstück kann über die Spitze gleiten. In einer Ausführungsform umfasst das Trennelement im wesentlichen einen
Keramikwerkstoff bzw. ist das Trennelement im Wesentlichen aus einem Keramikwerkstoff gefertigt. Hierdurch wird eine hohe elektrische Isolationsfähigkeit geschaffen.
Optional besteht in einer Ausführungsform der schräg verlaufende Abschnitt des
Trennelements aus leitfähigem Widerstandsmaterial. Durch eine leitfähige Spitze an dem Trennelement wird außerdem die Entstehung eines Lichtbogens an der Kontaktfläche des geschlossenen Schalters verhindert. Ein Schaltlichtbogen entsteht erst, wenn sich die leitfähige Spitze vollständig an dem flexiblen Kontakt, d. h. dem zweiten Kontaktstück, vorbeibewegt hat. So kann ein Schaltlichtbogen zwischen dem bewegbaren zweiten
Kontaktstück und der leitfähigen Spitze entstehen. Dabei wird als leitfähige Spitze der schräg zur Bewegungsrichtung des Trennelements verlaufende Abschnitt des Trennelements bezeichnet. Das leitfähige Widerstandsmaterial ist entweder ausschließlich auf der
Oberfläche des entsprechenden Abschnitts aufgebracht oder aber der Abschnitt ist vollständig aus einem entsprechenden leitfähigen Widerstandsmaterial zum Beispiel einem Metall gefertigt.
Durch eine entsprechende Auslegung des Widerstandsmaterials und der dadurch leitfähigen Spitze kann der elektrische Widerstand derart ausgelegt werden, dass dieser die Funktion eines Vorladekreises erfüllt. Vorteilhafterweise können dadurch bei hohen Einschaltströmen Transienten vermieden werden, wodurch sowohl der elektrische Schalter als auch nachgeordnete elektrische Lasten geschützt werden. Wenn der Widerstandswert eines Trennelements im Bereich der Spitze dem Widerstand eines entsprechend ausgelegten Vorladewiderstands entspricht, kann das Vorladen dadurch erfolgen, dass der Einschaltstrom zunächst über diese Spitze fließt und erst nach einer definierten Zeit die Schaltkontakte schließen.
Ferner kann der elektrische Schalter eine elektrisch isolierende Grundplatte aufweisen, in die bei einer Bewegung des Trennelements in die zweite Bewegungsrichtung die Spitze bzw. der schräg verlaufende Abschnitt des Trennelements nach dem Trennen der beiden
Kontaktstücke eintaucht. Hierfür kann die Grundplatte eine Ausnehmung aufweisen, die im Wesentlichen der Form der Spitze des Trennelements entspricht und derart ausgeformt ist, dass die Spitze des Trennelements die Ausnehmung im Wesentlichen vollständig ausfüllt, wenn die Spitze des Trennelements in die Grundplatte eintaucht. Unter einer Ausnehmung kann somit eine Bohrung oder eine Vertiefung in der Grundplatte verstanden werden.
Zur Löschung eines Lichtbogens taucht das Trennelement nach dem Öffnen der
Kontaktstelle daraufhin in die Ausnehmung, oder mit anderen Worten eine Vertiefung der Grundplatte ein. Dort wird der Lichtbogen stark gekühlt und bricht zusammen. So kann bei einer Ausführungsform des hier beschriebenen elektrischen Schalters im Vergleich zum Stand der Technik auf ein Schutzgas und/oder Blasmagnete verzichtet werden. Dies ist deshalb von Vorteil, da bei Verwendung von Schutzgas ein ausreichender Gasdruck auch "End of Life" gewährleistet werden muss, was zu hohen Dichtigkeitsanforderungen führt. Da Permanentmagnete außerdem teuer sind, ist ein Verzicht auf diese ebenfalls vorteilhaft.
Insgesamt kann somit die Funktionstüchtigkeit verbessert werden bei gleichzeitig geringeren Kosten. Durch den Entfall des im Stand der Technik zur Lichtbogenlöschung verwendeten Blasmagneten etfällt auch eine Vorzugsrichtung des elektrischen Schalters. Der hier beschriebene elektrische Schalter weist in beide Durchflussrichtungen die gleiche
Stromtragfähigkeit und Stromschaltfähigkeit auf. Somit sind auch Ladevorgänge effizient schützbar.
Die Antriebseinrichtung kann als ein elektrischer Motor oder als ein elektrischer Motor mit einem Getriebe ausgebildet sein. Dabei kann die Antriebseinrichtung ein Zahnrad umfassen, welches mit dem Bewegungselement mechanisch koppelbar ist, um eine rotatorische Bewegung der Antriebseinrichtung in eine translatorische proportionale Bewegung des Bewegungselements umzusetzen. Alternativ ist eine Spindel als Umsetzer einer
rotatorischen in eine translatorische Bewegung denkbar. Bei der Einrichtung zum Erzeugen und gleichzeitig oder alternativ zum Speichern einer Bewegungsenergie handelt es sich in einer Ausführungsform um eine Feder, insbesondere um eine in Schraubenform ausgeführte Feder. Dabei kann es sich um eine Druck- oder Zugfeder handeln, wobei die Feder in Richtung der zweiten Bewegungsrichtung wirkt, um die Kontaktstelle schnell zu öffnen.
Bei dem Bewegungselement kann es sich um eine Zahnstange handeln. Somit kann ein Zahnrad der Antriebseinrichtung mit der Zahnstange mechanisch gekoppelt werden, indem die Zähne der Zahnstange mit den Zähnen des Zahnrads kämmen.
Wie bereits ausgeführt ist der elektromagnetische Aktor eingerichtet in dem ersten
Betriebszustand eine Bewegung des Bewegungselements in die zweite Bewegungsrichtung zu blockieren. Um dies zu erreichen kann die Zahnstange eine Bohrung oder Ausnehmung aufweisen, die ausgeformt ist, dass ein Element des elektromagnetischen Aktors zum Beispiel ein Verriegelungsbolzen in diese eingreift, wenn der elektromagnetische Aktor im ersten Betriebszustand ist. Je nach Ausformung ist somit eine Bewegung des
Bewegungselements in die zweite Bewegungsrichtung oder in beide Bewegungsrichtungen blockiert. Eine Steuereinrichtung zum Ansteuern der Betriebszustände des elektromagnetischen Aktors sowie der Antriebseinrichtung kann in Form einer entsprechenden Elektronik in den elektrischen Schalter integriert sein. Eine derartige Steuereinrichtung weist entsprechende Steueranschlüsse auf. Als Teil der Steuereinrichtung oder als eine separate Einrichtung kann eine
Zustandsüberwachungseinrichtung vorgesehen sein, welche den Zustand des elektrischen Schalters mittels einer Klemmenstrommessung bestimmt. Alternativ kann eine
Zustandsüberwachung auch durch eine Detektion der Position des Verriegelungselements vom elektromagnetischen Aktor erfolgen.
Weiterhin kann der elektrische Schalter einen Vorladekreis aufweisen welcher insbesondere einen Widerstand in Kombination mit einem elektromechanischen Relais oder einen
Leistungshalbleiter umfasst. Hierdurch werden insbesondere Kondensatoren des Hochvolt- Bordnetzes vor steilen Stromtransienten geschützt, da die enthaltenen Kondensatoren andernfalls im nicht eingeschwungenen Zustand wie Kurzschlüsse wirken. In einer besonderen Ausführungsform des elektrischen Schalters kann sogar vollständig auf einen Vorladekreis verzichtet werden, wobei dessen Funktion durch den elektrischen Schalter (Schütz) selbst übernommen wird. Dies wäre erstens denkbar, wenn der Widerstandswert eines Trennelements im Bereich der Spitze, dem des oben beschrieben externen
Widerstandes entspräche und das Vorladen dadurch erfolgt, dass der Einschaltstrom zunächst über diese Spitze fließt und erst nach einer definierten Zeit (z.B. nach 300 ms) das Trennelement vollständig "herausgefahren" wird und dadurch die Schaltkontakte schließen. Zum zweiten kann potentielle auch auf die Vorladung verzichtet werden und ein direktes, hartes Aufschalten erfolgen, wenn eine entsprechende Impulslastfähigkeit der verwendeten Zwischenkreiskondensatoren gegeben ist. Konventionelle Schütze verschleißen nach ca. 40 bis 100 Schaltzyklen beim harten Aufschalten in eine Kapazität, da durch das Prellen beim Aufschalten mit der verbundenen Lichtbogenwirkung ein erheblicher Verschleiß der
Kontaktflächen erfolgt. Dieser Effekt entfällt bei der erfinderischen Anordnung, da das Prellen beim Einschalten vermieden wird.
Gegenüber den im Stand der Technik bekannten Lösungen wird mit einer Ausführungsform des hier beschriebenen elektrischen Schalters eine insgesamt deutlich verbesserte
Trennfähigkeit von "weichen" und "harten" Kurzschlüssen mit gleicher Geschwindigkeit erreicht, sodass eine bisher stets nachgeschaltete HV-Sicherung entfallen kann, was wiederum die Reduzierung von Leitungsquerschnitten ermöglicht.
Kurze Figurenbeschreibung Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 - 3 eine schematische Darstellung eines elektrischen Schalters gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 - 5 eine schematische Darstellung eines elektrischen Schalters gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 6 - 7 eine schematische Darstellung der Wirkweise der Holmschen Engekraft und der
Lorentzkraft. Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen
Bezugszeichen versehen. Detaillierte Beschreibung
Fig. 1 zeigt einen elektrischen Schalter 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Der elektrische Schalter 100 weist zwei Kontaktstücke 102, 104 auf, die sich in einer
Kontaktstelle 106 kontaktieren. Der elektrische Schalter ist somit geschlossen. Das erste Kontaktstück 102 ist starr ausgebildet. Das zweite Kontaktstück 104 ist um eine Drehachse 108 beweglich angeordnet. Weiterhin weist der Schalter ein drittes Kontaktstück 1 10 auf. Das zweite Kontaktstück 104 und das dritte Kontaktstück 1 10 sind elektrisch miteinander verbunden. Dies ist über eine flexible Leitung 1 12, deren eines Ende mit dem zweiten Kontaktstück 104 und deren anderes Ende mit dem dritten Kontaktstück 1 10 verbunden ist, realisiert. An dem ersten Kontaktstück 104 und an dem dritten Kontaktstück 1 10 ist jeweils ein Schraubkontakt 1 14 zur Verbindung mit einem Strompfad beispielsweise einer
Spannungsversorgung in einem Kraftfahrzeug vorgesehen. Weiterhin umfasst der elektrische Schalter 100 ein elektrisch nicht-leitfähiges Trennelement 1 16 sowie eine mit dem Trennelement 1 16 verbundene Aktoreinheit 1 18. Das Trennelement 1 16 ist eingerichtet, translatorisch bewegt zu werden. Weiterhin ist das Trennelement 1 16 eingerichtet die beiden Kontaktstücke 102, 104, d. h. das erste Kontaktstück 102 sowie das bewegliche zweite Kontaktstück 104, voneinander zu trennen und anschließend auseinander zu halten. Die Aktoreinheit 1 18 umfasst ein Bewegungselement 120, eine Antriebseinrichtung 122, einen elektromagnetischen Aktor 124 sowie eine Einrichtung 126 zum Erzeugen und/oder
Speichern einer Bewegungsenergie. Das Bewegungselement 120 ist mit dem Trennelement 1 16 mechanisch gekoppelt. Somit wird eine Bewegung des Bewegungselements 120 direkt auf das Trennelement 1 16 übertragen und umgekehrt. Die Antriebseinrichtung 122 ist eingerichtet das Bewegungselement 120 in eine erste Bewegungsrichtung 128 zu bewegen, um die Kontaktstelle 106 zu schließen. Die Einrichtung 126 zum Erzeugen und/oder
Speichern einer Bewegungsenergie ist eingerichtet, das Bewegungselement 120 und/oder das Trennelement 1 16 in eine zweite Bewegungsrichtung 130 zu bewegen, um die
Kontaktstelle zu öffnen. Dabei weisen die erste Bewegungsrichtung 128 und die zweite Bewegungsrichtung 130 in zwei zueinander entgegengesetzte Richtungen. Der elektromagnetische Aktor 124 weist zumindest drei Betriebszustände auf, sowie
Transitionen von einem dieser Betriebszustände in einen der anderen Betriebszustände. Die drei Betriebszustände sind in Fig. 1 bis Fig. 3 zu sehen, mit anderen Worten unterscheiden sich diese Figuren durch den eingenommenen Betriebszustand des elektromagnetischen Aktors 124. Fig. 1 zeigt den elektromagnetischen Aktor 124 in einem dritten Betriebszustand, indem das Bewegungselement 120 in seiner Bewegung freigegeben ist. In diesem Zustand wirkt die Einrichtung 126 zum Erzeugen und/oder Speichern einer Bewegungsenergie direkt auf das Bewegungselement 120 und indirekt auf das Trennelement 1 16 oder in einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel direkt auf das Trennelement 1 16 und indirekt über die mechanische Kopplung der beiden auf das Bewegungselement 120. Fig. 2 zeigt den elektromagnetischen Aktor 124 in einem zweiten Betriebszustand, in dem der
elektromagnetische Aktor 124 das Bewegungselement 120 in Richtung der
Antriebseinrichtung 122 drückt, wodurch die Antriebseinrichtung 122 mechanisch mit dem Bewegungselement 120 gekoppelt wird. Über eine entsprechende Ansteuerung der
Antriebseinrichtung 122 ist nun das Bewegungselement 120 in die erste Bewegungsrichtung 128 bewegbar, wodurch sich die Kontaktstelle 106 schließt. Fig. 3 zeigt schließlich den ersten Betriebszustand des elektromagnetischen Aktors 124 in welchem letzterer eine Bewegung des Bewegungselements 120 blockiert und das Bewegungselement 120 in einer definierten Position hält. Die als Feder 132 ausgebildete Einrichtung 126 zum Erzeugen und/oder zum Speichern einer Bewegungsenergie wird unter einer Vorspannung gehalten. Mit anderen Worten wird das Bewegungselement 120 somit in einer Ruheposition gehalten, wodurch die Kontaktstelle 106 geschlossen bleibt und somit die beiden elektrischen
Kontaktstücke 102, 104 eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Schraubkontakten 1 14 schaffen.
In dem in den Fig. 1 bis Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Bewegungselement 120 als eine Zahnstange 134 ausgeformt. Die Antriebseinrichtung 122 ist als ein
Elektromotor 136 ausgebildet. Weiterhin wird das bewegliche zweite Kontaktstück 104 bei geschlossener Kontaktstelle 106 durch die rückstellende Kraft einer Kontaktdruckfeder 138 gegen das erste Kontaktstück 102 gedrückt.
Zur besseren Unterdrückung einer Lichtbogen Ausbildung während eines
Öffnungsvorganges weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel das Trennelement 1 16 an der dem zweiten Kontaktstück 104 zugewandten Seite einen schräg zur Bewegungsrichtung des Trennelements 1 16 verlaufenden Abschnitt 140 auf. Dieser schräg verlaufende Abschnitt 140 wird auch als Spitze 142, Rampe, Keil oder Abschrägung bezeichnet. In dem besonderen Ausführungsbeispiel, wie dies in Fig. 1 bis Fig. 3 dargestellt ist der als Spitze 142 ausgebildete schräg verlaufende Abschnitt 140 des Trennelements 1 16 aus leitfähigem Widerstandsmaterial hergestellt, um in der Anfangsphase der Kontakt Trennung noch keinen Lichtbogen zu erzeugen, sondern kurzzeitig noch einen Stromfluss zuzulassen. Der Stromfluss reißt anfänglich noch nicht ab und es entsteht somit auch noch kein Lichtbogen. Erst wenn die Spitze 142 sich komplett zwischen dem ersten und zweiten Kontaktstück 102, 104 hindurch bewegt hat, wechselt der nachrückenden Teilabschnitt des Trennelements 1 16 in einen isolierenden, elektrisch nicht leitfähigen Materialabschnitt. Zu diesem Zeitpunkt taucht die Spitze 142 in eine Grundplatte 144 des elektrischen Schalters 100. Die Grundplatte 144 ist elektrisch-isolierend und weist eine der Form der Spitze 142 angepasste Ausnehmung 146 auf, die derart ausgeformt ist dass die Spitze 142 des
Trennelements 1 16 die Ausnehmung 146 im Wesentlichen vollständig ausfüllt, wenn wie hier beschrieben die Spitze 142 in die Grundplatte 144 eintaucht.
Neben dem Elektromotor 136 umfasst die Antriebseinrichtung 122 weiterhin ein Zahnrad 148. Das Zahnrad 148 kann in einem Ausführungsbeispiel auch als ein Getriebe verstanden werden. Die Zähne des Zahnrads 148 kämen in der Darstellung in Fig. 2 d. h. im zweiten Betriebszustand des elektromagnetischen Aktors 124 mit den Zähnen der Zahnstange 134.
Bei dem elektromagnetischen Aktor 124 handelt es sich im Wesentlichen um einen
Hubmagneten 150, wobei zusätzlich eine Zugfeder 152 vorgesehen ist. Die Zugfeder 152 ist eingerichtet, im unbestromten Zustand des Hubmagneten 150 dessen Anker/Bolzen in Richtung von der Zahnstange 134 weg zu bewegen, um diese freizugeben. Dadurch wird sichergestellt, dass der elektromagnetische Aktor 124 monostabil ist. Weiterhin wird dadurch als sicherer Zustand des elektrischen Schalters "aus" eingestellt.
Wenn auf die Verwendung der Feder 152 verzichtet wird, ist der Hubmagnet bistabil, was sich auch direkt auf das ganze Schütz übertragen würde.
Das erste Kontaktstück 102 weist einen Isolationsmantel 154 auf, der im Bereich der Kontaktstelle 106 unterbrochen ist, um Platz für eine Kontaktfläche 156 zu schaffen. Die Kontaktfläche 156 durchdringt elektrisch leitfähig den Isolationsmantel 154. Somit wird ein elektrischer Kontakt zwischen dem zweiten Kontaktstück 104 und der Kontaktfläche 156 geschaffen. Die Kontaktfläche 156 ist Teil des ersten Kontaktstück 102, sodass weiterhin ein elektrischer Kontakt zwischen dem ersten Kontaktstück 102 und dem zweiten Kontaktstück 104 herstellbar ist. Der Isolationsmantel 154 unterstützt das unterbinden oder verringern von Lichtbögen. Der Isolationsmantel 154 ist beispielsweise aus einem Kunststoff oder einem Keramikwerkstoff gefertigt.
Das Bewegungselement 120 bzw. die Zahnstange 134 weisen eine Aussparung 158 oder eine Bohrung auf, in die ein Element des elektromagnetischen Aktors 124 im
entsprechenden Betriebsmodus, d. h. dem dritten Betriebszustand eingreift, um eine
Bewegung des Bewegungselements 120 bzw. der Zahnstange 134 zu blockieren. In einer Ausführungsform weist der Hubmagnet 150 einen Anker auf, dessen aus dem Hubmagneten 150 herausstehender Abschnitt, der auf der der Zugfeder 152 gegenüberliegenden Seite des Hubmagneten 150 aus diesem herausragt. Dieser herausstehende Abschnitt ist ausgeformt, um im dritten Betriebszustand in die Aussparung 158 einzugreifen und somit die Bewegung des Bewegungselements 120 zu blockieren.
Der elektrische Schalter 100 wird im Folgenden noch einmal mit anderen Worten
beschrieben. Eine Vorrichtung für das Schalten von Gleichströmen wie der hier dargestellte elektrische Schalter 100 ist beispielsweise geeignet zum Herstellen und Trennen einer Spannungsversorgung in einem Kraftfahrzeug unter Last. Die Anordnung besitzt einen Schaltbereich sowie einen Aktorbereich. Im Schaltbereich befinden sich zwei Kontakte (erstes Kontaktstück 102 sowie zweites und drittes Kontaktstück 104, 1 10), wobei ein Kontakt (zweites und drittes Kontaktstück 104,1 10) über eine flexible Verbindung 160 umgelenkt wird. Eine Feder bzw. Kontaktdruckfeder 138, insbesondere als Schrauben- oder Drehfeder ausgeführt, drückt das flexible Kontaktteil (zweites Kontaktstück 104) an den anderen Kontakt (erstes Kontaktstück 102). Je nach Ausführung des flexiblen Kontakts, kann die Anlagerung an den zweiten Kontakt punkt-, zonen-, flächen- oder linienförmig ausgeführt werden. Dieser zweite Kontakt (erstes Kontaktstück 102) ist starr und besitzt eine vorgelagerte Fläche (Kontaktfläche 156) dort, wo der flexible Kontakt (zweites Kontaktstück 104) im geschlossenen Zustand des elektrischen Schalters 100 anliegt. Jenseits von dieser Kontaktfläche 156 ist das erste Kontaktstück 102 von einem isolierenden Material, insbesondere Kunststoff, umgeben. Dadurch wird im weiteren Verlauf eine beidseitige Trennung des Kontakts erreicht. Im Aktorbereich befinden sich ein Elektromotor 136 mit einem nicht explizit dargestellten Getriebe und ein elektromagnetischer Aktor 124, insbesondere Reluktanz-Aktor (Hubmagnet 150) sowie eine Zahnstange 134 und eine weitere vorzugsweise in Schraubenform ausgeführte Feder 132. Die Zahnstange 134 ist mit einem Trennelement 1 16 verbunden. Das Trennelement 1 16 besitzt nicht dargestellte seitliche Führungen oder wird passiv seitlich geführt und kann so zwischen die Kontaktstücke 102, 104 bewegt werden. Die Feder 132 kann entweder direkt oder indirekt über die Zahnstange 134 an das Trennelement 1 16 angebunden sein. Das Trennelement 1 16 besteht aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material, vorzugsweise aus Keramik oder Glas, seine Spitze 142 jedoch wird in einem
Ausführungsbeispiel aus einem elektrisch leitfähigen Material, vorzugsweise Metall, gefertigt.
Das Getriebe des Elektromotors 136 bzw. das Zahnrad 148 und die Zahnstange 134 greifen im stromlosen Zustand nicht ineinander. Durch die Bestromung des normal zur Zahnstange 134 angeordneten elektromagnetischen Aktors 124, drückt dieser die Zahnstange 134 in das Getriebe des Elektromotors 136 bzw. in das Zahnrad 148. Anschließend wird durch
Bestromung des Elektromotors 136 das Trennelement 1 16 zwischen den beiden
Kontaktstücke 102, 104 heraus bewegt und dadurch die Feder 132 vorgespannt. An einer definierten Stelle besitzt die Zahnstange 134 ein Loch bzw. Eine Aussparung 158, in welche der weiter bestromte Aktor 124 eintauchen kann. Durch diesen Mechanismus werden die Zahnstange 134 und das Getriebe des Elektromotors 136 bzw. das Zahnrad 148
voneinander getrennt und das Trennelement 1 16 arretiert. Der elektrische Schalter 100 hat gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung den entscheidenden Vorteil, dass kein elektromagnetischer Aktor benötigt wird, der die gesamte Kraft der vorgespannten Feder 132 halten muss, weshalb sich signifikant geringere Halteströme ergeben, die es erlauben den Aktor bzw. die Aktoreinheit 1 18 erheblich kleiner, leichter und damit auch kostengünstiger auszuführen.
Der elektromagnetische Aktor 124 kann dabei je nach Verwendungszweck entweder mono- oder bistabil ausgeführt werden. Diese Eigenschaft würde sich dann auch direkt auf den auch als Schütz bezeichneten elektrischen Schalter 100 übertragen. Im Folgenden wird zunächst von einer monostabilen Anordnung ausgegangen. Durch das Ausschalten des Steuerstroms am elektromagnetischen Aktor 124, wird der Aktor 124 durch eine Rückholfeder 152 aus dem Loch (Aussparung 158) in der Zahnstange 134 entnommen. Daraufhin schnellt das Trennelement 1 16 zwischen die Kontakte
(Kontaktstücke 102, 104) des Schalters 100. Die elektrisch leitfähige Spitze 142 jenes Trennelements 1 16 hebt das beweglich ausgeführte zweite Kontaktstück 104 ab. Da der Strom jedoch zunächst über die elektrisch leitfähige Spitze 142 weiterfließen kann, entsteht zunächst kein Schaltlichtbogen an der Kontaktfläche (Kontaktstelle 106) des geschlossenen Schalters 100. Die Kontaktstelle 106 wird dadurch geschont. Ein Schaltlichtbogen entsteht erst, wenn sich die leitfähige Spitze 142 vollständig an dem flexiblen zweiten Kontaktstück 104 vorbeibewegt hat. Er entsteht dann zwischen diesem zweiten Kontaktstück 104 und der leitfähigen Spitze 142. Zur Löschung dieses Lichtbogens taucht das Trennelement 1 16 daraufhin unmittelbar in eine Vertiefung der Grundplatte 144 ein. Dort wird der Lichtbogen stark gekühlt und bricht zusammen. Durch all diese Maßnahmen wird gegenüber den, dem Stand der Technik bekannten Lösungen eine insgesamt deutlich größere Trennfähigkeit von "harten" Kurzschlüssen erzielt, sodass eine bisher nachgeschaltete HV-Sicherung entfallen kann, was wiederum die Reduzierung von Leitungsquerschnitten ermöglicht. Neben der oben beschriebenen Anordnung gemäß Fig. 1 bis Fig. 3 ist es auch denkbar wie in den folgenden Fig. 4 und Fig. 5 gezeigt, die Aktoreinheit 1 18 zwischen den
Anschlusskontakten zu platzieren. Die oben beschriebene und in Fig. 1 bis Fig. 3 gezeigte Anordnung besitzt jedoch den Vorteil, dass die Aktoreinheit 1 18 und der Schaltbereich mit den Kontakten räumlich separiert sind. Dadurch lassen sich höhere
Kontaktanschlusstemperaturen tolerieren. Außerdem können auf diese Weise die
Kontaktlängen reduziert werden. Hinzu kommt ein weiterer Vorteil der ersten
Ausführungsform gemäß Fig. 1 bis Fig. 3, da die elektromagnetische Lorentzkraft dort die Kontaktkraft unter Bestromung zusätzlich erhöht. Je nach Dimensionierung der Anordnung kann eine Auslegung auf niedrige Spannungen im Bereich 40 - 60 V für insbesondere für 48 V-Anwendungen oder für HV-Anwendungen mit Spannungen im Bereich -400 - 1000 V erfolgen. Weiterhin kann der elektrische Schalter 100 derart stufenweise ausgeführt werden, dass sie für unterschiedliche maximale Trennströme einsetzbar ist. Da anders als bei den, dem Stand der Technik bekannten Lösungen nicht ein Kontakt selbst sondern ein drittes Element (hier: Trennelement 1 16) aktuiert wird, können unterschiedliche Leiterquerschnitte bei annähernd gleichbleibender Aktoranordnung verwendet werden. Die Ansteuerung des elektromagnetischen Aktors 124 sowie des Elektromotors 136 erfolgt in der Regel über hier nicht dargestellte Steueranschlüsse und die sequentielle
Bestromungsfolge von elektromagnetischem Aktor 124 und Elektromotor 136 wird durch eine externe Elektronik realisiert. Optional kann zur Darstellung einer Diagnosefähigkeit der elektrische Schalter 100 zusätzlich eine Klemmenstrommessung zur Zustandsüberwachung integriert werden.
Weiterhin kann durch die oben beschriebene Positionsdetektion des Bolzens vom
elektromagnetischen Aktor eine Zustandsüberwachung eingerichtet werden. In einer besonderen Ausführungsform kann ein externer Vorladekreis, wie er derzeit parallel zu dem elektrischen Schalter 100 an der Plusseite geschaltet ist, in die Elektronik integriert werden. Bei dem Stand der Technik besteht dieser Vorladekreis aus einem Relais sowie aus einem Widerstand. Beim Einschalten des Systems wird zunächst das Relais
durchgeschaltet, sodass die im System verbauten Bauteile, insbesondere die
Kondensatoren, nicht unmittelbar mit dem vollen Betriebsstrom belastet werden. Dieser
Vorladekreis kann für die Integration in die Elektronik des Schalters durch einen Widerstand und einen Leistungshalbleiter ersetzt werden.
Bei dem in Fig. 4 und Fig. 5 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel eines elektrischen Schalters 100 ist die Aktoreinheit zwischen dem ersten Kontaktstück 102 und dem dritten Kontaktstück 1 10 angeordnet. Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist in Bezug auf das zweite Kontaktstück 104 auf der dem Trennelement 1 16 gegenüberliegenden Seite eine Grundplatte 144 mit einer Ausnehmung 146 angeordnet. Die Kontaktdruckfeder 138 ist zwischen dem zweiten Kontaktstück 104 und der Grundplatte 144 angeordnet, um bei einem Schließvorgang des elektrischen Schalters 100 das zweite Kontaktstück 104 wieder in elektrischen und mechanischen Kontakt mit dem ersten Kontaktstück 102 zu bringen oder bei einem hergestellten elektrischen und mechanischen Kontakt zwischen den beiden Kontaktstücke in 102, 104 diesen zu halten. Das zweite Kontaktstück 104 ist im
geschlossenen Zustand des elektrischen Schalters 100 schräg in Bezug auf das erste Kontaktstück 102 angeordnet. Der entsprechende Winkel zwischen dem ersten Kontaktstück 102 und dem zweiten Kontaktstück 104 bewegt sich in der Regel zwischen 10° und 80° wobei der entsprechende Winkel bevorzugt zwischen 20° und 45° beträgt. Die schräge der Spitze 142 des Trennelements 1 16 steht in Bezug zu besagtem Winkel. Dabei weist die Spitze 142 bevorzugt einen spitzen Winkel auf.
Wie bereits zuvor ausgeführt, ist ein besonderer Vorteil des hier beschriebenen elektrischen Schalters 100, 600 darin zu sehen, wie die Holmsche Engekraft und die Lorentzkraft auf den elektrischen Schalter 100, 600 wirken. Hierzu ist in Fig. 6 ein klassischer Schütz 600 dargestellt. Der Stromfluss ist symbolisch durch mit i bezeichnete Pfeile dargestellt. In einer Spule 670 ist ein translatorisch bewegbarer Anker 672 angeordnet, welcher eingerichtet ist mittels eines Schaltstücks 674 eine erste Stromschiene 676 mit einer zweiten Stromschiene 678 zu verbinden. Zwischen dem Schaltstück 674 und den beiden Stromschienen 676, 678 ist im geschlossenen Zustand des Schützes 600 der Kontakt geschlossen. In der Darstellung gemäß Fig. 6 bewegt sich das Schaltstück 674 zum Öffnen des Schützes 600 in der
Zeichenebene nach oben. Die Holmsche Engekraft 680 wirkt in den Kontaktstellen zwischen dem Schallstück 674 und den beiden Stromschienen 676, 678 in der Zeichenebene nach oben. Die Lorentzkraft 682 wirkt auf das Schaltstück 674 in der Zeichenebene nach oben. So wirken die Lorentzkraft 682 sowie die Holmsche Engekraft 680 in die selbe Richtung, welche der Bewegungsrichtung zum Öffnen des Schützes 600 entspricht.
Anders sehen die Holmsche Engekraft 680 sowie die Lorentzkraft 682 bei einem elektrischen Schalter 100 aus, wie dieser im ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bis Fig. 3 dargestellt ist. Die entsprechenden Kraftpfeile sind in einer vereinfachten Darstellung eines solchen elektrischen Schalters 100 in Fig. 7 dargestellt. Die Engekraft 780 wirkt senkrecht auf die Kontaktstelle 106 des ersten Kontaktstücks 102 in Richtung des dritten Kontaktstücks 1 10. Dabei kann die Engekraft 780 vektoriell betrachtet werden. Ein erster Kraftvektor 780' der Engekraft 780 wirkt entlang des zweiten Kontaktstücks 104, an dessen Spitze setzt ein zweiter Kraftvektor 780" an und schließt das Kraftdreieck zur Spitze des Vektors der Engekraft 780. Der zweite Kraftvektor 780" steht senkrecht zur Ausrichtung der Engekraft 780 oder mit anderen Worten parallel zum ersten Kontaktstück 102. Der erste Kraftvektor 780' verläuft von der Kontaktstelle 106 entlang der Haupterstreckungsrichtung des zweiten Kontaktstücks 104. Die Lorentzkraft 782 wirkt auf das zweite Kontaktstück 104, wobei die Richtung der Lorentzkraft 782 dem zweiten Kraftvektor 780" genau entgegengesetzt ist. Da es sich bei der vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen um Ausführungsbeispiele handelt, können sie in üblicher weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind die mechanischen Anordnungen und die Größenverhältnisse der einzelnen Elemente zueinander lediglich beispielhaft dargestellt.
BEZUGSZEICHENLISTE
100 elektrischer Schalter
102 erstes Kontaktstück
104 zweites Kontaktstück
106 Kontaktstelle
108 Drehachse
1 10 drittes Kontaktstück
1 12 Leitung
1 14 Schraubkontakt
1 16 Trennelement
1 18 Aktoreinheit
120 Bewegungselement
122 Antriebseinrichtung
124 elektromagnetische Aktor
126 Einrichtung zum Erzeugen und / oder Speichern einer Bewegungsenergie
128 erste Bewegungsrichtung
130 zweite Bewegungsrichtung
132 Feder
134 Zahnstange
136 Elektromotor, elektrischer Motor
138 Kontaktdruckfeder
140 schräg verlaufender Abschnitt
142 Spitze
144 Grundplatte
146 Ausnehmung
148 Zahnrad
150 Hubmagnet
152 Zugfeder, Rückholfeder
154 Isolationsmantel
156 Kontaktfläche
158 Aussparung
160 flexible Verbindung 600 Schütz, elektrischer Schalter 670 Spule
672 Anker
674 Schaltstück
676, 678 Stromschiene
680, 780 Engekraft
780' erster Kraftvektor der Engekraft 780" zweiter Kraftvektor der Engekraft 682, 782 Lorentzkraft

Claims

ANSPRÜCHE Elektrischer Schalter (100) zum Unterbrechen eines Strompfades, insbesondere einer Spannungsversorgung in einem Kraftfahrzeug, mit wenigstens:
a. einer Kontaktstelle (106), die mit
b. einem ersten Kontaktstück (102) und
c. einem um eine Drehachse (108) beweglich gelagertem zweiten Kontaktstück (104) gebildet ist,
d. wobei die Kontaktstelle (106) elektrisch geschlossen ist, wenn sich die beiden Kontaktstücke (102, 104) berühren, und wobei die Kontaktstelle (106) elektrisch geöffnet ist, wenn sich die beiden Kontaktstücke (102, 104) nicht berühren,
wobei der elektrische Schalter (100) weiterhin aufweist
e. eine Aktoreinheit (1 18),
f. ein mittels der Aktoreinheit (1 18) translatorisch bewegbares, elektrisch nicht- leitfähiges Trennelement (1 16), welches eingerichtet ist, die beiden
Kontaktstücke (102, 104) voneinander zu trennen, getrennt zu halten und als Isolator zwischen den Kontaktflächen zu fungieren,
wobei die Aktoreinheit (1 18) wenigstens aufweist
g. ein Bewegungselement (120), welches mit dem Trennelement (1 16)
mechanisch gekoppelt ist,
h. eine Antriebseinrichtung (122), die eingerichtet ist, das Bewegungselement (120) in eine erste Bewegungsrichtung (128) zu bewegen, um die
Kontaktstelle (106) zu schließen,
i. eine Einrichtung (126) zum Erzeugen und/oder Speichern einer
Bewegungsenergie in Form von potentieller Energie, die eingerichtet ist, das Bewegungselement (120) und/oder das Trennelement (1 16) in eine der ersten Bewegungsrichtung (128) entgegengesetzte zweite Bewegungsrichtung (130) zu bewegen, um die Kontaktstelle (1 16) zu öffnen und
j. einen elektromagnetischen Aktor (124), der eingerichtet ist,
in einem ersten Betriebszustand eine Bewegung des
Bewegungselements (120) in die zweite Bewegungsrichtung (130) zu blockieren und/oder das Bewegungselement (120) in einer definierten Position zu arretieren und somit das Bewegungselement (120) in einer Ruheposition zu halten, um die Kontaktstelle (106) geschlossen zu halten und
in einem zweiten Betriebszustand das Bewegungselement (120) in Richtung der Antriebseinrichtung (122) zu bewegen und mit dieser mechanisch zu koppeln, damit das Bewegungselement (120) mittels der Antriebseinrichtung (122) in die erste Bewegungsrichtung (108 20) bewegbar ist, um die Kontaktstelle (106) zu schließen und in einem dritten Betriebszustand das Bewegungselement (120) freizugeben, sodass das Bewegungselement (120) und das Trennelement (1 16) durch die Einrichtung (106. 20) zum Erzeugen und/oder Speichern einer Bewegungsenergie in Form von potentieller Energie in die zweite Bewegungsrichtung (130) bewegbar ist, um die Kontaktstelle (106) zu öffnen und/oder damit die Kontaktstelle (106) geöffnet ist.
Elektrischer Schalter (100) gemäß dem vorangegangenen Anspruch, bei dem ein Abschnitt (140) des Trennelements (1 16) schräg zur Bewegungsrichtung (128, 130) und der Haupterstreckungsnchtung des Trennelements (1 16) verläuft, in Form einer Spitze (142), Rampe oder Anschrägung, sodass bei einem Bewegen in die zweite Bewegungsrichtung (130) das zweite Kontaktstück (104) über die Spitze (142) von dem ersten Kontaktstück (102) getrennt wird.
Elektrischer Schalter (100) gemäß dem vorangegangenen Anspruch, bei dem der schräg verlaufende Abschnitt (140) des Trennelements (1 16) aus leitfähigem
Widerstandsmaterial besteht.
Elektrischer Schalter (100) gemäß dem vorangegangenen Anspruch, bei dem der elektrische Widerstand des Trennelements (1 16) derart gewählt ist, um bei hohen Einschaltströmen Transienten zu begrenzen.
Elektrischer Schalter (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem bei einer Bewegung des Trennelements (1 16) in die zweite Bewegungsrichtung (130) die Spitze (142) des Trennelements (1 16) nach dem Trennen der beiden Kontaktstücke (102, 104) in eine elektrisch isolierende Grundplatte (144) eintaucht.
6. Elektrischer Schalter (100) gemäß dem vorangegangenen Anspruch, bei dem die Grundplatte (144) eine Ausnehmung (146) aufweist, die im Wesentlichen der Form der Spitze (142) des Trennelements (1 16) entspricht und derart ausgeformt ist, dass die Spitze (142) des Trennelements (1 16) die Ausnehmung (146) im Wesentlichen vollständig ausfüllt, wenn die Spitze (142) des Trennelements (1 16) in die
Grundplatte (144) eintaucht.
7. Elektrischer Schalter (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Trennelement (1 16) im wesentlichen Keramikwerkstoff umfasst.
8. Elektrischer Schalter (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Antriebseinrichtung (122) als ein elektrischer Motor (136) oder ein elektrischer Motor (136) mit einem Getriebe ausgebildet ist.
9. Elektrischer Schalter (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Einrichtung (126) zum Erzeugen und/oder Speichern einer Bewegungsenergie als eine Feder (132) ausgebildet ist.
10. Elektrischer Schalter (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Bewegungselement (120) als eine Zahnstange (134) oder alternativ als Spindel ausgebildet ist.
1 1 . Elektrischer Schalter (100) gemäß dem vorangegangenen Anspruch, bei dem die Zahnstange (134) eine Aussparung (146), Bohrung oder Ausnehmung aufweist, die ausgeformt ist, dass ein Element des elektromagnetischen Aktors (124) in diese eingreift, wenn der elektromagnetische Aktor (124) im ersten Betriebszustand ist.
12. Elektrischer Schalter (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der elektromagnetische Aktor (124) als ein Hubmagnet (150), insbesondere als ein monostabiler Hubmagnet ausgebildet ist und/oder einen Kraftspeicherantrieb oder eine Zugfeder (152) umfasst.
13. Elektrischer Schalter (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das erste Kontaktstück (102) einen Isolationsmantel (154) aufweist, der im Bereich der Kontaktstelle (106) eine den Isolationsmantel (154) durchdringende elektrisch leitfähige Kontaktfläche (156) aufweist.
14. Elektrischer Schalter (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche mit einer Steuereinrichtung zum Ansteuern der Betriebszustände des elektromagnetischen Aktors (124) sowie der Antriebseinrichtung (122), wobei die Steuereinrichtung entsprechende Steueranschlüsse aufweist.
15. Elektrischer Schalter (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer Zustandsüberwachungseinrichtung mittels Klemmenstrommessung und/oder einer Positionsdetektion des beweglichen Elements des elektromagnetischen Aktors.
16. Elektrischer Schalter (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Vorladekreis, insbesondere umfassend einen Widerstand und einen
Leistungshalbleiter.
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