DE102011052003A1

DE102011052003A1 - Schaltvorrichtung mit Überlastsicherungsvorrichtung und einem ersten und einem zweiten Betätigungsorgan

Info

Publication number: DE102011052003A1
Application number: DE102011052003A
Authority: DE
Inventors: Roman Dietrich; Andreas Minke; Matthias Kroeker
Original assignee: Tyco Electronics AMP GmbH; Volkswagen AG
Current assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Priority date: 2011-07-20
Filing date: 2011-07-20
Publication date: 2013-01-24
Anticipated expiration: 2031-07-21
Also published as: DE102011052003B4; WO2013020783A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung (1) für Betriebs- oder Laststrompfade mit einem geschlossenen Schaltzustand (B) und einem offenen Schaltzustand (S). Um zu gewährleisten, dass Betriebs- oder Laststrompfade bei zu hohen Betriebsströmen oder auf Wunsch unterbrochen werden können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Schaltvorrichtung (1) ein erstes (15) und ein zweites (40) Betätigungsorgan aufweist, die den Schaltzustand (B, S) beeinflussend ausgebildet sind, wobei das erste Betätigungsorgan (15) im Betriebsstrompfad (5) und das zweite Betätigungsorgan (40) in einem Steuerstrompfad (41) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung mit einer Schalteinrichtung, die in einem geschlossenen Schaltzustand zumindest teilweise in einem Betriebsstrompfad der Schaltvorrichtung angeordnet ist und durch die der Betriebsstrompfad in einem offenen Schaltzustand der Schaltvorrichtung unterbrochen ist.
Schaltvorrichtungen sind allgemein bekannt. Insbesondere Betriebs- oder Laststrompfade von zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Automobilen sind mit Schaltvorrichtungen ausgestattet. Einige Schaltvorrichtungen unterbrechen den Betriebs- oder Laststrompfad als Folge eines Steuersignals, das aufgrund einer externen Anforderung, zum Beispiel durch den Fahrer, von einer Überwachungseinrichtung oder von einem Unfallsensor hervorgerufen, ausgelöst wird. Solche Schaltvorrichtungen können als steuerbare Schalter bezeichnet werden. Andere Schaltvorrichtungen sind als Überlastsicherungsvorrichtung, beispielsweise als Schmelzsicherung, ausgestaltet und schützen elektrotechnische Bauteile vor zu hohen Betriebsströmen.
Oftmals sind beide der obigen Typen von Schaltvorrichtungen im Betriebs- oder Laststrompfad vorgesehen, was zu vermehrten Kosten und zu einem erhöhten Platzbedarf für die Schaltvorrichtungen führt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schaltvorrichtung bereitzustellen, die einen preiswerten und einen verringerten Platzbedarf aufweisenden Aufbau von Betriebs- oder Laststrompfaden ermöglicht.
Diese Aufgabe wird für die eingangs genannte Schaltvorrichtung dadurch gelöst, dass die Schaltvorrichtung ein erstes und ein zweites Betätigungsorgan aufweist, die den Schaltzustand beeinflussend ausgebildet sind, wobei das erste Betätigungsorgan im Betriebsstrompfad und das zweite Betätigungsorgan in einem Steuerstrompfad angeordnet sind.
Durch die Verwendung von zwei den Schaltzustand beeinflussenden Betätigungsorganen in eine Schaltvorrichtung sind die Funktionen der im Stand der Technik verwendeten zwei Schaltvorrichtungen in die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung integriert, die sowohl die Funktion der Überlastsicherungsvorrichtung als auch die Funktion des steuerbaren Schalters aufweist. Folglich reicht es aus, anstelle der zwei bekannten Schaltvorrichtungen nur die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung im Betriebs- oder Laststrompfad anzuordnen. Dies spart Materialkosten und Platzbedarf des Betriebs- oder Laststrompfads und erleichtert dessen Aufbau.
Die erfindungsgemäße Lösung kann durch verschiedene, jeweils für sich vorteilhafte, beliebig miteinander kombinierbare Ausgestaltungen weiter verbessert werden. Auf diese Ausgestaltungsformen und die mit ihnen verbundenen Vorteile wird im Folgenden eingegangen.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltungsform kann die Schalteinrichtung durch das erste Betätigungsorgan zumindest teilweise von oberhalb eines Grenzbetriebsstroms liegenden Betriebsströmen betätigbar und vom geschlossenen Schaltzustand in den offenen Schaltzustand überführbar ausgestaltet sein.
Die direkte Verwendung des Betriebsstroms zur Änderung des Schaltzustandes macht Steuersignale und diese erzeugende oder verwendende Vorrichtungen zum Schutz der im Betriebsstrompfad angeordneten elektrotechnischen Bauteile vor oberhalb des Grenzbetriebsstroms liegenden Betriebsströmen unnötig. Die Trennung bzw. Unterbrechung des Betriebsstrompfades, beispielsweise bei Erreichen oder Überschreiten des Grenzbetriebsstroms, erfolgt zuverlässig und ist nicht von Schmelzeigenschaften der Schmelzsicherungen oder von Umgebungsparametern, wie etwa der Umgebungstemperatur, abhängig.
Das erste Betätigungsorgan ist bevorzugt Teil einer Überlastsicherungsvorrichtung der Schaltvorrichtung.
Das erste Betätigungsorgan kann einen Abschnitt des Betriebsstrompfades aufweisen, der zumindest teilweise gewunden ausgeformt ist. Der gewundene Abschnitt des vom Betriebsstrom durchflossenen Betriebsstrompfades kann ein Magnetfeld hervorrufen, dessen Stärke proportional zur Höhe des Betriebsstroms ist. Die Schaltvorrichtung kann so ausgestaltet sein, dass das Magnetfeld den Schaltzustand beeinflusst bzw. ändert, beispielsweise wenn der Betriebsstrom den Grenzbetriebsstrom erreicht oder überschreitet.
Aufgrund der direkten Beziehung zwischen der Magnetfeldstärke und der Betriebsstromhöhe wird der Schaltzustand bei Erreichen oder Überschreiten des Grenzbetriebsstroms zuverlässig und ohne Einfluss externer Faktoren geändert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform kann die Schalteinrichtung durch das zweite Betätigungsorgan zumindest teilweise von einem Steuerstrom betätigbar und vom geschlossenen Schaltzustand in den offenen Schaltzustand überführbar ausgestaltet sein.
Auch der Steuerstrom kann ein Magnetfeld, insbesondere ein Steuermagnetfeld, hervorrufen, das den Schaltzustand beeinflussen oder ändern kann. Hierdurch ergibt sich wie beim Magnetfeld des ersten Betätigungsorgans die oben genannte Unabhängigkeit von externen Faktoren, wie etwa der Umgebungstemperatur. Da der Steuerstrom unabhängig vom Betriebsstrom sein kann, kann der Schaltzustand der Schaltvorrichtung bedarfsgerecht geändert und insbesondere der Betriebsstrompfad unterbrochen werden.
Der Steuerstrom kann unabhängig vom Betriebsstrom einstellbar und der Steuerstrom- und der Betriebsstrompfad können voneinander getrennt den jeweiligen Strom leiten, gegebenenfalls von einer gemeinsamen Energiequelle zu einer gemeinsamen Energiesenke.
Zum Erzeugen des Steuermagnetfeldes kann das zweite Betätigungsorgan einen zumindest teilweise gewunden ausgeformten Abschnitt des Steuerstrompfades aufweisen. Insbesondere kann der gewunden ausgeformte Abschnitt des Steuerstrompfades als eine Spule ausgebildet sein, deren Windungen parallel zu einer Windungs- oder Schlaufenebene und um eine zentrale Windungsachse verlaufen.
Um die Schaltvorrichtung besonders kompakt aufbauen zu können, kann das zweite Betätigungsorgan zumindest abschnittweise im ersten Betätigungsorgan angeordnet und insbesondere vom gewundenen Abschnitt des Betriebsstrompfades umgeben sein. Dabei können sowohl der gewundene Abschnitt des Betriebsstrompfades als auch der gewunden ausgeformte Abschnitt des Steuerstrompfades parallel zur Windungs- bzw. Schlaufenebene gewunden sein.
Um eine Änderung des Schaltzustandes sowohl durch den Steuerstrom als auch durch den Betriebsstrom zu gewährleisten, können die Stromrichtungen in den gewundenen Abschnitten des Steuerstrom- und des Betriebsstrompfades gleichartig und insbesondere parallel ausgerichtet sein. Folglich können auch das Betriebsstrom- und das Steuermagnetfeld gleich ausgerichtet sein.
Die Schalteinrichtung kann also zumindest teilweise durch das von den zu hohen Betriebsströmen hervorgerufene Betriebsstrommagnetfeld betätigbar sein. Hierzu kann eine die Schalteinrichtung vom geschlossenen in den offenen Schaltzustand überführende mechanische Schaltkraft durch das Betriebsstrommagnetfeld und/oder das Steuermagnetfeld erzeugt werden. Der direkte Zusammenhang zwischen Betriebsstrom bzw. Steuerstrom und den dadurch hervorgerufenen Magnetfeldern ergibt einen direkten und einfachen Zusammenhang zwischen den Strömen und den Schaltkräften, die auf das Unterbrecherelement wirken. Folglich kann die Schaltvorrichtung in besonders einfacher Weise dimensioniert werden, ohne dass externe Faktoren, wie beispielsweise die Umgebungstemperatur, einen nennenswerten Einfluss nehmen. Das durch den Steuerstrom hervorgerufene Steuermagnetfeld kann zusätzlich oder alternativ zum Betriebsstrompfad die mechanische Schaltkraft erzeugen.
Um den geschlossenen Schaltzustand der Schaltvorrichtung zu sichern, kann die Schaltvorrichtung mit einer Haltevorrichtung ausgebildet sein, die wenigstens einen Haltemagneten aufweist. Damit die Schalteinrichtung nicht nur einen sicheren geschlossenen, sondern auch einen sicheren offenen Schaltzustand gewährleisten kann, kann sie bistabil ausgebildet sein. Die Haltevorrichtung kann also neben dem wenigstens einen Haltemagneten noch ein Sicherungselement aufweisen, durch dessen Sicherungskräfte die Schalteinrichtung im offenen Schaltzustand gehalten ist.
Zur weiteren Vereinfachung des mechanischen Aufbaus der Schaltvorrichtung kann das Sicherungselement als ein Federelement ausgestaltet sein, das im geschlossenen Schaltzustand stärker vorgespannt ist als im offenen Schaltzustand. Die als elastische Federkraft erzeugte Sicherungskraft des Federelements kann zusammen mit der Kraft des Betriebsstrommagnetfeldes und/oder des Steuermagnetfeldes zur Schaltkraft oder Öffnungskraft beitragen. Die Feder und ein darunter liegender Kontaktraum können so dimensioniert sein, dass der Federhub Kontaktabstände gewährleistet, die ein Abschalten von Strömen im Kiloamperebereich bei Spannungen von bis zu 400V ermöglichen.
Um die Schaltvorrichtung einfach in den Betriebsstrompfad integrieren zu können, kann die Schaltvorrichtung einen Abschnitt des Betriebsstrompfads umfassen, der das Betriebsstrommagnetfeld hervorruft. Beispielsweise kann die Schaltvorrichtung einen elektrischen Leiter aufweisen, dessen Enden Anschlusselemente der Schaltvorrichtung ausbilden können. Über die Anschlusselemente kann die Schaltvorrichtung in den Betriebsstrompfad eingebunden werden, sodass sie in Reihe mit den zu schützenden Bauteilen geschaltet ist.
Der durch die Schaltvorrichtung verlaufende Teil des Betriebsstrompfads kann das erste Betätigungselement und insbesondere den zumindest teilweise gewunden ausgeformten Abschnitt umfassen, der durch den Leiter ausgebildet sein kann. Der gewundene Abschnitt kann so ausgebildet sein, dass er das die Schaltkräfte zumindest teilweise hervorrufende Betriebsstrommagnetfeld erzeugt, wenn der Leiter vom Betriebsstrom durchflossen ist. Das vom gewunden ausgeformten Abschnitt hervorgerufene Betriebsstrommagnetfeld kann insbesondere auf die Schalteinrichtung wirken und sie aus einer geschlossenen Position in Richtung einer offenen Position ziehen, wenn der Betriebsstrom bei oder oberhalb des Grenzbetriebsstroms liegt. Eine vergleichbare Funktion kann das zweite Betätigungselement haben, wenn der Steuerstrom eine vorgegebene Stärke aufweist oder überschreitet.
Im geschlossenen Schaltzustand kann die Schalteinrichtung in der geschlossenen Position angeordnet sein. Im offenen Schaltzustand kann die Schalteinrichtung in der offenen Position angeordnet sein. Die offene Position kann in einer Öffnungsrichtung hinter der geschlossenen Position liegen.
Der gewundene Abschnitt des Betriebs- und/oder des Steuerstrompfades kann beispielsweise als eine Schlaufe oder Spule ausgebildet sein, deren Windungen sich parallel zur Schlaufen- oder Spulen- beziehungsweise Windungsebene erstrecken. Bei entsprechender Dimensionierung der Schaltvorrichtung und wenn der Grenzbetriebsstrom bzw. der Steuerstrom hoch genug liegt, kann es jedoch ausreichen, wenn zumindest einer der gewundenen Abschnitte nur eine Windung oder nur einen Teil einer Windung ausbildet. Zum Beispiel kann es ausreichen, wenn der gewundene Abschnitt eine halbe oder eine dreiviertel Windung ausbildet und beispielsweise U-förmig ausgeformt und in der Windungsebene verlaufend angeordnet ist. Alternativ können das erste und/oder das zweite Betätigungsorgan spulenförmig und mit mehreren Windungen ausgebildet sein.
Die Schalteinrichtung kann mit einem mechanischen Unterbrecherelement ausgeformt sein, das im geschlossenen Schaltzustand beispielsweise eine Lücke im Betriebsstrompfad beziehungsweise im elektrischen Leiter der Schaltvorrichtung überbrückend schließen kann, sodass der Betriebsstrom durch das Unterbrecherelement und die Schaltvorrichtung fließen kann. In diesem geschlossenen Schaltzustand, in dem das Unterbrecherelement in seiner geschlossenen Position angeordnet ist, kann das Unterbrecherelement von betriebsunabhängigen und insbesondere von dem wenigstens einen Haltemagneten erzeugten Haltekräften in seiner geschlossenen Position gehalten werden. Die betriebsunabhängigen Haltekräfte gewährleisten also, dass sich der geschlossene Schaltzustand der Schaltvorrichtung nicht ohne Weiteres ändert. Die Haltekräfte können alternativ federelastische Kräfte und der wenigstens eine Haltemagnet ein Elektro- oder ein Permanentmagnet sein.
Erreichen der Betriebsstrom den Grenzbetriebsstrom und/oder der Laststrom die vorgegebene Stärke, so können das Betriebsstrommagnetfeld und/oder das Steuermagnetfeld einzeln oder gemeinsam eine Stärke erreichen, die zumindest zum Teil und womöglich zusammen mit der elastischen Sicherungskraft ausreicht, um die Schaltvorrichtung aus dem geschlossenen Schaltzustand zu holen. Nach Verlassen des geschlossenen Schaltzustands kann sich die Schaltvorrichtung in einem zwischen den Betriebs- und dem offenen Schaltzustand liegenden instabilen dynamischen Zustand befinden. In einem solchen dynamischen Zustand kann das Unterbrecherelement den geschlossenen Schaltzustand verlassen haben und in den offenen Schaltzustand wechseln. Im offenen Schaltzustand kann das Unterbrecherelement in seiner offenen Position angeordnet sein, wobei die offene Position von der geschlossenen Position in einer Öffnungsrichtung beabstandet liegen kann. Auch der offene Schaltzustand kann ein stabiler Zustand sein, der von betriebsunabhängigen Haltekräften gehalten ist. Auch die Haltekräfte zur Gewährleistung des offenen Schaltzustandes können magnetische oder federelastische Kräfte sein. Insbesondere kann die Haltekraft zur Stabilisierung des offenen Schaltzustandes die federelastische Kraft des Sicherungselements sein.
Zur Unterbrechung des Betriebsstrompfades ist zumindest die magnetische Haltekraft zu überwinden. Im geschlossenen Schaltzustand kann die federelastische Sicherungskraft geringer sein als die magnetische Haltekraft, sodass das Unterbrecherelement in seiner geschlossenen Position gehalten ist. Erreicht der Betriebsstrom den Grenzbetriebsstrom und/oder der Laststrom die vorgegebene Stärke, so kann das Unterbrecherelement in Öffnungsrichtung bewegt werden, da das durch den Betriebsstrom hervorgerufene Betriebsstrommagnetfeld und/oder das Steuermagnetfeld, womöglich in Kombination mit der hierzu gleich ausgerichteten Sicherungskraft zur Sicherung des offenen Schaltzustandes, Kräfte hervorrufen, die größer sind als die magnetische Haltekraft. Auch durch den Betriebsstrom selbst hervorgerufene Haltekräfte, in Kombination mit den magnetischen Haltekräften, können durch die Öffnungskraft überwunden werden. Die Schalt- oder Öffnungskraft kann also wenigstens teilweise durch die federelastische Sicherungskraft und insbesondere durch eine Kombination dieser Federkraft mit der magnetischen und durch das Betriebsstrommagnetfeld und/oder durch das Steuermagnetfeld hervorgerufenen Kraft ausgebildet sein.
Durch die Bewegung des Unterbrecherelements in Richtung auf seine Sicherungsposition zu kann der Betriebsstrompfad unterbrochen werden und der Betriebsstrom zusammenbrechen. Ferner nimmt die Stärke des Haltekraftmagnetfelds mit steigendem Abstand schnell ab, sodass die federelastische Sicherungskraft ausreicht, den dynamischen Zustand der Schaltvorrichtung in den offenen Schaltzustand zu überführen. Alternativ oder zusätzlich zur Federkraft kann auch die durch das Steuermagnetfeld erzeugte mechanische Kraft zur Schalt- oder Öffnungskraft beitragen und den dynamischen Zustand in den offenen Schaltzustand mit überführen.
Zur Einleitung der Halte- beziehungsweise Sicherungskräfte und/oder der durch das Betriebsstrommagnetfeld und/oder das Steuermagnetfeld zumindest zum Teil hervorgerufenen Schaltkraft kann die Schalteinrichtung eine Kupplungseinrichtung aufweisen, durch welche eine Öffnungsbewegung, die in der Öffnungsrichtung verläuft, zwangsweise in das Unterbrecherelement eingeleitet werden kann. Hierzu kann die Kupplungseinrichtung mit dem im geschlossenen Schaltzustand im Betriebsstrompfad angeordneten mechanischen Unterbrecherelement der Schalteinrichtung bewegungsübertragend verbunden sein. Die Öffnungszwangsbewegung gewährleistet, dass der Betriebsstrompfad sicher unterbrochen wird, selbst wenn Kontaktelemente des Unterbrecherelements an Gegenkontaktelementen der Schaltvorrichtung haften sollten.
Die Kupplungsvorrichtung kann mit einem Ankerelement ausgebildet sein, durch das das Unterbrecherelement zumindest in der Öffnungsrichtung zwangsgeführt ist. Das Ankerelement kann die Öffnungskräfte aufnehmen und an das Unterbrecherelement weiterleiten.
Die den geschlossenen Schaltzustand sichernde Haltekraft kann direkt in das Ankerelement eingeleitet werden. Beispielsweise kann der wenigstens eine Haltemagnet das Ankerelement im geschlossenen Schaltzustand anziehen und so dessen Lage in der geschlossenen Position sichern. Um die Sicherung der geschlossenen Position zu gewährleisten und den Übergang in den offenen Schaltzustand zu ermöglichen, kann das Ankerelement im geschlossenen Schaltzustand näher am Haltemagneten angeordnet sein als im offenen Schaltzustand. Insbesondere kann der Haltemagnet im geschlossenen Schaltzustand am Ankerelement anliegen, damit dessen Haltekräfte maximal wirken. Im offenen Schaltzustand kann der Abstand zwischen dem wenigstens einen Haltemagneten und dem Ankerelement größer sein und die Wirkung des Haltemagneten auf den Anker folglich wesentlich geringer, sodass der Haltemagnet den offenen Schaltzustand nur geringfügig oder sogar vernachlässigbar beeinflusst.
Die Kupplungseinrichtung kann ein Mitnehmermittel aufweisen, das die Öffnungsbewegung an das Ankerelement überträgt beziehungsweise in dieses einleitet. Das Betriebsstrommagnetfeld kann eine auf das Mitnehmermittel wirkende und in Öffnungsrichtung weisende Öffnungskraft erzeugen, welche die Öffnungsbewegung hervorruft. Auf das Mitnehmermittel können die durch das Betriebsstrommagnetfeld hervorgerufenen Öffnungskräfte wirken, sodass das bewegungsübertragend mit dem Ankerelement verbundene Unterbrecherelement dem Betriebsstrommagnetfeld weniger ausgesetzt ist und daher unabhängig von der Wechselwirkung mit dem Betriebsstrommagnetfeld ausgestaltet und betrieben werden kann.
Das Mitnehmermittel kann ein Mitnehmerorgan aufweisen, wobei das Ankerelement durch das Mitnehmerorgan mit dem Mitnehmermittel bewegungsübertragend zwangsgeführt gekoppelt ist. Dabei kann die zwangsgeführte Bewegung insbesondere in der Öffnungsrichtung verlaufen. Das Mitnehmerorgan kann als ein Vorsprung oder ein Kragen des Mitnehmermittels ausgebildet und in Öffnungsrichtung vor dem Ankerelement angeordnet sein, wobei es das Ankerelement zumindest abschnittsweise überlappen kann. In Öffnungsrichtung kann das Ankerelement das Mitnehmermittel also zumindest teilweise verdecken.
Um das Ankerelement möglichst gleichförmig in Richtung auf die offene Position ziehen zu können, kann das Mitnehmermittel wenigstens zwei Mitnehmerorgane aufweisen, die jeweils eines von mindestens zwei voneinander weg weisende Enden des Ankerelements überlappen. Dabei können die Mitnehmerorgane aufeinander zu weisende Vorsprünge oder Mitnehmerlippen des Mitnehmermittels sein.
Das Mitnehmermittel kann beispielsweise U-förmig oder krallenförmig ausgestaltet sein, wobei ein offenes Ende des Mitnehmermittels vom gewundenen Abschnitt des Leiters weg weisen kann. Ein geschlossenes Ende des U-förmigen oder krallenförmigen Mitnehmermittels kann als eine Magnetfeldaufnahmeplatte ausgebildet sein, die nah am gewundenen Abschnitt angeordnet und effektiv durch das Betriebsstrommagnetfeld und/oder das Steuermagnetfeld in Öffnungsrichtung gezogen wird.
Das offene Ende des U-förmigen oder krallenförmigen Mitnehmermittels kann vom Mitnehmerorgan quer zur Öffnungsrichtung umgeben oder begrenzt sein, wobei die vom Mitnehmerorgan begrenzte Öffnung kleiner als das Ankerelement quer zur Öffnungsrichtung bemessen sein kann. Hierdurch ist ein Herausrutschen des Ankerelements aus dem Mitnehmermittel entgegen der Öffnungsrichtung verhindert.
Das Mitnehmermittel kann die Öffnungskraft zunächst auf das Ankerelement leiten. Das Ankerelement kann also durch das Mitnehmermittel in Öffnungsrichtung zwangsbewegt werden. Zur Erreichung des stabilen offenen Schaltzustandes kann es jedoch vorteilhaft sein, wenn das Ankerelement in Öffnungsrichtung relativ zum Mitnehmermittel bewegbar gehalten ist. So kann nämlich die federelastische Sicherungskraft das Ankerelement in Öffnungsrichtung bewegen, sobald die Haltekraft überwunden ist. Hierdurch kann das Ankerelement von dem wenigstens einem Haltemagneten, der die magnetische Haltekraft erzeugt, in Öffnungsrichtung weg und in dessen offene Position bewegt werden, nachdem das Ankerelement zumindest teilweise durch das Mitnehmermittel in den dynamischen Zustand überführt worden ist.
Da das Ankerelement in Öffnungsrichtung relativ zum Mitnehmermittel beweglich ist, kann der Abstand zwischen der geschlossenen und der offenen Position des Ankerelements größer sein als der Abstand zwischen der geschlossenen und der offenen Position des Mitnehmermittels. Selbst kleine Bewegungen des Mitnehmermittels aus seiner geschlossenen Position heraus können also vergleichsweise große Bewegungen des Ankerelements und folglich auch des Unterbrecherelements hervorrufen. Daher kann das Mitnehmermittel in Öffnungsrichtung nahe an zumindest einem der gewundenen Abschnitte oder an einem das Betriebsstrommagnetfeld und/oder das Steuermagnetfeld leitenden Magnetfeldleiter angeordnet sein, sodass das Betriebsstrommagnetfeld und/oder das Steuermagnetfeld effektiv mit dem Mitnehmermittel interagieren können. Dabei kann das Ankerelement durch dessen größeren Bewegungsspielraum in Öffnungsrichtung weit genug aus seiner geschlossenen Position bewegt werden, damit der Betriebsstrompfad sicher unterbrochen und das Ankerelement weit genug vom Haltemagneten weg bewegt werden kann.
Auf das Ankerelement können sowohl die das Unterbrecherelement im geschlossenen Schaltzustand als auch im offenen Schaltzustand haltenden Halte- beziehungsweise Sicherungskräfte einwirken. Durch diese einfache Ausgestaltung ist sichergestellt, dass die Halte- beziehungsweise Sicherungskräfte nur auf ein einzelnes Element der Schaltvorrichtung, nämlich auf das Ankerelement, wirken und daher einfach dimensioniert werden können.
Der wenigstens eine Haltemagnet und auch das Federelement können an der Halteeinrichtung gelagert sein, wobei die Halteeinrichtung ortsfest in der Schaltvorrichtung vorgesehen sein kann. Ferner kann die Halteeinrichtung ein Führungsorgan aufweisen, durch welches die Öffnungskraft vom Anker zum Unterbrecherelement geführt sein kann. Das Führungsorgan kann beispielsweise eine Führungshülse umfassen, die eine Halteachse oder Haltestange führt. Ein Ende der Halteachse kann am Anker fixiert sein. Ein anderes Ende der Halteachse kann die in Öffnungsrichtung weisende Öffnungskraft in das Unterbrecherelement einleiten. Beispielsweise kann das vom Ankerelement weg weisende Ende der Halteachse bzw. -stange in Öffnungsrichtung vor einem Kontaktelementträger des Unterbrecherelements angeordnet sein und diesen überlappen. Wird der Anker durch das Betriebsstrommagnetfeld nun in Öffnungsrichtung bewegt, kann das vom Ankerelement weg weisende Ende der Halteachse oder -stange an einer entgegen der Öffnungsrichtung weisenden Seite des Kontaktelementträgers anliegen und hier die Öffnungskraft direkt einleiten.
Da die Kontaktelemente oder die Gegenkontaktelemente des Unterbrecherelements bzw. der Schaltvorrichtung von einer vorgegebenen Idealgeometrie abweichen können, kann eine direkte Zwangsführung des Unterbrecherelements entgegen der Öffnungsrichtung dazu führen, dass die Kontaktelemente die Gegenkontaktelemente nicht optimal kontaktieren. Folglich kann die Verbindung der Halteachse oder -stange entgegen der Öffnungsrichtung federelastisch ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Halteachse oder -stange über eine Überhubfeder mit dem Unterbrecherelement und insbesondere mit dem Kontaktelementträger verbunden sein. Durch die Überhubfeder werden die Kontakte gegen die Gegenkontakte gedrückt, auch wenn sich die Geometrie der Kontakte, beispielsweise durch Abbrand, verändert haben sollte. Liegen die Kontakte nicht an den Gegenkontakten an, beispielsweise im offenen Schaltzustand, kann das vom Ankerelement weg weisende Ende der Halteachse oder -stange als ein Anschlag für das Unterbrecherelement dienen, gegen den die Überhubfeder den Kontaktelementträger drückt. Der Kontaktelementträger kann so zumindest im offenen Schaltzustand vorpositioniert sein, damit die Kontakte bei einem Schließen der Lücke des Leiters gut zu den Gegenkontakten angeordnet sind.
Um das Betriebsstrommagnetfeld und/oder das Steuermagnetfeld möglichst effizient in die Kopplungseinrichtung und insbesondere in das Mitnehmermittel einleiten zu können, kann die Schalteinrichtung mit dem Magnetfeldleiter ausgebildet sein, der das durch den Betriebsstrom und/oder den Steuerstrom hervorgerufene Magnetfeld zumindest teilweise entgegen der Öffnungsrichtung leitet.
Der Magnetfeldleiter kann ein Kernelement aufweisen, um das zumindest einer oder beide der gewundenen Abschnitte des Betriebsstrompfades bzw. des Steuerstrompfades zumindest teilweise herumgewunden ist. Das Kernelement kann das Magnetfeld entgegen der Öffnungsrichtung effektiver leiten als beispielsweise Luft. Beispielsweise kann das Kernelement T-förmig ausgebildet und in etwa entlang einer zentralen Achse oder der Windungsachse, die parallel zur Öffnungsrichtung verlaufen kann, zumindest eines der gewundenen Abschnitte angeordnet sein. Die als gewundene Abschnitte ausgestalteten Betätigungsorgane können eine gemeinsame zentrale Achse aufweisen.
Sich von einem entlang der Öffnungsrichtung verlaufenden Abschnitt des Kernelements weg erstreckende Teile des Kernelements können quer zur Öffnungsrichtung verlaufend eine Magnetfeldabgabeplatte ausbilden. Die Magnetfeldabgabeplatte und die Magnetfeldaufnahmeplatte des Mitnehmermittels können im geschlossenen Schaltzustand und in Öffnungsrichtung soweit voneinander beabstandet angeordnet sein, dass auf das Mitnehmermittel wirkende Steuer- und/oder Betriebsstrommagnetfeldkräfte womöglich in Kombination mit den federelastischen Sicherungskräften bei Erreichen des Grenzbetriebsstroms bzw. des vorgegebenen Steuer- oder Auslösestroms größer sind als zumindest die magnetische Haltekraft, die im geschlossenen Schaltzustand auf das Ankerelement wirkt, d.h. durch Einstellen des Abstands von Magnetfeldabgabeplatte und Mitnehmermittel können der Grenzstrom und/oder der vorgegebene Steuer- oder Auslösestrom voreingestellt werden.
Ferner kann der Abstand zwischen den Platten so groß sein, dass das Mitnehmermittel spätestens bei Erreichen des Kernelements das Ankerelement so weit von den Haltemagneten entfernt hat, dass deren auf das Ankerelement wirkende magnetische Haltekräfte geringer sind als die federelastischen Kräfte des Federelements allein oder in Kombination mit der durch das Steuermagnetfeld hervorgerufenen Öffnungskraft.
Zur weiteren Verbesserung der Effizienz der Steuer- und/oder Betriebsstrommagnetfeldeinleitung in das Mitnehmermittel kann der Magnetfeldleiter wenigstens ein Magnetfeldkurzschlusselement aufweisen, das sich parallel zum Kern und quer zur Öffnungsrichtung erstreckt. Das wenigstens eine Magnetfeldkurzschlusselement kann das Magnetfeld vom Mitnehmermittel aufnehmen und zurück zum Kernelement leiten, wodurch ein magnetischer Kreis im Wesentlichen geschlossen und im geschlossenen Schaltzustand lediglich durch den Abstand zwischen dem Kernelement und dem Mitnehmermittel unterbrochen ist. Das Magnetfeldkurzschlusselement kann sich insbesondere soweit entgegen der Öffnungsrichtung erstrecken, dass es in Öffnungsrichtung wenigstens teilweise neben dem Mitnehmermittel angeordnet ist. Hierdurch leitet es nicht nur das Magnetfeld effektiv zurück zum Kernelement. Vielmehr kann es darüber hinaus auch das Mitnehmermittel vor ungewollten Verdrehung um die Öffnungsrichtung schützen, wodurch auch die Lage des Unterbrecherelements vor ungewünschten Drehungen gesichert sein kann, wenn die Halteachse oder -stange beispielsweise einen polygonalen Querschnitt aufweist und/oder drehfest mit dem Unterbrecherelement verbunden ist. Das Magnetfeldkurzschlusselement kann auch am Mitnehmermittel anliegen.
Der Magnetfeldleiter kann symmetrisch und mit zwei Magnetfeldkurzschlusselementen ausgebildet sein. Hierdurch kann das durch den Betriebsstrom im gewundenen Abschnitt hervorgerufene Magnetfeld noch effektiver geleitet und darüber hinaus die Bewegung des Mitnehmermittels in Öffnungsrichtung genauer geführt werden.
Alternativ zu den bisher geschilderten Wegen, um den Schaltzustand der Schaltvorrichtung von geschlossen auf offen zu ändern, kann die Schaltvorrichtung auch anders und wie im Folgenden beschrieben ausgestaltet sein.
Um das Ankerelement in der Öffnungsrichtung aus seiner geschlossenen Position entfernen zu können, können das Betriebsstrom- und/oder das Steuermagnetfeld wenigstens teilweise entgegengesetzt zum Magnetfeld der Haltemagneten ausgerichtet sein. Insbesondere im Bereich von Abschnitten des Ankerelements, die benachbart zu dem wenigstens einem Haltemagneten angeordnet sind, können das Betriebsstrom- und/oder das Steuermagnetfeld entgegengesetzt zum Magnetfeld des wenigstens einen Haltemagneten ausgerichtet sein. Die Betätigungsorgane und insbesondere deren gewundene Abschnitte können zur Erzeugung derartig ausgerichteter Magnetfelder entsprechend angeordnet sein. Somit können das Betriebsstrom- und/oder Steuermagnetfeld jeweils für sich oder gemeinsam das Permanentmagnetfeld des Haltemagneten zumindest teilweise kompensieren.
Kompensiert das Betriebsstrom- oder das Steuermagnetfeld jeweils für sich oder beide gemeinsam das Permanentmagnetfeld der Haltemagneten so stark, dass die Sicherungskraft des Öffnungskraftspeichers größer ist als die Summe der Magnetkräfte, kann die Schaltvorrichtung den geschlossenen Schaltzustand verlassen.
Alternativ können das Betriebsstrom- und/oder das Steuermagnetfeld so ausgerichtet sein, dass sie eine Übertragung der magnetischen Haltekraft auf das Ankerelement behindern. Insbesondere wenn das Betriebsstrom- und/oder das Steuermagnetfeld zumindest im Bereich des Ankerelements benachbart zum Haltemagneten senkrecht zum Magnetfeld des Haltemagneten und beispielsweise parallel zum Ankerelement ausgerichtet ist, können das Betriebsstrom- und/oder das Steuermagnetfeld ab einer vorgegebenen Höhe das Ankerelement vor dem Magnetfeld des Haltemagneten abschirmen. Insbesondere kann die Schlaufen- oder Windungsebene parallel zur Öffnungsrichtung verlaufend angeordnet sein. Ist zum Beispiel zwischen dem Haltemagneten und dem Ankerelement ein Magnetfeldleiter, beispielsweise eine weichmagnetische Platte angeordnet, und sind das Betriebsstrom- und/oder das Steuermagnetfeld einzeln oder gemeinsam so stark, dass deren senkrecht zum Magnetfeld des Haltemagneten verlaufende Komponenten den Magnetfeldleiter in die magnetische Sättigung bringen, kann der Magnetfeldleiter das Magnetfeld des Haltemagneten nicht mehr wie bisher oder womöglich sogar überhaupt nicht mehr an das Ankerelement leiten. Sobald die auf das Ankerelement wirkende und durch das Magnetfeld des Haltemagneten hervorgerufene Haltekraft geringer ist als die Sicherungskraft des Öffnungskraftspeichers, kann die Schaltvorrichtung auch hier den geschlossenen Schaltzustand verlassen.
Durch die obigen Maßnahmen kann es möglich sein, die Schaltvorrichtung ohne das Mitnehmermittel auszugestalten.
Im Folgenden ist die Erfindung beispielhaft anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Die unterschiedlichen Merkmale der Ausführungsformen können dabei unabhängig voneinander kombiniert werden, wie es bei den einzelnen vorteilhaften Ausgestaltungen bereits dargelegt wurde.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung in einem geschlossenen Schaltzustand;
2 eine schematische Darstellung der Schaltvorrichtung des Ausführungsbeispiels der 1 in einem offenen Schaltzustand;
3 eine schematische Darstellung der Schaltvorrichtung der Ausführungsbeispiele der 1 und 2 mit einem teilweise transparent dargestellten Betriebsstrompfad.
Zunächst sind Aufbau und/oder Funktion einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel der 1 beschrieben.
1 zeigt die Schaltvorrichtung 1 schematisch in einer perspektivischen Vorderansicht. Die Schaltvorrichtung 1 umfasst zwei Anschlusselemente 2, 3, über welche die Schaltvorrichtung 1 in einen Betriebsstrompfad eines Betriebsstromkreises, beispielsweise eines Kraftfahrzeuges, eingebunden werden kann. Ein elektrischer Leiter 4 der Schaltvorrichtung 1 kann die Anschlusselemente 2, 3 miteinander verbinden. Der elektrische Leiter 4 kann in den Betriebsstrompfad eingebunden und die Schaltvorrichtung 1 in Reihe mit elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen des Betriebsstrompfades geschaltet werden. Der elektrische Leiter 4 kann also ein in der Schaltvorrichtung 1 angeordneter Abschnitt 5 des Betriebsstrompfades sein, wenn die Schaltvorrichtung 1 in diesen eingebunden ist.
Die Schaltvorrichtung 1 kann eine Schalteinrichtung 6 aufweisen, die den Abschnitt des Betriebsstrompfades 5 in einem geschlossenen Schaltzustand B der Schaltvorrichtung 1 elektrisch durchgängig schließt.
Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Schalteinrichtung 6 ein mechanisches Unterbrecherelement 7 aufweisen, das als eine Kontaktbrücke ausgestaltet sein kann. Das mechanische Unterbrecherelement 7 kann im geschlossenen Schaltzustand B eine Lücke L im Abschnitt des Betriebsstrompfades 5 überbrücken. Kontaktelemente 8, 9 können an Enden eines Kontaktelementträgers 10 der Schalteinrichtung 6 angeordnet sein, wobei der Kontaktelementträger 10 die Kontaktelemente 8, 9 elektrisch miteinander verbindet. Die Schaltvorrichtung 1 kann Gegenkontaktelemente 8’, 9’ für die Kontaktelemente 8, 9 aufweisen, wobei die Kontaktelemente 8, 9 im geschlossenen Schaltzustand B elektrisch mit den Gegentaktelementen 8’, 9’ verbunden sein können. Zum Schließen der Lücke L kann das mechanische Unterbrecherelement 7 in seiner geschlossenen Position Pb angeordnet sein, sodass die Kontaktelemente 8, 9 mit den Gegenkontaktelementen 8’, 9’ verbunden sein und paarweise aneinander anliegen können.
Um das Unterbrecherelement 7 in der geschlossenen Position Pb zu halten, kann die Schaltvorrichtung 1 mit einer Halteeinrichtung 11 ausgestattet sein. Die Halteeinrichtung 11 kann betriebsunabhängige Haltekräfte aufbringen, um das Unterbrecherelement 7 im geschlossenen Schaltzustand B in seiner geschlossenen Position Pb zu halten. Diese betriebsunabhängigen Haltekräfte können magnetische oder federelastische Kräfte sein. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel der 1 kann die Halteeinrichtung 11 wenigstens ein und insbesondere zwei Haltemagnete 12, 13 umfassen, welche die geschlossenen Position Pb des Unterbrecherelements 7 sichern. Die Halteeinrichtung 11 kann wie auch der elektrische Leiter 4 ortsfest in der Schaltvorrichtung 1 angeordnet sein.
Die Haltemagnete 12, 13 können mit einem Ankerelement 14 interagieren und insbesondere das Ankerelement 14 magnetisch halten. Das Ankerelement 14 kann bewegungsübertragend mit dem Unterbrecherelement 7 verbunden sein, sodass die magnetische Halterung des Ankerelements 14 durch die Haltemagnete 12, 13 für eine Fixierung des Unterbrecherelements 7 in der geschlossenen Position Pb sorgen kann. In der gezeigten Ansicht der Schaltvorrichtung 1 sind die Haltemagnete 12, 13 vom Ankerelement 14 verdeckt.
Von der Lücke L aus gesehen hinter dem Ankerelement 14 ist ein erstes Betätigungsorgan 15 in Form eines gewunden ausgebildeten Abschnitts 15’ des elektrischen Leiters 4 angeordnet. Eine Windungsebene P des Abschnitts 15’ kann parallel zum Ankerelement 14 bzw. zur Lücke L angeordnet sein. Fließt ein Betriebsstrom Ib vom Anschlusselement 2 zum Anschlusselement 3 oder umgekehrt, so kann der gewundene Abschnitt 15’ ein Magnetfeld erzeugen, durch das Kräfte in das Unterbrecherelement 7 eingeleitet werden. Diese Betriebsstrommagnetfeld- oder Öffnungskräfte können das Unterbrecherelement 7 aus seiner geschlossenen Position Pb in einer Öffnungsrichtung R zu bewegen suchen. Übersteigen nun die durch das Magnetfeld hervorgerufenen Kräfte zumindest zum Teil die Haltekräfte der Haltemagnete 12, 13, so kann das Ankerelement 14 weg von den Haltemagneten 12, 13 und der Lücke L in Öffnungsrichtung R auf den gewundenen Abschnitt 15’ des ersten Betätigungsorgans 15 zu bewegt werden. Das Ankerelement 14 kann so mit dem Unterbrecherelement 7 verbunden sein, dass eine solche Öffnungsbewegung des Ankerelements 14 zwangsweise auf das Unterbrecherelement 7 übertragen wird und das Unterbrecherelement 7 dieser Öffnungsbewegung folgt.
Sobald der durch die Schaltvorrichtung 1 verlaufende Abschnitt des Betriebsstrompfades 5 jedoch unterbrochen ist, kann das durch den gewundenen Abschnitt 15’ hervorgerufene Betriebsstrommagnetfeld zusammenbrechen. Liegt das Ankerelement 14 dann noch so nahe an den Haltemagneten 12, 13, das deren Magnetkräfte das Ankerelement 14 zurückziehen, kann der Betriebsstrompfad 5 unmittelbar wieder geschlossen werden. Dies kann zu einem unerwünschten Betriebsmodus führen, in den die Schaltvorrichtung 1 den Betriebsstrompfad 5 in schneller Folge öffnet und schließt.
Um einen solchen Betriebsmodus zu verhindern, kann die Halteeinrichtung 11 Sicherungselement E, beispielsweise einen Öffnungskraftspeicher aufweisen, dessen Sicherungskraft zumindest teilweise freigesetzt wird, sobald das Unterbrecherelement 7 aus seiner geschlossenen Position Pb in Öffnungsrichtung R bewegt ist. Beispielsweise kann das Sicherungselement E ein Federelement 16 aufweisen, das im geschlossenen Schaltzustand B in Öffnungsrichtung R gegen das Ankerelement 14 drückt, dessen elastische Federkraft im geschlossenen Schaltzustand B allein jedoch nicht ausreicht, das Ankerelement 14 von den Haltemagneten 12, 13 zu lösen. Alternativ kann das Schaltelement 1 ein zweites Betätigungsorgan aufweisen, das Kräfte zum Überführen des Schaltzustandes in den offenen Schaltzustand bereitstellt. Das zweite Betätigungsorgan kann zum Beispiel ein Magnetfeld und insbesondere ein Steuermagnetfeld erzeugen, das wie das Betriebsstrommagnetfeld wirkt.
Sobald das Betriebsstrommagnetfeld oder das Steuermagnetfeld das Ankerelement 14 von den Haltemagneten 12, 13 löst, nimmt die magnetische Haltekraft der Haltemagneten 12, 13 auf das Ankerelement 14 rapide ab und die elastische Federkraft des Federelements 16 und/oder die Kräfte des zweiten Betätigungsorgans können in einem solchen dynamischen Zustand der Schaltvorrichtung 1 größer sein als die dann wirkende Haltekraft der Haltemagnete 12, 13. Folglich kann das Ankerelement 14 und somit das Unterbrecherelement 7 in Öffnungsrichtung R auf den gewundenen Abschnitt 15’ des elektrischen Leiters 4 zu verschoben werden, sobald die Lücke L nicht mehr durch die Schalteinrichtung 6 überbrückt ist. Eine solche durch das Federelement 16 und/oder durch das zweite Betätigungsorgan hervorgerufene Öffnungsbewegung des Ankerelements 14 folgt auch das Unterbrecherelement 7. Diese Öffnungsbewegung verhindert den unerwünschten Betriebsmodus.
Das Ankerelement 14 kann Teil einer Kupplungseinrichtung 18 der Schaltvorrichtung 1 sein. Die Kupplungseinrichtung 18 kann neben dem Ankerelement 14 noch ein Mitnehmermittel 19 aufweisen. Das Mitnehmermittel 19 kann im Wesentlichen U-förmig ausgebildet sein, wobei die offene Seite des Mitnehmermittels 19 von dem gewundenen Abschnitt 15’ weg und entgegen der Öffnungsrichtung R zur Lücke L weisen kann. Das Mitnehmermittel 19 kann wenigstens ein Mitnehmerorgan M aufweisen, das so ausgebildet sein kann, dass es bewegungsübertragend mit dem Ankerelement 14 verbunden ist und das Ankerelement 14 beispielsweise auf dessen zur Lücke L weisenden Seite zumindest abschnittsweise überlappt. Hierzu kann das Mitnehmermittel 19 beispielsweise krallen- oder klammerförmig ausgestaltet sein, wobei freie Enden 22, 23 von Schenkeln 20, 21 des im Wesentlichen U-förmigen Mitnehmermittels 19 als Mitnehmerorgane M aufeinander zu weisen können. Insbesondere diese aufeinander zu weisenden Enden 22, 23 können sich gegenüberliegende Abschnitte oder Enden W des Ankerelements 14 überlappen und beispielsweise im geschlossenen Schaltzustand B an einer auf die Lücke L und entgegen der Öffnungsrichtung R weisenden Seite 24 des Ankerelements 14 anliegen. Die Mitnehmerorgane M beziehungsweise die Enden 22, 23 können als ein umlaufender Kragen oder sich gegenüberliegende Mitnehmerlippen ausgebildet sein, die ins innere des Mitnehmermittels 19 ragen und die Öffnung O des Mitnehmermittels 19 so begrenzen, dass die Öffnung O quer zur Öffnungsrichtung R kleiner bemessen ist als das Ankerelement 14. In Öffnungsrichtung R hinter der Öffnung O kann sich das Mitnehmermittel 19 weiten, womöglich sogar sprunghaft, wodurch ein das Mitnehmerorgan M ausbildender Hinterschnitt ausgeformt sein kann.
Ein unterer, geschlossener Abschnitt des im Wesentlichen U-förmigen Mitnehmermittels 19 kann als eine Magnetfeldaufnahmeplatte 25 ausgebildet sein. Die Magnetfeldaufnahmeplatte 25 kann quer zur Öffnungsrichtung R ausgerichtet verlaufen und zwischen dem Ankerelement 14 und dem gewundenen Abschnitt 15’ angeordnet sein. Dadurch, dass die Magnetfeldaufnahmeplatte 25 näher an dem gewundenen Abschnitt 15’ angeordnet ist als das Ankerelement 14, kann das Betriebsstrommagnetfeld des gewundenen Abschnitts 15’ oder das Steuermagnetfeld des zweiten Betätigungselements größere Kräfte auf die Magnetfeldaufnahmeplatte 25 hervorrufen als auf das Ankerelement 14. Ein Abstand A zwischen dem Kernelement 26 und der Magnetfeldaufnahmeplatte 25 kann in Öffnungsrichtung R so bemessen sein, dass das durch den Betriebsstrom Ib vom gewundenen Abschnitt 15’ erzeugte Betriebsstrommagnetfeld und/oder das Steuermagnetfeld stark genug ist, um das Ankerelement 14 von den Haltemagneten 12, 13 so weit zu lösen, dass die Federkraft des Federelements 16 im dynamischen Zustand ausreicht, das Ankerelement 14 in Öffnungsrichtung R weiter von den Haltemagneten 12, 13 zu entfernen.
Ohne das Mitnehmermittel 19 könnte der Abstand zwischen dem gewundenen Abschnitt 15’ und dem Ankerelement 14 zwar verringert werden, um die Kräfte des Betriebsstrommagnetfelds direkt auf das Ankerelement 14 zu erhöhen. Ist der Abstand zwischen dem Ankerelement 14 und dem gewundenen Abschnitt 15’ jedoch zu gering, kann die durch das Federelement 16 hervorgerufene Öffnungsbewegung jedoch womöglich zu gering ausfallen, um das Ankerelement 14 weit genug von den Haltemagneten 12, 13 zu entfernen.
Eine in Öffnungsrichtung R weisende lichte Weite H zwischen der Magnetaufnahmeplatte 25 und den aufeinander zu weisenden Endabschnitten 22, 23 beziehungsweise dem Mitnehmerorgan M des Mitnehmermittels 19 kann also so bemessen sein, dass die Ankerplatte 14 zumindest dann weit genug weg von den Haltemagneten 12, 13 angeordnet ist, wenn sie von dem Federelement 16 gegen die Magnetfeldaufnahmeplatte 25 gedrückt ist.
Damit das Steuer- und/oder Betriebsstrommagnetfeld effektiv in das Mitnehmermittel 19 eingeleitet werden können, kann die Schalteinrichtung 6 einen Magnetfeldleiter 26 umfassen. Der Magnetfeldleiter 26 kann ortsfest in der Schaltvorrichtung 1 angeordnet und so ausgebildet sein, dass er das vom ersten und/oder dem zweiten Betätigungsorgan hervorgerufene Steuer- und/oder Betriebsstrommagnetfeld aufnimmt und in Richtung auf das Mitnehmermittel 19 leitet. Der Magnetfeldleiter 26 kann mit einem Kernelement 27 ausgebildet sein, wobei der gewundene Abschnitt 15’ das Kernelement 27 zumindest teilweise umlaufen kann. Der gewundene Abschnitt 15’ kann dabei beispielsweise als eine 3/4-Windung ausgebildet sein, in deren Zentrum sich das in Öffnungsrichtung R erstreckende Kernelement 27 angeordnet sein kann. Das Kernelement 27 kann im Wesentlichen T-förmig ausgebildet sein, wobei ein zum Mitnehmermittel 19 weisendes Ende des Kernelements 27 im Wesentlichen als eine Magnetfeldabgabeplatte 28 ausgebildet sein kann, welche das Steuer- und/oder das Betriebsstrommagnetfeld effektiv in Richtung auf das Mitnehmermittel 19 richtet.
Das Kernelement 27 kann den gewundenen Abschnitt 15’ des ersten Betätigungsorgans 15 entgegen der Öffnungsrichtung R überragen, sodass das Mitnehmermittel 19 bei Öffnungsbewegungen in Öffnungsrichtung R nur gegen das Kernelement 27 stößt und somit ein Kontakt des Mitnehmermittels 25 mit dem elektrischen Leiter 4 und insbesondere mit dessen gewundenen Abschnitt 15’ verhindert wird.
Der Magnetfeldleiter 26 kann wenigstens ein Magnetfeldkurzschlusselement 29 aufweisen, das sich parallel zum Kernelement 26 und entgegen der Öffnungsrichtung R erstreckt. Das Magnetfeldkurzschlusselement 29 kann das in das Mitnehmermittel 19 eingeleitete Betriebsstrommagnetfeld aufnehmen und zurück zum Kernelement 27 leiten, sodass ein im Wesentlichen geschlossener magnetischer Kreis entsteht, durch den die Effektivität der Schalteinrichtung 6 erhöht wird.
Der Magnetfeldleiter 26 kann symmetrisch und insbesondere W-förmig ausgeformt sein, wobei der Magnetfeldleiter 26 zwei Magnetfeldkurzschlusselemente 29, 30 aufweisen kann, die entgegen der Öffnungsrichtung R verlaufend das Kernelement 27 flankieren können.
Zusätzlich zur Effektivitätssteigerung der Schalteinrichtung 6 können die Magnetfeldkurzschlusselemente 29, 30 als Führungen für die Öffnungsbewegung des Mitnehmermittels 19 dienen. Hierdurch können Verdrehungen des Mitnehmermittels 19 und folglich auch des Unterbrecherelements 7 um die Öffnungsrichtung R herum wirksam unterbunden werden.
Zur Bewegungsübertragung kann das Ankerelement 14 im Wesentlichen starr mit dem Unterbrecherelement 7 verbunden sein. Beispielsweise können das Ankerelement 14 und das Unterbrecherelement 7 bzw. dessen Kontaktelementträger 10 über eine Haltestange oder -achse 31 miteinander verbunden sein. Das Ankerelement 14 kann an der Haltestange 31 fixiert sein, und somit die Öffnungsbewegung direkt auf die Haltestange 31 übertragen. Ein vom Ankerelement 14 weg weisendes Ende 32 der Haltestange 31 kann so mit dem Unterbrecherelement 7 und insbesondere mit dessen Kontaktelementträger 10 verbunden sein, dass die Haltestange 31 die Öffnungsbewegung in Öffnungsrichtung R zwangsweise auf das Unterbrecherelement 7 überträgt. Beispielsweise kann die Haltestange 31 durch eine in Öffnungsrichtung R verlaufende Öffnung 33 im Kontaktelementträger 10 verlaufen, wobei der Durchmesser des Endes 32 größer sein kann als der Durchmesser der Öffnung 33.
Um das Unterbrecherelement 7 in der geschlossenen Position Pb zu halten, kann die Haltestange 31 auch entgegen der Öffnungsrichtung R bewegungsübertragend mit dem Unterbrecherelement 7 verbunden sein. Bei einer vollkommen starren Verbindung zwischen der Haltestange 31 und dem Unterbrecherelement 7 kann es jedoch zu Problemen kommen, falls die Geometrie der Kontaktelemente 8, 9 bzw. der Gegenkontaktelemente 8’, 9’ von einer Sollgeometrie abweicht. Beispielsweise können sowohl die Kontaktelemente 8, 9 als auch die Gegenkontaktelemente 8’, 9’ im Betrieb in Folge von Abbrand so verformt sein, dass die Kontaktelemente 8, 9 und die Gegenkontaktelemente 8’, 9’ bei einer starren Verbindung des Unterbrecherelements 7 mit der Haltestange 31 nicht mehr richtig kontaktiert werden.
Um solche Probleme zu vermeiden, kann die Haltestange 31 entgegen der Öffnungsrichtung R elastisch bewegungsübertragung mit dem Unterbrecherelement 7 verbunden sein. Beispielsweise kann an der Haltestange 31 ein Federelement 34 fixiert sein, das federkraftübertragend mit dem Kontaktelementträger 10 verbunden sein kann. Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 kann die Haltestange 31 über das hier als eine Überhubfeder ausgestaltetes Federelement 34 mit dem Kontaktelementträger 10 verbunden sein. Das Federelement 34 kann dabei symmetrisch ausgebildet sein, wobei Enden 35, 36 des womöglich blattfederartig ausgebildeten Federelements 34 an Abschnitten des Kontaktelementträgers 10, die den Kontaktelementen 8, 9 in Öffnungsrichtung R gegenüberliegen, befestigt sein können. Ein mittlerer Abschnitt 37 des Federelement 34 kann an der Haltestange 31 fixiert sein.
Um Bewegungen parallel zur Öffnungsrichtung R der Haltestange 31 und somit auch des Unterbrecherelements 7 führen zu können, kann die Halteeinrichtung 11 ein Führungsorgan 38 umfassen. Das Führungsorgan 38 kann mit einer Führungshülse 39 ausgeformt sein, wobei sich die Führungshülse 39 entlang der Öffnungsrichtung R erstrecken und Bewegungen der Haltestange 31 parallel zur Öffnungsrichtung R führen kann. Beispielsweise kann die Halteachse oder -stange 31 durch die Führungshülse 39 geführt sein, wobei die Führungshülse 39 ortsfest in der Schaltvorrichtung 1 angeordnet sein kann.
2 zeigt das Ausführungsbeispiel der 1 schematisch in einer perspektivischen Vorderansicht, wobei die Schaltvorrichtung 1 in einem offenen Schaltzustand S dargestellt ist.
Im in der 2 gezeigten offenen Schaltzustand S der Schaltvorrichtung 1 ist die Lücke L nicht mehr durch das Unterbrecherelement 7 überbrückt. Vielmehr ist das Unterbrecherelement 7 in seiner offenen Position Ps angeordnet dargestellt, wobei die offene Position Ps in Öffnungsrichtung R hinter der geschlossenen Position Pb des Unterbrecherelements 7 angeordnet ist.
Das Mitnehmermittel 19 kann im gezeigten offenen Schaltzustand S der Schaltvorrichtung 1 beispielsweise mit seiner Magnetfeldaufnahmeplatte 25 am Kernelement 27 und insbesondere an dessen Magnetfeldabgabeplatte 28 anliegen. Auch wenn im offenen Schaltzustand S kein Betriebsstrom Ib durch den elektrischen Leiter 4 fließt und daher der gewundene Abschnitt 15’ kein Betriebsstrommagnetfeld erzeugen kann, kann das Mitnehmermittel 19 dennoch sicher am Kernelement 27 anliegen. Das Mitnehmermittel 19 kann nämlich durch das Ankerelement 14 in Öffnungsrichtung R gegen das Kernelement 27 gedrückt werden, da das Ankerelement 14 durch das Federelement 16 in Öffnungsrichtung R gedrückt ist. Auch das Unterbrecherelement 7 kann über das Ankerelement 14 und die Haltestange 31 durch das Federelement 16 in der offenen Position Ps sicher gehalten sein.
Die Schaltvorrichtung 1 und insbesondere deren Schalteinrichtung 6 kann also bistabil ausgebildet sein, wobei ein stabiler Zustand der geschlossene Schaltzustand B und ein anderer stabiler Zustand der offene Schaltzustand S sein kann. Der dynamische Zustand kann ein instabiler Übergangzustand sein. Die Haltemagnete 12, 13 können den stabilen geschlossenen Schaltzustand B im Normalbetrieb sichern. Löst ein unzulässiger, oberhalb des Grenzbetriebstroms liegender Betriebsstrom Ib die Schalteinrichtung 6 aus, so kann die Schaltvorrichtung 1 den stabilen geschlossenen Schaltzustand B verlassen und über den instabilen dynamischen Zustand in den stabilen offenen Schaltzustand S übergehen, der durch das Federelement 16 stabil gesichert sein kann.
3 zeigt das Ausführungsbeispiel der 1 und 2 schematisch in einer perspektivischen Vorderansicht, wobei ein Abschnitt des Betriebsstrompfades 5 im Bereich des gewundenen Abschnitts 15’ des ersten Betätigungsorgans 15 transparent dargestellt ist.
Im in der 3 gezeigten dynamischen Schaltzustand D der Schaltvorrichtung 1 kann die Lücke L nicht mehr durch das Unterbrecherelement 7 überbrückt sein. Vielmehr ist das Unterbrecherelement 7 zwischen seiner geschlossenen Position Pb und seiner offenen Position Ps angeordnet sein. Das Ankerelement 14 kann von den Haltemagneten 12, 13 in der Öffnungsrichtung R durch das Mitnehmermittel 19 abgehoben sein. Das Federelement 16 kann entgegen der Öffnungsrichtung R jedoch noch gestaucht und nicht im gleichen Maß wie im offenen Schaltzustand S entspannt sein.
Der transparent dargestellte Teil des gewundenen Abschnitts 15’ ermöglicht die Darstellung des zweiten Betätigungsorgans 40, durch das ein Steuerstrom Is fließen kann. Das zweite Betätigungsorgan 40 kann als ein Teil eines Steuerstrompfades 41 und insbesondere als ein gewundener Abschnitt 42 des Steuerstrompfades 41 ausgebildet sein. Anschlussleitungen 43, 44 des zweiten Betätigungsorgans 40 sind zumindest teilweise durch den Magnetfeldleiter 26 verdeckt.
Der gewundene Abschnitt 42 kann wie der gewundene Abschnitt 15’ des ersten Betätigungsorgans 15 als eine Teilwindung ausgebildet sein, die parallel zur Windungsebene P angeordnet ist. Um auch mit verhältnismäßig kleinen Steuerströmen Is Öffnungskräfte hervorrufen zu können, die ausreichen, um das Ankerelement 14 von den Haltemagneten 12, 13 zu lösen, kann das zweite Betätigungsorgan 40 mit mehreren Windungen ausgebildet sein. Die Windungen können so ausgerichtet sein, dass der Steuerstrom Is parallel zum Betriebsstrom Ib verläuft, wobei die parallelen Ströme Is, Ib durch benachbarte Abschnitte des Betriebsstrompfades 5 und des Steuerstrompfades 41 strömen. Hierdurch ist gewährleistet, dass das Betriebsstrommagnetfeld und das Steuermagnetfeld in gleicher Weise auf das Mitnehmermittel 19 einwirken und dieses jeweils oder gemeinsam in der Öffnungsrichtung R ziehen können.
Alternativ zu den bisher geschilderten Wegen, um den Schaltzustand der Schaltvorrichtung 1 von geschlossen B auf offen S zu ändern, kann die Schaltvorrichtung 1 auch anders und wie im Folgenden beschrieben ausgestaltet sein.
Um das Ankerelement 14 in der Öffnungsrichtung R aus seiner geschlossenen Position Pb entfernen zu können, können das Betriebsstrom- und/oder das Steuermagnetfeld wenigstens teilweise entgegengesetzt zum Magnetfeld der Haltemagneten 12, 13 ausgerichtet sein. Insbesondere im Bereich von Abschnitten des Ankerelements 14, die benachbart zu dem wenigstens einem Haltemagneten 12, 13 angeordnet sind, können das Betriebsstrom- und/oder das Steuermagnetfeld entgegengesetzt zum Magnetfeld des wenigstens einen Haltemagneten 12, 13 ausgerichtet sein. Die Betätigungsorgane 15, 40 und insbesondere deren gewundene Abschnitte 42 können zur Erzeugung derartig ausgerichteter Magnetfelder entsprechend angeordnet sein. Somit können das Betriebsstrom- und/oder Steuermagnetfeld jeweils für sich oder gemeinsam das Permanentmagnetfeld des Haltemagneten 12, 13 zumindest teilweise kompensieren.
Kompensiert das Betriebsstrom- oder das Steuermagnetfeld jeweils für sich oder beide gemeinsam das Permanentmagnetfeld der Haltemagneten 12, 13 so stark, dass die Sicherungskraft des Öffnungskraftspeichers größer ist als die Summe der Magnetkräfte, kann die Schaltvorrichtung den geschlossenen Schaltzustand B verlassen.
Alternativ können das Betriebsstrom- und/oder das Steuermagnetfeld so ausgerichtet sein, dass sie eine Übertragung der magnetischen Haltekraft auf das Ankerelement 14 behindern. Insbesondere wenn das Betriebsstrom- und/oder das Steuermagnetfeld zumindest im Bereich des Ankerelements 14 benachbart zum Haltemagneten 12, 13 senkrecht zum Magnetfeld des Haltemagneten und beispielsweise parallel zum Ankerelement 14 ausgerichtet ist, können das Betriebsstrom- und/oder das Steuermagnetfeld ab einer vorgegebenen Höhe das Ankerelement 14 vor dem Magnetfeld des Haltemagneten 12, 13 abschirmen. Insbesondere kann die Schlaufen- oder Windungsebene P parallel zur Öffnungsrichtung R verlaufend angeordnet sein. Ist zum Beispiel zwischen dem Haltemagneten 12, 13 und dem Ankerelement 14 ein Magnetfeldleiter, beispielsweise eine weichmagnetische Platte angeordnet, und sind das Betriebsstrom- und/oder das Steuermagnetfeld einzeln oder gemeinsam so stark, dass deren senkrecht zum Magnetfeld des Haltemagneten verlaufende Komponenten den Magnetfeldleiter in die magnetische Sättigung bringen, kann der Magnetfeldleiter das Magnetfeld des Haltemagneten 12, 13 nicht mehr wie bisher oder womöglich sogar überhaupt nicht mehr an das Ankerelement 14 leiten. Sobald die auf das Ankerelement 14 wirkende und durch das Magnetfeld des Haltemagneten 12, 13 hervorgerufene Haltekraft geringer ist als die Sicherungskraft des Öffnungskraftspeichers, kann die Schaltvorrichtung 1 auch hier den geschlossenen Schaltzustand B verlassen.
Durch die obigen Maßnahmen kann es möglich sein, die Schaltvorrichtung 1 ohne das Mitnehmermittel 19 auszugestalten.

Claims

Schaltvorrichtung (1) mit einer Schalteinrichtung (6), die in einem geschlossenen Schaltzustand (B) zumindest teilweise in einem Betriebsstrompfad (5) der Schaltvorrichtung (1) angeordnet ist und durch die der Betriebsstrompfad (5) in einem offenen Schaltzustand (S) der Schaltvorrichtung (1) unterbrochen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (1) ein erstes (15) und ein zweites (40) Betätigungsorgan aufweist, die den Schaltzustand (B, S) beeinflussend ausgebildet sind, wobei das erste Betätigungsorgan (15) im Betriebsstrompfad (5) und das zweite Betätigungsorgan (40) in einem Steuerstrompfad (41) angeordnet sind.
Schaltvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (6) durch das erste Betätigungsorgan (15) zumindest teilweise von oberhalb eines Grenzbetriebstroms liegenden Betriebsströmen (Ib) betätigbar und vom geschlossenen Schaltzustand (B) in den offenen Schaltzustand (S) überführbar ausgestaltet ist.
Schaltvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Betätigungsorgan (15) Teil einer Überlastsicherungsvorrichtung der Schaltvorrichtung (1) ist.
Schaltvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Betätigungsorgan (15) einen zumindest teilweise gewunden ausgeformten Abschnitt (15’) des Betriebsstrompfades (5) aufweist.
Schaltvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (6) durch das zweite Betätigungsorgan (40) zumindest teilweise von einem Steuerstrom (Is) betätigbar und vom geschlossenen Schaltzustand (B) in den offenen Schaltzustand (S) überführbar ausgestaltet ist.
Schaltvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Betätigungsorgan (40) einen zumindest teilweise gewunden ausgeformten Abschnitt (42) des Steuerstrompfades (41) aufweist.
Schaltvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Betätigungsorgan (40) zumindest abschnittsweise vom gewundenen Abschnitt (15’) des Betriebsstrompfades (5) umgeben ist.
Schaltvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (1) mit einer Haltevorrichtung (11) ausgebildet ist, die wenigstens einen den geschlossenen Schaltzustand (B) sichernden Haltemagneten (12, 13) aufweist.
Schaltvorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (11) ein Sicherungselement (E) aufweist, durch das die Schalteinrichtung (6) im offenen Schaltzustand (S) gehalten ist.
Schaltvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (6) eine Kupplungseinrichtung (18) aufweist, die mit einem im geschlossenen Schaltzustand (B) im Betriebsstrompfad (5) angeordneten mechanischen Unterbrecherelement (7) der Schalteinrichtung (6) bewegungsübertragend verbunden ist.
Schaltvorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungseinrichtung (18) mit einem Ankerelement (14) ausgebildet ist, durch das das Unterbrecherelement (7) zumindest in einer Öffnungsrichtung (R) zwangsgeführt bewegbar ist.
Schaltvorrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ankerelement (14) im geschlossen Schaltzustand (B) näher am Haltemagneten (12, 13) angeordnet ist als im offenen Schaltzustand (S).
Schaltvorrichtung (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungseinrichtung (18) ein Betätigungselement (19) mit einem Mitnehmerorgan (M) aufweist, wobei das Ankerelement (14) durch das Mitnehmerorgan (M) mit dem Betätigungselement (19) zwangsgeführt gekoppelt ist.
Schaltvorrichtung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (19) zu einer von einem der gewundenen Abschnitte (15’, 42) gebildeten Schlaufenebene (P) parallel ausgerichtet ist.
Schaltvorrichtung (1) Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Ankerelement (14) in der Öffnungsrichtung (R) relativ zum Betätigungselement (19) bewegbar gehalten ist.