WO2021239460A1 - Schaltvorrichtung - Google Patents

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WO2021239460A1
WO2021239460A1 PCT/EP2021/062471 EP2021062471W WO2021239460A1 WO 2021239460 A1 WO2021239460 A1 WO 2021239460A1 EP 2021062471 W EP2021062471 W EP 2021062471W WO 2021239460 A1 WO2021239460 A1 WO 2021239460A1
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contact
contacts
switching
switching device
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PCT/EP2021/062471
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Robert Hoffmann
Robert MINKWITZ
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Tdk Electronics Ag
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    • H01H51/06—Armature is movable between two limit positions of rest and is moved in one direction due to energisation of an electromagnet and after the electromagnet is de-energised is returned by energy stored during the movement in the first direction, e.g. by using a spring, by using a permanent magnet, by gravity
    • H01H51/065—Relays having a pair of normally open contacts rigidly fixed to a magnetic core movable along the axis of a solenoid, e.g. relays for starting automobiles
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    • H01H51/00—Electromagnetic relays
    • H01H51/28—Relays having both armature and contacts within a sealed casing outside which the operating coil is located, e.g. contact carried by a magnetic leaf spring or reed

Definitions

  • a switching device is specified.
  • the switching device is designed in particular as an electromagnetically operating, remotely operated switch that can be operated by an electrically conductive current.
  • the switching device can be activated via a control circuit and can switch a load circuit.
  • the switching device can be designed as a relay or as a contactor, in particular as a power contactor.
  • the switching device can particularly preferably be designed as a gas-filled power contactor.
  • switching devices in particular of power contactors, is the opening and disconnection of battery circuits, for example in motor vehicles such as electrically or partially electrically operated motor vehicles or in applications in the field of renewable energies.
  • a contactor In its function as a safety component, a contactor, for example, is normally also monitored, with contactor monitoring being regulated in the IEC 60947-5-1 standard.
  • the contactor monitoring is intended, for example, to detect the most common faults in contactors, relays and switches, namely sticking or welding of the main contacts.
  • Such a fault also known as a protective adhesive, can be caused, for example, by arcs that form between the contacts during switching operations under load and are so high Temperatures at the contact surfaces can cause the contact surfaces to be welded together. It is also advantageous if further error states can be recognized, for example if a contact is mechanically blocked in an open position or in an intermediate state.
  • Typical contactors are designed as so-called overtravel systems. This means that after the main contacts have been interconnected by the switching bridge and thus electrically closed, the movement of the closing system is continued, with a usually spring-loaded pressure of the switching bridge on the main contacts increasing. In the case of a contactor adhesive, this excess travel is reduced again, but the switching bridge remains attached to at least one main contact. The mechanical system thus hangs in an intermediate state and is neither open nor properly closed.
  • the monitoring or contactor adhesive detection can take place, for example, by means of a voltage measurement across the main contacts of the contactor. If there is voltage between the main contacts, it follows that the contactor is open. If there is no voltage, it follows that the contactor is short-circuited and thus closed. Although this method is very safe, it is also expensive to use, since cables that carry high-voltage potential must be laid and appropriately insulated.
  • the monitoring is usually carried out by a higher-level system, such as an AD converter controlled by a microcontroller. It is also known, for example, to use a microswitch in the switching chamber of the contactor, which is operated by a small arm on the switching bridge. The boom actuates the switch shortly before the switching bridge is pressed on the main contacts.
  • the switch can be designed as a normally open contact (closed when pressed) or as an opener (open when pressed).
  • the signal from the microswitch can therefore also be designed to be inverted compared to the switching status of the contactor.
  • a disadvantage of this solution is that the microswitch has to be attached close to the main contacts inside the switching chamber. This can sometimes influence arc extinction or cause insulation disadvantages.
  • the monitoring contact formed by the boom and microswitch must be designed to be leading. This means that the monitoring contact changes its state before the main contact closes. This is due to the fact that the microswitch still has to display the status "closed" when the excess stroke has already been used up during a bond. Intermediate states or blockages cannot be recognized.
  • Another disadvantage is the service life of conventional microswitches, which depends on the design can only be a few 100,000 switching cycles.Furthermore, leads to the switch must be laid, which limits the use of completely hermetically sealed, ceramic discharge spaces.
  • an auxiliary switch which is operated via a boom on the switching bridge, with two overlapping contacts being able to be pressed onto one another, for example.
  • the solution is simple, inexpensive and almost wear-free.
  • the overlapping contacts are attached between the main contacts and this can lead to insulation problems.
  • leads have to be laid to the auxiliary switch, which restricts or makes impossible the use of completely hermetically sealed, ceramic discharge spaces. The switching behavior is still the same as that of the microswitch.
  • At least one object of certain embodiments is to provide a switching device.
  • a switching device has at least one fixed contact and at least one movable contact.
  • the at least one fixed contact and the at least one movable contact are provided and configured to connect one to the Switching device connectable load circuit on and off.
  • the switching device particularly preferably has at least two stationary contacts which, together with the movable contact, are set up and provided to switch on and off a load circuit that can be connected to the switching device and in particular to the at least two stationary contacts.
  • the switching device is usually described with at least one fixed contact or with two fixed contacts.
  • the number of fixed contacts can, however, differ in the following embodiments and in relation to the features described below from the numbers specifically mentioned.
  • the movable contact in the switching device can be moved between a non-switching state and a switching state of the switching device in such a way that the moving contact is spaced apart from the stationary contacts in the non-switching state of the switching device and is thus galvanically separated and is a mechanical contact in the switching state has to the at least two fixed contacts and is thus galvanically connected to them.
  • the stationary contacts are thus arranged separately from one another in the switching device and, depending on the state of the movable contact, can be connected to one another in an electrically conductive manner or electrically separated from one another by the movable contact. In the through-switching state, the movable contact thus touches at least one contact surface of at least one fixed contact with at least one contact surface.
  • the contact surface of the at least one stationary contact, in the non-switching and thus disconnected state is also referred to here and in the following as the switching gap and indicates the maximum range of motion and thus the maximum achievable distance between the contacts and, in particular, their contact surfaces.
  • the previous description applies accordingly.
  • the switching device has a switching chamber in which the movable contact and the fixed contacts are arranged.
  • the movable contact can in particular be arranged completely in the switching chamber.
  • the fact that a fixed contact is arranged in the switching chamber can in particular mean that at least one contact area of the fixed contact, which is in mechanical contact with the movable contact in the through-switching state, is arranged inside the switching chamber.
  • a stationary contact arranged in the switching chamber can be electrically contactable from the outside, that is to say from outside the switching chamber.
  • a part of a fixed contact arranged in the switching chamber can protrude from the switching chamber and have a connection option for a supply line outside the switching chamber.
  • the switching chamber thus preferably has openings through which the fixed contacts protrude into the switching chamber.
  • the fixed contacts are soldered into the openings of the switching chamber, for example, and protrude into and out of the interior of the switching chamber
  • the switching device has at least two auxiliary contacts which are arranged in the switching chamber.
  • the fact that an auxiliary contact is arranged in the switching chamber can in particular mean that at least one contact area of the auxiliary contact is arranged within the switching chamber.
  • an auxiliary contact arranged in the switching chamber can be electrically contactable from the outside, that is to say from outside the switching chamber.
  • part of an auxiliary contact arranged in the switching chamber can protrude from the switching chamber and have a connection option for a supply line outside the switching chamber.
  • the switching chamber thus preferably has openings through which the auxiliary contacts protrude into the switching chamber.
  • the auxiliary contacts are soldered into the openings of the switching chamber, for example, and protrude both into the interior of the switching chamber and out of the switching chamber.
  • the implementation of the auxiliary contacts in the switching chamber can thus take place with a hermetically sealed and, for example, brazed connection comparable to the implementation of the fixed contacts, which can preferably be done in a common manufacturing step and thus in a common operation.
  • the switching device has at least two spring contacts which are arranged in the switching chamber. Furthermore, the switching device has a contact plate which is arranged in the switching chamber. In particular, the spring contacts and the contact plate are arranged completely in the switching chamber.
  • Each of the spring contacts has at least a first and a second contact area. With the first contact area, each of the spring contacts contact one of the auxiliary contacts. In particular, each of the spring contacts can contact one of the auxiliary contacts with its first contact area permanently in normal operation and independently of the switching states of the switching device. The first contact area of a spring contact can in particular bear directly and thus mechanically on an auxiliary contact.
  • the contact plate can be moved together with the movable contact.
  • the contact plate and the movable contact can be moved together with the same mechanical drive, which is described further below.
  • the contact plate in a first switching state of the switching device, the contact plate makes contact with the second contact areas of the spring contacts and, in a second switching state, is arranged at a distance from the second contact areas of the spring contacts.
  • the first switching state can particularly preferably be the non-switching switching state of the switching device described above, while the second switching state can be the switching state described above.
  • the contact plate can contact the second contact areas of the spring contacts when the movable contact is spaced from the at least one stationary contact, while the contact plate is spaced from the second contact areas of the spring contacts when the movable contact of the switching device contacts the at least one stationary contact .
  • the first switching state is also the switching state, while the second switching state is the non-switching state. In this case, how it works is what the Auxiliary contacts made possible detection of a state of the switching device in relation to the following description reversed.
  • the switching device has a housing in which the movable contact, the fixed contacts and the auxiliary contacts, the spring contacts and the contact plate are arranged.
  • the fact that a fixed contact is arranged in the housing can in particular mean that at least one contact area of the fixed contact, which is in mechanical contact with the movable contact in the through-switching state, is arranged inside the housing.
  • a stationary contact arranged in the housing can be electrically contactable from the outside, that is to say from outside the housing.
  • a part of a fixed contact arranged in the housing can protrude from the housing and have a connection option for a supply line outside the housing. In particular, this can apply to every fixed switching contact.
  • the movable contact can in particular be arranged completely in the housing.
  • the auxiliary contacts can preferably also be arranged completely in the housing.
  • the auxiliary contacts can be contacted from the outside via supply lines within the housing, which are electrically conductively connected, for example, to external electrical connections on the housing.
  • an electrical component such as a microcontroller, which is connected to the auxiliary contacts via electrical leads, can be present in the housing.
  • the microcontroller can in turn be contactable from the outside through suitable connections on the housing.
  • the contacts are arranged in a gas atmosphere in the housing.
  • the switching device can accordingly particularly preferably be a gas-filled switching device such as a gas-filled contactor.
  • the gas atmosphere can, in particular, promote the extinguishing of arcs that can arise during the switching processes.
  • the gas of the gas atmosphere can, for example, have or be a gas containing hydrogen and / or nitrogen, in particular under high pressure.
  • the gas can preferably have a proportion of at least 50% H2.
  • the gas can contain an inert gas, particularly preferably N2 and / or one or more noble gases.
  • the switching chamber is located within the housing. Furthermore, in particular the gas, that is to say at least part of the gas atmosphere, can be located in the switching chamber.
  • the movable contact and the contact plate can be moved by means of a mechanical drive.
  • the mechanical drive has in particular a magnet armature.
  • the armature can have an axis which is connected at one end to the movable contact and the contact plate in such a way that the movable contact and the contact plate can be moved by means of the axis are, that is, when the axis moves, they are also moved by it.
  • the axis can in particular protrude into the switching chamber through an opening in the switching chamber.
  • the switching chamber can have a switching chamber base which has an opening through which the axis protrudes.
  • the magnet armature can be moved by a magnetic circuit in order to effect the switching operations described above.
  • the magnetic circuit can have a yoke which has an opening through which the axis of the magnet armature protrudes.
  • the magnet armature in particular a magnetic core of the magnet armature, can be drawn towards the yoke.
  • the movable contact and the contact plate are arranged on an electrically insulating contact holder.
  • the contact holder can particularly preferably be arranged and fastened on the axis of the magnet armature and electrically isolate the movable contact and the contact plate from the axis.
  • the movable contact and the contact plate can be mounted in an electrically isolated manner from the components of the mechanical drive, that is to say in particular from the components of the magnet armature.
  • the contact holder can have an electrically insulating material or be made from it.
  • the electrically insulating material can be selected from polymers and ceramic materials, for example selected from polyoxymethylene (POM), in particular with the structure (CH0) n , polybutylene terephthalate (PBT), glass fiber-filled PBT and electrically insulating metal oxides such as Al2O3.
  • POM polyoxymethylene
  • PBT polybutylene terephthalate
  • Al2O3 electrically insulating metal oxides
  • the contact plate is fixed on the contact holder.
  • the fixation can for example take place by means of a clamp.
  • the contact plate is particularly preferably partially formed from the material of the contact holder.
  • the contact plate can, for example, be encapsulated or extrusion-coated with the material of the contact holder.
  • contact areas of the contact plate can protrude from the contact holder.
  • the armature, the axis and the movable contact and the contact plate move preferably in a linear movement in the form of a lifting or lowering movement along the axis.
  • the axis and, for example, a magnetic core of the magnet armature preferably have a range of motion for the lifting motion in the vertical direction which is greater than the switching gap described above. This can be made possible, for example, by the fact that, in the switched-off state, a gap between the magnetic core and the yoke, which can also be referred to as a movement gap, is larger than the switching gap.
  • the magnet armature with the movable contact can be an overtravel system in which the movable contact is arranged on the contact holder so as to be displaceable.
  • a contact spring can be arranged on the contact holder which exerts a spring force on the movable contact in the direction of the stationary contacts.
  • the contact spring can deflect and the magnet armature can move further until, for example, the magnetic core is in contact with the yoke.
  • the movement gap can be smaller than or equal to 1 mm and particularly preferably about 0.5 mm larger than the switching gap.
  • the contact pressure of the Moving contact can be increased on the fixed contacts and a certain insensitivity to vibrations and mechanical shocks can be achieved.
  • the auxiliary contacts, the spring contacts and the contact plate are arranged so as to be electrically isolated from the fixed contacts, the movable contact and the mechanical drive.
  • permanent insulation can be achieved, that is to say continuously guaranteed insulation during normal operation of the switching device and thus during the first and second switching states and also during the transitions between them.
  • At least one of the contact areas of each of the spring contacts can be designed to be resilient.
  • the first contact area of each spring contact can be designed to be resilient and exert a spring force on an auxiliary contact.
  • a first contact area can press against an auxiliary contact and thus exert the spring force.
  • the second spring areas can be designed to be resilient.
  • the second contact areas can exert a spring force on the contact plate in the first switching state.
  • the spring force of the second contact areas can be less than the spring force of the contact spring.
  • the resilient effect of the second contact areas can make the mechanical contact between the contact plate and the second contact areas of the spring contacts more insensitive to vibrations and mechanical impacts.
  • the spring force of the second contact areas can particularly preferably act on the contact plate and thus the counter pressure on the armature and in particular on the contact holder must be lower than that
  • Return spring force which has a return spring of the mechanical drive and by means of which the magnet armature can be moved from the switching state to the non-switching switching state.
  • the spring force of the second contact areas on the contact plate can be less than or equal to 20% of the restoring spring force.
  • the movable contact in the first or second switching state can be separated from the stationary contacts by the switching gap and the contact plate can make mechanical contact with the second contact areas of the spring contacts when the switching device changes from the first to the second switching state lose after covering a distance that is less than or equal to 20% of the switching gap. It can thereby be achieved that the path that the magnet armature has to cover before the contact between the contact plate and the spring contacts is broken is very short.
  • the direction of movement of the movable contact which corresponds to the main direction of extent of the axis, that is to say the direction of the lifting and lowering movement of the movable contact, can also be referred to here and below as the vertical direction.
  • the stationary contacts are arranged side by side along a longitudinal direction, the longitudinal direction lying in a horizontal plane perpendicular to the vertical direction.
  • the movable contact can, for example, be in the form of a plate and have a main plane of extent parallel to the horizontal plane. Perpendicular to the vertical and longitudinal Direction is defined as a transverse direction so that the horizontal plane is spanned by the longitudinal and transversal directions.
  • the auxiliary contacts are preferably arranged along the transverse direction, it being possible for the movable contact, in particular, to be arranged between the auxiliary contacts along the transverse direction.
  • the switching chamber has a switching chamber wall.
  • the switching chamber wall can preferably have a rectangular cross-sectional shape or at least a cross-sectional shape approximated to a rectangle.
  • the switching chamber wall can have opposing longitudinal side wall parts and opposing transverse side wall parts which, in a horizontal sectional view, result in the rectangular shape with regard to their outer and / or inner contours.
  • a longitudinal side wall part can extend essentially in the vertical and longitudinal direction
  • a transverse side part can extend essentially in the vertical and transverse direction.
  • the longitudinal side wall parts, the transverse side wall parts and a cover part with openings for the fixed contacts and openings for the auxiliary contacts can preferably be designed in one piece and form the switching chamber wall.
  • the switching chamber can additionally have a switching chamber base which, together with the switching chamber wall, forms the switching chamber.
  • the side wall parts can also be designed in one piece with the switching chamber floor.
  • the Side wall parts without a cover part and without the switching chamber bottom form the switching chamber wall which, together with the separately manufactured cover part and the separately manufactured switching chamber bottom, forms the switching chamber.
  • each of the spring contacts has a connection area between the first and second contact areas which runs along a longitudinal side wall part.
  • the first and second contact areas of each of the spring contacts can preferably extend from the respective longitudinal side wall part at least along a transverse direction into the interior of the switching chamber.
  • the switching chamber has at least two webs, each of which is arranged in the longitudinal direction between the at least two stationary contacts and of which each extends from at least one longitudinal side wall part in the transverse direction into the switching chamber.
  • the webs are spaced apart from one another in the longitudinal direction.
  • both webs can extend in the transverse direction over the movable contact in the interior of the switching chamber from one of the longitudinal side wall parts to the other of the longitudinal side wall parts.
  • the at least two webs can each have a recess in which the movable contact can move during the switching processes.
  • the webs can connect directly to a cover part of the switching chamber.
  • the webs can run along and directly adjacent to a cover part of the switching chamber.
  • the webs can particularly preferably be designed in one piece with the side wall parts and / or a cover part of the switching chamber.
  • the at least two webs can be used to form one or more spaces in the interior of the switching chamber between the stationary contacts, which space is or are at least partially separated from the stationary contacts and thus electrically insulated.
  • the auxiliary contacts and the spring contacts can be arranged in the at least one isolated space thus formed and thus in the longitudinal direction between the two webs.
  • the auxiliary contacts between the two webs can be arranged symmetrically to the movable contact, that is to say symmetrically to a plane of symmetry that is spanned by the longitudinal and the vertical direction.
  • the spring contacts can be arranged between the two webs symmetrically to the movable contact. Because at least one of the webs is formed between each of the auxiliary contacts and the stationary contacts and between each of the spring contacts and the stationary contacts, the auxiliary contacts and the spring contacts can be at least partially isolated from the stationary contacts. Furthermore, further additional components can be arranged in the insulated space formed in this way, such as, for example, a gas filler neck for filling in the gas described above to form the gas atmosphere in the switching chamber.
  • the switching chamber base has wall parts which are arranged in the longitudinal direction between the webs of the switching chamber wall and between which the spring contacts are arranged.
  • the wall parts can be arranged pushed in between the webs and form an intermediate space in which the spring contacts are partially arranged.
  • the contact areas of the contact plate can be arranged in this gap and move within the gap when changing from the first to the second switching process and vice versa.
  • the at least one isolated space described above can be formed together with the webs by the wall parts of the switching chamber floor.
  • the auxiliary contacts and / or the spring contacts and / or the contact plate have a material with copper or a copper alloy.
  • the material can particularly preferably be selected from CuBe, CuSn4, CuSn 6 .
  • Such a material can have a good electrical conductivity and a low tendency to weld.
  • the auxiliary contacts can have the same material as the stationary contacts.
  • the auxiliary contacts are electrically connected to one another in the first switching state by the spring contacts and the contact plate and are electrically separated from one another in the second switching state.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a switching device
  • Figures 2A and 2B show schematic representations of part of a switching device according to an embodiment
  • Figure 2C shows a schematic representation of a
  • FIGS. 2D to 2F show schematic representations of the switching chamber wall of the switching device according to a further embodiment
  • Figure 2G shows a schematic representation of a
  • FIGS. 3A and 3B show schematic representations of part of a switching device in different switching states.
  • FIG. 1 shows an example of a switching device 100 which can be used, for example, to switch strong electrical currents and / or high electrical voltages and which can be a relay or contactor, in particular a power contactor.
  • a switching device 100 which can be used, for example, to switch strong electrical currents and / or high electrical voltages and which can be a relay or contactor, in particular a power contactor.
  • FIG. 1 a three-dimensional sectional view with a vertical sectional plane is shown.
  • the geometries shown are to be understood as exemplary and not restrictive and can also be designed as alternatives.
  • the exemplary switching device 100 has two fixed contacts 2, 3 and one movable contact 4 in a housing 1.
  • the movable contact 4 is designed as a contact plate.
  • the fixed contacts 2, 3 together with the movable contact 4 form the switching contacts.
  • the housing 1 serves primarily as protection against contact for the components arranged in the interior and comprises or is made of a plastic, for example PBT or glass fiber-filled PBT.
  • the fixed contacts 2, 3 and / or the movable contact 4 can, for example, be made of or made of Cu, a Cu alloy, one or more refractory metals such as Wo, Ni and / or Cr, or a mixture of the mentioned materials, for example copper with at least one further metal, for example Wo, Ni and / or Cr.
  • the switching device 100 is shown in an idle state, in which the movable contact 4 is spaced from the stationary contacts 2, 3, so that the contacts 2, 3, 4 are galvanically separated from one another.
  • the shown design of the switching contacts and in particular their Geometries are to be understood as purely exemplary and not restrictive. Alternatively, the switching contacts can also be designed differently.
  • the switching device 100 has a mechanical drive with a movable magnet armature 5, which essentially performs the switching movement.
  • the magnet armature 5 has a magnetic core 6, for example with or made of a ferromagnetic material.
  • the magnet armature 5 also has an axis 7 which is guided through the magnetic core 6 and is firmly connected to the magnetic core 6 at one end of the axis.
  • the magnet armature 5 has the movable contact 4, which is supported by a contact spring 40 and is also connected to the axis 7.
  • the axis 7 can preferably be made with or from stainless steel.
  • an electrically isolating contact holder 47 which can also be referred to as a bridge insulator, can be arranged between them.
  • the magnetic core 6 is surrounded by a coil 8.
  • a current flow in the coil 8 that can be switched on from the outside by a control circuit generates a movement of the magnetic core 6 and thus of the entire magnet armature 5 in the axial direction until the movable contact 4 contacts the stationary contacts 2, 3.
  • the armature moves upwards.
  • the armature 5 thus moves from a first position, which corresponds to the idle state shown and at the same time the disconnecting, i.e. non-switching and thus switched-off switching state, to a second position, which corresponds to the active, i.e. switching-through and thus switched-on switching state.
  • the contacts 2, 3, 4 are galvanically connected to one another.
  • the switching device 100 has a yoke 9, which can comprise or be made from pure iron or a low-doped iron alloy and which forms part of the magnetic circuit.
  • the yoke 9 has an opening in which the axis 7 is guided. If the current flow in the coil 8 is interrupted, the magnet armature 5 is moved back into the first position by one or more springs 10, which can also be referred to as return springs. In the illustration shown, the armature 5 thus moves downwards again. The switching device 100 is then again in the idle state in which the contacts 2, 3, 4 are open.
  • the direction of movement of the armature 5 and thus of the movable contact 4 is also referred to below as the vertical direction 91.
  • the arrangement direction of the stationary contacts 2, 3, which is perpendicular to the vertical direction 91, is referred to as the longitudinal direction 92 in the following.
  • the direction perpendicular to the vertical direction 91 and perpendicular to the longitudinal direction 92 is referred to below as the transverse direction 93.
  • the directions 91, 92 and 93 which also apply independently of the switching movement described, are indicated in the figures to facilitate orientation.
  • the contacts 2, 3, 4 when the contacts 2, 3, 4 are opened, at least one arc can occur which can damage the contact surfaces of the contacts 2, 3, 4. As a result, there can be a risk that the contacts 2, 3, 4 will be welded to one another as a result of welding
  • the switching device 100 is then still in the switched-on state, although the current in the coil 8 is switched off and the load circuit would therefore have to be separated
  • the contacts 2, 3, 4 are arranged in a gas atmosphere, so that the switching device 100 is designed as a gas-filled relay or gas-filled contactor.
  • the contacts 2, 3, 4 are formed within a switching chamber 11 by a switching chamber wall 12 and a switching chamber bottom 13, arranged in a gas-tight area 14 formed by a hermetically sealed part, wherein the switching chamber 11 can be part of the gas-tight area 14.
  • the gas-tight area 14 is essentially formed by parts of the switching chamber 11, the yoke 9 and additional walls are formed bt the armature 5 and the contacts 2, 3, 4, except for parts of the fixed contacts 2, 3 intended for external connection.
  • the gas-tight area 14 and thus also the interior 15 of the switching chamber 11 are filled with a gas.
  • the gas that can be filled into the gas-tight region 14 through a gas filler neck during the production of the switching device 100 can particularly preferably contain hydrogen, for example with 20% or more H2 in an inert gas or even with 100% H2, since Hydrogen-containing gas can promote the extinguishing of arcs.
  • blow magnets which are provided and set up to deflect the arcs.
  • blow magnets for example, which are provided and set up to deflect the arcs.
  • the Blow magnets extend the arc path and can thus improve the extinguishing of the arcs.
  • the switching chamber wall 12 and the switching chamber floor 13 can for example be made with or from a metal oxide such as Al2O3.
  • plastics with a sufficiently high temperature resistance for example a PEEK, a PE and / or a glass fiber-filled PBT, are also suitable.
  • the switching chamber 11 can at least partially also have a POM, in particular with the structure (CH2O) n .
  • Such a plastic can be characterized by a comparatively low carbon content and a very low tendency to form graphite. Due to the same proportions of carbon and oxygen, especially in the case of (CH 2 O) n , predominantly gaseous CO and H2 can arise in the event of heat-induced and, in particular, arc-induced decomposition. The additional hydrogen can increase the arc extinction.
  • exemplary embodiments of the switching device 100 and of components thereof are described that allow detection of the switching states, the switching device being designed in accordance with the following description, except for the features described below, like the switching device described in connection with FIG can.
  • the directions 91, 92, 93 are indicated in the following figures to make the orientations and sectional planes easier to recognize.
  • FIGS. 2A and 2B sections of the switching device 100 are shown on the basis of a three-dimensional sectional illustration and a two-dimensional sectional illustration shown, in which essentially the area of the switching chamber 11 is shown.
  • the sectional planes of the illustration in FIGS. 2A and 2B are each perpendicular to the longitudinal direction 92.
  • the contact plate 31 is shown in FIG. 2C.
  • Various views of the switching chamber 11 and the switching chamber wall 12 are shown in FIGS. 2D to 2F, while the switching chamber floor 13 is shown in FIG. 2G. The following description applies equally to FIGS. 2A to 2G.
  • the embodiment shown in Figures 2A to 2G has two auxiliary contacts 25 which are arranged in openings 125 of the switching chamber wall 12 and which, like the stationary contacts 2, 3, protrude into the interior 15 of the switching chamber 11.
  • a further opening 126 in which a gas filler neck 26 is arranged, is formed between the auxiliary contacts 25, which are arranged along the transverse direction 93.
  • the gas filler neck 26 can be used to fill the gas of the gas atmosphere into the gas-tight area and, after filling, can be closed, for example, by squeezing it off.
  • the auxiliary contacts 25 and also the gas filler neck 26 are preferably soldered into the openings 125, 126 of the switching chamber 11, so that the implementation of the auxiliary contacts 25 and also the gas filler neck 26 in the switching chamber 11 with a hermetically sealed and, for example, brazed connection comparable to the implementation of the fixed contacts 2, 3 takes place.
  • the assembly of the contacts 2, 3 and the auxiliary contacts 25 as well as the gas filler neck 26 can preferably be done in a common operation.
  • the auxiliary contacts 25 are arranged completely in the housing.
  • the auxiliary contacts 25 can be contacted from the outside via supply lines 27 within the housing, which are electrically conductively connected, for example, to external electrical connections on the housing.
  • the switching device 100 has two spring contacts 30 and a contact plate 31, which are arranged in the switching chamber 11.
  • the spring contacts 30 and the contact plate 31 are arranged completely in the interior 15 of the switching chamber 11.
  • Each of the spring contacts 30 extends from an auxiliary contact 25 to the contact plate 31 and has at least a first contact area 301 and a second contact area 302.
  • Each of the spring contacts 30 contacts one of the auxiliary contacts 25 with the first contact area 301.
  • the first contact areas 301 of the spring contacts 30 lie directly and thus mechanically on the auxiliary contacts 25.
  • the contact plate 31 can be moved together with the movable contact 4.
  • the contact plate 31 and the movable contact 4 are connected together with the mechanical drive described above in connection with FIG.
  • the contact plate 31 makes contact in a first switching state of the switching device 100, which is shown in FIGS. 2A and 2B is shown, the second contact areas 302 of the spring contacts 30.
  • the contact plate 31 has contact areas 312, as shown in Figure 2C.
  • the second contact areas 302 of the spring contacts 30 are in mechanical and thus galvanic contact with the contact areas 312 of the contact plate 31, so that the spring contacts 30 and thus also the auxiliary contacts 25 are connected to one another in an electrically conductive manner by the contact plate 31.
  • the contact plate 30 is arranged at a distance from the second contact areas 302 of the spring contacts 30.
  • the first switching state is the non-switching switching state of the switching device 100 described above, in which the movable contact 4 is spaced apart from the fixed contacts 2, 3 and, accordingly, a switching gap is present between the movable contact 4 and the fixed contacts 2, 3 is.
  • the movable contact 4 and the contact plate 31 are arranged on an electrically insulating contact holder 47.
  • the contact holder 47 has an opening into which the axis 7 is inserted and is attached to the axis 7 of the magnet armature 5 and thus to the mechanical drive of the switching device 100.
  • the contact holder 47 can be designed in one or more pieces.
  • the movable contact 4 and the contact plate 31 are electrically isolated from the axis 7 by the contact holder 47.
  • the movable contact 4 and the contact plate 31 are electrically isolated from the components of the mechanical drive, so in particular from the components of the Magnet armature 5, stored.
  • the contact holder has an electrically insulating material or is made of it, which is selected, for example, from polymers and ceramic materials such as polyoxymethylene (POM), in particular with the structure (CH0) n ,
  • PBT Polybutylene terephthalate
  • glass fiber-filled PBT and electrically insulating metal oxides such as AI2O3.
  • the contact plate 31 is fixed on the contact holder 47.
  • the fixation can take place, for example, by means of clamping or, as shown, particularly preferably by reshaping.
  • the contact plate 31 is partially reshaped by the material of the contact holder 47, for example encapsulated or overmolded.
  • the contact areas 312 of the contact plate 31 protrude in the transverse direction 93 from the contact holder 47.
  • the contact plate 31 is designed, for example, like a disk and has a central opening 313 through which the axis 7 protrudes in the assembled state. Furthermore, as shown, the contact plate 31 can have anchoring holes 314 through which the material of the contact holder 47 can reach, whereby the contact plate 31 can be fixed on the contact holder 47 and secured against rotation, for example.
  • the contact holder 47 also has a lower stop 471 and an upper stop 472.
  • the contact plate 31 is arranged in the lower stop 471, which can rest on the switching chamber floor 13 in the first switching state.
  • the movable contact 4 rests against the upper stop 472.
  • the contact spring 40 described in FIG. 1 which is not shown in FIGS. 2A and 2B for the sake of clarity and which presses the movable contact 4 against the upper stop 472 and thus in the direction of the stationary contacts 2, 3.
  • the magnet armature with the movable contact 4 is an overtravel system in which the movable contact 4 is arranged on the contact holder 47 so as to be displaceable.
  • the contact spring can deflect and the magnet armature can move further until, for example, the magnetic core rests on the yoke.
  • the magnet armature can move a distance of less than or equal to 1 mm and particularly preferably about 0.5 mm further than the movable contact 4 in the vertical direction 91 upwards. Due to the compression of the contact spring due to the overstroke, the contact pressure of the movable contact 4 on the stationary contacts 2, 3 can be increased and a certain insensitivity to vibrations and mechanical impacts can be achieved.
  • the switching chamber wall 12 has a rectangular cross-sectional shape in the horizontal sectional view or at least a cross-sectional shape approximated to a rectangle which, as shown, can have rounded corners, for example.
  • the switching chamber wall 12 has opposite transverse side wall parts 121 and opposite longitudinal side wall parts 122, which result in the at least approximately rectangular shape.
  • the transverse side wall parts 121, the longitudinal side wall parts 122 and a cover part 119 with openings 120 for the stationary contacts 2, 3 as well as with the openings 125, 126 for the auxiliary contacts 25 and the gas filler neck 26 are, as indicated in the exemplary embodiment shown, formed in one piece and form the switching chamber wall 12.
  • the side wall parts 121, 122 can also be formed in one piece with the switching chamber base 13.
  • the side wall parts 121, 122 can without a cover part and without the switching chamber bottom the
  • the switching chamber wall 12 is particularly preferably formed from an aforementioned ceramic material.
  • Each of the spring contacts 30 has a connection area 303 between the first and second contact areas 301, 302, which, as can be seen in FIGS. 2A and 2B, runs along a longitudinal side wall part 122.
  • the first and second contact areas 301, 302 of each of the spring contacts 30 can preferably extend from the respective longitudinal side wall part 122 at least along the transverse direction 93 into the interior 15 of the switching chamber 11.
  • the spring contacts 30 and / or the contact plate 31 preferably have a material comprising copper or a copper alloy.
  • the material can particularly preferably be selected from CuBe, CuSn4, CuSn 6 .
  • Such a material can have a good electrical conductivity and a low one
  • the auxiliary contacts 25 can consist of one described above for the stationary contacts 2, 3 Material or from a material described for the spring contacts 30 and / or contact plate 31.
  • the spring contacts 30 are preferably designed in the form of a strip, as shown, in particular as metal strips. At least one of the contact areas 301, 302 of each of the spring contacts 30 can be designed to be resilient. For example, the first contact area 301 of each spring contact 30 can be designed to be resilient and exert a spring force on an auxiliary contact 25. Thus, in the assembled state, the first contact area 301 can press against an auxiliary contact 25 and thus exert the spring force.
  • the second spring regions 302 are designed to be resilient.
  • the second contact areas 302 particularly preferably exert a spring force on the contact plate 31 and in particular on the contact areas 312 of this. Due to the resilient effect of the second contact areas 302, an increased insensitivity to vibrations and mechanical impacts of the mechanical contact between the contact plate 31 and the second contact areas 302 of the spring contacts 30 can be achieved.
  • the spring force of the second contact areas 302 on the contact plate 31 and thus the counterpressure on the armature and in particular the contact holder 47 can particularly preferably be less than the restoring spring force of a return spring of the mechanical drive that moves the armature from the switching state to the non-switching state.
  • the spring force of the second contact areas 302 on the contact plate 31 can be less than or equal to 20% of the restoring spring force.
  • the switching chamber 11 has at least two webs 123, each of which is arranged in the longitudinal direction 92 between the at least two stationary contacts 2, 3 and each of which extends from at least one longitudinal side wall part 122 extends in the transverse direction 93 into the switching chamber 11.
  • the webs 123 are spaced apart from one another in the longitudinal direction 92.
  • the webs 123 extend in the transverse direction 93 over the movable contact 4 in the interior 15 of the switching chamber 11 from one of the longitudinal side wall parts 122 to the other of the longitudinal side wall parts 122.
  • the webs 123 each have a recess 124 in which the movable contact 4 can move during the switching operations.
  • the webs 123 can preferably connect directly to the cover part 119 of the switching chamber wall 12.
  • the webs 123 can run along and directly adjacent to the cover part 119 of the switching chamber 11.
  • the webs 123 are particularly preferably designed in one piece with the side wall parts 122 and the cover part 119 of the switching chamber 11.
  • the webs 123 form an area in the interior 15 between the stationary contacts 2, 3, which is at least partially separated from the stationary contacts 2, 3 and thus electrically insulated.
  • the auxiliary contacts 25, the spring contacts 30 and also the gas filler neck 26 are arranged in the isolated space 127 formed in this way.
  • the auxiliary contacts 25 are particularly preferably arranged between the two webs 123 symmetrically to the movable contact 4.
  • the spring contacts 30 are also corresponding arranged between the two webs 123 symmetrically to the movable contact 4. Because at least one of the webs 123 is formed between each of the auxiliary contacts 25 and the stationary contacts 2, 3 and between each of the spring contacts 30 and the stationary contacts 2, 3, the auxiliary contacts 25 and the spring contacts 30 are separated from the stationary contacts 2, 3 at least partially isolated.
  • the switching chamber base 13 which is particularly preferably formed from POM, has a base plate 130 with an opening 131 for the axis 7 to pass through. At least partially around the edge of the base plate 130, the switching chamber floor 13 has side wall parts 132 which can continue the side wall parts 121, 122 of the switching chamber wall 12 when the switching chamber 11 is joined.
  • the base plate 130 can serve as a counter-stop for the lower stop 471 of the contact holder 47 at least in some areas around the opening 131.
  • the base plate 130 can, for example, also have crosspieces, as shown.
  • the switching chamber floor 13 has wall parts 133 on both sides of the opening 131, which are arranged next to one another along the longitudinal direction 92 between the webs 123 of the switching chamber wall 12 and between which the spring contacts 30 are arranged.
  • the wall parts 133 are arranged inserted between the webs 123 and form an intermediate space in which the spring contacts 30 are partially arranged.
  • fastening grooves 134 can be provided in the wall parts 133.
  • the contact areas 312 of the contact plate 31 are in this Arranged intermediate space and move when changing from the first to the second switching process and vice versa within this intermediate space in the vertical direction 91.
  • FIGS. 3A and 3B show sections of the switching device 100 corresponding to the view in FIG. 2A.
  • the switching device 100 is shown as in Figure 2A in the first switching state, while the switching device 100 is shown in Figure 3B in the second switching state.
  • the components and features of the switching device 100 shown in FIGS. 3A and 3B correspond to the components and features described in connection with the previous figures.
  • FIGS. 3A and 3B For the sake of clarity, no further reference symbols are therefore shown in FIGS. 3A and 3B.
  • the movable contact In the first switching state, as described above, the movable contact is separated from the stationary contacts by the switching gap, so that the switching device 100 is in the non-switching switching state, while the contact plate with the second contact areas of the spring contacts and thus also with the Auxiliary contacts is in electrical contact.
  • the auxiliary contacts are connected to one another in an electrically conductive manner.
  • the movable contact and the contact plate are pushed upwards in the direction of the fixed contacts by means of the magnet armature.
  • the movable contact is now galvanically connected to the stationary contacts, so that the switching device is in the switching state.
  • the contact plate is electrically isolated from the spring contacts, so that the auxiliary contacts are also electrically isolated from one another. For example, a resistance measurement of the electrical Resistance between the auxiliary contacts thus allows the switching state of the switching device to be detected.
  • the second contact areas of the spring contacts are designed in such a way that the contact plate loses mechanical contact with the second contact areas of the spring contacts when the switching device changes from the first to the second switching state after traveling a distance that is less than or equal to 20% of the switching gap. It can thereby be achieved that the path that the armature has to cover on its way from the first to the second switching state before the contact between the contact plate and the spring contacts is broken is very small.
  • the second contact areas of the spring contacts are particularly preferably designed and bent upwards in such a way that when they come into contact with the contact areas of the contact plate when the magnet armature is lowered and thus also the contact plate, they are pressed down about 0.5 mm to the lower stop of the magnet armature and accordingly when Raising the armature and thus the contact plate lose contact with the contact plate after the corresponding distance.
  • the contact plate remains at a distance from the second contact areas of the spring contacts, so that the Auxiliary contacts do not read the first switching status.
  • the overstroke since the magnet armature with the contact plate lags a certain distance compared to the movable contact falls down in the direction of the switching chamber floor, but the distance between the contact plate and the second contact areas of the spring contacts is still large enough to clearly not establish an electrically conductive connection between the auxiliary contacts.
  • a mechanical influence by shocks follows the properties of the mechanical drive and the moving contact, i.e.
  • the switching device described here thus enables a reliable detection of the "safely open” state and connects this to a simple mechanism for detection and for leading the signal out of a hermetically sealed switching chamber.
  • Another advantage is the very cost-effective production, since no wiring and no integrated circuits are necessary. Furthermore, no magnetic influence on the detection is possible. Furthermore, the detection of the switching states takes place far away from the main contacts, i.e. far away from the fixed contacts and the moving contact, so that there are no problems with regard to insulation or with regard to the risk of destruction by switching arcs.
  • the design based on the IEC 60947-5-1 standard also enables the "switching device cannot close” state to be detected in this form, i.e. the state that the moving system is blocked in the open position.
  • a detection can also be carried out if the upper part of the switching device is destroyed whether the switching device has been placed in the non-switching state.

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Abstract

Es wird eine Schaltvorrichtung (100) angegeben, die zumindest zwei feststehende Kontakte (2, 3) und einen beweglichen Kontakt (4) in einer Schaltkammer (11) sowie zumindest zwei Hilfskontakte (25), zwei Federkontakte (30) und eine Kontaktplatte (31) in der Schaltkammer aufweist, wobei jeder der Federkontakte mit einem ersten Kontaktbereich (301) einen der Hilfskontakte kontaktiert und einen zweiten Kontaktbereich (302) aufweist, die Kontaktplatte zusammen mit dem beweglichen Kontakt bewegbar ist und die Kontaktplatte in einem ersten Schaltzustand der Schaltvorrichtung die zweiten Kontaktbereiche der Federkontakte kontaktiert und in einem zweiten Schaltzustand beabstandet von den zweiten Kontaktbereichen der Federkontakte angeordnet ist.

Description

Beschreibung
SchaltVorrichtung
Es wird eine Schaltvorrichtung angegeben.
Die Schaltvorrichtung ist insbesondere als ein durch elektrisch leitenden Strom betreibbarer, elektromagnetisch wirkender, fernbetätigter Schalter ausgebildet. Die Schaltvorrichtung kann über einen Steuerstromkreis aktiviert werden und kann einen Laststromkreis schalten. Insbesondere kann die Schaltvorrichtung als Relais oder als Schütz, insbesondere als Leistungsschütz, ausgebildet sein. Besonders bevorzugt kann die Schaltvorrichtung als gasgefülltes Leistungsschütz ausgebildet sein.
Eine mögliche Anwendung von derartigen Schaltvorrichtungen, insbesondere von Leistungsschützen, ist das Öffnen und Trennen von Batteriestromkreisen, beispielsweise in Kraftfahrzeugen wie etwa elektrisch oder teilelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen oder in Anwendungen auf dem Gebiet der erneuerbaren Energien.
In seiner Funktion als Sicherheitskomponente wird beispielsweise ein Schütz normalerweise zusätzlich überwacht, wobei die Schützüberwachung in der Norm IEC 60947-5-1 geregelt ist. Die Schützüberwachung soll beispielsweise dazu dienen, den häufigsten Fehler von Schützen, Relais und Schaltern zu entdecken, nämlich ein Verkleben beziehungsweise Verschweißen der Hauptkontakte. Ein solcher Fehler, auch als Schützkleber bekannt, kann beispielsweise durch Lichtbögen hervorgerufen werden, die sich während der Schaltvorgänge unter Last zwischen den Kontakten bilden und so hohe Temperaturen an den Kontaktflächen hervorrufen können, dass die Kontaktflächen miteinander verschweißt werden. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn weitere Fehlerzustände erkannt werden können, beispielsweise wenn ein Kontakt in einer geöffneten Stellung oder in einem Zwischenzustand mechanisch blockiert ist.
Typische Schütze sind als sogenannte Überhubsysteme ausgebildet. Das bedeutet, dass, nachdem die Hauptkontakte durch die Schaltbrücke miteinander verschaltet und somit elektrisch geschlossen wurden, die Bewegung des schließenden Systems weitergeführt wird, wobei ein üblicherweise federbelasteter Druck der Schaltbrücke auf die Hauptkontakte steigt. Im Fall eines Schützklebers wird dieser Überhub zwar wieder abgebaut, die Schaltbrücke aber bleibt an zumindest einem Hauptkontakt haften. Das mechanische System hängt somit in einem Zwischenzustand und ist weder offen noch richtig geschlossen .
Die Überwachung beziehungsweise Schützklebererkennung kann beispielsweise mittels einer Spannungsmessung über die Hauptkontakte des Schützes erfolgen. Liegt zwischen den Hauptkontakten eine Spannung an, folgt, dass das Schütz geöffnet ist. Liegt keine Spannung an, folgt daraus, dass das Schütz kurzgeschlossen und somit geschlossen ist. Diese Methode ist zwar sehr sicher, aber auch teuer in der Anwendung, da Leitungen verlegt und entsprechend isoliert werden müssen, die Hochvoltpotential tragen. Die Überwachung wird in der Regel von einem übergeordneten System durchgeführt, etwa von einem Mikrocontroller gesteuerten AD- Wandler . Es ist beispielsweise auch bekannt, einen Mikroschalter in der Schaltkammer des Schützes zu verwenden, der durch einen kleinen Ausleger an der Schaltbrücke bedient wird. Der Ausleger betätigt den Schalter, kurz bevor die Schaltbrücke an die Hauptkontakte gedrückt wird. Dabei kann der Schalter als Schließer (geschlossen, wenn gedrückt) oder als Öffner (offen, wenn gedrückt) ausgebildet sein. Das Signal des Mikroschalters kann dadurch auch invertiert im Vergleich zum Schaltzustand des Schützes ausgelegt werden. Ein Nachteil dieser Lösung liegt darin, dass der Mikroschalter nahe an den Hauptkontakten innerhalb der Schaltkammer angebracht werden muss. Dies kann mitunter die Bogenlöschung beeinflussen oder Isolationsnachteile mit sich bringen. Weiterhin muss der durch den Ausleger und Mikroschalter gebildete Überwachungskontakt voreilend ausgebildet sein. Das bedeutet, dass der Überwachungskontakt seinen Zustand ändert, bevor der Hauptkontakt schließt. Dies liegt daran, dass der Mikroschalter noch den Status „zu" anzeigen muss, wenn der Überhub bei einer Verklebung schon aufgebraucht ist. Zwischenzustände oder Blockierungen können dadurch nicht erkannt werden. Ein weiterer Nachteil liegt in der Lebensdauer von üblichen Mikroschaltern, die je nach Ausführung nur wenige 100000 Schaltspiele betragen kann. Weiterhin müssen Zuleitungen zum Schalter gelegt werden, was die Verwendung von vollständig hermetisch versiegelten, keramischen Entladungsräumen einschränkt.
Weiterhin ist beispielsweise aus der Druckschrift WO 2008/033349 A2 ein Hilfsschalter bekannt, der über einen Ausleger an der Schaltbrücke bedient wird, wobei beispielsweise zwei überlappende Kontakte aufeinander gedrückt werden können. Die Lösung ist zwar einfach, kostengünstig und nahezu verschleißfrei. Sie birgt jedoch den Nachteil, dass die überlappenden Kontakte zwischen den Hauptkontakten angebracht werden und es dadurch zu Isolationsproblemen kommen kann. Weiterhin müssen Zuleitungen zum Hilfsschalter gelegt werden, was die Verwendung von vollständig hermetisch versiegelten, keramischen Entladungsräumen einschränkt oder unmöglich macht. Das Schaltverhalten gleicht weiterhin dem des Mikroschalters.
Um die beschriebenen Nachteile zu umgehen, ist es auch bekannt, am unteren Teil des beweglichen Systems und insbesondere außerhalb der Schaltkammer einen Magneten anzubringen, der einen Reed-Schalter öffnen und schließen kann, wie beispielsweise in der Druckschrift JP 2013-008621 A beschrieben ist. Dadurch erfolgt die Detektion weit entfernt von den Hauptkontakten und die Detektion kann auch durch nicht-magnetische Materialien hindurch erfolgen kann.
Außerdem ist diese Lösung einfach in Verbindung mit hermetisch versiegelten, keramischen Entladungsräumen einsetzbar. Das Schaltverhalten ist analog zu den beiden vorher beschriebenen Systemen, jedoch ergibt sich die Schwierigkeit eines richtig einzustellenden
Überlappbereiches, da die Indikation magnetisch erfolgt und auch Hystereseeffekte zu berücksichtigen sind. Ein weiterer Nachteil liegt in der Empfindlichkeit des Reed-Schalters gegenüber magnetischen Störfeldern und mechanischen Stößen.
Als Verbesserung hiervon ist es bekannt, einen Hall-Sensor anstelle des Reed-Schalters zu verwenden, so dass die magnetische Detektion nicht durch einen mechanischen Schalter erfolgt, sondern durch ein Halbleiterbauelement ermöglicht wird. Dadurch spielen magnetische Störfelder keine Rolle mehr und es gibt auch keine Vibrationsabhängigkeit mehr. Das Schaltverhalten ist jedoch dem des Reed-Schalters ähnlich. Alle vier Überwachungsschalter-Lösungen weisen eine sogenannte „normally open"-Charakteristik auf, d.h. der Überwachungsschalter spiegelt den Zustand der Hauptkontakte weitgehend wieder. Eine Invertierung des Signals erzeugt jedoch kein „normally closed", sondern lediglich ein „not normally open". Allen vier Prinzipien ist vor allem gemein, dass keine dieser Lösungen zuverlässig signalisieren kann, dass das überwachte Schütz sicher und vollständig geöffnet ist. Eine solche Forderung ist jedoch in der Norm IEC 60947-5-1 formuliert, die eine Detektion fordert, die nur in der Ruhelage des Schützes einen Überwachungskontakt schließt beziehungsweise einen geschlossenen Überwachungskontakt aufzeigt („normally closed").
Eine solche Lösung ist bei gasgefüllten Schützen bisher unbekannt .
Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, eine Schaltvorrichtung anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Gegenstands sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist eine Schaltvorrichtung zumindest einen feststehenden Kontakt und zumindest einen beweglichen Kontakt auf. Der zumindest eine feststehende Kontakt und der zumindest eine bewegliche Kontakt sind dazu vorgesehen und eingerichtet, einen an die Schaltvorrichtung anschließbaren Laststromkreis ein- und auszuschalten. Besonders bevorzugt weist die Schaltvorrichtung zumindest zwei feststehende Kontakte auf, die zusammen mit dem beweglichen Kontakt dazu eingerichtet und vorgesehen sind, einen an die Schaltvorrichtung und insbesondere an die zumindest zwei feststehenden Kontakte anschließbaren Laststromkreis ein- und auszuschalten. Im Folgenden wird die Schaltvorrichtung zumeist mit zumindest einem feststehenden Kontakt oder mit zwei feststehenden Kontakten beschrieben. Die Anzahl der feststehenden Kontakte kann aber in den folgenden Ausführungsformen und in Bezug auf die im Folgenden beschriebenen Merkmale von den konkret erwähnten Anzahlen abweichen.
Der bewegliche Kontakt ist in der Schaltvorrichtung derart zwischen einem nicht-durchschaltenden Zustand und einem durchschaltenden Zustand der Schaltvorrichtung bewegbar, dass der bewegliche Kontakt im nicht-durchschaltenden Zustand der Schaltvorrichtung von den feststehenden Kontakten beabstandet und damit galvanisch getrennt ist und im durchschaltenden Zustand einen mechanischen Kontakt zu den zumindest zwei feststehenden Kontakten aufweist und damit galvanisch mit diesen verbunden ist. Die feststehenden Kontakte sind somit voneinander getrennt in der Schaltvorrichtung angeordnet und können je nach Zustand des beweglichen Kontakts durch den beweglichen Kontakt elektrisch leitend miteinander verbunden oder elektrisch voneinander getrennt sein. Im durchschaltenden Zustand berührt der bewegliche Kontakt somit mit zumindest einer Kontaktfläche zumindest eine Kontaktfläche zumindest eines feststehenden Kontakts. Der Abstand des beweglichen Kontakts, insbesondere der besagten Kontaktfläche des beweglichen Kontakts, vom zumindest einen feststehenden Kontakt, insbesondere der besagten Kontaktfläche des zumindest einen feststehenden Kontakts, im nicht-durchschaltenden und damit getrennten Zustand wird hier und im Folgenden auch als Schaltspalt bezeichnet und gibt den maximalen Bewegungsspielraum und damit den maximal erreichbaren Abstand der Kontakte und insbesondere ihrer Kontaktflächen zueinander an. Im Fall von beispielsweise zwei feststehenden Kontakten gilt die vorherige Beschreibung entsprechend .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Schaltvorrichtung eine Schaltkammer auf, in dem der bewegliche Kontakt und die feststehenden Kontakte angeordnet sind. Der bewegliche Kontakt kann insbesondere vollständig in der Schaltkammer angeordnet sein. Dass ein feststehender Kontakt in der Schaltkammer angeordnet ist, kann insbesondere bedeuten, dass zumindest ein Kontaktbereich des feststehenden Kontakts, der im durchschaltenden Zustand in mechanischem Kontakt zum beweglichen Kontakt steht, innerhalb der Schaltkammer angeordnet ist. Zum Anschluss einer Zuleitung eines durch die Schaltvorrichtung zu schaltenden Stromkreises kann ein in der Schaltkammer angeordneter feststehender Kontakt von außen, also von außerhalb der Schaltkammer, elektrisch kontaktierbar sein. Hierzu kann ein in der Schaltkammer angeordneter feststehender Kontakt mit einem Teil aus der Schaltkammer herausragen und außerhalb der Schaltkammer eine Anschlussmöglichkeit für eine Zuleitung aufweisen. Die Schaltkammer weist somit bevorzugt Öffnungen auf, durch die die feststehenden Kontakte in die Schaltkammer hineinragen. Die feststehenden Kontakte sind beispielsweise in den Öffnungen der Schaltkammer eingelötet und ragen sowohl in den Innenraum der Schaltkammer hinein als auch aus der
Schaltkammer heraus. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Schaltvorrichtung zumindest zwei Hilfskontakte auf, die in der Schaltkammer angeordnet sind. Dass ein Hilfskontakt in der Schaltkammer angeordnet ist, kann insbesondere bedeuten, dass zumindest ein Kontaktbereich des Hilfskontakts innerhalb der Schaltkammer angeordnet ist. Zum Anschluss einer Zuleitung kann ein in der Schaltkammer angeordneter Hilfskontakt von außen, also von außerhalb der Schaltkammer, elektrisch kontaktierbar sein. Hierzu kann ein in der Schaltkammer angeordneter Hilfskontakt mit einem Teil aus der Schaltkammer herausragen und außerhalb der Schaltkammer eine Anschlussmöglichkeit für eine Zuleitung aufweisen. Die Schaltkammer weist somit bevorzugt Öffnungen auf, durch die die Hilfskontakte in die Schaltkammer hineinragen. Die Hilfskontakte sind beispielsweise in den Öffnungen der Schaltkammer eingelötet und ragen sowohl in den Innenraum der Schaltkammer hinein als auch aus der Schaltkammer heraus. Die Durchführung der Hilfskontakte in die Schaltkammer kann somit mit einer hermetisch dichten und beispielsweise hartgelöteten Verbindung vergleichbar mit der Durchführung der feststehenden Kontakte erfolgen, die bevorzugt in einem gemeinsamen Herstellungsschritt und damit in einem gemeinsamen Arbeitsgang erledigt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Schaltvorrichtung zumindest zwei Federkontakte auf, die in der Schaltkammer angeordnet sind. Weiterhin weist die Schaltvorrichtung eine Kontaktplatte auf, die in der Schaltkammer angeordnet ist. Insbesondere sind die Federkontakte und die Kontaktplatte vollständig in der Schaltkammer angeordnet. Jeder der Federkontakte weist zumindest einen ersten und einen zweiten Kontaktbereich auf. Mit dem ersten Kontaktbereich kann jeder der Federkontakte einen der Hilfskontakte kontaktieren. Insbesondere kann jeder der Federkontakte mit seinem ersten Kontaktbereich einen der Hilfskontakte im Normalbetrieb dauerhaft und unabhängig von den Schaltzuständen der Schaltvorrichtung kontaktieren. Der erste Kontaktbereich eines Federkontakts kann insbesondere unmittelbar und damit mechanisch an einem Hilfskontakt anliegen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Kontaktplatte zusammen mit dem beweglichen Kontakt bewegbar. Besonders bevorzugt können die Kontaktplatte und der bewegliche Kontakt gemeinsam mit einem gleichen mechanischen Antrieb, der weiter unten beschrieben wird, bewegt werden. Besonders bevorzugt kontaktiert die Kontaktplatte in einem ersten Schaltzustand der Schaltvorrichtung die zweiten Kontaktbereiche der Federkontakte und ist in einem zweiten Schaltzustand beabstandet von den zweiten Kontaktbereichen der Federkontakte angeordnet. Der erste Schaltzustand kann besonders bevorzugt der oben beschriebene nicht- durchschaltende Schaltzustand der Schaltvorrichtung sein, während der zweite Schaltzustand der oben beschriebene durchschaltende Zustand sein kann. Mit anderen Worten kann die Kontaktplatte die zweiten Kontaktbereiche der Federkontakte dann kontaktieren, wenn der bewegliche Kontakt beabstandet vom zumindest einen feststehenden Kontakt ist, während die Kontaktplatte von den zweiten Kontaktbereichen der Federkontakte beabstandet ist, wenn der bewegliche Kontakt der Schaltvorrichtung den zumindest einen feststehenden Kontakt kontaktiert. Alternativ dazu kann es auch möglich sein, dass der erste Schaltzustand auch der durchschaltende Schaltzustand sein, während der zweite Schaltzustand der nicht-durchschaltende Zustand ist. In diesem Fall ist die Funktionsweise der durch die Hilfskontakte möglichen Detektion eines Zustands der Schaltvorrichtung in Bezug auf die nachfolgende Beschreibung umgekehrt ausgebildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Schaltvorrichtung ein Gehäuse auf, in dem der bewegliche Kontakt, die feststehenden Kontakte sowie die Hilfskontakte, die Federkontakte und die Kontaktplatte angeordnet sind. Dass ein feststehender Kontakt im Gehäuse angeordnet ist, kann insbesondere bedeuten, dass zumindest ein Kontaktbereich des feststehenden Kontakts, der im durchschaltenden Zustand in mechanischem Kontakt zum beweglichen Kontakt steht, innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Zum Anschluss einer Zuleitung eines durch die Schaltvorrichtung zu schaltenden Stromkreises kann ein im Gehäuse angeordneter feststehender Kontakt von außen, also von außerhalb des Gehäuses, elektrisch kontaktierbar sein. Hierzu kann ein im Gehäuse angeordneter feststehender Kontakt mit einem Teil aus dem Gehäuse herausragen und außerhalb des Gehäuses eine Anschlussmöglichkeit für eine Zuleitung aufweisen. Insbesondere kann dies für jeden feststehenden Schaltkontakt gelten. Der bewegliche Kontakt kann insbesondere vollständig im Gehäuse angeordnet sein. Weiterhin können bevorzugt auch die Hilfskontakte vollständig im Gehäuse angeordnet sein.
Über Zuleitungen innerhalb des Gehäuses, die beispielsweise mit äußeren elektrischen Anschlüssen am Gehäuse elektrisch leitend verbunden sind, können die Hilfskontakte von außen kontaktierbar sein. Alternativ kann im Gehäuse eine elektrische Komponente wie etwa ein Mikrocontroller vorhanden sein, der mit den Hilfskontakten über elektrische Zuleitungen verbunden ist. Der Mikrocontroller kann wiederum durch geeignete Anschlüsse am Gehäuse von außen kontaktierbar sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Kontakte in einer Gasatmosphäre im Gehäuse angeordnet. Das kann insbesondere bedeuten, dass der bewegliche Kontakt, die Federkontakte und die Kontaktplatte vollständig in der Gasatmosphäre im Gehäuse angeordnet ist und dass weiterhin zumindest Teile der feststehenden Kontakte, etwa die Kontaktbereiche der feststehenden Kontakte, sowie zumindest Teile der Hilfskontakte, etwa Kontaktbereiche der Hilfskontakte, in der Gasatmosphäre im Gehäuse angeordnet sind. Die Schaltvorrichtung kann entsprechend besonders bevorzugt eine gasgefüllte Schaltvorrichtung wie etwa ein gasgefülltes Schütz sein. Die Gasatmosphäre kann insbesondere eine Löschung von Lichtbögen, die während der Schaltvorgänge entstehen können, fördern. Das Gas der Gasatmosphäre kann beispielsweise ein Wasserstoff- und/oder Stickstoff-haltiges Gas, insbesondere unter hohem Druck, aufweisen oder sein. Bevorzugt kann das Gas einen Anteil von zumindest 50% H2 aufweisen. Zusätzlich zum Wasserstoff kann das Gas ein inertes Gas aufweisen, besonders bevorzugt N2 und/oder eines oder mehrere Edelgase.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform befindet sich die Schaltkammer innerhalb des Gehäuses. Weiterhin kann sich insbesondere das Gas, also zumindest ein Teil der Gasatmosphäre, in der Schaltkammer befinden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind der bewegliche Kontakt und die Kontaktplatte mittels eines mechanischen Antriebs bewegbar. Der mechanische Antrieb weist insbesondere einen Magnetanker auf. Der Magnetanker kann eine Achse aufweisen, die an einem Ende mit dem beweglichen Kontakt und der Kontaktplatte derart verbunden ist, dass der bewegliche Kontakt und die Kontaktplatte vermittels der Achse bewegbar sind, also bei einer Bewegung der Achse durch diese ebenfalls bewegt werden. Die Achse kann insbesondere durch eine Öffnung in der Schaltkammer in die Schaltkammer hineinragen. Insbesondere kann die Schaltkammer einen Schaltkammerboden aufweisen, der eine Öffnung aufweist, durch die die Achse hindurchragt. Der Magnetanker kann durch einen magnetischen Kreis bewegbar sein, um die vorab beschriebenen Schaltvorgänge zu bewirken. Hierzu kann der magnetische Kreis ein Joch aufweisen, das eine Öffnung aufweist, durch die die Achse des Magnetankers hindurch ragt. Bei eingeschaltetem magnetischem Kreis kann der Magnetanker, insbesondere ein magnetischer Kern des Magnetankers, zum Joch gezogen werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind der bewegliche Kontakt und die Kontaktplatte an einem elektrisch isolierenden Kontakthalter angeordnet. Der Kontakthalter kann besonders bevorzugt an der Achse des Magnetankers angeordnet und befestigt sein und den beweglichen Kontakt und die Kontaktplatte von der Achse elektrisch isolieren. Dadurch können der bewegliche Kontakt und die Kontaktplatte elektrisch isoliert von den Komponenten des mechanischen Antriebs, also insbesondere von den Komponenten des Magnetankers, gelagert sein. Der Kontakthalter kann hierzu ein elektrisch isolierendes Material aufweisen oder daraus sein. Das elektrisch isolierende Material kann ausgewählt sein aus Polymeren und Keramikmaterialien, beispielsweise ausgewählt aus Polyoxymethylen (POM), insbesondere mit der Struktur (CH0)n, Polybutylenterephthalat (PBT), Glasfaser gefülltem PBT und elektrisch isolierenden Metalloxiden wie etwa AI2O3.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Kontaktplatte am Kontakthalter fixiert. Die Fixierung kann beispielsweise mittels einer Klemmung erfolgen. Besonders bevorzugt ist die Kontaktplatte vom Material des Kontakthalters teilweise umformt. Die Kontaktplatte kann hierzu mit dem Material des Kontakthalters beispielsweise umgossen oder umspritzt sein. Zur Kontaktierung der zweiten Kontaktbereiche der Federkontakte können Kontaktbereiche der Kontaktplatte aus dem Kontakthalter herausragen.
Während eines Schaltvorgangs bewegen sich der Magnetanker, die Achse sowie der bewegliche Kontakt und die Kontaktplatte bevorzugt in einer linearen Bewegung in Form einer Hub- oder Senkbewegung entlang der Achse. Bevorzugt weisen die Achse und beispielsweise ein magnetischer Kern des Magnetankers in vertikaler Richtung einen Bewegungsspielraum für die Hubbewegung auf, die größer als der weiter oben beschriebene Schaltspalt ist. Dies kann beispielsweise dadurch ermöglicht sein, dass im ausgeschalteten Zustand ein Spalt zwischen dem magnetischen Kern und dem Joch, der auch als Bewegungsspalt bezeichnet werden kann, größer als der Schaltspalt ist. Somit kann es sich bei dem Magnetanker mit dem beweglichen Kontakt um ein Überhubsystem handeln, bei dem der bewegliche Kontakt verschiebbar am Kontakthalter angeordnet ist. Weiterhin kann am Kontakthalter eine Kontaktfeder angeordnet sein, die auf den beweglichen Kontakt eine Federkraft in Richtung der feststehenden Kontakte ausübt. Beim Anschlägen des beweglichen Kontakts an den feststehenden Kontakten und damit beim vollständigen Schließen des Schaltspalts kann die Kontaktfeder einfedern und der Magnetanker kann sich weiter bewegen, bis beispielsweise der magnetische Kern am Joch anliegt. Beispielsweise kann der Bewegungsspalt um kleiner oder gleich 1 mm und besonders bevorzugt um etwa 0,5 mm größer als der Schaltspalt sein. Durch das Einfedern der Kontaktfeder durch den Überhub kann der Anpressdruck des beweglichen Kontakts an den feststehenden Kontakten erhöht werden und es kann eine gewisse Unempfindlichkeit gegenüber Vibrationen und mechanischen Stößen erreicht werden.
Durch die beschriebene Ausbildung des mechanischen Antriebs und der Schaltkammer kann erreicht werden, dass die Hilfskontakte, die Federkontakte und die Kontaktplatte elektrisch isoliert von den feststehenden Kontakten, dem beweglichen Kontakt und dem mechanischen Antrieb angeordnet sind. Insbesondere kann eine dauerhafte Isolation erreicht werden, also eine durchgehend gewährleistete Isolation im Normalbetrieb der Schaltvorrichtung und somit während des ersten und zweiten Schaltzustands sowie auch während der Übergänge zwischen diesen.
Zumindest einer der Kontaktbereiche jedes der Federkontakte kann federnd ausgebildet sein. Beispielsweise kann der erste Kontaktbereich jedes Federkontakts federnd ausgebildet sein und eine Federkraft auf einen Hilfskontakt ausüben. Mit anderen Worten kann ein erster Kontaktbereich im eingebauten Zustand gegen einen Hilfskontakt drücken und so die Federkraft ausüben. Alternativ oder zusätzlich können die zweiten Federbereiche federnd ausgebildet sein. Besonders bevorzugt können die zweiten Kontaktbereiche im ersten Schaltzustand eine Federkraft auf die Kontaktplatte ausüben. Dabei kann die Federkraft der zweiten Kontaktbereiche geringer sein als die Federkraft der Kontaktfeder. Durch die federnde Wirkung der zweiten Kontaktbereiche kann eine gegenüber Vibrationen und mechanischen Stößen erhöhte Unempfindlichkeit des mechanischen Kontakts zwischen der Kontaktplatte und den zweiten Kontaktbereichen der Federkontakte erreicht werden. Besonders bevorzugt kann die Federkraft der zweiten Kontaktbereiche auf die Kontaktplatte und damit der Gegendruck auf den Magnetanker und insbesondere auf den Kontakthalter geringer sein als die
Rückstellfederkraft, die eine Rückstellfeder des mechanischen Antriebs aufweist und durch die der Magnetanker vom durchschaltenden Schaltzustand in den nicht-durchschaltenden Schaltzustand bewegt werden kann. Besonders bevorzugt kann die Federkraft der zweiten Kontaktbereiche auf die Kontaktplatte kleiner oder gleich 20% der Rückstellfederkraft sein.
Besonders bevorzugt kann der bewegliche Kontakt im ersten oder zweiten Schaltzustand, wie weiter oben beschrieben ist, von den feststehenden Kontakten durch den Schaltspalt getrennt sein und die Kontaktplatte kann bei einem Übergang der Schaltvorrichtung vom ersten zum zweiten Schaltzustand einen mechanischen Kontakt zu den zweiten Kontaktbereichen der Federkontakte nach dem Zurücklegen eines Weges verlieren, der kleiner oder gleich 20% des Schaltspalts ist. Dadurch kann erreicht werden, dass der Weg, den der Magnetanker zurücklegen muss, bevor der Kontakt zwischen der Kontaktplatte und den Federkontakten abreißt, sehr klein ist.
Die Bewegungsrichtung des beweglichen Kontakts, die der Haupterstreckungsrichtung der Achse entspricht, also die Richtung der Hub- und Senkbewegung des beweglichen Kontakts, kann hier und im Folgenden auch als vertikale Richtung bezeichnet werden. Die feststehenden Kontakte sind entlang einer longitudinalen Richtung nebeneinander angeordnet, wobei die longitudinale Richtung in einer zur vertikalen Richtung senkrecht stehenden horizontalen Ebene liegt. Der bewegliche Kontakt kann beispielsweise plattenförmig ausgebildet sein und eine Haupterstreckungsebene parallel zur horizontalen Ebene aufweisen. Senkrecht zur vertikalen und longitudinalen Richtung ist eine transversale Richtung definiert, so dass die horizontale Ebene durch die longitudinale und transversale Richtung aufgespannt wird. Die Hilfskontakte sind bevorzugt entlang der transversalen Richtung angeordnet, wobei der bewegliche Kontakt insbesondere entlang der transversalen Richtung zwischen den Hilfskontakten angeordnet sein kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Schaltkammer eine Schaltkammerwand auf. Die Schaltkammerwand kann in einer horizontalen Schnittansicht, also in einer Schnittansicht mit einer senkrecht zur vertikalen Richtung stehenden Schnittebene, bevorzugt eine rechteckige Querschnittsform oder zumindest eine an ein Rechteck angenäherte Querschnittsform aufweisen. Insbesondere kann die Schaltkammerwand sich gegenüberliegende longitudinale Seitenwandteile und sich gegenüberliegende transversale Seitenwandteile aufweisen, die in einer horizontalen Schnittansicht im Hinblick auf ihre Außen- und/oder Innenkonturen die Rechteckform ergeben. Mit anderen Worten kann sich ein longitudinales Seitenwandteil im Wesentlichen in vertikaler und longitudinaler Richtung erstrecken, während sich ein transversales Seitenteil im Wesentlichen in vertikaler und transversaler Richtung erstrecken kann.
Hierbei können bevorzugt die longitudinalen Seitenwandteile, die transversalen Seitenwandteile sowie ein Deckelteil mit Öffnungen für die feststehenden Kontakte und Öffnungen für die Hilfskontakte einstückig ausgebildet sein und die Schaltkammerwand bilden. Die Schaltkammer kann zusätzlich einen Schaltkammerboden aufweisen, der zusammen mit der Schaltkammerwand die Schaltkammer bildet. Alternativ hierzu können die Seitenwandteile auch mit dem Schaltkammerboden einstückig ausgebildet sein. Darüber hinaus können die Seitenwandteile ohne ein Deckelteil und ohne den Schaltkammerboden die Schaltkammerwand bilden, die zusammen mit dem separat gefertigten Deckelteil und dem separat gefertigten Schaltkammerboden die Schaltkammer bildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist jeder der Federkontakte zwischen dem ersten und zweiten Kontaktbereich einen Verbindungsbereich auf, der entlang eines longitudinalen Seitenwandteils verläuft. Der erste und zweite Kontaktbereich jedes der Federkontakte können sich bevorzugt vom jeweiligen longitudinalen Seitenwandteil zumindest entlang einer transversalen Richtung in den Innenraum der Schaltkammer hinein erstrecken.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Schaltkammer zumindest zwei Stege auf, von denen jeder in longitudinaler Richtung zwischen den zumindest zwei feststehenden Kontakten angeordnet ist und von denen sich jeder von zumindest einem longitudinalen Seitenwandteil in transversaler Richtung in die Schaltkammer hinein erstreckt. Die Stege sind hierbei in longitudinaler Richtung voneinander beabstandet. Insbesondere können sich beide Stege in transversaler Richtung über den beweglichen Kontakt hinweg im Innenraum der Schaltkammer von einem der longitudinalen Seitenwandteile zum anderen der longitudinalen Seitenwandteile erstrecken. Hierbei können die zumindest zwei Stege jeweils eine Aussparung aufweisen, in der sich der bewegliche Kontakt während der Schaltvorgänge bewegen kann. Weiterhin können die Stege unmittelbar an ein Deckelteil der Schaltkammer anschließen. Insbesondere können die Stege entlang und unmittelbar angrenzend an ein Deckelteil der Schaltkammer verlaufen. Die Stege können besonders bevorzugt einstückig mit den Seitenwandteilen und/oder einem Deckelteil der Schaltkammer ausgebildet sein. Durch die zumindest zwei Stege können zwischen den feststehenden Kontakten ein oder mehrere Räume im Innenraum der Schaltkammer gebildet werden, der oder die von den feststehenden Kontakten zumindest teilweise abgetrennt und damit elektrisch isoliert ist beziehungsweise sind. In dem so gebildeten zumindest einen isolierten Raum und somit in longitudinaler Richtung zwischen den zwei Stegen können insbesondere die Hilfskontakte und die Federkontakte angeordnet sein. Besonders bevorzugt können die Hilfskontakte zwischen den zwei Stegen symmetrisch zum beweglichen Kontakt, also symmetrisch zu einer Symmetrieebene, die durch die longitudinale und die vertikale Richtung aufgespannt wird, angeordnet sein. Weiterhin können die Federkontakte zwischen den zwei Stegen symmetrisch zum beweglichen Kontakt angeordnet sein. Dadurch, dass zwischen jedem der Hilfskontakte und den feststehenden Kontakten sowie zwischen jedem der Federkontakte und den feststehenden Kontakten zumindest einer der Stege ausgebildet ist, können die Hilfskontakte und die Federkontakte von den feststehenden Kontakten zumindest teilweise isoliert sein. Weiterhin können im so gebildeten isolierten Raum weitere Zusatzbauteile angeordnet werden wie beispielsweise ein Gasfüllstutzen zum Einfüllen des vorab beschriebenen Gases zur Bildung der Gasatmosphäre in der Schaltkammer.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Schaltkammerboden Wandteile auf, die in longitudinaler Richtung zwischen den Stegen der Schaltkammerwand angeordnet sind und zwischen denen die Federkontakte angeordnet sind. Insbesondere können die Wandteile zwischen die Stege eingeschoben angeordnet sein und einen Zwischenraum formen, in dem die Federkontakte teilweise angeordnet sind. Weiterhin können die Kontaktbereiche der Kontaktplatte in diesem Zwischenraum angeordnet sein und sich beim Wechseln vom ersten zum zweiten Schaltvorgang und umgekehrt innerhalb des Zwischenraums bewegen. Durch die Wandteile des Schaltkammerbodens kann der vorab beschriebene zumindest eine isolierte Raum zusammen mit den Stegen gebildet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Hilfskontakte und/oder die Federkontakte und/oder die Kontaktplatte ein Material mit Kupfer oder einer Kupferlegierung auf. Besonders bevorzugt kann das Material ausgewählt sein aus CuBe, CuSn4, CuSn6. Ein derartiges Material kann einen guten elektrischen Leitwert und eine geringe Verschweißneigung aufweisen. Weiterhin können beispielsweise die Hilfskontakte dasselbe Material wie die feststehenden Kontakte aufweisen.
Bei der hier beschriebenen Schaltvorrichtung kann erreicht werden, dass die Hilfskontakte durch die Federkontakte und die Kontaktplatte im ersten Schaltzustand elektrisch miteinander verbunden und im zweiten Schaltzustand elektrisch voneinander getrennt sind. Durch Messung des elektrischen Widerstands zwischen den Hilfskontakten können so der erste Schaltzustand, der besonders bevorzugt dem nicht- durchschaltenden Schaltzustand entspricht, und der zweite Schaltzustand, der besonders bevorzugt dem durchschaltenden Schaltzustand entspricht, ermittelt werden.
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen . Figur 1 zeigt eine schematische Darstellungen einer SchaltVorrichtung,
Figuren 2A und 2B zeigen schematische Darstellungen eines Teils einer Schaltvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Figur 2C zeigt eine schematische Darstellung einer
Kontaktplatte der Schaltvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
Figuren 2D bis 2F zeigen schematische Darstellungen der Schaltkammerwand der Schaltvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
Figur 2G zeigt schematische Darstellung eines
Schaltkammerbodens der Schaltvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel und
Figuren 3A und 3B zeigen schematische Darstellungen eines Teils einer Schaltvorrichtung in verschiedenen Schaltzuständen .
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein. In Figur 1 ist ein Beispiel für eine Schaltvorrichtung 100 gezeigt, die beispielsweise zum Schalten starker elektrischer Ströme und/oder hoher elektrischer Spannungen eingesetzt werden kann und die ein Relais oder Schütz, insbesondere ein Leistungsschütz, sein kann. In Figur 1 ist eine dreidimensionale Schnittdarstellung mit einer vertikalen Schnittebene gezeigt. Die gezeigten Geometrien sind nur exemplarisch und nicht beschränkend zu verstehen und können auch alternativ ausgebildet sein.
Die exemplarische Schaltvorrichtung 100 weist in einem Gehäuse 1 zwei feststehende Kontakte 2, 3 und einen beweglichen Kontakt 4 auf. Der bewegliche Kontakt 4 ist als Kontaktplatte ausgebildet. Die feststehenden Kontakte 2, 3 bilden zusammen mit dem beweglichen Kontakt 4 die Schaltkontakte . Alternativ zur gezeigten Kontaktanzahl können auch andere Anzahlen von feststehenden und/oder beweglichen Kontakten möglich sein. Das Gehäuse 1 dient vornehmlich als Berührschutz für die im Inneren angeordneten Komponenten und weist einen Kunststoff auf oder ist daraus, beispielsweise PBT oder Glasfaser-gefülltes PBT. Die feststehenden Kontakte 2, 3 und/oder der bewegliche Kontakt 4 können beispielsweise mit oder aus Cu, einer Cu-Legierung, einem oder mehreren hochschmelzenden Metallen wie beispielsweise Wo, Ni und/oder Cr, oder einer Mischung von genannten Materialien, beispielsweise von Kupfer mit zumindest einem weiteren Metall, beispielsweise Wo, Ni und/oder Cr, sein.
In Figur 1 ist die Schaltvorrichtung 100 in einem Ruhezustand gezeigt, in dem der bewegliche Kontakt 4 von den feststehenden Kontakten 2, 3 beabstandet ist, so dass die Kontakte 2, 3, 4 galvanisch voneinander getrennt sind. Die gezeigte Ausführung der Schaltkontakte und insbesondere deren Geometrie sind rein beispielhaft und nicht beschränkend zu verstehen. Alternativ können die Schaltkontakte auch anders ausgebildet sein.
Die Schaltvorrichtung 100 weist einen mechanischen Antrieb mit einem beweglichen Magnetanker 5 auf, der im Wesentlichen die Schaltbewegung vollzieht. Der Magnetanker 5 weist einen magnetischen Kern 6 auf, beispielsweise mit oder aus einem ferromagnetischen Material. Weiterhin weist der Magnetanker 5 eine Achse 7 auf, die durch den magnetischen Kern 6 geführt ist und an einem Achsenende fest mit dem magnetischen Kern 6 verbunden ist. Am anderen, dem magnetischen Kern 6 gegenüber liegenden Achsenende weist der Magnetanker 5 den beweglichen Kontakt 4 auf, der über eine Kontaktfeder 40 gelagert und ebenfalls mit der Achse 7 verbunden ist. Die Achse 7 kann bevorzugt mit oder aus Edelstahl gefertigt sein. Zur elektrischen Isolierung des beweglichen Kontakts 4 von der Achse 7 kann ein elektrisch isolierender Kontakthalter 47, der auch als Brückenisolator bezeichnet werden kann, zwischen diesen angeordnet sein.
Der magnetische Kern 6 ist von einer Spule 8 umgeben. Ein von außen durch einen Steuerstromkreis aufschaltbarer Stromfluss in der Spule 8 erzeugt eine Bewegung des magnetischen Kerns 6 und damit des gesamten Magnetankers 5 in axialer Richtung, bis der bewegliche Kontakt 4 die feststehenden Kontakte 2, 3 kontaktiert. In der gezeigten Darstellung bewegt sich der Magnetanker nach oben. Der Magnetanker 5 bewegt sich somit von einer ersten Position, die dem gezeigten Ruhezustand und gleichzeitig dem trennenden, also nicht-durchschaltendem und somit ausgeschaltetem Schaltzustand entspricht, in eine zweite Position, die dem aktiven, also durchschaltenden und somit eingeschalteten Schaltzustand entspricht. Im aktiven Zustand sind die Kontakte 2, 3, 4 galvanisch miteinander verbunden.
Zur Führung der Achse 7 und damit des Magnetankers 5 weist die Schaltvorrichtung 100 ein Joch 9 auf, das Reineisen oder eine niedrig dotierte Eisenlegierung aufweisen oder daraus sein kann und das einen Teil des magnetischen Kreises bildet. Das Joch 9 weist eine Öffnung auf, in der die Achse 7 geführt wird. Wird der Stromfluss in der Spule 8 unterbrochen, wird der Magnetanker 5 durch eine oder mehrere Federn 10, die auch als Rückstellfedern bezeichnet werden können, wieder in die erste Position bewegt. In der gezeigten Darstellung bewegt sich der Magnetanker 5 somit wieder nach unten. Die Schaltvorrichtung 100 befindet sich dann wieder im Ruhezustand, in dem die Kontakte 2, 3, 4 geöffnet sind.
Die Bewegungsrichtung des Magnetankers 5 und damit des beweglichen Kontakts 4 wird im Folgenden auch als vertikale Richtung 91 bezeichnet. Die Anordnungsrichtung der feststehenden Kontakte 2, 3, die senkrecht auf der vertikalen Richtung 91 steht, wird im Folgenden als longitudinale Richtung 92 bezeichnet. Die senkrecht zur vertikalen Richtung 91 und senkrecht zur longitudinalen Richtung 92 stehende Richtung wird im Folgenden als transversale Richtung 93 bezeichnet. Die Richtungen 91, 92 und 93, die auch unabhängig von der beschriebenen Schaltbewegung gelten, sind in den Figuren zur Erleichterung der Orientierung angedeutet.
Beispielsweise beim Öffnen der Kontakte 2, 3, 4 kann zumindest ein Lichtbogen entstehen, der die Kontaktflächen der Kontakte 2, 3, 4 beschädigen kann. Dadurch kann die Gefahr bestehen, dass die Kontakte 2, 3, 4 durch eine durch den Lichtbogen hervorgerufene Verschweißung aneinander „kleben" bleiben und nicht mehr voneinander getrennt werden. Die Schaltvorrichtung 100 befindet sich dann somit weiter im eingeschalteten Zustand, obwohl der Strom in der Spule 8 abgeschaltet ist und somit der Laststromkreis getrennt sein müsste. Um die Entstehung derartiger Lichtbögen zu verhindern oder um wenigstens die Löschung von auftretenden Lichtbögen zu unterstützen, sind die Kontakte 2, 3, 4 in einer Gasatmosphäre angeordnet, so dass die Schaltvorrichtung 100 als gasgefülltes Relais oder gasgefüllter Schütz ausgebildet ist. Hierzu sind die Kontakte 2, 3, 4 innerhalb einer Schaltkammer 11, gebildet durch eine Schaltkammerwand 12 und einen Schaltkammerboden 13, in einem durch einen hermetisch abgeschlossenen Teil gebildeten gasdichten Bereich 14 angeordnet, wobei die Schaltkammer 11 Teil des gasdichten Bereichs 14 sein kann. Der gasdichte Bereich 14 wird im Wesentlichen durch Teile der Schaltkammer 11, des Jochs 9 und zusätzliche Wandungen gebildet. Der gasdichte Bereich 14 umgibt den Magnetanker 5 und die Kontakte 2, 3, 4, bis auf zum externen Anschluss vorgesehene Teile der feststehenden Kontakte 2, 3, vollständig. Der gasdichte Bereich 14 und damit auch der Innenraum 15 der Schaltkammer 11 sind mit einem Gas gefüllt. Das Gas, das durch einen Gasfüllstutzen im Rahmen der Herstellung der Schaltvorrichtung 100 in den gasdichten Bereich 14 eingefüllt werden kann, kann besonders bevorzugt Wasserstoff-haltig sein, beispielsweise mit 20% oder mehr H2 in einem inerten Gas oder sogar mit 100% H2, da Wasserstoff-haltiges Gas die Löschung von Lichtbögen fördern kann.
Außerhalb der Schaltkammer 11 können zusätzlich beispielsweise Permanentmagnete (nicht gezeigt), sogenannte Blasmagnete, vorhanden sein, die zur Ablenkung der Lichtbögen vorgesehen und eingerichtet sind. Insbesondere bewirken die Blasmagnete eine Verlängerung der Lichtbogenstrecke und können somit das Löschen der Lichtbögen verbessern.
Die Schaltkammerwand 12 und der Schaltkammerboden 13 können beispielsweise mit oder aus einem Metalloxid wie etwa AI2O3 gefertigt sein. Weiterhin eignen sich auch Kunststoffe mit einer ausreichend hohen Temperaturfestigkeit, beispielsweise ein PEEK, ein PE und/oder ein Glasfaser-gefülltes PBT. Alternativ oder zusätzlich kann die Schaltkammer 11 zumindest teilweise auch ein POM, insbesondere mit der Struktur (CH2O)n, aufweisen. Ein solcher Kunststoff kann sich durch einen vergleichsweise geringen Kohlenstoffanteil und eine sehr geringe Neigung zur Graphitbildung auszeichnen. Durch die gleichen Anteile von Kohlenstoff und Sauerstoff insbesondere bei (CH20)n können bei einer Wärme- und insbesondere einer Lichtbogen-induzierten Zersetzung überwiegend gasförmiges CO und H2 entstehen. Der zusätzliche Wasserstoff kann die Bogenlöschung verstärken.
In Verbindung mit den nachfolgenden Figuren werden Ausführungsbeispiele der Schaltvorrichtung 100 sowie von Komponenten dieser beschrieben, die eine Detektion der Schaltzustände erlauben, wobei die Schaltvorrichtung gemäß der nachfolgenden Beschreibung bis auf die im Folgenden beschriebenen Merkmale wie die in Verbindung mit der Figur 1 beschriebene Schaltvorrichtung ausgebildet sein kann. Zur leichteren Erkennbarkeit der Orientierungen und von Schnittebenen sind in den nachfolgenden Figuren die Richtungen 91, 92, 93 angedeutet.
In den Figuren 2A und 2B sind anhand einer dreidimensionalen Schnittdarstellung und einer zweidimensionalen Schnittdarstellung Ausschnitte der Schaltvorrichtung 100 gezeigt, in denen im Wesentlichen der Bereich der Schaltkammer 11 dargestellt ist. Die Schnittebenen der Darstellung der Figuren 2A und 2B stehen jeweils senkrecht zur longitudinalen Richtung 92. In Figur 2C ist die Kontaktplatte 31 gezeigt. In den Figuren 2D bis 2F sind verschiedene Ansichten der Schaltkammer 11 und der Schaltkammerwand 12 gezeigt, während in Figur 2G der Schaltkammerboden 13 gezeigt ist. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich gleichermaßen auf die Figuren 2A bis 2G.
Im Vergleich zur Schaltvorrichtung der Figur 1 weist das in den Figuren 2A bis 2G gezeigte Ausführungsbeispiel zwei Hilfskontakte 25 auf, die in Öffnungen 125 der Schaltkammerwand 12 angeordnet sind und die wie die feststehenden Kontakte 2, 3 in den Innenraum 15 der Schaltkammer 11 hineinragen.
Zwischen den Hilfskontakten 25, die entlang der transversalen Richtung 93 angeordnet sind, ist im gezeigten Ausführungsbeispiel eine weitere Öffnung 126 ausgebildet, in der ein Gasfüllstutzen 26 angeordnet ist. Der Gasfüllstutzen 26 kann zum Einfüllen des Gases der Gasatmosphäre in den gasdichten Bereich verwendet werden und nach dem Einfüllen beispielsweise durch Abquetschen verschlossen werden.
Die Hilfskontakte 25 sowie auch der Gasfüllstutzen 26 sind vorzugsweise in den Öffnungen 125, 126 der Schaltkammer 11 eingelötet, so dass die Durchführung der Hilfskontakte 25 und auch des Gasfüllstutzens 26 in die Schaltkammer 11 mit einer hermetisch dichten und beispielsweise hartgelöteten Verbindung vergleichbar mit der Durchführung der feststehenden Kontakte 2, 3 erfolgt. Die Montage der Kontakte 2, 3 und der Hilfskontakte 25 sowie auch des Gasfüllstutzens 26 können bevorzugt in einem gemeinsamen Arbeitsgang erledigt werden kann.
Die Hilfskontakte 25 sind vollständig im Gehäuse angeordnet. Über Zuleitungen 27 innerhalb des Gehäuses, die beispielsweise mit äußeren elektrischen Anschlüssen am Gehäuse elektrisch leitend verbunden sind, können die Hilfskontakte 25 von außen kontaktierbar sein.
Weiterhin weist die Schaltvorrichtung 100 zwei Federkontakte 30 und eine Kontaktplatte 31 auf, die in der Schaltkammer 11 angeordnet sind. Insbesondere sind die Federkontakte 30 und die Kontaktplatte 31 vollständig im Innenraum 15 der Schaltkammer 11 angeordnet. Jeder der Federkontakte 30 erstreckt sich von einem Hilfskontakt 25 zur Kontaktplatte 31 und weist zumindest einen ersten Kontaktbereich 301 und einen zweiten Kontaktbereich 302 auf. Mit dem ersten Kontaktbereich 301 kontaktiert jeder der Federkontakte 30 einen der Hilfskontakte 25. Insbesondere kann jeder der Federkontakte 30 mit seinem ersten Kontaktbereich 301 einen der Hilfskontakte 25 im Normalbetrieb dauerhaft und unabhängig von den Schaltzuständen der Schaltvorrichtung 100 kontaktieren. Die ersten Kontaktbereiche 301 der Federkontakte 30 liegen, wie zu erkennen ist, unmittelbar und damit mechanisch an den Hilfskontakten 25 an.
Die Kontaktplatte 31 ist zusammen mit dem beweglichen Kontakt 4 bewegbar. Hierzu sind die Kontaktplatte 31 und der bewegliche Kontakt 4 gemeinsam mit dem oben in Verbindung mit der Figur 1 beschriebenen mechanischen Antrieb verbunden. Die Kontaktplatte 31 kontaktiert in einem ersten Schaltzustand der Schaltvorrichtung 100, der in den Figuren 2A und 2B gezeigt ist, die zweiten Kontaktbereiche 302 der Federkontakte 30. Hierzu weist die Kontaktplatte 31 Kontaktbereiche 312 auf, wie in Figur 2C gezeigt ist. Im ersten Schaltzustand stehen die zweiten Kontaktbereiche 302 der Federkontakte 30 in mechanischem und damit galvanischem Kontakt mit den Kontaktbereichen 312 der Kontaktplatte 31, so dass die Federkontakte 30 und damit auch die Hilfskontakte 25 durch die Kontaktplatte 31 elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Wie weiter unten beschrieben ist, ist die Kontaktplatte 30 in einem zweiten Schaltzustand beabstandet von den zweiten Kontaktbereichen 302 der Federkontakte 30 angeordnet. Der erste Schaltzustand ist im gezeigten Ausführungsbeispiel der oben beschriebene nicht-durchschaltende Schaltzustand der Schaltvorrichtung 100, in dem der bewegliche Kontakt 4 beabstandet zu den feststehenden Kontakten 2, 3 ist und entsprechend ein Schaltspalt zwischen dem beweglichen Kontakt 4 und den feststehenden Kontakten 2, 3 vorhanden ist.
Der bewegliche Kontakt 4 und die Kontaktplatte 31 sind an einem elektrisch isolierenden Kontakthalter 47 angeordnet.
Der Kontakthalter 47 weist eine Öffnung auf, in die die Achse 7 gesteckt ist, und ist an der Achse 7 des Magnetankers 5 und damit des mechanischen Antriebs der Schaltvorrichtung 100 befestigt. Der Kontakthalter 47 kann ein- oder mehrstückig ausgebildet sein.
Der bewegliche Kontakt 4 und die Kontaktplatte 31 sind durch den Kontakthalter 47 von der Achse 7 elektrisch isoliert. Dadurch sind der bewegliche Kontakt 4 und die Kontaktplatte 31 elektrisch isoliert von den Komponenten des mechanischen Antriebs, also insbesondere von den Komponenten des Magnetankers 5, gelagert. Der Kontakthalter weist hierzu ein elektrisch isolierendes Material auf oder ist daraus, das beispielsweise ausgewählt ist aus Polymeren und Keramikmaterialien wie beispielsweise Polyoxymethylen (POM), insbesondere mit der Struktur (CH0)n,
Polybutylenterephthalat (PBT), Glasfaser-gefülltem PBT und elektrisch isolierenden Metalloxiden wie etwa AI2O3.
Die Kontaktplatte 31 ist am Kontakthalter 47 fixiert. Die Fixierung kann beispielsweise mittels einer Klemmung oder, wie gezeigt, besonders bevorzugt durch eine Umformung erfolgen. Hierzu ist die Kontaktplatte 31 vom Material des Kontakthalters 47 teilweise umformt, beispielsweise umgossen oder umspritzt. Zur Kontaktierung der zweiten Kontaktbereiche 302 der Federkontakte 30 ragen die Kontaktbereiche 312 der Kontaktplatte 31 in transversaler Richtung 93 aus dem Kontakthalter 47 heraus.
Wie in Figur 2C gezeigt ist, ist die Kontaktplatte 31 beispielsweise scheibenartig ausgebildet und weist eine zentrale Öffnung 313 auf, durch die im montierten Zustand die Achse 7 hindurchragt. Weiterhin kann die Kontaktplatte 31 wie gezeigt Verankerungslöcher 314 aufweisen, durch die das Material des Kontakthalters 47 hindurchgreifen kann, wodurch die Kontaktplatte 31 am Kontakthalter 47 fixiert und beispielsweise vor Verdrehung gesichert werden kann.
Der Kontakthalter 47 weist weiterhin einen unteren Anschlag 471 und einen oberen Anschlag 472 auf. Die Kontaktplatte 31 ist im unteren Anschlag 471 angeordnet, der im ersten Schaltzustand auf dem Schaltkammerboden 13 aufliegen kann.
Der bewegliche Kontakt 4 liegt im ersten Schaltzustand am oberen Anschlag 472 an. Zwischen dem beweglichen Kontakt 4 und dem unteren Anschlag 471 ist die in Figur 1 beschriebene Kontaktfeder 40 angeordnet, die der Übersichtlichkeit in den Figuren 2A und 2B nicht gezeigt ist und die den beweglichen Kontakt 4 gegen den oberen Anschlag 472 und damit in Richtung der feststehenden Kontakte 2, 3 drückt.
Bei dem Magnetanker mit dem beweglichen Kontakt 4 handelt es sich um ein Überhubsystem, bei dem der bewegliche Kontakt 4 verschiebbar am Kontakthalter 47 angeordnet ist. Beim Anschlägen des beweglichen Kontakts 4 an den feststehenden Kontakten 2, 3 und damit beim vollständigen Schließen des Schaltspalts kann die Kontaktfeder einfedern und der Magnetanker kann sich weiter bewegen, bis beispielsweise der magnetische Kern am Joch anliegt. Beispielsweise kann sich der Magnetanker um eine Strecke von kleiner oder gleich 1 mm und besonders bevorzugt von etwa 0,5 mm weiter als der bewegliche Kontakt 4 in vertikaler Richtung 91 nach oben bewegen. Durch das Einfedern der Kontaktfeder aufgrund des Überhubs kann der Anpressdruck des beweglichen Kontakts 4 an den feststehenden Kontakten 2, 3 erhöht werden und es kann eine gewisse Unempfindlichkeit gegenüber Vibrationen und mechanischen Stößen erreicht werden.
Die Schaltkammerwand 12 weist, wie insbesondere in den Figuren 2D bis 2F zu erkennen ist, in der horizontalen Schnittansicht eine rechteckige Querschnittsform oder zumindest eine an ein Rechteck angenäherte Querschnittsform auf, die wie gezeigt beispielsweise abgerundete Ecken haben kann. Die Schaltkammerwand 12 weist sich gegenüberliegende transversale Seitenwandteile 121 und sich gegenüberliegende longitudinale Seitenwandteile 122 auf, die die zumindest angenäherte Rechteckform ergeben. Die transversalen Seitenwandteile 121, die longitudinalen Seitenwandteile 122 und ein Deckelteil 119 mit Öffnungen 120 für die feststehenden Kontakte 2, 3 sowie mit den Öffnungen 125, 126 für die Hilfskontakte 25 und den Gaseinfüllstutzen 26 sind wie im gezeigten Ausführungsbeispiel angedeutet einstückig ausgebildet und bilden die Schaltkammerwand 12. Alternativ hierzu können die Seitenwandteile 121, 122 auch mit dem Schaltkammerboden 13 einstückig ausgebildet sein. Darüber hinaus können die Seitenwandteile 121, 122 ohne ein Deckelteil und ohne den Schaltkammerboden die
Schaltkammerwand 12 bilden, die dann zusammen mit dem separat gefertigten Deckelteil und dem separat gefertigten Schaltkammerboden 13 die Schaltkammer 11 bilden kann. Besonders bevorzugt ist die Schaltkammerwand 12 aus einem vorgenannten Keramikmaterial gebildet.
Jeder der Federkontakte 30 weist zwischen dem ersten und zweiten Kontaktbereich 301, 302 einen Verbindungsbereich 303 auf, der, wie in den Figuren 2A und 2B zu erkennen ist, entlang eines longitudinalen Seitenwandteils 122 verläuft.
Der erste und zweite Kontaktbereich 301, 302 jedes der Federkontakte 30 können sich bevorzugt vom jeweiligen longitudinalen Seitenwandteil 122 zumindest entlang der transversalen Richtung 93 in den Innenraum 15 der Schaltkammer 11 hinein erstrecken.
Die Federkontakte 30 und/oder die Kontaktplatte 31 weisen bevorzugt ein Material mit Kupfer oder einer Kupferlegierung auf. Besonders bevorzugt kann das Material ausgewählt sein aus CuBe, CuSn4, CuSn6. Ein derartiges Material kann einen guten elektrischen Leitwert und eine geringe
Verschweißneigung aufweisen. Die Hilfskontakte 25 können aus einem oben für die feststehenden Kontakte 2, 3 beschriebenen Material oder aus einem für die Federkontakte 30 und/oder Kontaktplatte 31 beschriebenen Material gebildet sein.
Die Federkontakte 30 sind bevorzugt wie gezeigt bandförmig, insbesondere als Metallbänder, ausgebildet. Zumindest einer der Kontaktbereiche 301, 302 jedes der Federkontakte 30 kann federnd ausgebildet sein. Beispielsweise kann der erste Kontaktbereich 301 jedes Federkontakts 30 federnd ausgebildet sein und eine Federkraft auf einen Hilfskontakt 25 ausüben. Somit kann der erste Kontaktbereich 301 im montierten Zustand gegen einen Hilfskontakt 25 drücken und so die Federkraft ausüben .
Weiterhin sind alternativ oder zusätzlich die zweiten Federbereiche 302 federnd ausgebildet. Besonders bevorzugt üben die zweiten Kontaktbereiche 302 im ersten Schaltzustand eine Federkraft auf die Kontaktplatte 31 und insbesondere auf die Kontaktbereiche 312 dieser aus. Durch die federnde Wirkung der zweiten Kontaktbereiche 302 kann eine gegenüber Vibrationen und mechanischen Stößen erhöhte Unempfindlichkeit des mechanischen Kontakts zwischen der Kontaktplatte 31 und den zweiten Kontaktbereichen 302 der Federkontakte 30 erreicht werden. Besonders bevorzugt können die Federkraft der zweiten Kontaktbereiche 302 auf die Kontaktplatte 31 und damit der Gegendruck auf den Magnetanker und insbesondere den Kontakthalter 47 geringer sein als die Rückstellfederkraft einer Rückstellfeder des mechanischen Antriebs, die den Magnetanker vom durchschaltenden Schaltzustand in den nicht- durchschaltenden Schaltzustand bewegt. Besonders bevorzugt kann die Federkraft der zweiten Kontaktbereiche 302 auf die Kontaktplatte 31 kleiner oder gleich 20% der Rückstellfederkraft sein. Wie insbesondere in den Figuren 2D und 2E zu erkennen ist, weist die Schaltkammer 11 zumindest zwei Stege 123 auf, von denen jeder in longitudinaler Richtung 92 zwischen den zumindest zwei feststehenden Kontakten 2, 3 angeordnet ist und von denen sich jeder von zumindest einem longitudinalen Seitenwandteil 122 in transversaler Richtung 93 in die Schaltkammer 11 hinein erstreckt. Die Stege 123 sind in longitudinaler Richtung 92 voneinander beabstandet. Insbesondere erstrecken sich die Stege 123 in transversaler Richtung 93 über den beweglichen Kontakt 4 hinweg im Innenraum 15 der Schaltkammer 11 von einem der longitudinalen Seitenwandteile 122 zum anderen der longitudinalen Seitenwandteile 122. Weiterhin weisen die Stege 123 jeweils eine Aussparung 124 auf, in der sich der bewegliche Kontakt 4 während der Schaltvorgänge bewegen kann. Wie gezeigt können die Stege 123 bevorzugt unmittelbar an das Deckelteil 119 der Schaltkammerwand 12 anschließen. Insbesondere können die Stege 123 entlang und unmittelbar angrenzend an das Deckelteil 119 der Schaltkammer 11 verlaufen. Die Stege 123 sind besonders bevorzugt einstückig mit den Seitenwandteilen 122 und dem Deckelteil 119 der Schaltkammer 11 ausgebildet sein.
Durch die Stege 123 wird zwischen den feststehenden Kontakten 2, 3 ein Bereich im Innenraum 15 gebildet, der von den feststehenden Kontakten 2, 3 zumindest teilweise abgetrennt und damit elektrisch isoliert ist. In dem so gebildeten isolierten Raum 127 sind die Hilfskontakte 25, die Federkontakte 30 sowie auch der Gasfüllstutzen 26 angeordnet.
Besonders bevorzugt sind die Hilfskontakte 25 zwischen den zwei Stegen 123 symmetrisch zum beweglichen Kontakt 4 angeordnet. Entsprechend sind auch die Federkontakte 30 zwischen den zwei Stegen 123 symmetrisch zum beweglichen Kontakt 4 angeordnet. Dadurch, dass zwischen jedem der Hilfskontakte 25 und den feststehenden Kontakten 2, 3 sowie zwischen jedem der Federkontakte 30 und den feststehenden Kontakten 2, 3 zumindest einer der Stege 123 ausgebildet ist, sind die Hilfskontakte 25 und die Federkontakte 30 von den feststehenden Kontakten 2, 3 zumindest teilweise isoliert.
Wie in Figur 2G gezeigt ist, weist der Schaltkammerboden 13, der besonders bevorzugt aus POM gebildet ist, eine Bodenplatte 130 mit einer Öffnung 131 zur Durchführung der Achse 7 auf. Zumindest teilweise umlaufend am Rand der Bodenplatte 130 weist der Schaltkammerboden 13 Seitenwandteile 132 auf, die beim Zusammenfügen der Schaltkammer 11 die Seitenwandteile 121, 122 der Schaltkammerwand 12 fortsetzen können. Die Bodenplatte 130 kann zumindest in einigen Bereichen um die Öffnung 131 herum als Gegenanschlag für den unteren Anschlag 471 des Kontakthalters 47 dienen. Zur mechanischen Stabilisierung kann die Bodenplatte 130 wie gezeigt beispielsweise noch sich kreuzende Stege aufweisen.
Weiterhin weist der Schaltkammerboden 13 beidseitig der Öffnung 131 Wandteile 133 auf, die nebeneinander entlang der longitudinalen Richtung 92 zwischen den Stegen 123 der Schaltkammerwand 12 angeordnet sind und zwischen denen die Federkontakte 30 angeordnet sind. Insbesondere sind die Wandteile 133 zwischen die Stege 123 eingeschoben angeordnet und formen einen Zwischenraum, in dem die Federkontakte 30 teilweise angeordnet sind. Zur Fixierung der Federkontakte 30 können, wie in Figur 2G zu erkennen ist, Befestigungsnute 134 in den Wandteilen 133 vorhanden sein. Weiterhin sind die Kontaktbereiche 312 der Kontaktplatte 31 in diesem Zwischenraum angeordnet und bewegen sich beim Wechseln vom ersten zum zweiten Schaltvorgang und umgekehrt innerhalb dieses Zwischenraums in vertikaler Richtung 91.
In den Figuren 3A und 3B sind Ausschnitte der Schaltvorrichtung 100 entsprechend der Ansicht in Figur 2A gezeigt. In Figur 3A ist die Schaltvorrichtung 100 wie in Figur 2A im ersten Schaltzustand gezeigt, während die Schaltvorrichtung 100 in Figur 3B im zweiten Schaltzustand gezeigt ist. Die in den Figuren 3A und 3B gezeigten Komponenten und Merkmale der Schaltvorrichtung 100 entsprechen den in Verbindung mit den vorherigen Figuren beschriebenen Komponenten und Merkmalen. Der
Übersichtlichkeit halber sind daher in den Figuren 3A und 3B keine weiteren Bezugszeichen gezeigt.
Der bewegliche Kontakt ist im ersten Schaltzustand, wie weiter oben beschrieben ist, von den feststehenden Kontakten durch den Schaltspalt getrennt, so dass sich die Schaltvorrichtung 100 im nicht-durchschaltenden Schaltzustand befindet, während die Kontaktplatte mit den zweiten Kontaktbereichen der Federkontakte und damit auch mit den Hilfskontakten in elektrischem Kontakt steht. Dadurch sind die Hilfskontakte elektrisch leitend miteinander verbunden.
Im zweiten Schaltzustand sind der bewegliche Kontakt und die Kontaktplatte mittels des Magnetankers nach oben in Richtung der feststehenden Kontakte geschoben. Insbesondere ist nun der bewegliche Kontakt galvanisch mit den feststehenden Kontakten verbunden, so dass sich die Schaltvorrichtung im durchschaltenden Schaltzustand befindet. Die Kontaktplatte ist hingegen elektrisch von den Federkontakten getrennt, so dass auch die Hilfskontakte elektrisch voneinander getrennt sind. Beispielsweise eine Widerstandsmessung des elektrischen Widerstands zwischen den Hilfskontakten erlaubt somit eine Detektion des Schaltzustands der Schaltvorrichtung.
Die zweiten Kontaktbereiche der Federkontakte sind derart ausgebildet, dass die Kontaktplatte bei einem Übergang der Schaltvorrichtung vom ersten zum zweiten Schaltzustand einen mechanischen Kontakt zu den zweiten Kontaktbereichen der Federkontakte nach einem Zurücklegen eines Weges verliert, der kleiner oder gleich 20% des Schaltspalts ist. Dadurch kann erreicht werden, dass der Weg, den der Magnetanker auf seinem Weg vom ersten zum zweiten Schaltzustand zurücklegen muss, bevor der Kontakt zwischen der Kontaktplatte und den Federkontakten abreißt, sehr klein ist. Die zweiten Kontaktbereiche der Federkontakte sind besonders bevorzugt so ausgebildet und nach oben gebogen, dass sie bei einem Kontakt mit den Kontaktbereichen der Kontaktplatte beim Herunterfahren des Magnetankers und somit auch der Kontaktplatte bis zum unteren Anschlag des Magnetankers etwa 0,5 mm heruntergedrückt werden und entsprechend beim Hochfahren des Magnetankers und damit der Kontaktplatte nach der entsprechenden Strecke den Kontakt mit der Kontaktplatte verlieren.
Im Fall, dass der bewegliche Kontakt durch ein Verkleben oder einen mechanischen Defekt im durchschaltenden Zustand verbleibt, obwohl der mechanische Antrieb abgeschaltet wurde und die Schaltvorrichtung in den ersten Schaltzustand zurückkehren sollte, bleibt die Kontaktplatte von den zweiten Kontaktbereichen der Federkontakte beabstandet, so dass an den Hilfskontakten nicht der erste Schaltzustand abgelesen wird. Dies ist auch unter Berücksichtigung des Überhubs möglich, da der Magnetanker mit der Kontaktplatte zwar im Vergleich zum beweglichen Kontakt ein gewisses Stück nach unten in Richtung des Schaltkammerbodens fällt, der Abstand zwischen der Kontaktplatte und den zweiten Kontaktbereichen der Federkontakte aber immer noch groß genug ist, um eindeutig keine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Hilfskontakten herzustellen. Eine mechanische Beeinflussung durch Schocks folgt den Eigenschaften des mechanischen Antriebs und des beweglichen Kontakts, das heißt, dass der elektrische Kontakt der Hilfskontakte zueinander auch nach einer Abhebung des beweglichen Kontakts von den feststehenden Kontakten durch eine Beschleunigung richtig eine nicht vollständige Öffnung anzeigen würde. Die hier beschriebene Schaltvorrichtung ermöglicht somit eine zuverlässige Erkennung des Zustandes „sicher geöffnet" und verbindet diese mit einer einfachen Mechanik zur Detektion und zum Herausführen des Signals aus einer hermetisch versiegelten Schaltkammer .
Ein weiterer Vorteil liegt in einer sehr kostengünstigen Herstellung, da keine Beschaltung und keine integrierten Schaltkreise notwendig sind. Weiterhin ist keine magnetische Beeinflussung der Detektion möglich. Ferner erfolgt die Detektion der Schaltzustände weit entfernt von den Hauptkontakten, also weit entfernt von den feststehenden Kontakten und dem beweglichen Kontakt, so dass keine Probleme in Bezug auf eine Isolierung oder in Bezug auf die Gefahr einer Zerstörung durch Schaltlichtbögen entsteht.
Die Ausführung in Anlehnung an die Norm IEC 60947-5-1 ermöglicht in dieser Form auch die Detektion des Zustands „Schaltvorrichtung kann nicht schließen", also des Zustands, dass das bewegliche System in der offenen Lage blockiert.
Auch bei einer Zerstörung des oberen Teils der Schaltvorrichtung kann noch eine Detektion vorgenommen werden, ob die Schaltvorrichtung in den nicht- durchschaltenden Zustand versetzt wurde.
Die in den in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Merkmale und Ausführungsbeispiele können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen miteinander kombiniert werden, auch wenn nicht alle Kombinationen explizit beschrieben sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen .
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von
Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste
1 Gehäuse
2, 3 feststehender Kontakt
4 beweglicher Kontakt
5 Magnetanker
6 magnetischer Kern
7 Achse
8 Spule
9 Joch
10 Feder 11 Schaltkämmer 12 Schaltkammerwand
13 Schaltkämmerboden
14 gasdichter Bereich
15 Innenraum
25 Hilfskontakt
26 Gasfüllstutzen 27 Zuleitung
30 Federkontakt
31 Kontaktplatte 40 Kontaktfeder 47 Kontakthalter
91 vertikale Richtung
92 longitudinale Richtung
93 transversale Richtung 100 SchaltVorrichtung
119 Deckelteil
120 Öffnung 121 transversales Seitenwandteil 122 longitudinales Seitenwandteil
123 Steg
124 Aussparung 125 Öffnungen für Hilfskontakt
126 Öffnung für Gasfüllstutzen
127 Raum
130 Bodenplatte
131 Öffnung
132 Seitenwandteil
133 Wandteil 301, 302 Kontaktbereich 303 Verbindungsbereich
312 Kontaktbereich
313 Öffnung
314 Verankerungslöcher
471 472 Anschlag

Claims

Patentansprüche
1. Schaltvorrichtung (100), aufweisend
- zumindest zwei feststehende Kontakte (2, 3) und einen beweglichen Kontakt (4) in einer Schaltkammer (11) und
- zumindest zwei Hilfskontakte (25), zwei Federkontakte (30) und eine Kontaktplatte (31) in der Schaltkammer, wobei
- jeder der Federkontakte mit einem ersten Kontaktbereich
(301) einen der Hilfskontakte kontaktiert und einen zweiten Kontaktbereich (302) aufweist,
- die Kontaktplatte zusammen mit dem beweglichen Kontakt bewegbar ist,
- die Kontaktplatte in einem ersten Schaltzustand der
Schaltvorrichtung die zweiten Kontaktbereiche der Federkontakte kontaktiert und in einem zweiten Schaltzustand beabstandet von den zweiten Kontaktbereichen der Federkontakte angeordnet ist.
2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die feststehenden Kontakte entlang einer longitudinalen Richtung (92) nebeneinander angeordnet sind und die Hilfskontakte entlang einer transversalen Richtung (93) nebeneinander angeordnet sind.
3. Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schaltvorrichtung einen mechanischen Antrieb zur Bewegung des beweglichen Kontakts und der Kontaktplatte aufweist, der einen Magnetanker (5) mit einer Achse (7) aufweist, an denen der bewegliche Kontakt und die Kontaktplatte angeordnet sind.
4. Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der bewegliche Kontakt und die Kontaktplatte an einem elektrisch isolierenden Kontakthalter (47) angeordnet sind.
5. Schaltvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Kontaktplatte am Kontakthalter fixiert ist.
6. Schaltvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei der bewegliche Kontakt verschiebbar am Kontakthalter angeordnet ist.
7. Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die zweiten Kontaktbereiche im ersten
Schaltzustand eine Federkraft auf die Kontaktplatte ausüben.
8. Schaltvorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, wobei am Kontakthalter eine Kontaktfeder (40) angeordnet ist, die auf den beweglichen Kontakt eine Federkraft in Richtung der feststehenden Kontakte ausübt, und wobei die Federkraft der zweiten Kontaktbereiche geringer ist als die Federkraft der Kontaktfeder.
9. Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der bewegliche Kontakt im ersten oder zweiten Schaltzustand von den feststehenden Kontakten durch einen Schaltspalt getrennt ist und die Kontaktplatte bei einem Übergang der Schaltvorrichtung vom ersten zum zweiten Schaltzustand einen mechanischen Kontakt zu den zweiten Kontaktbereichen der Federkontakte nach einem Zurücklegen eines Weges verliert, der kleiner oder gleich 20% des Schaltspalts ist.
10. Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei jeder der ersten Kontaktbereiche (301) der Federkontakte eine Federkraft auf einen der Hilfskontakte ausübt.
11. Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schaltkammer (11) eine Schaltkammerwand (12) mit sich gegenüberliegenden transversalen Seitenwandteilen (121) und mit sich gegenüberliegenden longitudinalen Seitenwandteilen (122) aufweist und jedes der Federkontakte zwischen dem ersten und zweiten
Kontaktbereich einen Verbindungsbereich (303) aufweist, der entlang eines longitudinalen Seitenwandteils verläuft.
12. Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Hilfskontakte, die Federkontakte und die Kontaktplatte elektrisch isoliert von den feststehenden Kontakten, dem beweglichen Kontakt und dem mechanischen Antrieb angeordnet sind.
13. Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schaltkammer (11) eine Schaltkammerwand (12) mit sich gegenüberliegenden transversalen Seitenwandteilen (121) und mit sich gegenüberliegenden longitudinalen Seitenwandteilen (122) aufweist, die Schaltkammer zumindest zwei Stege (123) aufweist, die entlang der longitudinalen Richtung zwischen den zumindest zwei feststehenden Kontakten angeordnet sind und von denen sich jeder von zumindest einem longitudinalen Seitenwandteil in transversaler Richtung in die Schaltkammer hinein erstreckt.
14. Schaltvorrichtung nach Anspruch 13, wobei sich jeder der Stege in transversaler Richtung über den beweglichen Kontakt von einem der longitudinalen Seitenwandteile zum anderen der longitudinalen Seitenwandteile erstreckt und jeder der Stege eine Aussparung (124) aufweist, in der sich der bewegliche Kontakt während eines Schaltvorgangs bewegen kann.
15. Schaltvorrichtung nach Anspruch 14, wobei in longitudinaler Richtung zwischen den zwei Stegen die Hilfskontakte und die Federkontakte angeordnet sind.
16. Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Schaltkammer einen Schaltkammerboden (13) mit Wandteilen (133) aufweist, die zwischen den Stegen angeordnet sind und zwischen denen die Federkontakte angeordnet sind.
17. Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Hilfskontakte und/oder die Federkontakte und/oder die Kontaktplatte ein Material mit Kupfer oder einer Kupferlegierung aufweisen.
18. Schaltvorrichtung nach Anspruch 17, wobei das Material ausgewählt ist aus CuBe, CuSn4, CuSn6.
19. Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei in der Schaltkammer ein Gas enthalten ist, das H2 enthält.
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