DE102018109403B4 - Schaltvorrichtung - Google Patents

Abstract

Schaltvorrichtung (100), aufweisend zumindest zwei feststehende Kontakte (2, 3) und einen beweglichen Kontakt (4) in einer Schaltkammer (11), wobeidie Schaltkammer (11) eine Schaltkammerwand (12) aufweist, jeder der feststehenden Kontakte (2, 3) durch eine jeweilige Öffnung (122) in der Schaltkammerwand (12) in die Schaltkammer (11) hineinragt undauf einer dem beweglichen Kontakt (4) zugewandten Innenseite (121) der Schaltkammer (11) in der Schaltkammerwand (12) zwischen den Öffnungen (122) ein durchgehender Oberflächenbereich (123) ausgebildet ist, der von den feststehenden Kontakten (2, 3) abgeschattet ist,wobei der Oberflächenbereich (123) zumindest durch einen Teil eines Grabens (124) gebildet ist und der Graben (124) einen wellenförmigen Querschnitt aufweist.

Description

• 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 gasgefüllter 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. Diese können beispielsweise rein batteriebetriebene Fahrzeuge (BEV: „Battery Electric Vehicle“), über eine Steckdose oder Ladestation aufladbare Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEV: „Plug-in Hybrid Electric Vehicle“) und Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEV: „Hybrid Electric Vehicle“) sein. Dabei werden in der Regel sowohl der Plusals auch der Minuskontakt der Batterie mit Hilfe eines Leistungsschützes getrennt. Diese Auftrennung erfolgt im Regelbetrieb beispielsweise im Ruhezustand des Fahrzeuges sowie auch im Falle einer Störung wie etwa einem Unfall oder ähnlichem. Dabei ist es die Hauptaufgabe des Leistungsschützes, das Fahrzeug spannungsfrei zu schalten und den Stromfluss zu unterbrechen.
• Das Lebensende von derartigen Schaltern ist in der Regel erreicht, wenn der Schalter im geöffneten Zustand keinen ausreichenden Isolationswiderstand mehr aufweist. Üblicherweise gilt ein Schalter als ausgefallen, wenn im offenen Zustand ein Widerstand von 50 MΩ unterschritten wird. Bei Systemspannungen von beispielsweise 900 V können so bereits Leistungen im Milliwatt-Bereich am Isolationswiderstand anfallen.
• Eine häufige Ursache für die Reduktion des Isolationswiderstandes kann eine Erosion von Kontaktmaterialien im Inneren des Schalters sein, da bei den Schaltvorgängen durch Schaltlichtbögen die Materialien der Kontakte abgetragen werden können. Diese lagern sich dann an den Innenwänden ab und bilden leitfähige Beläge, die zu einer Überbrückung der Schaltkontakte führen können.
• Die Druckschrift DE 10 2013 210 195 A1 beschreibt eine Anordnung für ein elektrisches Schaltelement mit einer Kontaktschaltkammer und zwei darin angeordneten Kontakten, die durch ein Überbrückungselement miteinander verbunden werden können. Um zu verhindern, dass es durch eine Ablagerung von durch Lichtbögen erzeugtem Ruß zu einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen den Kontakten kommt, ist im Boden und den Seiten der Schaltkammer zumindest ein Isolationsschlitz vorhanden.
• Die Druckschrift EP 2 549 512 A1 beschreibt eine Schaltvorrichtung mit einer Schaltkammer, in der zwischen feststehenden Kontakten ein Deckelteil angeordnet ist, der Auffanggräben aufweist, die zum Auffangen von durch Lichtbögen erzeugte Partikel vorgesehen sind.
• Die Druckschrift US 2016 / 0 365 210 A1 beschreibt die Verwendung von Schutzgas in einer Schaltvorrichtung.
• Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, eine Schaltvorrichtung anzugeben, besonders bevorzugt eine Schaltvorrichtung, bei der beschriebene Nachteile verhindert oder zumindest verringert werden können.
• 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 einer Ausführungsform weist eine Schaltvorrichtung zumindest zwei feststehende Kontakte und zumindest einen beweglichen Kontakt auf. Die zumindest zwei feststehenden Kontakte und der zumindest eine bewegliche Kontakt sind dazu vorgesehen und eingerichtet, einen an die Schaltvorrichtung und insbesondere an die zumindest zwei feststehenden Kontakte anschließbaren Laststromkreis ein- und auszuschalten. Der bewegliche Kontakt ist in der Schaltvorrichtung entsprechend 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 zumindest zwei 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 zumindest zwei 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. Die feststehenden Kontakte und/oder der bewegliche Kontakt 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.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Schaltvorrichtung eine Schaltkammer auf, in dem der bewegliche Kontakt und die zumindest zwei 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.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Schaltvorrichtung ein Gehäuse auf, in dem der bewegliche Kontakt und die zumindest zwei feststehenden Kontakte angeordnet sind. Der bewegliche Kontakt kann insbesondere vollständig im Gehäuse angeordnet sein. 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.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Kontakte in einer Gasatmosphäre im Gehäuse angeordnet. Das kann insbesondere bedeuten, dass der bewegliche Kontakt vollständig in der Gasatmosphäre im Gehäuse angeordnet ist und dass weiterhin zumindest Teile der feststehenden Kontakte, etwa die Kontaktbereiche der feststehenden Kontakte, 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 bevorzugt 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 ist der bewegliche Kontakt mittels eines Magentankers bewegbar. Der Magnetanker kann hierzu insbesondere eine Achse aufweisen, die an einem Ende mit dem beweglichen Kontakt derart verbunden ist, dass der bewegliche Kontakt vermittels der Achse bewegbar ist, also bei einer Bewegung der Achse durch diese ebenfalls bewegt wird. 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.
• Die Achse kann bevorzugt Edelstahl aufweisen oder daraus sein. Das Joch kann bevorzugt Reineisen oder eine niedrig dotierte Eisenlegierung aufweisen oder daraus sein. Die Schaltkammer, also insbesondere die Schaltkammerwand und/oder der Schaltkammerboden, kann zumindest teilweise bevorzugt eine Metalloxidkeramik wie beispielsweise Al₂O₃ oder einen Kunststoff aufweisen oder daraus sein. Als Kunststoffe eignen sich insbesondere solche mit einer ausreichenden Temperaturfestigkeit. Beispielsweise kann die Schaltkammer als Kunststoff Polyetheretherketon (PEEK), ein Polyethylen (PE) und/oder glasgefülltes Polybutylenterephthalat (PBT) aufweisen. Weiterhin kann die Schaltkammer zumindest teilweise auch ein Polyoxymethylen (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 (CH₂O)_n können bei einer Wärme- und insbesondere einer Lichtbogen-induzierten Zersetzung überwiegend gasförmiges CO und H₂ entstehen. Der zusätzliche Wasserstoff kann die Bogenlöschung verstärken.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Schaltkammer eine Innenseite auf, die dem beweglichen Kontakt zugewandt ist. Insbesondere weist die Schaltkammerwand eine entsprechende Innenseite auf, die dem beweglichen Kontakt zugewandt ist. Der Schaltkammerboden weist ebenfalls eine entsprechende Innenseite auf, die dem beweglichen Kontakt zugewandt ist. Die Innenseite der Schaltkammerwand und die Innenseite des Schaltkammerbodens können zusammen zumindest einen Teil und bevorzugt die gesamte Innenseite der Schaltkammer bilden.
• Im Bereich der Öffnungen, durch die die feststehenden Kontakte in die Schaltkammer ragen, grenzt die Innenseite der Schaltkammerwand an die feststehenden Kontakte an. Bilden sich elektrisch leitende Ablagerungen auf der Innenseite, beispielsweise durch Abtrag von Kontaktmaterial, kann sich prinzipiell eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den feststehenden Kontakten bilden. Um dies zu vermeiden weist die Schaltkammer auf der dem beweglichen Kontakt zugewandten Innenseite der Schaltkammer in der Schaltkammerwand zwischen den Öffnungen einen durchgehenden Oberflächenbereich auf, der von den feststehenden Kontakten abgeschattet ist. Dies bedeutet insbesondere, dass es keinen Punkt des abgeschatteten Oberflächenbereichs gibt, der über eine gerade Verbindung durch das Innere der Schaltkammer mit irgendeinem Punkt auf den Oberflächen der feststehenden Kontakte verbindbar ist. Material, das von den Kontakten während eines Lichtbogens abgetragen werden kann, kann somit den abgeschatteten Oberflächenbereich nicht direkt erreichen und sich somit nicht auf diesem niederschlagen. Dass der abgeschattete Oberflächenbereich durchgehend ist, kann insbesondere bedeuten, dass jeder mögliche Pfad zwischen den feststehenden Kontakten über die Innenseite der Schaltkammerwand, der bei einer entsprechenden Beschichtung mit leitfähigem Material einen Kriechstrompfad bilden würde, durch den Oberflächenbereich unterbrochen ist, so dass sich trotz Materialniederschlag auf der Innenseite der Schaltkammerwand kein durchgehender Kriechstrompfad auf der Innenseite zwischen den feststehenden Kontakten ausbilden kann.
• Insbesondere kann der abgeschattete Oberflächenbereich zumindest durch einen Teil eines Grabens gebildet sein, der von den feststehenden Kontakten aus gesehen einen Hinterschnitt bildet. Durch den Hinterschnitt wird somit die abschattende Wirkung erreicht. Der abgeschattete Oberflächenbereich kann zumindest einen Teil einer Bodenfläche des Grabens oder auch die gesamte Bodenfläche aufweisen oder dadurch gebildet sein. Weiterhin kann der Graben Grabenwände aufweisen, die zumindest einen Teil des abgeschatteten Oberflächenbereichs bilden können.
• Der Graben kann beispielsweise einen eckigen Querschnitt aufweisen. Beispielsweise kann der Querschnitt rechteckig sein. Erfindungsgemäß weist der Graben einen wellenförmigen Querschnitt auf. Ein Graben mit wellenförmigem Querschnitt kann aufgrund fehlender Kanten eine erleichterte Herstellung mit sich bringen.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Graben eine Breite B und eine Tiefe T auf. Insbesondere kann B < T und besonders bevorzugt 2·B < T gelten. Mit anderen Worten ist der Graben bevorzugt tiefer als breit und besonders bevorzugt mehr als doppelt so tief wie breit. Beispielsweise kann B größer oder gleich 0,5 mm und kleiner oder gleich 2 mm sein. Weiterhin kann T größer oder gleich 1 mm und kleiner oder gleich 4 mm sein.
• Der Oberflächenbereich kann in Relation zum umliegenden Bereich der Innenseite der Schaltkammerwand versenkt ausgebildet sein, also als Bereich eines rinnenförmigen, versenkten Grabens. Weiterhin kann der Oberflächenbereich auch zwischen zumindest zwei sich über die Innenseite der Schaltkammer erstreckenden dammförmigen Erhebungen angeordnet sein.
• Besonders bevorzugt kann der Oberflächenbereich symmetrisch zu den feststehenden Kontakten angeordnet sein. Dies kann insbesondere bedeuten, dass der Oberflächenbereich mittig und somit gleich beabstandet zwischen den feststehenden Kontakten angeordnet ist.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Schaltkammerboden einen durchgehenden abgeschatteten Oberflächenbereich auf, der eines oder mehrere der vorab beschriebenen Merkmale für den Oberflächenbereich der Schaltkammerwand aufweisen kann. Insbesondere können der abgeschattete Oberflächenbereich der Schaltkammerwand und der abgeschattete Oberflächenbereich des Schaltkammerbodens einen zusammenhängenden abgeschatteten Oberflächenbereich bilden, so dass sich auf der Innenseite der Schaltkammer zwischen den feststehenden Kontakten kein durchgehender Kriechstrompfad ausbilden kann.
• Durch den durchgehenden abgeschatteten Oberflächenbereich kann das Problem der Bildung eines leitfähigen Belages gelöst werden, da der Oberflächenbereich durch einen nicht bedampfbaren Hinterschnitt in der Schaltkammer gebildet wird. Dieser ist besonders bevorzugt umlaufend in der Kammer angeordnet und trennt die beiden feststehenden Kontakte wirksam auch bei Bedampfung der Innenseite der Schaltkammer.
• Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
• Es zeigen:
• 1A und 1B schematische Darstellungen eines Beispiels für eine Schaltvorrichtung,
• 2A bis 2C schematische Darstellungen einer Schaltkammerwand und einer Schaltvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel und
• 3A und 3B schematische Darstellungen einer schaltkammerwand einer Schaltvorrichtung gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.
• 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 den 1A und 1B ist 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 1A ist eine dreidimensionale Schnittdarstellung gezeigt, während in 1B eine zweidimensionale Schnittdarstellung dargestellt ist. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich gleichermaßen auf die 1A und 1B. Die gezeigten Geometrien sind nur exemplarisch und nicht beschränkend zu verstehen und können auch alternativ ausgebildet sein.
• Die 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. Das Gehäuse 1 dient vornehmlich als Berührschutz für die im Inneren angeordneten Komponenten und weist einen Kunststoff auf oder ist daraus, beispielsweise PBT oder Glas-gefülltes PBT. Die Kontakte 2, 3, 4 können beispielsweise mit oder aus Cu, einer Cu-Legierung oder einer Mischung von Kupfer mit zumindest einem weiteren Metall, beispielsweise Wo, Ni und/oder Cr, sein.
• In den 1A und 1B 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. Beispielsweise kann es möglich sein, dass nur einer der Schaltkontakte feststehend ausgebildet ist.
• Die Schaltvorrichtung 100 weist einen 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 gegenüberliegenden Achsenende weist der Magnetanker 5 den beweglichen Kontakt 4 auf, der ebenfalls mit der Achse 7 verbunden ist. Die Achse 7 kann bevorzugt mit oder aus Edelstahl gefertigt sein.
• Der magnetische Kern 6 ist von einer Spule 8 umgeben. Ein von außen 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. Der Magnetanker 5 bewegt sich somit von einer ersten Position, die dem Ruhezustand und gleichzeitig dem trennenden, also nicht-durchschaltendem Zustand entspricht, in eine zweite Position, die dem aktiven, also durchschaltenden Zustand entspricht. Im aktiven Zustand sind die Kontakte 2, 3, 4 galvanisch miteinander verbunden. In einer anderen Ausführungsform kann der Magnetanker 5 alternativ auch eine Drehbewegung ausführen. Der Magnetanker 5 kann insbesondere als Zuganker oder Klappanker ausgebildet sein. Wird der Stromfluss in der Spule 8 unterbrochen, wird der Magnetanker 5 durch eine oder mehrere Federn 10 wieder in die erste Position bewegt. Die Schaltvorrichtung 100 befindet sich dann wieder im Ruhezustand, in dem die Kontakte 2, 3, 4 geöffnet sind.
• Beim Öffnen der Kontakte 2, 3, 4 kann ein Lichtbogen entstehen, der die Kontaktflächen 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. Um die Entstehung derartiger Lichtbögen zu verhindern oder wenigstens um 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 hermetisch abgeschlossenen Teil des Gehäuses 1 angeordnet. Das Gehäuse 1 und insbesondere der hermetisch abgeschlossene Teil des Gehäuses 1 umgibt den Magnetanker 5 und die Kontakte 2, 3, 4 vollständig. Der hermetisch abgeschlossene Teil des Gehäuses 1 und damit auch die Schaltkammer 11 sind mit einem Gas 14 gefüllt. Das Gas 14, das durch einen Gasfüllstutzen 15 im Rahmen der Herstellung der Schaltvorrichtung 100 eingefüllt werden kann, kann besonders bevorzugt Wasserstoff-haltig sein, beispielsweise mit 50% oder mehr H₂ in einem inerten Gas oder sogar mit 100% H₂, da Wasserstoff-haltiges Gas die Löschung von Lichtbögen fördern kann. Weiterhin können innerhalb oder außerhalb der Schaltkammer 11 sogenannte Blasmagnete (nicht gezeigt) vorhanden sein, also Permanentmagnete, die eine Verlängerung der Lichtbogenstrecke bewirken und somit das Löschen der Lichtbögen verbessern können. Die Schaltkammerwand 12 und der Schaltkammerboden 13 können beispielsweise mit oder aus einem Metalloxid wie etwa Al₂O₃ gefertigt sein. Weiterhin eignen sich auch Kunststoffe mit einer ausreichend hohen Temperaturfestigkeit, beispielsweise ein PEEK, ein PE und/oder ein glasgefülltes PBT.Alterntiv oder zusätzlich kann die Schaltkammer 11 zumindest teilweise auch ein POM, insbesondere mit der Struktur (CH₂O)_n, aufweisen.
• In den 1A und 1B ist eine herkömmliche Schaltkammer 11 gezeigt. Durch Lichtbögen, die während der Schaltvorgänge auftreten, kann eine Erosion von Kontaktmaterial auftreten, das sich auf der Innenwand der Schaltkammer 11 absetzen kann und dort einen leitfähigen Belag bilden kann. Hierdurch kann der Isolationswiderstand zwischen den feststehenden Kontakten 2, 3 herabgesetzt werden, was letztendlich zum Ausfall der Schaltvorrichtung führen kann.
• In Verbindung mit den 2A bis 2C ist ein Ausführungsbeispiel für eine Schaltkammerwand 12 einer Schaltvorrichtung 100 gezeigt, mit der sich das beschriebene Problem vermeiden lässt. In den 2A und 2B sind die Schaltkammerwand 12 in einer dreidimensionalen Ansicht sowie ein Ausschnitt dieser gezeigt. In 2C ist ein Ausschnitt der Schaltvorrichtung 100 gezeigt. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich gleichermaßen auf die 2A bis 2C. Komponenten und Merkmale der Schaltvorrichtung 100, die in Verbindung mit den 2A bis 2C nicht gezeigt und/oder beschrieben werden, können wie in Verbindung mit den 1A und 1B beschrieben ausgebildet sein.
• Die Schaltkammerwand 12 weist eine Innenseite 121 auf, die einen Teil der Innenseite der Schaltkammer bildet. Der in den 2A bis 2C nicht gezeigte Schaltkammerboden weist eine entsprechende Innenseite auf. In der Schaltkammerwand 12 sind Öffnungen 122 vorhanden, durch die die feststehenden Kontakte 2, 3 in die Schaltkammer ragen. Zwischen den Öffnungen 122 und somit zwischen den feststehenden Kontakten 2, 3 ist ein durchgehender Oberflächenbereich 123 ausgebildet, der von den feststehenden Kontakten 2, 3 abgeschattet ist.
• In 2C ist rein beispielhaft ein Materialabtragbereich 20 zwischen den Kontakten 2 und 4 angedeutet, in dem durch einen Lichtbogen Kontaktmaterial erodiert wird. Der Pfeil 21 deutet beispielhaft einen entsprechenden Materialabtrag an, durch den sich Kontaktmaterial auf der Innenseite 121 absetzen kann. Um zu vermeiden, dass sich Kontaktmaterial entlang einem durchgehenden Pfad zwischen den Öffnungen 122 ablagern kann, ist der abgeschattete Oberflächenbereich 123 derart ausgebildet, dass jede mögliche Verbindung zwischen den Öffnungen 123 über die Innenseite 121 unterbrochen ist. Der abgeschattete Oberflächenbereich 123 erstreckt sich somit durchgehend von einem Rand der Innenseite 121 der Schaltkammerwand 12 zu einem anderen Rand und wird zumindest durch einen Teil eines Grabens 124 gebildet, der von den feststehenden Kontakten 2, 3 aus gesehen einen Hinterschnitt bildet, durch den die abschattende Wirkung erreicht wird. Der abgeschattete Oberflächenbereich 123 kann zumindest einen Teil einer Bodenfläche des Grabens 124 oder auch die gesamte Bodenfläche aufweisen oder dadurch gebildet sein. Darüber hinaus kann der Graben 124 Grabenwände aufweisen, die zumindest einen Teil des abgeschatteten Oberflächenbereichs 123 bilden können. Wie in 2A erkennbar ist, ist der Oberflächenbereich 123 bevorzugt symmetrisch zu den Öffnungen 122 und somit symmetrisch zu den feststehenden Kontakten 2, 3 angeordnet. Dies kann insbesondere bedeuten, dass der Oberflächenbereich 123 mittig und somit gleich beabstandet zwischen den feststehenden Kontakten angeordnet ist.
• Wie in 2B zu erkennen ist, weist der Graben 124 im gezeigten Ausführungsbeispiel einen eckigen Querschnitt, insbesondere einen rechteckigen Querschnitt, auf. Der Oberflächenbereich 123 ist zwischen zumindest zwei sich über die Innenseite 121 der Schaltkammerwand 12 erstreckenden dammförmigen Erhebungen 125 angeordnet. Der Zwischenraum zwischen den dammförmigen Erhebungen bildet den Graben 124. Alternativ oder zusätzlich kann der Oberflächenbereich 123 auch in Relation zum umliegenden Bereich der Innenseite 121 der Schaltkammerwand 12 versenkt ausgebildet sein, also als Bereich eines rinnenförmigen, versenkten Grabens. Der Graben 124 weist eine Breite B und eine Tiefe T auf. Insbesondere gilt B < T und besonders bevorzugt 2·B < T, wodurch eine wirkungsvolle Abschattung erreicht werden kann. Beispielsweise kann B größer oder gleich 0,5 mm und kleiner oder gleich 2 mm sein. Weiterhin kann T größer oder gleich 1 mm und kleiner oder gleich 4 mm sein.
• Zusätzlich zur gezeigten Schaltkammerwand 12 kann auch der Schaltkammerboden der Schaltkammer einen durchgehenden abgeschatteten Oberflächenbereich aufweisen, der vorab beschriebene Merkmale aufweisen kann.
• In den 3A und 3B ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel für die Schaltkammerwand 12 in einer dreidimensionalen Ansicht und in einem Ausschnitt gezeigt. Im Vergleich zum vorherigen Ausführungsbeispiel ist der Graben 124 mit einem wellenförmigen Querschnitt ausgebildet. Im Vergleich zu einem Graben mit eckigem Querschnitt kann ein Graben mit wellenförmigem Querschnitt leichter herstellbar sein, insbesondere wenn ein Formverfahren zur Herstellung der Schaltkammerwand 12 verwendet wird.
• Die Schaltkammerwand 12 kann im gezeigten Ausführungsbeispiel beispielsweise Außenmaße mit einer Länge von etwa 54 mm, einer Breite von etwa 24 mm und einer Höhe von etwa 25 mm aufweisen. Die den abgeschatteten Bereich bildende Struktur, die in 3B vergrößert dargestellt ist, kann bevorzugt eine vorab beschriebene Breite B und Tiefe T aufweisen, beispielsweise können B etwa 1 mm und T etwa 1,4 mm oder mehr betragen. Die Gesamtbereite G der Struktur kann beispielsweise etwa 6 mm betragen, die Krümmungsradien R1 am Boden des Grabens 124 etwa 0,5 mm und der Krümmungsradius R2 der dammförmigen Erhebung 125 etwa 1 mm. Die angedeuteten Winkel α und β können beispielsweise 10° und 30° betragen.
• 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

Schaltkammer

12

Schaltkammerwand

13

Schaltkammerboden

14

Gas

15

Gasfüllstutzen

20

Materialabtragbereich

21

Materialabtrag

100

Schaltvorrichtung

121

Innenseite

122

Öffnung

123

Oberflächenbereich

124

Graben

125

dammförmige Erhebung

α, β

Winkel

B

Breite

G

Gesamtbreite

R1, R2

Radius

T

Tiefe

Claims (10)

1. Schaltvorrichtung (100), aufweisend zumindest zwei feststehende Kontakte (2, 3) und einen beweglichen Kontakt (4) in einer Schaltkammer (11), wobei die Schaltkammer (11) eine Schaltkammerwand (12) aufweist, jeder der feststehenden Kontakte (2, 3) durch eine jeweilige Öffnung (122) in der Schaltkammerwand (12) in die Schaltkammer (11) hineinragt und auf einer dem beweglichen Kontakt (4) zugewandten Innenseite (121) der Schaltkammer (11) in der Schaltkammerwand (12) zwischen den Öffnungen (122) ein durchgehender Oberflächenbereich (123) ausgebildet ist, der von den feststehenden Kontakten (2, 3) abgeschattet ist, wobei der Oberflächenbereich (123) zumindest durch einen Teil eines Grabens (124) gebildet ist und der Graben (124) einen wellenförmigen Querschnitt aufweist.
2. Schaltvorrichtung (100) nach dem vorherigen Anspruch, wobei der Graben (124) von den feststehenden Kontakten (2, 3) aus gesehen einen Hinterschnitt bildet.
3. Schaltvorrichtung (100) nach Anspruch 2, wobei der Graben (124) einen eckigen Querschnitt aufweist.
4. Schaltvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Graben (124) eine Breite B und einen Tiefe T aufweist mit B < T.
5. Schaltvorrichtung (100) nach dem vorherigen Anspruch, wobei gilt: 2·B < T.
6. Schaltvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Oberflächenbereich (123) zwischen zumindest zwei sich über die Innenseite (121) der Schaltkammer (11) erstreckenden dammförmigen Erhebungen (125) angeordnet ist.
7. Schaltvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Oberflächenbereich (123) symmetrisch zu den feststehenden Kontakten (2, 3) angeordnet ist.
8. Schaltvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schaltkammerwand (12) eine Metalloxidkeramik oder einen Kunststoff aufweist.
9. Schaltvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei in der Schaltkammer (11) ein Gas (14) enthalten ist, das H₂ enthält.
10. Schaltvorrichtung (100) nach dem vorherigen Anspruch, wobei das Gas einen Anteil von zumindest 50% H₂ aufweist.

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