-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Schaltgerät, das ein Gehäuse aufweist,
in dem mindestens drei Schaltanordnungen angeordnet sind. Ein derartiges
Schaltgerät
weist pro Schaltanordnung zwei Lastanschlüsse auf, die zum Anschließen von
Leitern von außerhalb
des Gehäuses
zugänglich
sind und die innerhalb des Gehäuses
mit je einem der Schaltkontakte der jeweiligen Schaltanordnung verbunden sind.
Das Schaltgerät
weist weiterhin mindestens zwei Betätigungsanschlüsse auf,
die zum Anschließen
von Leitern von außerhalb
des Gehäuses
zugänglich
sind und die innerhalb des Gehäuses
mit einer Betätigungseinrichtung
für die
Schaltanordnungen verbunden sind.
-
Schaltgeräte der zuletzt
beschriebenen Art sind als elektromagnetische Schaltgeräte (meist
in der Form von Schützen)
weit verbreitet. Die entsprechende Schaltanordnung weist als das
Element, welches die Schaltkontakte miteinander verbindet bzw. voneinander
trennt, eine Kontaktbrücke
auf. Die Kontaktbrücke
wird mittels eines Kontaktbrückenträgers und
eines elektromagnetisch betätigten
Ankers geschaltet.
-
Bei
Schaltgeräten
der obenstehend beschriebenen Art muss bei geschlossenen Kontakten eine
hoher mechanischer Druck aufgebaut und beibehalten werden, damit
der Übergangswiderstand zwischen
den Schaltkontakten und der Kontaktbrücke klein ist. Wird der Kontakt
aktiv geschlossen (Schließer),
muss die Betätigungseinrichtung
diese Kraft während
des geschlossenen Zustands permanent aufrecht erhalten. Wird der
Kontakt aktiv geöffnet
(Öffner),
muss die Kontaktkraft überwunden
werden, um die Kontaktbrücke
von den Schaltkontakten abzuheben. In diesem Fall muss die die Vorspannung überwindende
Kraft während
des geöffneten Zustands
permanent aufrecht erhalten werden. Zum Aufbringen der erforderlichen
Kräfte
muss das elekt romagnetische Aktorsystem mit einem relativ hohen Strom
beaufschlagt werden. Hiermit ist eine relativ hohe Verlustleistung
verbunden.
-
Bei
Schaltgeräten
der vorstehend beschriebenen Art treten ferner bei Schaltvorgängen Lichtbögen auf.
Derartige Lichtbögen
führen
zu Kontaktabbrand und Verschmutzung des Schaltgeräts. In Einzelfällen kann
es auch zu einem Verschweißen
der Kontaktbrücke
mit den Schaltkontakten kommen.
-
Aus
der
DE 1 199 847 ist
ein elektrischer Schalter mit einer leitenden Flüssigkeit bekannt, die in einem
abgedichteten, rohrartigen, Kontaktanschlüsse enthaltenden Behälter aus
einem viskoelastischen, deformierbaren Material angeordnet ist.
Der Behälter
ist mittels eines äußeren Schaltelements deformierbar
und so in der Lage, die elektrische Verbindung zwischen den Kontaktanschlüssen zu
unterbrechen. Der Schalter der
DE
1 199 847 dient zum Schalten von Signalspannungen, beispielsweise
bei elektronischen Datenverarbeitungsanlagen.
-
Aus
der
DE 2 058 946 ist
ein Quecksilberkontakt bekannt, der ein elastisches Gehäuse aufweist,
welches zur Kontaktgabe verformt wird. Bei diesem Kontakt ragen
zwei jeweils mit den stirnseitigen Leitungsanschlüssen verbundene
Elektroden in das Gehäuseinnere
und stehen mit dem Quecksilber in Verbindung. Der Quecksilberkontakt
wird für
Relais, beispielsweise in Fernmelde-, Signal- und Starkstromanlagen
verwendet.
-
Aus
dem
DE 202 09 951
U1 ist ein elektrischer Schalter mit mindestens zwei Anschlusselektroden
für einen
Stromdurchgang und einem eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit umschließenden Hohlraum
bekannt, wobei die Flüssigkeit
mindestens ein Teilstück
des Stromweges zwischen den Anschlusselektroden vermittelt. Im Hohlraum
ist beweglich ein Trennkörper
aus einem Isolierstoff angeordnet, durch dessen Bewegung die Flüssigkeit
von mindestens einer der Anschlusselektroden trennbar ist. Der Trennkörper kann
aus Keramik bestehen.
-
Aus
der
DE 1 092 097 ist
eine elektrische Schaltanordnung mit mehreren stangenförmigen,
linear verschiebbaren Schaltelementen und mehreren entlang der Verschieberichtung
der Schaltelemente in getrennten, durch Kanäle verbundenen Kammern angeordneten
Flüssigkeitskontakten
bekannt. Die stangenförmigen
Schaltelemente bestehen teilweise aus leitenden und teilweise aus
nicht leitenden Bereichen. Je nach ihrer Schaltstellung trennen
oder verbinden die Schaltelemente mehrere Flüssigkeitskontakte.
-
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Möglichkeiten
zu schaffen, auf zuverlässige
Weise ein niederenergetisches Schalten des Schaltgeräts zu ermöglichen.
-
Die
Aufgabe wird durch ein Schaltgerät
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
sind Gegenstand der Ansprüche
2 bis 6.
-
Erfindungsgemäß weist
das Schaltgerät
ein Gehäuse
auf. Im Gehäuse
des Schaltgeräts
sind mindestens drei Schaltanordnungen. Die Schaltanordnungen weisen
jeweils einen flüssigkeitsdichten Behälter auf,
in dem sich eine elektrisch gut leitende, gegenüber Stromfluss chemisch stabile
Flüssigkeit befindet.
Die Schaltanordnungen weisen weiterhin jeweils ein Absperrelement
auf, das mittels einer elektrischen Betätigungseinrichtung betätigbar ist. Die
Flüssigkeit
bildet in Abhängigkeit
von einer Schaltstellung des jeweiligen Absperrelements jeweils
entweder ein einheitliches Gesamtvolumen oder mehrere voneinander
getrennte Teilvolumina. Die Schaltanordnungen weisen schließlich jeweils zwei
Schaltkontakte auf, die in die Flüssigkeit eingetaucht sind und
an die von außerhalb
des Behälters elektrische
Leiter anschließbar
sind. Die Schaltkontakte der Schaltanordnungen sind derart angeordnet, dass
sie im Falle der voneinander getrennten Teilvolumina in verschiedenen
der Teilvolumina angeordnet sind. Das Schaltgerät weist pro Schaltanordnung jeweils
zwei Lastanschlüsse
auf, die zum Anschließen
von Leitern von außerhalb
des Gehäuses
zugänglich
sind und die innerhalb des Gehäuses
mit je ei nem der Schaltkontakte der jeweiligen Schaltanordnung verbunden
sind. Das Schaltgerät
weist weiterhin mindestens zwei Betätigungsanschlüsse auf, die
zum Anschließen
von Leitern von außerhalb
des Gehäuses
zugänglich
sind und die innerhalb des Gehäuses
mit der Betätigungseinrichtung
verbunden sind. Die Schaltanordnungen werden zwangsweise gemeinsam
betätigt.
Hierbei werden mindestens drei der Schaltanordnungen gleichartig
betätigt.
Die gleichartig betätigten
Schaltanordnungen sind derart ausgebildet, dass von ihnen die Phasen
eines Drehstromsystems schaltbar sind.
-
Es
ist möglich,
dass die Absperrelemente mechanisch vorgespannt sind, so dass sie
im ansteuerungsfreien Zustand in einer vorbestimmten Stellung gehalten
werden. Alternativ ist es möglich,
dass die Absperrelemente mechanisch derart beschaltet sind, dass
sie im ansteuerungsfreien Zustand sowohl in der Schaltstellung,
in der die Flüssigkeit
das einheitliche Gesamtvolumen bildet, als auch in der Schaltstellung,
in der die Flüssigkeit
die voneinander getrennten Teilvolumina bildet, stabil gehalten
werden.
-
Es
ist möglich,
dass die Behälter
mechanisch elastisch verformbar sind. In diesem Fall können Absperrelemente
von außen
auf den Behälter
einwirken. Das Material der Absperrelemente ist in diesem Fall prinzipiell
beliebig wählbar.
-
Alternativ
ist es möglich,
dass die Absperrelemente innerhalb der Behälter angeordnet sind. In diesem
Fall müssen
die Absperrelemente aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen.
Beispielsweise kann das Material eine Keramik sein.
-
Mittels
des Schaltgeräts
sind mehrere Lastspannungen gemeinsam schaltbar, beispielsweise die
Phasen eines drei- oder fünfphasigen
Drehstromsystems.
-
Weitere
Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen in Prinzipdarstellung:
-
1 schematisch
ein Schaltgerät, 2 eine
mögliche
Ausgestaltung einer Schaltanordnung in einem ersten Schaltzustand,
-
3 die
Schaltanordnung von 2 in einem zweiten Schaltzustand, 4 eine
weitere mögliche
Ausgestaltung einer Schaltanordnung in einem ersten Schaltzustand, 5 die
Schaltanordnung von 4 in einem zweiten Schaltzustand, 6 eine
Betätigungseinrichtung
und ein Absperrelement in einer ersten Schaltstellung und 7 die
Betätigungseinrichtung
und das Absperrelement von 6 in einer
zweiten Schaltstellung.
-
Gemäß 1 weist
ein Schaltgerät
ein Gehäuse 1 auf.
Im Gehäuse 1 sind
mehrere Schaltanordnungen 2 angeordnet. Die Schaltanordnungen 2 sind
in der Regel gleich ausgebildet. Mittels jeder der Schaltanordnungen 2 kann
jeweils eine elektrische Versorgungsspannung geschaltet werden.
-
Jede
Schaltanordnung 2 weist zwei Schaltkontakte 3 auf,
die – je
nach Schaltzustand der jeweiligen Schaltanordnung 2 entweder
elektrisch miteinander verbunden oder elektrisch voneinander getrennt
sind. Die Schaltanordnungen 2 sind derart miteinander gekoppelt,
dass sie zwangsweise gemeinsam betätigt werden, Schaltvorgänge also
für alle Schaltanordnungen 2 des
Schaltgeräts
gemeinsam ausgeführt
werden.
-
Die
Schaltkontakte 3 der Schaltanordnungen 2 sind über elektrische
Leiter 4 mit je einem Lastanschluss 5 des Schaltgeräts verbunden.
Die elektrischen Leiter 4 sind hierbei innerhalb des Gehäuses 1 angeordnet.
Die Lastanschlüsse 5 sind
von außerhalb
des Gehäuses 1 zugänglich.
An sie sind von außerhalb
des Gehäuses 1 externe
Leiter 6 anschließbar.
Die Lastanschlüsse 5 können beispielsweise
als Schraubklemmen oder als Käfigzugfedern
ausgebildet sein.
-
Jede
Schaltanordnung 2 wird mittels einer elektrischen Betätigungseinrichtung 7 betätigt. Es
ist möglich,
dass hierbei eine einzige, für
alle Schaltanordnungen 2 einheitliche elektrische Betätigungseinrichtung 7 vorgesehen
ist. Alternativ ist es möglich, dass
jede Schaltanordnung 2 eine eigene Betätigungseinrichtung 7 aufweist,
die Betätigungseinrichtungen 7 jedoch
zwangsweise gemeinsam angesteuert werden. Unabhängig davon, welche dieser beiden Lösungen ergriffen
wird, sind Betätigungsanschlüsse 8 – mindestens
zwei – zur
Energieversorgung und/oder Ansteuerung der Betätigungseinrichtung 7 bzw.
der Betätigungseinrichtungen 7 nur
einmal erforderlich. Die Betätigungsanschlüsse 8 sind
von außerhalb
des Gehäuses 1 zugänglich.
An sie sind von außerhalb
des Gehäuses 1 Leiter 9 anschließbar. Die Betätigungsanschlüsse 8 können – analog
zu den Lastanschlüssen 5 – beispielsweise
als Schraubklemmen oder als Käfigzugfedern
ausgebildet sein.
-
In
Verbindung mit den 2 bis 5 werden
nachfolgend zwei mögliche
Ausgestaltungen der Schaltanordnungen 2 des Schaltgeräts von 1 erläutert.
-
Gemäß den 2 bis 5 weist
die Schaltanordnung einen flüssigkeitsdichten
Behälter 10 auf. In
dem flüssigkeitsdichten
Behälter 10 befindet
sich eine Flüssigkeit 11.
Die Flüssigkeit 11 ist
elektrisch gut leitend und gegenüber
Stromfluss chemisch stabil. Vorzugsweise ist die Flüssigkeit 11 ein
Flüssigmetall.
Beispielsweise kann die Flüssigkeit 11 Quecksilber
sein. Alternativ kommen andere Materialien in Frage, welche die
erwähnten
Eigenschaften aufweisen. Beispiele derartiger Materialien sind Gallium-Indium-Zinn-Legierungen
(Galinstan).
-
Die
Schaltkontakte 3 sind in die Flüssigkeit 11 eingetaucht.
An die Schaltkontakte 3 sind von außerhalb des Behälters 10 die
elektrischen Leiter 4 angeschlossen, welche die Schaltkontakte 3 mit
dem jeweiligen Lastanschluss 5 des Schaltgeräts von 1 verbinden.
-
Gemäß den 2 bis 5 weist
die Schaltanordnung 2 ein Absperrelement 12 auf.
Das Absperrelement 12 ist mittels der Schaltanordnung 2 zugeordneten
elektrischen Betätigungseinrichtung 7 betätigbar.
-
Das
Absperrelement 12 ist mittels der Betätigungseinrichtung 7 zwischen
zwei Endstellungen bewegbar. In der einen Endstellung (siehe die 2 und 4)
bildet die Flüssigkeit 11 ein
einheitliches Gesamtvolumen 13. In dieser Endstellung sind
die Schaltkontakte 3 über
die Flüssigkeit 11 daher
elektrisch leitend miteinander verbunden. In der anderen Endstellung
(siehe die 3 und 5) bildet
die Flüssigkeit 11 mehrere – mindestens
zwei – voneinander
getrennte Teilvolumina 14. Die Schaltkontakte 3 sind
derart angeordnet, dass sie in dem Fall, dass die Flüssigkeit 11 die
voneinander getrennten Teilvolumina 14 bildet, in verschiedenen
der Teilvolumina 14 angeordnet sind. In dieser Endstellung
sind die Schaltkontakte 3 daher elektrisch voneinander
getrennt.
-
Bei
der Ausgestaltung gemäß den 2 und 3 ist
der Behälter 10 mechanisch
elastisch verformbar. Beispielsweise kann der Behälter 10 (zumindest
teilweise) aus Gummi oder einem vergleichbaren Material bestehen.
Bei dieser Ausgestaltung ist es entsprechend der Darstellung der 2 und 3 möglich, dass
das Absperrelement 12 von außen auf den Behälter 10 einwirkt.
Das Absperrelement 12 könnte
alternativ jedoch auch innerhalb des Behälters 10 angeordnet
sein. Wenn das Absperrelement 12 von außen auf den Behälter 10 einwirkt, kann
es aus einem beliebigen Material bestehen. Insbesondere kann das
Absperrelement 12 aus Metall oder einem anderen elektrisch
leitenden Material bestehen. Es kann jedoch ebenso aus einem elektrisch isolierenden
Material bestehen, beispielsweise Kunststoff oder Keramik.
-
Bei
der Ausgestaltung gemäß den 4 und 5 ist
das Absperrelement 12 innerhalb des – elastischen oder starren – Behälters 10 angeordnet. In
diesem Fall muss das Absperrelement 12 aus einem elektrisch
isolierenden Material bestehen. Beispielsweise kann das Absperrelement 12 aus
Kunststoff bestehen. Vorzugsweise besteht es aus Keramik.
-
Das
Absperrelement 12 kann mechanisch vorgespannt sein, so
dass es im ansteuerungsfreien Zustand in einer vorbestimmten Schaltstellung
gehalten wird. Beispielsweise kann das Absperrelement 12 entsprechend 2 mittels
einer Feder 15 vorgespannt sein. In diesem Fall wird das
Absperrelement 12 je nach Kraftrichtung der Feder 15 in
der einen oder in der anderen Endstellung gehalten, wenn die Betätigungseinrichtung 7 nicht
angesteuert wird. Eine analoge Ausgestaltung ist selbstverständlich auch
bezüglich
der 4 und 5 möglich.
-
Alternativ
zum mechanischen Vorspannen in Richtung auf eine vorbestimmte der
Endstellungen hin ist es möglich,
dass das Absperrelement 12 mechanisch derart beschaltet
ist, dass es im ansteuerungsfreien Zustand sowohl in der einen Endstellung als
auch in der anderen Endstellung stabil gehalten wird. Dies wird
nachfolgend in Verbindung mit den 6 und 7 rein
beispielhaft für
das Absperrelement 12 der 4 und 5 näher erläutert. Eine entsprechende
Vorgehensweise ist jedoch ohne weiteres auch bei der Ausgestaltung
gemäß den 2 und 3 realisierbar.
-
Gemäß den 6 und 7 wird – rein beispielhaft – das Absperrelement 12 über einen
Anker 16 einer elektromagnetischen Schaltung betätigt. Der Anker 16 ist
hierbei linear zwischen den beiden in 6 und 7 gezeigten
Stellungen verschiebbar.
-
Der
Anker 16 wirkt über
eine Schubstange 17 und eine Kuppelstange 18 auf
das Absperrelement 12. Die Schubstange 17 ist
mittels einer Druckfeder 19 kraftbeaufschlagt. Die Druckfeder 19 ist
derart angeordnet, dass die von der Druckfeder 19 ausgeübte Kraftrichtung
orthogonal zur Schubstange 17 verläuft, wenn der Anker 16 sich
in etwa in der Mitte zwischen den beiden in 6 und 7 dargestellten
Stellungen befindet. Aus diesem Grund übt die Druckfeder 19 sowohl
in der in 6 gezeigten Stellung als auch
in der in 7 gezeigten Stellung des Ankers 16 eine
Kraft auf die Schubstange 17 aus, welche den Anker 16 und
damit indirekt auch das Absperrelement 12 in der jeweiligen
Endstellung hält. Auf
diese Art und Weise wird mittels einer einfachen Ausgestaltung ein
bistabiles Schaltverhalten der Schaltanordnung 2 bewirkt.
Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass die Betätigungseinrichtung 7 nur
für den
Schaltvorgang selbst mit elektrischer Energie beaufschlagt werden
muss. Das Verharren in der jeweiligen Schaltstellung erfolgt auch ohne
Beaufschlagen mit elektrischer Energie.
-
Die
elektrische Betätigungseinrichtung 7 ist bevorzugt
als elektromagnetische Schaltung (Schaltspule plus Anker 16)
ausgebildet. Diese Ausgestaltung ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
Die Betätigungseinrichtung 7 könnte alternativ
als Piezoaktor oder als Elektromotor ausgebildet sein.
-
Die
vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf. So ist zum einen
zum Überführen des
Absperrelements 12 von der einen in die andere Endstellung
eine geringere Schaltkraft erforderlich als bei üblichen elektromagnetischen
Schaltgeräten.
Bei entsprechender Ausgestaltung (vergleiche die 6 und 7)
kann die Energieversorgung sogar auf den Schaltvorgang selbst beschränkt sein.
-
Die
obige Beschreibung dient ausschließlich der Erläuterung
der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung
soll hingegen ausschließlich
durch die beigefügten
Ansprüche bestimmt
sein.