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Dokumentenidentifikation DE102006041377B3 27.12.2007
Titel Armatur
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Böhm, Andreas, Dipl.-Ing., 14469 Potsdam, DE;
Freundt, Karsten, Dr., 14612 Falkensee, DE;
Klawa, Markus, Raleigh, N.C., US;
Voss, Karl-Heinz, Ing. grad., 14624 Dallgow-Döberitz, DE
DE-Anmeldedatum 29.08.2006
DE-Aktenzeichen 102006041377
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 27.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.12.2007
IPC-Hauptklasse H01H 9/52(2006.01)A, F, I, 20070801, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01H 1/58(2006.01)A, L, I, 20070801, B, H, DE   H01H 33/666(2006.01)A, L, I, 20070801, B, H, DE   
Zusammenfassung Um eine Armatur (9, 10, 11) eines Leistungsschalters zum Verbinden eines Festkontaktes eines Kontaktsystems (13) des Leistungsschalters (1) mit einer Stromschiene einer Schaltanlage, weiterzubilden, welche bei einer kostengünstigen Konstruktion über verbesserte Eigenschaften hinsichtlich der Stromtragfähigkeit und der Wärmeleitfähigkeit verfügt, wird vorgeschlagen, dass die Armatur (9, 10, 11) ein Anschlussmittel (14) aus einem ersten Material mit hoher elektrischer Leistungsfähigkeit einzig zur Verbindung des Festkontaktes mit der Stromschiene unter Ausbildung eines Strompfades und einen Kühlkörper (17) aus einem zweiten Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit aufweist, wobei der Kühlkörper (17) das Anschlussmittel (14) formschlüssig umgebend an diesem wärmeleitend angeordnet ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Armatur eines Leistungsschalters zum Verbinden eines Festkontaktes eines Kontaktsystems des Leistungsschalters mit einer Stromschiene einer Schaltanlage, welche Armatur ein Anschlussmittel aus einem ersten Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit einzig zur Verbindung des Festkontaktes mit der Stromschiene unter Ausbildung eines Strompfades und einen wärmeleitend an dem Anschlussmittel angeordneten Kühlkörper aus einem zweiten Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit aufweist.

Eine derartige Armatur ist beispielsweise aus der DE 10 2004 050 786 B4 bekannt. Die Kupplungsvorrichtung als Armatur ist zum Verbinden eines Festkontaktes eines Kontaktsystems eines Leistungsschalters mit einer Stromschiene vorgesehen und umfasst ein Anschlussmittel aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit zum Verbinden des Festkontaktes mit der Stromschiene unter Ausbildung eines Strompfades sowie einen Kühlkörper aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Der Kühlkörper ist dabei an dem Anschlussmittel wärmeleitend angeordnet.

Eine andere Armatur ist beispielsweise aus der EP 1 326 262 A1 bekannt. Die dort offenbarte Polarmatur umfasst einen Polkopf als Armatur, welcher zum Verbinden eines Festkontaktes einer Unterbrechereinheit als Kontaktsystem mit einer Stromschiene einer Schaltanlage ausgebildet ist. Der Polkopf als Armatur ist einstückig aus Aluminium als Aluminiumgussteil ausgebildet und weist die Funktionen Stromleitung zum Kontaktsystem und Kühlung des Strompfades auf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Armatur der eingangs erwähnten Art weiterzubilden, welche bei einer kostengünstigen Konstruktion über verbesserte Eigenschaften hinsichtlich der Stromtragfähigkeit und der Wärmeleitfähigkeit verfügt.

Erfindungsgemäß gelöst wird diese Aufgabe bei einer Armatur der eingangs erwähnten Art dadurch, dass die Armatur ein Anschlussmittel aus einem ersten Material mit hoher elektrischer Leitungsfähigkeit einzig zur Verbindung des Festkontaktes mit der Stromschiene unter Ausbildung eines Strompfades und einen wärmeleitend an dem Anschlussmittel angeordneten Kühlkörper aus einem zweiten Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit aufweist, wobei der Kühlkörper das Anschlussmittel formschlüssig umgibt.

Mit anderen Worten ist die Armatur des Leistungsschalters erfindungsgemäß aus einem Anschlussmittel und einem formschlüssig das Anschlussmittel umgebenden Kühlkörper aufgebaut, wodurch in vorteilhafterweise sowohl für das Anschlussmittel wie auch für den Kühlkörper verschiedene Materialien gewählt werden können, so dass in einfacher Weise die Stromtragfähigkeit der Armatur und damit des Leistungsschalters verbessert werden kann, weil für das Anschlussmittel ein Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und damit geringst möglichem Widerstand gewählt werden kann, wohingegen für den Kühlkörper ein Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit, welches gleichzeitig kostengünstig ist, verwendbar ist. Dadurch ist in vorteilhafter Weise die Armatur in ihren Eigenschaften bezüglich der Stromtragfähigkeit und der Wärmeleitung in einfacher Weise verbessert und weist gleichzeitig einen kostengünstigen Aufbau auf.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Kühlkörper Befestigungsmittel zur Befestigung der Armatur am Leistungsschalter auf. Dadurch ist in einfacher Weise eine Befestigung der Armatur am Leistungsschalter ermöglicht.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das Anschlussmittel einen ersten und einen zweiten Schenkel mit einer ersten und einer zweiten Anschlussfläche zum Anschließen der Stromschiene und zum Anschließen des Festkontaktes auf. Mit anderen Worten ist das Anschlussmittel mit einem ersten und einem zweiten Schenkel etwa L-förmig ausgestaltet, wodurch in vorteilhafter Weise ein kompaktes und kostengünstiges Anschlussmittel ausgebildet ist, weil durch die L-förmige Ausgestaltung der Materialaufwand für das Anschlussmittel geringstmöglich gehalten werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung verfügt das Anschlussmittel über Ausnehmungen in derartiger Anordnung, dass der durch Gießen hergestellte Kühlkörper im ausgehärteten Zustand das Anschlussmittel formschlüssig umgreift. Mittels derartiger Ausnehmungen, beispielsweise in Form von Nuten und/oder Stufen, ist in einfacher Weise eine formschlüssige Verbindung des Kühlkörpers mit dem Anschlussmittel möglich, weil der nach dem Gießen ausgehärtete Kühlkörper in die Ausnehmungen und Stufen des Anschlussmittels eingreift und damit das Anschlussmittel umgreift, so dass eine innige Verbindung zwischen dem Kühlkörper und dem Anschlussmittel ausgebildet ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Kühlkörper innen- und außenliegende Kühlrippen auf. Durch innen- und außenliegende Kühlrippen ist eine große Fläche zur Abstrahlung und Konvektion der vom Kühlkörper aus dem Strompfad aufgenommenen Wärme ermöglicht.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung einer Armatur eines Leistungsschalters zum Verbinden eines Festkontaktes eines Kontaktsystems des Leistungsschalters mit einer Stromschiene einer Schaltanlage.

Ein derartiges Verfahren ist ebenfalls aus der EP 1 326 262 A1 bekannt. Das dort offenbarte Verfahren umfasst einen einzigen Verfahrensschritt des Gießens des Polkopfes und des Polträgers als Polarmatur.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin, ein Verfahren der oben erwähnten Art anzugeben, mit welchem eine Armatur bei einer kostengünstigen Konstruktion mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich der Stromtragfähigkeit und der Wärmeleitfähigkeit in einfacher Weise herstellbar ist.

Erfindungsgemäß gelöst wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der oben erwähnten Art durch die Schritte

  • – Ausbilden eines Anschlussmittels (14) mit aus einem ersten Material mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit und
  • – Umgießen des Anschlussmittels (14) mit einem zweiten Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit unter Ausgestaltung eines Kühlrippen (27, 29, 30) aufweisenden Kühlkörpers (17).

Ein derartiges Verfahren ist besonders vorteilhaft zur Ausbildung bzw. Herstellung einer Armatur, weil durch das separate Ausbilden eines Anschlussmittels dieses hinsichtlich seiner Stromtragfähigkeit optimal ausgestaltet werden kann, wobei der Materialbedarf möglichst gering gehalten werden kann. Durch das Umgießen dieses Anschlussmittels mit dem zweiten Material unter Ausgestaltung eines Kühlkörpers mit Kühlrippen kann für den Kühlkörper ein Material ausgewählt werden, welches kostengünstig ist und eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit aufweist. Das Umgießen des Anschlussmittels mit dem zweiten Material führt ferner zu einer formschlüssigen Umgebung des Anschlussmittels mit dem aus dem zweiten Material ausgestalteten Kühlkörper, weil durch unterschiedliche Materialausdehnungskoeffizienten des ersten und des zweiten Materials, besonders bevorzugt Aluminium als zweitem Material des Kühlkörpers und Kupfer als erstem Material des Anschlussmittels, die formschlüssige Umgebung unterstützt wird, weil das in die Ausnehmungen während des Gießprozesses fließende Aluminium mit einem geringeren Materialausdehnungskoeffizient sich bei Abkühlen und Erstarren stärker zusammenzieht als das Kupfer, wodurch ein guter Formschluss zwischen dem Kühlkörper und dem Anschlussmittel erzeugt wird. Eine derartige formschlüssige Umgebung des Anschlussmittels führt somit in besonders vorteilhafter Weise zu einer guten Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Anschlussmittel und dem Kühlkörper.

Besonders bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren vor dem Umgießen das Erwärmen des Anschlussmittels auf eine Temperatur, welche kleiner ist als die Schmelztemperatur des ersten und des zweiten Materials. Durch das Erwärmen wird in einfacher Weise die Oberfläche von Ablagerungen und Oxiden befreit, so dass eine saubere, zunderfreie Oberfläche entsteht, die zu einem guten Wärmekontakt und damit zu einer guten Wärmeleitung zwischen dem Anschlussmittel und dem Kühlkörper beiträgt.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung und eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

1 eine perspektivische Darstellung eines Leistungsschalters mit erfindungsgemäßen Armaturen;

2 einen Schalterpol des Leistungsschalters der 1 in einer perspektivischen Ansicht;

3 eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Armatur;

4 eine perspektivische Ansicht eines Kühlkörpers der erfindungsgemäßen Armatur; und

5 eine perspektivische Ansicht eines Anschlussmittels der erfindungsgemäßen Armatur.

1 zeigt einen Leistungsschalter 1 zur Verwendung in einer figürlich nicht dargestellten Schaltanlage zum Schalten eines über Stromschienen der Schaltanlage, den Leistungsschalter 1 und weitere Stromschienen der Schaltanlage geführten Stromes, wobei der Leistungsschalter 1 Schalterpole 2, 3, 4 aufweist. Die Schalterpole 2, 3, 4 sind mit ihren Isolierstoffgehäusen 5, 6, 7 an einer Tragevorrichtung 8 des Leistungsschalters 1 gehalten. Die Schalterpole 2, 3, 4 sind mit Armaturen 9, 10, 11 versehen, welche mit Bezug auf die 2 näher erläutert werden. Die Schalterpole 2, 3, 4 umfassen Kontaktsysteme mit einem Festkontakt und einem Bewegkontakt, welche mittels einer in einem Antriebsraum 1a des Leistungsschalters 1 angeordneten Antriebskinematik zum Schalten des über den Leistungsschalter geführten Stromes ausgebildet sind.

2 zeigt eine perspektivische Darstellung des Schalterpols 2, wobei die Schalterpole 3 und 4 der 1 identisch aufgebaut sind. Der Schalterpol 2 mit seinem Isolierstoffgehäuse 5 umfasst einen Polkopf als Armatur 9 und einen Polträger 12, zwischen denen eine Vakuumschaltröhre 13 angeordnet ist. Die Vakuumschaltröhre als Kontaktsystem 13 des Schalterpols 2 umfasst einen Bewegkontakt, welcher leitend mit dem Polträger 12 verbunden ist, sowie einen Festkontakt, welcher leitend mit der Armatur 9 verbunden ist. Der Polträger 12 umfasst ein Anschlussteil zum Verbinden mit einer Stromschiene der Schaltanlage. Die Armatur 9 umfasst ein Anschlussmittel 14 mit einer ersten Anschlussfläche 15, an welchem Verbindungsmittel 16 in Form von Verschraubungsmitteln ebenfalls zur Befestigung an einer weiteren Stromschiene der Schaltanlage vorgesehen sind, so dass das Anschlussmittel 14 einzig zur Verbindung des Festkontaktes des Kontaktsystems mit der Stromschiene der Schaltanlage unter Ausbildung eines Strompfades vorgesehen ist. Die Armatur 9 weist des Weiteren einen Kühlkörper 17 auf, welcher das Anschlussmittel 14 formschlüssig umgibt und mit dem Anschlussmittel 14 wärmeleitend verbunden ist; der Kühlkörper 17 trägt daher nicht bzw. nicht nennenswert zur Stromleitung bei.

3 zeigt eine Schnittansicht durch die erfindungsgemäße Armatur 9 der 2. Das Anschlussmittel 14 umfasst einen ersten Schenkel 18 mit einer ersten Anschlussfläche 19 sowie einen zweiten Schenkel 20 mit einer zweiten Anschlussfläche 21, wobei die erste Anschlussfläche 19 und die zweite Anschlussfläche 21 senkrecht zueinander ausgerichtet sind. Diese im Wesentlichen L-förmige Ausgestaltung des Anschlussmittels 14 ergibt einen materialsparenden Aufbau des Anschlussmittels 14. An einem Ende 22 des ersten Schenkels 18 ist eine erste Ausnehmung 23 vorgesehen und an einem Ende 24 des zweiten Schenkels 20 sind eine Stufe 25 und eine zweite Ausnehmung 26 ausgebildet. Der Kühlkörper 17 greift in die erste Ausnehmung 23 und die Stufe 25 sowie die zweite Ausnehmung 26 ein und umgibt das Anschlussmittel 14 formschlüssig.

4 zeigt den Kühlkörper 17 in einer perspektivischen Ansicht, wobei der Kühlkörper 17 über Befestigungsmittel 28 verfügt, mit welchen die Armatur 9 am Schalterpol 2 des Leistungsschalters 1 befestigbar ist. Der Kühlkörper 17 umfasst weiterhin eine Vielzahl von Kühlrippen, wobei eine Außenkontur des Kühlkörpers 17 durch außenliegende Kühlrippen 29 gebildet ist, und der Kühlkörper auch innen liegende Kühlrippen 30 aufweist. Durch die außen liegenden Kühlrippen 29 und die innen liegenden Kühlrippen 30 ist somit insgesamt eine große Fläche zum Wärmeaustausch und zum Abführen der im Strompfad des Anschlussmittels 14 entstehenden Wärme ausgebildet.

5 zeigt eine perspektivische Ansicht des Anschlussmittels 14 der erfindungsgemäßen Armatur 9.

Das Anschlussmittel 14 wird als Kupferteil in der Ausgestaltung gemäß der 5 in einem ersten Herstellungsschritt, beispielsweise durch Fräsen, ausgebildet. Das Anschlussmittel wird dann erwärmt, so dass die Oberfläche zunderfrei und sauber ist, um in einem nächsten Schritt in einer Form mit Aluminium umgossen zu werden, wobei die Form der Ausgestaltung des Kühlkörpers 17 der 4 entspricht. Durch das Umgießen wird somit eine formschlüssige Umgebung des Anschlussmittels 14 von dem Kühlkörper 17 erzeugt, wobei durch die unterschiedlichen Materialausdehnungskoeffizienten von Aluminium als Material des Kühlkörpers 17 und Kupfer als Material des Anschlussmittels 14 die formschlüssige Umgebung unterstützt wird, weil das in die erste Ausnehmung, die zweite Ausnehmung und die Stufe während des Gießprozesses fließende Aluminium mit einem geringeren Materialausdehnungskoeffizient sich bei Abkühlen und Erstarren stärker zusammenzieht als das Kupfer, wodurch ein guter Formschluss zwischen dem Kühlkörper 17 und dem Anschlussmittel 14 erzeugt wird.

1
Leistungsschalter
1a
Antriebsraum
2, 3, 4
Schalterpol
5, 6, 7
Isolierstoffgehäuse
8
Tragevorrichtung
9, 10, 11
Armaturen
12
Polträger
13
Vakuumschaltröhre
14
Anschlussmittel
15
Anschlussfläche
16
Befestigungsmittel
17
Kühlkörper
18
Erster Schenkel
19
Erste Anschlussfläche
20
Zweiter Schenkel
21
Zweite Anschlussfläche
22
Ende des ersten Schenkels
23
Erste Ausnehmung
24
Ende des zweiten Schenkels
25
Stufe
26
Zweite Ausnehmung
27
Kühlrippen
28
Befestigungsmittel
29
Außenliegende Kühlrippen
30
Innenliegende Kühlrippen


Anspruch[de]
Armatur (9, 10, 11) eines Leistungsschalters zum Verbinden eines Festkontaktes eines Kontaktsystems (13) des Leistungsschalters (1) mit einer Stromschiene einer Schaltanlage, welche Armatur (9, 10, 11) ein Anschlussmittel (14) aus einem ersten Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit ein zig zur Verbindung des Festkontaktes mit der Stromschiene unter Ausbildung eines Strompfades und einen Wärmeleitend an dem Anschlussmittel angeordneten Kühlkörper (17) aus einem zweiten Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (17) das Anschlussmittel (14) formschlüssig umgibt. Armatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (17) Befestigungsmittel (28) zur Befestigung der Armatur (9, 10, 11) am Leistungsschalter (1) aufweist. Armatur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussmittel (14) einen ersten und einen zweiten Schenkel (18, 20) mit einer ersten und einer zweiten Anschlussfläche (19, 21) zum Anschließen der Stromschiene und zum Anschließen des Festkontaktes aufweist. Armatur nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussmittel (14) über Ausnehmungen (23, 25, 26) in derartiger Anordnung verfügt, dass der durch Gießen hergestellte Kühlkörper (17) im ausgehärteten Zustand das Anschlussmittel (14) formschlüssig umgreift. Armatur nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (17) innen- und außen liegende Kühlrippen (27, 29, 30) aufweist. Verfahren zur Herstellung einer Armatur eines Leistungsschalters (1) zum Verbinden eines Festkontaktes eines Kontaktsystems (13) des Leistungsschalters (1) mit einer Stromschiene einer Schaltanlage, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

– Ausbilden eines Anschlussmittels (14) aus einem ersten Material mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit und

– Umgießen des Anschlussmittels (14) mit einem zweiten Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit unter Ausgestaltung eines Kühlrippen (27, 29, 30) aufweisenden Kühlkörpers (17).
Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Erwärmen des Anschlussmittels (14) vor dem Umgießen auf eine Temperatur, welche kleiner ist als die Schmelztemperatur des ersten und des zweiten Materials.






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