DE102017106773B4 - Kontaktsystem für eine Schaltfunktion in einem Abschaltrelais - Google Patents

Abstract

Kontaktsystem (1) für eine Schaltfunktion in einem Abschaltrelais, umfassend➢ ein oder mehrere Kontaktpaare, jeweils bestehend aus einem ersten Kontaktstück (5), das an einem ersten zum Relaisgehäuse des Abschaltrelais ortsfesten stromführenden Bauteil (7) befestigt ist, und einem zu dem ersten Kontaktstück (5) für die Schaltfunktion relativ bewegbaren zweiten Kontaktstück (6), wobei die Kontaktstücke (5; 6) derart zueinander positioniert sind, dass das zweite, bewegbare Kontaktstück (6) mittels einer Kontaktkraft auf das erste Kontaktstück (5) pressbar ist,➢ einen flexiblen Kontaktstückträger (2), aufweisend zwei über einen Verbindungsbereich (4, 4', 4") miteinander verbundene und im Übrigen bis zu ihren Federschenkelenden (3.1a; 3.2a) zueinander beabstandete Federschenkel (3.1; 3.2), wobei ein erster Federschenkel (3.1) mit seinem Federschenkelende (3.1a) an einem zweiten zum Relaisgehäuse ortsfesten stromführenden Bauteil (8) befestigt ist und das zweite, bewegbare Kontaktstück (6) an der Außenseite des zweiten, gegenüberliegenden Federschenkels (3.2) angebracht ist, wobei die Bewegbarkeit des zweiten Kontaktstücks durch die Flexibilität des Kontaktstückträgers (2) erreicht wird und die Kontaktkraft zumindest zum Teil auf einer durch Federeigenschaften des flexiblen Kontaktstückträgers (2) hervorgerufenen Vorspannung des flexiblen Kontaktstückträgers (2) relativ zum Relaisgehäuse des Abschaltrelais beruht, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüberliegenden Federschenkel (3.1; 3.2), ausgehend vom geschlossenen Verbindungsbereich (4, 4', 4") des flexiblen Kontaktstückträgers (2), einer V-Form entsprechend, mit einem spitzen Winkel auseinanderlaufen, so dass sich die Federschenkel (3.1; 3.2) bis zu ihren jeweiligen Federschenkelenden (3.1a; 3.2a) voneinander entfernen, wobei die Summe der Kontaktkraft aus der Federvorspannung und der magnetischen Abstoßungskraft aus dem Kontaktstückträger größer ist als die Abhebekraft.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Kontaktsystem für eine Schaltfunktion in einem Abschaltrelais, welches einen flexiblen Kontaktstückträger umfasst und zur Führung von Kurzschlussströmen variabler Höhe geeignet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Abschaltrelais, welches das Kontaktsystem mit dem flexiblen Kontaktstückträger umfasst.
• Flexible Kontaktträger werden insbesondere für den Einsatz in Abschaltrelais für Stromzähler (SmartMeter) eingesetzt. Abschaltrelais umfassen ein oder mehrere Kontaktpaare, bei denen jeweils ein Kontakt für eine Schaltfunktion im Relaisgehäuse fest und der andere Kontakt bewegbar angeordnet ist. Die Bewegbarkeit wird durch den flexiblen Kontaktträger erreicht, an dem der bewegbare Kontakt angebracht ist. Jedes Kontaktpaar wird mit einer Kontaktkraft aufeinander gepresst, welche zum Teil durch die Vorspannung des flexiblen Kontaktträgers relativ zum Relaisgehäuse erreicht wird.
• Im elektrischen Fehlerfall, bei dem es zu einem Kurzschluss kommt, fließt über die geschlossenen Kontakte ein Fehlerstrom. Aus dem Fehlerstrom resultiert je Kontaktpaar eine Abhebekraft, welche der Kontaktkraft entgegen gerichtet ist. Durch den flexiblen Kontaktträger soll das Abheben des bewegbaren Kontakts vom festen Kontakt für diesen Fehlerfall verhindert werden. Dies wird unabhängig von der Ausgangsposition der Kontakte, das heißt sowohl in der geschlossenen Position als auch in der auf den Kurzschluss geschalteten Position, sichergestellt. Im Fehlerfall wird die dauerhafte, stoffschlüssige Verbindung der einzelnen Kontakte im Kontaktpunkt, das Kontaktverschweißen, stark reduziert, wodurch das Relais funktionsfähig bleibt.
• Der Zusammenhang zwischen Fehlerstrom und Abhebekraft der Kontakte lässt sich, wie folgt, durch Gleichung I beschreiben. $$F_A=\mathrm{0,1}{r}^2\text{ln}\left(R\sqrt{\frac{\xi \pi H}{F_K}}\right)$$

  
• Dabei ist F_A die Abhebekraft, R der Radius eines kreisförmigen Kontaktstücks, r der Radius der Engstelle, F_K die Kontaktkraft, H die Härte des Kontaktwerkstoffes, x der Koeffizient der Oberflächenbeschaffenheit. Allgemein gilt für Abschaltrelais, dass die aus der Federvorspannung resultierende Kontaktkraft kleiner ist als die Abhebekraft.
• Ein Relais, bei dem ein Stromkreis mittels einer Kontaktfeder zwischen zwei elektrischen Relaiskontakten geschlossen oder unterbrochen ist, ist in der DE 10 2007 011 328 A1 beschrieben. An einem Magnetantrieb ist ein schwenkbarer Anker angeordnet, welcher derart mit der Kontaktfeder verbunden ist, dass der Kontakt zwischen den Relaiskontakten je nach Schwenkposition des Ankers geschaltet wird.
• Die Kontaktfedern von solchen Relais weisen eine gewisse Vorspannung auf, so dass die Vorspannungskraft überwunden werden muss, um den Kontakt zu öffnen oder zu schließen. Eine Federwirkung bei Auslenkung eines Schenkels ergibt sich bei einer U-förmigen Ausgestaltung eines Kontaktes. Aus dem Stand der Technik sind diverse Relais mit U-förmigen Kontaktfedern in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. In der DE 36 00 856 A1 wird ein Sicherheits-Schaltrelais offenbart, welches eine derart gebogene Kontaktfeder mit U-Form aufweist und auch in der US 3 211 874 A sind Kontakte für Relais offenbart, bei denen Kontaktfedern mit U-Form eingesetzt werden.
• In der DE 10 2010 017 872 A1 ist ein Kleinrelais zum Schalten großer Leistungen mit einer U-förmigen Kontaktfeder beschrieben. Bei einem Durchfließen der U-förmigen Kontaktfeder fließt der elektrische Strom durch die beiden Schenkel der Kontaktfeder in unterschiedliche Richtungen. Die auftretenden Abstoßungskräfte können je nach Bauweise und daraus folgender Kraftrichtung das Öffnen oder Schließen der Kontakte unterstützen.
• Aus der WO 2013/004 251 A1 ist ein Relais für einen Stromzähler bekannt, welches einen Verriegelungsaktuator, zum Beispiel einen linearen Magnetaktuator, sowie einen mechanischen Riegel, der zum zyklischen Umschalten zwischen einer ersten Riegelposition und einer zweiten Riegelposition betätigt werden kann, umfasst. Ein Relaisaktuator ist mit dem Riegel gekoppelt, um einer Bewegung des Riegels zu folgen. Des Weiteren ist der Relaisaktuator auch mit einer Kontaktfeder gekoppelt, die einen Stromkreis zwischen einem ersten und einem zweiten Relaisanschluss schließt oder unterbricht. Dabei ist die Kontaktfeder Teil eines Leiterpfades, der mindestens eine Biegung aufweist, so dass der Leiterpfad einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt umfasst, die einander zugewandt sind.
• Insbesondere bei Anwendungen in Elektroautos oder auch bei stationären Batterieanlagen werden mit Hilfe von Relais große Gleichströme geschaltet. Im Kurzschlussfall können dabei Ströme über 4000 A über die Kontakte fließen, weshalb bestimmte physikalische Effekte relevant für die Funktionsfähigkeit der Bauteile werden.
• Bei zwei flächenförmigen Kontakten, wie sie insbesondere zum Schalten großer Ströme verwendet werden, treten zwischen den Kontakten Abstoßungskräfte, die sogenannte Levitation, auf. Da die Kontakte sich nicht vollflächig berühren, fließt der Strom nicht gleichmäßig über die Kontaktfläche, sondern er muss durch eine punktuelle Engstelle fließen. Die entgegengesetzten Stromrichtungen, also zur Engstelle hin auf einem Kontakt und von der Engstelle weg auf dem anderen Kontakt, werden einander abstoßende Magnetfelder erzeugt. Wenn der elektrische Strom groß genug ist, so kann es zu einem spontanen Abheben der Kontakte kommen, wobei ein elektrischer Lichtbogen gezündet wird. Dadurch erwärmt sich das Material an den Stellen großer Stromdichte stark und es kann je nach Stromstärke und Dauer der Einwirkung zu einem Kontaktverschweißen und damit zu einer unerwünschten stoffschlüssigen Verbindung kommen.
• Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Kontaktsystem für eine Schaltfunktion in einem Abschaltrelais zu entwickeln, welches einfach in der Herstellung ist, und mit dem das Kontaktverschweißen im Vergleich zu bekannten Kontaktsystemen noch stärker reduziert werden kann.
• Die Aufgabe wird durch ein Kontaktsystem gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
• Das erfindungsgemäße Kontaktsystem für eine Schaltfunktion in einem Abschaltrelais umfasst
• ➢ ein oder mehrere Kontaktpaare, jeweils bestehend aus einem ersten Kontaktstück mit gekrümmter Oberfläche, das an einem ersten zum Relaisgehäuse des Abschaltrelais ortsfesten stromführenden Bauteil befestigt ist und einem zu dem ersten Kontaktstück für die Schaltfunktion relativ bewegbaren zweiten Kontaktstück mit gekrümmter Oberfläche, wobei die Kontaktstücke derart zueinander positioniert sind, dass das zweite, bewegbare Kontaktstück mittels einer Kontaktkraft auf das erste Kontaktstück pressbar ist,
• ➢ einen flexiblen Kontaktstückträger, aufweisend zwei über einen Verbindungsbereich miteinander verbundene und im Übrigen bis zu ihren Federschenkelenden zueinander beabstandete Federschenkel, wobei ein erster Federschenkel mit seinem Federschenkelende an einem zweiten zum Relaisgehäuse ortsfesten stromführenden Bauteil befestigt ist und das zweite, bewegbare Kontaktstück an der Außenseite des zweiten, gegenüberliegenden Federschenkels angebracht ist, wobei die Bewegbarkeit des zweiten Kontaktstücks durch die Flexibilität des Kontaktstückträgers erreicht wird und die Kontaktkraft zumindest zum Teil auf einer durch Federeigenschaften des flexiblen Kontaktstückträgers hervorgerufenen Vorspannung des flexiblen Kontaktstückträgers relativ zum Relaisgehäuse des Abschaltrelais beruht.
• Das Kontaktsystem kann auch als Kontaktbaugruppe bezeichnet werden. Unter einem flexiblen Kontaktstückträger mit Federeigenschaften wird im Rahmen dieser Erfindung ein Kontaktstückträger verstanden, dessen Flächenträgheitsmoment in Bewegungsrichtung des bewegbaren Kontakts deutlich reduziert ist im Vergleich zu den sonstigen stromführenden Bauteilen des Kontaktsystems, mit denen der flexible Kontaktstückträger verbunden ist. Erfindungsgemäß laufen die gegenüberliegenden Federschenkel, ausgehend vom geschlossenen Verbindungsbereich des flexiblen Kontaktstückträgers, im Wesentlichen einer V-Form entsprechend, mit einem spitzen Winkel auseinander, so dass sich die Federschenkel bis zu ihren jeweiligen Enden voneinander entfernen.
• Gemäß der Konzeption der Erfindung ist der flexible Kontaktstückträger mit der V-förmigen Ausrichtung der Federschenkel derart ausgebildet, dass die Summe der Kontaktkraft aus der Federvorspannung und der magnetischen Abstoßungskraft aus dem Kontaktstückträger größer ist als die Abhebekraft. Dadurch wird das Abheben des bewegbaren zweiten Kontaktstücks vom ersten, am ersten ortsfesten stromführenden Bauteil befestigten Kontaktstückträger verhindert und in der Folge das Kontaktverschweißen im Vergleich zum Stand der Technik stark vermindert, da sich die Flächenpressung im Kontaktpunkt, die sogenannte Hertz'sche Pressung, sowie die verfügbare elektrische Querschnittsfläche im Kontaktpunkt erhöhen, wohingegen sich die örtliche Stromdichte verringert, was die Erhitzung des Kontaktmaterials in der Kontaktstelle über dessen Schmelzpunkt hinaus stark reduziert. Unter der Hertzschen Pressung ist allgemein die größte mechanische Spannung zu verstehen, die in der Mitte der Berührungsfläche zweier elastischer Körper herrscht.
• Die Abstoßungskraft resultiert, wie bereits erwähnt, aus der Wechselwirkung zwischen dem Kontaktstückträger und dem den Kontaktstückträger umgebenden Magnetfeld, welches durch den Fehlerstrom erzeugt wird. Der allgemeine Zusammenhang zwischen Abstoßungskraft, Fehlerstrom (hier I₁=I₂=Fehlerstrom) und Abstand r der auf Länge L normierten Leiterstücke lässt sich, wie folgt, mit Gleichung II beschreiben. $$\frac{F}{L}=\frac{{\mathrm{\mu }}_0}{2\mathrm{\pi }}\frac{I_1{I}_2}{r}=\left(2\cdot {10}^{-7}\frac{N}{A^2}\right)\frac{I_1{I}_2}{r}$$

  
• Darüber hinaus besteht ein allgemeiner Zusammenhang zwischen Kontaktkraft und Hertz'scher Pressung, welcher sich mit Gleichung III beschreiben lässt, wobei F die Kraft zwischen den Körpern ist, E der Elastizitätsmodul, kurz E-Modul der Werkstoffe, E₁ der E-Modul des ersten Körpers, E₂ der E-Modul des zweiten Körpers und n die Poissonzahl ist. $$p_{max}=\frac{1}{\mathrm{\pi }}\sqrt[3]{\frac{\mathrm{1,5}F}{r^2}{\left(\frac{E}{1-v^2}\right)}^2}$$

  
• Dabei gilt für r und E, wie in den Gleichungen IV und V gezeigt, Folgendes: $$r=\frac{r_1\cdot r_2}{r_1+r_2}=\frac{1}{{\displaystyle \sum k}}$$

  

  $$E=2\frac{E_1\cdot E_2}{E_1+E_2}$$

  
• Der maximale Abstand der Federschenkel voneinander liegt vorteilhafterweise im Bereich der Federschenkelenden, genauer gesagt, zwischen der Position des bewegbaren Kontaktstücks am zweiten Federschenkel und der Position des zweiten ortsfesten Bauteils an dem ersten Federschenkel. Als Abstand der Federschenkel wird die Länge zwischen zwei auf den gegenüberliegenden Federschenkeln angeordneten Punkten bezeichnet, die die gleiche Entfernung zum Verbindungspunkt beziehungsweise Scheitelpunkt der beiden Federschenkel am Verbindungsbereich des V-förmigen Kontaktstückträgers haben. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entspricht der maximale Abstand der Federschenkel im verbauten Zustand des Kontaktstückträgers innerhalb des Abschaltrelais dem Abstand der geöffneten Kontaktstücke im geöffneten Zustand.
• Der Kontaktstückträger kann einteilig ausgeführt sein. Das heißt, dass beide Federschenkel durch dasselbe Teil gebildet werden. Alternativ kann der Kontaktstückträger auch mehrteilig ausgeführt sein. Das heißt, dass die beiden gegenüberliegenden Federschenkel nicht durch dasselbe, sondern durch verschiedene Teile gebildet werden.
• Die Federschenkel des Kontaktstückträgers können sowohl einlagig, das heißt aus nur einer Lage, als auch mehrlagig, das heißt jeweils aus mehreren parallelen Lagen, aufgebaut sein.
• Der Kontaktstückträger kann auch in seiner Form schalenförmig, mit ein- und/oder zweifach gekrümmten Flächenelementen, oder nach Art eines Volumenkörpers aufgebaut sein.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Kontaktstückträger derart ausgebildet, das er in seinem Flächenträgheitsmoment entlang der Länge des Kontaktstückträgers variiert.
• Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform enthält der flexible Kontaktstückträger im Vergleich zur Gesamtlänge des Kontaktstückträgers kurze Bereiche von bis zu einem Fünftel der Gesamtlänge des Kontaktstückträgers, in denen der Wert des Abstands zwischen gegenüberliegenden Innenwänden des Kontaktstückträgers den Wert des Abstands zwischen den Federschenkelenden überschreitet.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Versteifungselement mit diamagnetischen oder paramagnetischen Materialeigenschaften vorgesehen, das zumindest einen der Federschenkel des flexiblen Kontaktstückträgers zumindest teilweise umschließt, derart, dass der Bewegungsspielraum für die Durchbiegung des Federschenkels und somit der maximale Abstand zwischen den Federschenkeln begrenzt ist. Durch ein solches diamagnetisches oder paramagnetisches Versteifungselement zur Begrenzung des Maximalabstandes zwischen den Federschenkeln kann eine Verstärkung der Abstoßungskräfte zwischen den Federschenkeln erreicht werden. Da zwischen den Federschenkeln und dem Versteifungselement ein gewisses Spiel herrscht, wird die Federkonstante des flexiblen Kontaktstückträgers vorteilhaft beim Öffnen und Schließen der Kontakte im Normalbetrieb nicht beeinflusst. Im elektrischen Fehlerfall wird die durch den Fehlerstrom verursachte Durchbiegung und somit der maximale Abstand zwischen den Federschenkeln allerdings begrenzt. Folglich erhöht sich die Federkonstante bei einer derart großen Durchbiegung des Federschenkels, die größer als das Spiel ist. So lassen sich bei geringen Federkonstanten unter den genannten Voraussetzungen große Kräfte übertragen. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Abschaltrelais, welches das erfindungsgemäße Kontaktsystem umfasst.
• In einer bevorzugten Variante weist das Abschaltrelais zusätzlich zu dem Kontaktsystem einen Anker auf, welcher mechanisch derart mit dem bewegbaren Kontaktstückträger gekoppelt ist, dass eine Bewegung des Ankers auf den Kontaktstückträger übertragen wird. Somit wird der Kontakt über eine mechanische Bewegung des bewegbaren oder flexiblen Kontaktstückträgers geschaltet, wobei das bewegbare Kontaktstück von dem Festkontaktstück weg oder zu dem Festkontaktstück hin bewegt wird. Die Bewegung des Ankers schaltet somit den Kontakt zwischen den beiden stromführenden Bauteilen des Kontaktsystems. Der Anker ist ein Bauteil einer Aktorbaugruppe, welche wenigstens eine Erregerspule umfasst. Aufgrund eines von der Erregerspule erzeugten magnetischen Feldes wird eine Kraft auf ein magnetisches Bauteil ausgeübt, welches mechanisch mit dem Anker derart gekoppelt ist, dass die aufgrund des magnetischen Feldes erzeugte Kraft direkt zu einer Bewegung des Ankers und somit zu einer Bewegung des flexiblen Kontaktstückträgers führt, was direkt die Schaltung des Kontaktes zwischen den stromführenden Bauteilen mittels des Kontaktstückpaares hervorruft.
• Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
• 1A: eine erste Ausführungsform eines Kontaktsystems für ein Abschaltrelais mit einem einteiligen, mehrlagigen Kontaktstückträger,
• 1B: ein Kontaktsystem mit einem zweiteiligen, mehrlagigen Kontaktstückträger,
• 1C: ein Kontaktsystem mit einem einteiligen, einlagigen Kontaktstückträger,
• 1D: ein Kontaktsystem mit einem einteiligen, einlagigen Kontaktstückträger mit einem hohlzylindrischen Verbindungsbereich,
• 2A-D: ein Kontaktsystem mit zwei einteiligen, mehrlagigen Kontaktstückträgern mit einem Versteifungselement und
• 3A-C: ein Kontaktsystem mit zwei einteiligen, mehrlagigen Kontaktstückträgern mit einem alternativen Versteifungselement.
• In 1A ist ein Kontaktsystem 1 eines Abschaltrelais unter Verwendung einer Ausgestaltung eines im Wesentlichen V-förmigen Kontaktstückträgers 2 dargestellt. Der V-förmige Kontaktstückträger 2 besteht aus zwei übereinander angeordneten, miteinander verbundenen Federschenkeln 3.1; 3.2, einem ersten, oberen Federschenkel 3.1 und einem zweiten, unteren Federschenkel 3.2. Die beiden Federschenkel 3.1; 3.2 sind durch einen abgerundeten Verbindungsbereich 4 miteinander verbunden. Das Kontaktsystem 1 schaltet einen Kontakt zwischen einem ersten, ortsfesten Festkontaktstück 5 und einem zweiten, bewegbaren Kontaktstück 6. Unterhalb des zweiten, unteren Federschenkels 3.2 ist an diesem im Bereich des Federschenkelendes 3.2a das bewegbare Kontaktstück 6 angeordnet. Dessen Gegenstück, das Festkontaktstück 5, ist mit einem ersten zum Relaisgehäuse ortsfesten Bauteil 7 leitend verbunden. Das bewegbare Kontaktstück 6 wirkt derart mit dem Festkontaktstück 5 zusammen, dass das Kontaktsystem 1 zur Schaltung eines Stromkreises genutzt werden kann. Dabei kann mittels der Kontaktstücke 5, 6 der Stromkreis zwischen den zwei zum Relaisgehäuse ortsfesten Bauteilen 7, 8, welche auch als untere und obere Stromschiene bezeichnet werden, unterbrochen oder geschlossen werden. Die beiden Stromschienen 7, 8 sind ortsfest zum Relaisgehäuse im Abschaltrelais verbaut. Auf der Oberseite der oberen Stromschiene 8 ist der Kontaktstückträger 2 mit einem Federschenkelende 3.1a des oberen Federschenkels 3.1 an der oberen Stromschiene 8 fest angebracht und mit dieser leitend verbunden. Das Festkontaktstück 5 ist direkt auf der Oberseite der unteren Stromschiene 7 angeordnet und mit dieser leitend verbunden.
• In diesem Ausführungsbeispiel ist der Kontaktstückträger 2 des Kontaktsystems 1 einteilig ausgebildet. Aufgrund des zwischen den Federschenkeln 3.1; 3.2 eingeschlossenen spitzen Winkels, ist die Lage der Federschenkel 3.1; 3.2 zueinander V-förmig. Dadurch ist der Abstand zwischen den Federschenkeln 3.1; 3.2 nahe dem abgerundeten Verbindungsbereich sehr klein. Dieser geringe Abstand sorgt dafür, dass bestimmte elektromagnetische Effekte einen starken Einfluss haben. Im Falle eines Stromflusses durch den Kontaktstückträger 2 zum bewegbaren Kontakt 6 und dann zum Festkontakt 5 ist die Richtung des Stromflusses in den beiden Federschenkeln 3.1; 3.2 entgegengesetzt. Das resultierende Magnetfeld verursacht zwischen den beiden Federschenkeln 3.1; 3.2 eine abstandsabhängige Abstoßungskraft. Die Abstoßungskraft ist größer, je geringer der Abstand der Federschenkel 3.1; 3.2 zueinander ist. Da der obere Federschenkel 3.1 mit der oberen Stromschiene 8 fest verbunden ist, wird der bewegliche Federschenkel 3.2 von dem ersten Federschenkel 3.1 abgestoßen und nach unten gedrückt. Daraus resultiert eine Kraftwirkung auf das bewegbare Kontaktstück 6, die das bewegbare Kontaktstück 6 zusätzlich auf das Festkontaktstück 5 presst. Diese Kraftwirkung ist stärker bei einem höheren, durch den Kontaktstückträger 2 hindurch fließenden Strom. Aufgrund dessen ist diese Kraft insbesondere im Fehlerfall, bei dem im Falle eines Kurzschlusses Ströme von über 4 kA fließen können, entscheidend und trägt deshalb vorteilhaft dazu bei, dass sich das bewegbare Kontaktstück 6 nicht aufgrund der Abhebekraft von dem Festkontaktstück 5 abhebt. Der flexible Kontaktstückträger 2 ist mit der V-förmigen Ausrichtung der Federschenkel 3.1; 3.2 derart ausgebildet, dass die Summe der Kontaktkraft aus der Federvorspannung und der magnetischen Abstoßungskraft aus dem Kontaktstückträger 2 größer ist als die Abhebekraft.
• Der hier dargestellte Kontaktstückträger 2 ist mehrlagig ausgeführt. Die mehrlagige Ausbildung eröffnet die Möglichkeit, für die verschiedenen parallelen Lagen oder Schichten unterschiedliche Materialien zu verwenden, wodurch eine Beeinflussung der mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Kontaktstückträgers 2 erreicht werden kann. So können durch eine Verwendung bestimmter Materialien die Federungseigenschaften optimal eingestellt werden. Zudem ist auch eine Variation der Leitfähigkeit möglich. Des Weiteren sind vorhandene Abstände zwischen den einzelnen Lagen des Kontaktstückträgers 2 vorteilhaft für eine effiziente Wärmeabfuhr.
• Die 1B zeigt eine mehrteilige, mehrlagige Ausführungsform des Kontaktstückträgers 2 des Kontaktsystems 1. Dabei ist der Kontaktstückträger 2 mehrteilig aus zwei einzelnen Teilen ausgeführt. Der erste Teil umfasst den oberen Federschenkel 3.1, der mit seinem Federschenkelende 3.1a an der Unterseite der oberen Stromschiene 8 angebracht ist. Am anderen Ende des oberen Federschenkels 3.1 ist unterhalb dessen der untere Federschenkel 3.2 angeordnet, der den zweiten Teil des mehrteiligen Kontaktstückträgers 2 bildet. Im Verbindungsbereich 4' sind die beiden Federschenkel 3.1; 3.2 parallel übereinander angeordnet und leitend miteinander verbunden. Dabei treffen die beiden V-förmig zueinander ausgerichteten Bereiche der Federschenkel 3.1; 3.2 im Verbindungsbereich 4' im Scheitelpunkt des spitzen Winkels aufeinander. Der Verbindungsbereich 4' ist an diesem Scheitelpunkt nicht abgerundet. Unterhalb des zweiten, unteren Federschenkels 3.2 ist an diesem im Bereich des Federschenkelendes 3.2a das bewegbare Kontaktstück 6 angeordnet. Dessen Gegenstück, das Festkontaktstück 5, ist mit einem ersten zum Relaisgehäuse ortsfesten Bauteil 7, der unteren Stromschiene 7, leitend verbunden.
• Weitere Ausführungsbeispiele für Kontaktsysteme 1 eines Abschaltrelais, bei denen die Kontaktstückträger 2 einteilig und nur aus einer einzigen Lage ausgebildet sind, sind in 1C und 1D dargestellt.
• Der Kontaktstückträger 2 gemäß 1C ist unterhalb der oberen Stromschiene 8 angeordnet. Der Verbindungsbereich 4 des oberen und des unteren Federschenkels 3.1; 3.2 ist bei dieser Variante abgerundet ausgebildet.
• In der alternativen Variante des Kontaktsystems 1, die in 1D dargestellt ist, ist der Verbindungsbereich 4" des Kontaktstückträgers 2 im Wesentlichen hohlzylindrisch mit kreisförmiger Grundfläche ausgebildet. Eine kleine Öffnung des Kreises beziehungsweise in der Wand des im Wesentlichen hohlzylindrischen Verbindungsbereichs 4" bildet dabei den geringsten Abstand zwischen den gegenüberliegenden Federschenkeln 3.1; 3.2. In dieser Ausführungsvariante enthält der flexible Kontaktstückträger 2 somit einen im Vergleich zur Gesamtlänge des Kontaktstückträgers 2 kurzen Bereich, in dem der Wert des Abstands zwischen gegenüberliegenden Innenwänden des Kontaktstückträgers, nämlich der Durchmesser des hohlzylindrischen Verbindungsbereichs 4", den Wert des maximalen Abstands zwischen den Federschenkelenden 3.1 a; 3.2a überschreitet. Als Abstand zwischen den Federschenkelenden 3.1 a; 3.2a wird die Entfernung zwischen einem Punkt an der Position des bewegbaren Kontaktstücks 6 am Federschenkel 3.2 und einem Punkt an der Position 3.1a des zweiten ortsfesten Bauteils 8 an dem Federschenkel 3.1, bezeichnet, wobei die beiden Punkte jeweils die gleiche Entfernung zur Öffnung in der Wand des hohlzylindrischen Verbindungsbereiches 4" aufweisen.
• In den 2A, 2B, 2C und 2D sowie in den 3A, 3B und 3C sind zwei verschiedene Ausführungsbeispiele eines Versteifungselementes 9 in Verbindung mit zwei parallelen Kontaktstückträgern 2 in verschiedenen Ansichten dargestellt. Das Kontaktsystem 1 ist dabei jeweils ohne das erste ortsfeste Bauteil sowie das Festkontaktstück dargestellt. In dieser Variante ist ein Versteifungselement 9 aus dia- oder paramagnetischem Material an den zwei einteilig und mehrlagig ausgebildeten Kontaktstückträgern 2 angeordnet. Das Versteifungselement 9 umschließt dabei mindestens einen der beiden Federschenkel 3.1, 3.2 zumindest zum Teil. Das Versteifungselement 9 umfasst den Federschenkel 3.1, 3.2 formschlüssig, wobei zwischen dem Federschenkel 3.1, 3.2 und dem Versteifungselement 9 ein gewisses Spiel S besteht. Der Bewegungsspielraum für die Durchbiegung des Federschenkels 3.1, 3.2 wird auf das Maß S begrenzt und somit wird die Abstandsvergrößerung zwischen den Federschenkeln 3.1, 3.2 eingeschränkt. Das Spielmaß S ist derart bemessen, dass die Federkonstante des flexiblen Kontaktstückträgers 2 beim Öffnen beziehungsweise Schließen der Kontakte im Normalbetrieb nicht beeinflusst wird. Im elektrischen Fehlerfall wird die durch den Fehlerstrom verursachte Durchbiegung und somit der maximale Abstand zwischen den Federschenkeln 3.1, 3.2 begrenzt. Folglich erhöht sich die Federkonstante bei einer Durchbiegung des Federschenkels 3.1, 3.2 größer dem Spielmaß S. So lassen sich bei geringen Federkonstanten unter den genannten Voraussetzungen große Kräfte übertragen.
• Das Ausführungsbeispiel des Versteifungselementes 9, das in den 2A, 2B, 2C und 2D dargestellt ist, ist derart geformt, dass es zwei nebeneinander angeordnete, parallele Kontaktstückträger 2, welche einteilig und mehrlagig ausgebildet sind und an denen jeweils ein bewegbares Kontaktstück 6 angeordnet ist, verbinden kann, wenn es auf die beiden Kontaktstückträger 2 aufgeschoben wird. Dieses Versteifungselement 9 besteht hauptsächlich aus einem flächenförmigen Abschnitt, an den an zwei gegenüberliegenden Rändern gebogene Abschnitte angrenzen. Die beiden gegenüberliegenden Seiten sind dabei derart gebogen gestaltet, dass das Versteifungselement 9 im auf die Kontaktstückträger 2 aufgeschobenen Zustand jene zwei Seiten der Kontaktstückträger 2, die von dem jeweils anderen Kontaktstückträger 2 abgewandt sind, umfasst. Die beiden Kontaktstückträger 2 umfassen dabei jeweils einen ersten und einen zweiten Federschenkel 3.1; 3.2, welche über einen U-förmigen Verbindungsbereich 4 verbunden sind. Dabei ist der zweite Federschenkel 3.2 mit dem zweiten zum Relaisgehäuse ortsfesten Bauteil 8 verbunden. Das Versteifungselement 9 wird über die beiden zweiten Federschenkel 3.2 des Kontaktstückträgers 2 geschoben und somit wird die Durchbiegung der zweiten Federschenkel 3.2 derart begrenzt, dass der maximale Abstand der ersten Federschenkel 3.1 zu den zweiten Federschenkeln 3.2 begrenzt ist. Das Versteifungselement 9 weist ferner mehrere Öffnungen 10 mit darin angeordneten, gebogenen Haken 11 zur Fixierung des Versteifungselementes 9 an den einander zugewandten Seiten der beiden Kontaktstückträger 2 auf. In 2A sind die zwei bewegbaren Kontaktstücke 6 sowie das Versteifungselement 9 im unmontierten Zustand, in Form einer Explosivdarstellung, neben den beiden parallelen Kontaktstückträgern 2 mit jeweils einer Durchgangsöffnung 12 im Endbereich der zweiten Federschenkel 3.2 dargestellt. In 2B wurde das Versteifungselement 9 auf die beiden parallelen Kontaktstückträger 2 aufgeschoben und die beiden bewegbaren Kontaktstücke 6 wurden in den in 2A dargestellten Durchgangsöffnungen 12 der Kontaktstückträger 2 befestigt. 2C zeigt die Kontaktstückträger 2 mit montiertem Versteifungselement 9 und montierten bewegbaren Kontaktstücken 6 aus einer seitlichen Perspektive. Das Versteifungselement 9 ist an dem zweiten Federschenkel 3.2 angebracht, an dem auch das bewegbare Kontaktstück 6 angeordnet ist. Der zweite Federschenkel 3.2 ist über einen abgerundeten Verbindungsbereich 4 mit dem ersten Federschenkel 3.1 verbunden, welcher an der oberen Stromschiene 8 befestigt ist. Die darin gekennzeichnete Schnittebene A-A ist in 2D dargestellt. In dieser Darstellung ist gut zu erkennen, dass die äußeren Enden des Versteifungselementes 9 die zweiten Federschenkel 3.2 der beiden parallelen Kontaktstückträger 2 umfassen. Des Weiteren ist das Versteifungselement 9 an den Kontaktstückträgern 2 mittels der gebogenen Haken 11 fixiert. Die Haken 11 sind derart geformt, dass sie die einander zugewandten Seiten der zweiten Federschenkel 3.2 umfassen und somit das System aus Versteifungselement 9 und den beiden Kontaktstückträgern 2 stabilisieren. Unterhalb des flächenförmigen Abschnittes des Versteifungselementes 9 und oberhalb der Kontaktstückträger 2 ist ein gewisses Spiel S vorhanden. Unterhalb des Versteifungselementes 9 sind in dieser Darstellung die ersten Federschenkel 3.1 der zwei Kontakststückträger 2 abgebildet.
• Eine alternative Variante eines Versteifungselementes 9 ist in den 3A, 3B und 3C dargestellt. Auch dieses balkenförmige Versteifungselement 9 ist geeignet zwei parallele Kontaktstückträger 2 zu verbinden und zu versteifen, sodass die Durchbiegung der Federschenkel und somit der Abstand der ersten zu den zweiten Federschenkeln begrenzt ist. Auch bei dieser Variante bleibt ein gewisses Spiel S zwischen dem Versteifungselement 9 und dem Kontaktstückträger 2 bestehen. In 3A sind die beiden Kontaktstückträger 2, welche jeweils einen ersten und einen zweiten Federschenkel 3.1; 3.2 aufweisen, neben den bewegbaren Kontaktstücken 6 und dem Versteifungselement 9 dargestellt. Die zweiten Federschenkel 3.2 weisen jeweils eine Durchgangsöffnung 12 auf, an denen die bewegbaren Kontaktstücke 6 befestigbar sind. Das Versteifungselement 9 besteht dabei aus zwei parallelen, plattenförmigen Elementen, welche über einen mittigen, über die Länge der beiden plattenförmigen Elemente durchgängigen Steg verbunden sind. Das Versteifungselement 9 wird zur Versteifung der Kontaktstückträger 2 zwischen die beiden parallelen zweiten Federschenkel 3.2 eingeschoben. Der montierte Zustand ist in 3B dargestellt. Die ersten Federschenkelenden 3.1 der Kontaktstückträger 2 sind mit einem zweiten zum Relaisgehäuse ortsfesten, stromführenden Bauteil 8 verbunden und die zweiten Federschenkelenden 3.2 werden durch das balkenförmige Versteifungselement 9 derart miteinander verbunden, dass die Durchbiegung der zweiten Federschenkel 3.2 begrenzt wird. Oberhalb der zweiten Federschenkel 3.2 ist das obere flächenförmige Element 13 des Versteifungselementes 9 abgebildet und am längsseitigen Ende ist des Weiteren der Steg 15 zur Verbindung des oberen flächenförmigen Elementes 13 mit dem hier nicht dargestellten unteren flächenförmigen Element abgebildet. In der Darstellung von der Seite, wie in 3C abgebildet, sind oberhalb der zweiten Federschenkel 3.2 der Kontaktstückträger 2 das obere flächenförmige Element 13 und unterhalb das untere flächenförmige Element 14 dargestellt. Zwischen dem oberen flächenförmigen Element 13 und der Oberseite des zweiten Federschenkels 3.2 ist ein Abstand S abgebildet, der dem Spiel S zwischen dem Versteifungselement 9 und dem Kontaktstückträger 2 entspricht.
• Bezugszeichenliste

1

Kontaktsystem

2

Kontaktstückträger

3.1

(erster) Federschenkel

3.1a

Federschenkelende (des Federschenkels 3.1)

3.2

(zweiter) Federschenkel

3.2a

Federschenkelende (des Federschenkels 3.2)

4

abgerundeter Verbindungsbereich

4'

spitzer Verbindungsbereich

4"

hohlzylindrischer Verbindungsbereich

5

Festkontaktstück, Kontaktstück, erstes Kontaktstück, Festkontakt

6

bewegbares Kontaktstück, Kontaktstück, zweites Kontaktstück, Kontakt

7

(untere) Stromschiene, erstes zum Relaisgehäuse ortsfestes stromführendes Bauteil

8

(obere) Stromschiene, zweites zum Relaisgehäuse ortsfestes stromführendes Bauteil

9

Versteifungselement

10

Öffnungen

11

Haken

12

Durchgangsöffnungen

13

oberes flächenförmiges Element

14

unteres flächenförmiges Element

15

Steg

A-A

Schnittebene

S

Spiel

Claims (12)

1. Kontaktsystem (1) für eine Schaltfunktion in einem Abschaltrelais, umfassend ➢ ein oder mehrere Kontaktpaare, jeweils bestehend aus einem ersten Kontaktstück (5), das an einem ersten zum Relaisgehäuse des Abschaltrelais ortsfesten stromführenden Bauteil (7) befestigt ist, und einem zu dem ersten Kontaktstück (5) für die Schaltfunktion relativ bewegbaren zweiten Kontaktstück (6), wobei die Kontaktstücke (5; 6) derart zueinander positioniert sind, dass das zweite, bewegbare Kontaktstück (6) mittels einer Kontaktkraft auf das erste Kontaktstück (5) pressbar ist, ➢ einen flexiblen Kontaktstückträger (2), aufweisend zwei über einen Verbindungsbereich (4, 4', 4") miteinander verbundene und im Übrigen bis zu ihren Federschenkelenden (3.1a; 3.2a) zueinander beabstandete Federschenkel (3.1; 3.2), wobei ein erster Federschenkel (3.1) mit seinem Federschenkelende (3.1a) an einem zweiten zum Relaisgehäuse ortsfesten stromführenden Bauteil (8) befestigt ist und das zweite, bewegbare Kontaktstück (6) an der Außenseite des zweiten, gegenüberliegenden Federschenkels (3.2) angebracht ist, wobei die Bewegbarkeit des zweiten Kontaktstücks durch die Flexibilität des Kontaktstückträgers (2) erreicht wird und die Kontaktkraft zumindest zum Teil auf einer durch Federeigenschaften des flexiblen Kontaktstückträgers (2) hervorgerufenen Vorspannung des flexiblen Kontaktstückträgers (2) relativ zum Relaisgehäuse des Abschaltrelais beruht, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüberliegenden Federschenkel (3.1; 3.2), ausgehend vom geschlossenen Verbindungsbereich (4, 4', 4") des flexiblen Kontaktstückträgers (2), einer V-Form entsprechend, mit einem spitzen Winkel auseinanderlaufen, so dass sich die Federschenkel (3.1; 3.2) bis zu ihren jeweiligen Federschenkelenden (3.1a; 3.2a) voneinander entfernen, wobei die Summe der Kontaktkraft aus der Federvorspannung und der magnetischen Abstoßungskraft aus dem Kontaktstückträger größer ist als die Abhebekraft.
2. Kontaktsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Abstand der Federschenkel (3.1; 3.2) voneinander im Bereich der Federschenkelenden (3.1a; 3.2a) liegt, wobei der Wert des maximalen Abstands zwischen den Federschenkeln (3.1; 3.2) im verbauten Zustand des Kontaktstückträgers (2) innerhalb des Abschaltrelais dem Wert des Abstand der geöffneten Kontaktstücke (5; 6) entspricht.
3. Kontaktsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktstückträger (2) einteilig ausgeführt ist.
4. Kontaktsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktstückträger (2) mehrteilig ausgeführt ist.
5. Kontaktsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Federschenkel (3.1; 3.2) des Kontaktstückträgers (2) jeweils aus mehreren parallelen Lagen aufgebaut sind.
6. Kontaktsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Federschenkel (3.1; 3.2) des Kontaktstückträgers (2) jeweils aus nur einer Lage aufgebaut sind.
7. Kontaktsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktstückträger (2) in seiner Form schalenförmig, mit ein- und/oder zweifach gekrümmten Flächenelementen, oder nach Art eines Volumenkörpers aufgebaut ist.
8. Kontaktsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der flexible Kontaktstückträger (2) in seinem Flächenträgheitsmoment entlang der Länge des Kontaktstückträgers variiert.
9. Kontaktsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der flexible Kontaktstückträger (2) im Vergleich zur Gesamtlänge des Kontaktstückträgers (2) kurze Bereiche von bis zu einem Fünftel der Gesamtlänge des Kontaktstückträgers (2) enthält, in denen der Wert des Abstands zwischen gegenüberliegenden Innenwänden des Kontaktstückträgers (2) den Wert des maximalen Abstands zwischen den gegenüberliegenden Bereichen an den Federschenkelenden (3.1a; 3.2a) überschreitet.
10. Kontaktsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Versteifungselement (9) mit diamagnetischen oder paramagnetischen Materialeigenschaften vorgesehen ist, das den flexiblen Kontaktstückträger (2) an mindestens einem der zwei Federschenkel (3.1; 3.2) zumindest teilweise umschließt, derart, dass der Bewegungsspielraum für die Durchbiegung des Federschenkels (3.1; 3.2) und somit der maximale Abstand zwischen den Federschenkeln (3.1; 3.2) begrenzt ist.
11. Abschaltrelais für Stromzähler, umfassend ein Kontaktsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
12. Abschaltrelais nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass es ferner einen Anker sowie wenigstens eine Erregerspule umfasst, wobei die Erregerspule aufgrund des von ihr erzeugten Magnetfeldes eine Kraft hervorruft, welche mittels des Ankers derart auf das Kontaktsystem übertragen wird, dass das Kontaktsystem durch die Erregerspule schaltbar ist.

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