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Dokumentenidentifikation DE102006034818B3 03.01.2008
Titel Kontaktsystem einer elektrischen Schaltanordnung
Anmelder MOELLER GmbH, 53115 Bonn, DE
Erfinder Erven, Wolfgang, 53332 Bornheim, DE;
Freyermuth, Thomas, 53505 Kalenborn, DE;
Terhoeven, Peter, Dr.-Ing., 53347 Alfter, DE;
Gauxmann, Berthold, 53225 Bonn, DE
DE-Anmeldedatum 27.07.2006
DE-Aktenzeichen 102006034818
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 03.01.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.01.2008
IPC-Hauptklasse H01H 3/30(2006.01)A, F, I, 20070510, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01H 1/50(2006.01)A, L, I, 20070510, B, H, DE   H01H 71/74(2006.01)A, L, I, 20070510, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Kontaktsystem einer elektrischen Schaltanordnung mit einem elektromagnetischen Kontaktantrieb zur Betätigung mindestens eines Bewegtkontakts (10). Hierbei wirkt mit mindestens einem Bewegtkontakt (10) ein Festkontakt (15) zusammen, wobei mindestens eine Kontaktschließkraft verstärkende Kontaktkraftfeder (20) zwischen einem Festlager (20.2) und dem Bewegtkontakt (20.1, 10) abgestützt angeordnet ist. Weiterhin gibt es ein Hilfsmittel (25, 28, 30) zur Verstellung der Kontaktschließkraft. Es wird vorgeschlagen, dass die Verstellung der Kontaktschließkraft über einen motorischen Antrieb (30) vornehmbar ist, welcher mindestens ein Lager (20.1, 20.2) der Kontaktkraftfeder (20) beaufschlagt, was zu einer Veränderung der Lagerposition führt. Vorzugsweise wird ein piezoelektrisch arbeitender Antrieb vorgesehen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Kontaktsystem einer elektrischen Schaltanordnung mit einem elektromagnetischen Kontaktantrieb zur Betätigung mindestens eines Bewegtkontakts. Bei solchen Anordnungen wirkt mindestens ein Festkontakt mit mindestens einem Bewegtkontakt zusammen, und es wird mindestens eine die Kontaktschließkraft verstärkenden Kontaktkraftfeder eingesetzt, die zwischen einem Festlager und dem Bewegtkontakt abgestützt ist.

Bei solchen Kontaktsystemen sind Maßnahmen bekannt, den Zeitpunkt und die Geschwindigkeit der Kontaktöffnung zu manipulieren.

Das vorrangige Motiv dabei ist, dass das Öffnen der Kontakte beschleunigt wird, meistens auch unter Wirkung eines erhöhten Stroms. Damit ist der Effekt verbunden, dass ein Schaltlichtbogen nur kürzere Zeit brennt, so dass die thermische Belastung der Kontakte geringer ist und dem Verschweißen der Kontakte vorgebeugt ist.

Neben elektrischen (Einsatz eines Strombegrenzungselements, wie in DE 24 39 066 C2) oder elektromagnetischen 'Maßnahmen' sind auch Mittel bekannt, die Kontaktschließkraft, die in der Regeln von einer oder mehreren Kontaktfedern ausgeübt wird, anzupassen oder zu verändern, meistens in Richtung einer Verstärkung der Kontaktschließkraft. Neben dem Erfolg der Verringerung der thermischen Belastung kann durch Anpassung der Kontaktschließkraft auch der durch Kontaktabbrand entstanden Kontaktdurchhub nachgeregelt werden.

Man kann dazu die Höhe eines Überstroms oder Kurzschluss-Stroms als Schwelle wählen, wobei die Kontaktöffnung dann erst erfolgt, wenn die Schwelle erreicht oder überschritten ist. Als Mittel zu schnellen Öffnung im Überlastbereich kann beispielsweise ein Schnellauslöser eingesetzt werden (z.B. DE 37 13 412 A1).

Weiterhin kann durch Ausbildung der zu den Kontakten führenden Stromschienen eine Strombahn ausgebildet werden, in der – induziert durch den Strom – eine Anziehungskraft zwischen den Stromschienen aufgebaut wird, die ebenfalls bewirkt, dass die Kontakte erst bei höheren Strömen aufschleudern (Beispiel DE 29 40 781 C2).

Andere bekannte Maßnahmen sind der Einsatz von Strombegrenzungselementen in der Strombahn, wobei sich beim Öffnen der Kontakte der Widerstand sprungartig verändert. Ein solches Element kann ein auf Druck veränderlicher elektrischer Widerstand sein. Es wird der Druck ausgenutzt, den die Kontakte aufeinander ausüben (DE 24 39 066 C2). Bei einer anderen Lösung, die in DE 40 37 126 A1 gezeigt ist, liegt ein druckabhängiger Widerstand parallel zur Trennstelle (zu den Kontakten). Hierbei wird ein zunehmender Druck bei Bewegung des Schaltarms mechanisch vom Schaltarm auf den Widerstand übertragen.

Als elektrodynamische Maßnahmen sind schon zusätzliche (Hilfs-)Magnetsysteme in der Strombahn vorgeschlagen worden (DE 196 17 136 A1, WO 97/27602 A1, US-PS 4513270). Diese erzeugen eine mit zunehmendem Strom ansteigende Kraft, die auf die Kontakte übermittelt wird. Die Kontaktschließkraft erhöht sich. Mit solchen Anordnungen kann auch das das Ansprechen (Abhebegrenze) mit der Stärke des Stromflusses einstellbar gestaltet werden.

Bekannt sind Verzögerungseinrichtungen, die bei Betätigung der Schalteinrichtung die Wirkung auf den beweglichen Kontakt verzögern. Solche Einrichtungen können als Zeitrelais ausgebildet sein, oder auch auf einem mechanischen Prinzip beruhen, wo die Verzögerung des Einschalt- und auch des Ausschaltvorgangs durch Inbewegungsetzen einer rotierenden Masse erfolgt (DE 36 44 546 C1).

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung vorzuschlagen, mit der die Kontaktschließkraft auf den Bewegtkontakt und/oder der Durchhub des Bewegtkontakts mit einfachen Mitteln einstellbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Anspruches gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.

Der Kern der Erfindung ist, dass die Verstellung über einen motorischen Antrieb vornehmbar ist, welcher mindestens ein Lager der Kontaktkraftfeder beaufschlagt, was zu einer Veränderung der Lagerposition führt. Die Anordnung kann so ausgebildet sein, dass das Festlager der Kontaktkraftfeder und/oder die Abstützung der Kontaktkraftfeder am Bewegtkontakt zu beaufschlagen ist. Zur Vermittlung der motorischen Kraft ist ein Angriffelement vorgesehen, welches entweder rotatorisch oder translatorisch bewegt wird.

Geeignete mikromotorische Antriebe sind bekannt. Diese sind extrem leistungsarm. Es werden zwei typische Mikromotoren zum Einsatz für die Erfindung vorgeschlagen, ohne jedoch andere auszuschließen. Es handelt sich dabei um einen piezoelektrischen Aktor oder um einen Antrieb auf Basis eines berührungslos beweglichen Bauteils beruht, welches durch Abstoßungskräfte seine Bewegungskomponente erfährt. Letzterer ist in DE 199 60 949 B4 dargestellt worden.

Das Prinzip eines piezoelektrischen Aktors besteht darin, dass bei Beaufschlagung eines piezoelektrischen Schwingungsgenerators und eines Resonanzkörpers mit einem Spannungsimpuls der Resonanzkörper Hübe von wenigen Mikrometern vollführt. Ein piezoelektrischer Aktor kann beispielsweise ein Gerät sein, welches in einer der Veröffentlichungen EP 1273096 B1 oder EP1630879 A2 beschrieben ist.

Unter zu Hilfenahme einer Art Rutschkupplung lassen sich fortschreitende Vorwärts- oder Rückwärtsbewegungen erzeugen.

Die lineare Bewegung des piezoaktiven Elements kann auf den Umfang eines Antriebsrads übertragen werden, so dass die Bewegung des piezoaktiven Elements in eine Drehbewegung des Antriebsrads und seiner Achse überführbar ist. Durch die Reibung zwischen Kontaktfläche des Resonanzkörpers und der Oberfläche des Antriebsrads kommt ein Vortrieb zustande. Je nach Anregung des Resonanzkörpers kommt es zu einer rechts- oder einer linksdrehenden Bewegung des Antriebsrads und somit zu einer Vorwärts- oder einer Rückwärtsdrehung der als Antriebswelle wirkenden Achse des Antriebsrads.

Unter Aktuatoren werden Elemente verstanden, die pro Arbeitszyklus die Ausdehnung der Piezokeramik nur einfach ausnutzen. Teilweise verstärken Hebelmechanismen den erreichbaren Hub. Der Hub eines Aktuators ist somit begrenzt.

Unter Piezo-Motoren werden Systeme verstanden, die den Hub des Piezoelements mehrfach nacheinander ausführen können, um Bewegung ohne Hubbeschränkung zu erhalten. Motoren haben somit einen unbegrenzten Hub.

Typische technische Kenndaten eines piezoaktiven Aktors haben eine Betriebsspannung von ca. 30 VDC und einen Betriebsstrom von ca. 100–200 mA.

Das Angriffelement kann vom Mikromotor translatorisch oder rotatorisch beaufschlagt werden. Bei einer Anordnung mit linear, translatorischer Bewegung kann ein Keil vorgesehen sein, der zwischen einer Unterlage und der Kontaktkraftfeder hin- und hergeschoben wird.

Bei einer Anordnung mit rotatorischer Bewegung kann das Angriffelement als rotatorisch bewegbare Rampe ausgebildet sein.

Die Erfindung kann bei einen einfach unterbrechenden oder einem doppelt unterbrechenden Kontaktsystem eingesetzt werden. Einfach unterbrechende Systeme sind meistens solche mit drehpunktgelagertem Kontaktarm, die im folgenden als besondere Ausführungsform näher dargestellt sind. Die mindestens eine Kontaktkraftfeder wird zwischen einem Gegenlager und einem Auflagepunkt auf dem Bewegtkontakt eingespannt. Das Gegenlager für die Kontaktkraftfeder kann in einem Gehäuseteil der Kontaktanordnung oder in der Schaltwelle des Kontaktsystems angeordnet.

Insbesondere bei einem nullpunktlöschenden Kontaktsystem ist es von Vorteil, wenn die Kontaktschließkraft parallel zum Kurzschlussstromanstieg erhöht werden kann.

Die Höhe der Kontaktschließkraft wird vom Anwender eingestellt oder nachgeregelt, wobei diese weicher oder härter einstellbar ist und dadurch eine Zuordnung zur Höhe des Überstroms vorgenommen wird. Die Einstellung lässt sich insbesondere dann vornehmen, wenn durch Abbrand der Kontakte die Abstände der Kontakte verändert sind.

Es sind Einrichtungen bekannt, mit denen die Stärke des Abbrands automatisch erfasst werden kann. Mit Einsatz einer solchen Einrichtung lässt sich der Durchhub auch automatisch erfassen und nachregeln.

Die Ansteuerung wird aus der Schalterelektronik vorgenommen, wobei der Antrieb drahtgebunden, aber auch drahtlos angesteuert werden kann.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden, anhand der Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen.

Diese zeigen im Einzelnen

1 eine schematische Darstellung ein einfach unterbrechendes Kontaktsystems eines elektrischen Schalters und

2 drei Formen eines Angriffelements.

Dargestellt ist schematisch ein Kontaktsystem mit einem feststehenden Kontakt 15 und einem beweglichen Kontakt 10 mit einem Kontaktstück 12, wobei der Bewegtkontakt um den Drehpunkt 14 beweglich gelagert ist. Die Stromzuführung an den Bewegtkontakt erfolgt über eine Litze 16. Auf den Kontaktarm des Bewegtkontakts wirkt die als Druckfeder ausgebildete Kontaktkraftfeder 20. Die Kontaktkraftfeder ist in einer Führung 22 mechanisch gehalten.

Ein zum Kontaktsystem gehörender elektromechanischer oder elektronischer Kurzschlussauslöser ist nicht näher dargestellt.

Die Aktorik besteht aus einem Sensoreingang 34, einer Sensorsteuerung 32 und dem aus einem Mikromotor bestehenden motorischen Antrieb 30. Der Mikromotor 30 ist über ein Koppelglied 28 mit einem Angriffelement 25 gekoppelt. Das Angriffelement 25 ist an oder in einer schematisch angedeuteten Führung oder Halterung 24 angeordnet. Die Kontaktkraftfeder 22 ist zwischen einem Lager 20.1 am Bewegtkontakt 10 und einem Lager 20.2 am Angriffelement 25 angeordnet.

Der Mikromotor 30 bewegt das Angriffelement 25 linear (lineare Bewegung mit dem Bezugszeichen LB) oder rotatorisch (rotatorische Bewegung mit dem Bezugszeichen RB). In 1 ist schematisch dargestellt, dass das Angriffelement an dem Gegenlager 20.2 der Kontaktkraftfeder angeordnet ist. Nicht dargestellt ist eine Ausführungsform, bei der das Angriffelement zwischen Kontaktkraftfeder und ihrer Abstützung 20.1 am Bewegtkontakt angeordnet ist und dort vom Mikromotor beaufschlagt wird.

In 2 sind drei Formen eines Angriffelements gezeigt. Links ist ein keilförmiges Element 25' gezeichnet, welches linear (LB) oder rotatorisch (um eine Achse) beaufschlagbar ist. Es kommt zu einer Bewegung V des Angriffspunkts A der Kontaktkraftfeder 20. Mit 25'' und 25'' sind zwei weitere Angriffelement dargestellt, die radförmig ausgebildet sind, und deren Achse ein Mikromotor angreift. Hier kommt es ebenso zur Verkürzung oder Verlängerung (V) der Kontaktkraftfeder 20, die einen Angriffpunkt A entweder auf dem rampenförmig ausgebildeten Umfang des Rades 25'' und einen Angriffpunkt A auf einer rampenförmig ausgebildeten Seitenfläche des Rades 25'' hat.


Anspruch[de]
Kontaktsystem einer elektrischen Schaltanordnung mit einem elektromagnetischen Kontaktantrieb zur Betätigung mindestens eines Bewegtkontakts (10),

• mit mindestens einem mit dem Bewegtkontakt (10) zusammenwirkenden Festkontakt (15),

• mit mindestens einer zwischen einem Festlager (20.2) und dem Bewegtkontakt (20.1, 10) abgestützten, die Kontaktschließkraft verstärkenden Kontaktkraftfeder (20),

• mit einem Hilfsmittel (25, 28, 30) zur Verstellung der Kontaktschließkraft,

dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellung über einen motorischen Antrieb (30) vornehmbar ist, welcher mindestens ein Lager (20.1, 20.2) der Kontaktkraftfeder (20) mit einer Verstellkraft oder einem Verstellmoment beaufschlagt, was zu einer Veränderung der Lagerposition führt.
Kontaktsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb ein piezoelektrischer Antrieb (30) ist. Kontaktsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb auf Basis eines berührungslos beweglichen Bauteils beruht, welches durch Abstoßungskräfte seine Bewegungskomponente erfährt. Kontaktsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Angriffelements (25) mindestens ein Lager (20.1, 20.2) beaufschlagt wird. Kontaktsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Angriffelement als rotatorisch bewegbare Rampe (25'', 25''') ausgebildet ist. Kontaktsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Angriffelement als linear bewegbarer Keil (25') ausgebildet ist. Kontaktsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Kontaktsystem eine Einrichtung zur Erfassung des Durchhubs der Kontakte vorhanden ist und der motorische Antrieb in Abhängigkeit des erfassten Durchhubs zur Nachregelung desselben eingesetzt wird. Kontaktsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktsystem ein einfach unterbrechendes Kontaktsystem ist. Kontaktsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkung des Antriebs (30) auf die Höhe des Überstroms einstellbar ist. Kontaktsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (30) drahtlos angesteuert wird. Kontaktsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktkraftfeder als Druckfeder (20) ausgebildet ist.






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