GENTSCH, Dietmar (Zur Post 13, Bochum, 44879, DE)
REUBER, Christian (Höltgenweg 43, Ratingen, 40880, DE)
RÜMENAPP, Till (Am Herrenhaus 62, Mettmann, 40822, DE)
FINK, Harald (Görsenkothen 25, Ratingen, 40882, DE)
GENTSCH, Dietmar (Zur Post 13, Bochum, 44879, DE)
REUBER, Christian (Höltgenweg 43, Ratingen, 40880, DE)
RÜMENAPP, Till (Am Herrenhaus 62, Mettmann, 40822, DE)
Patentansprüche
1. Elektrische Kontaktanordnung, insbesondere für Mittelspannungsanlagen, bei welchen Kontaktelemente miteinander verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass von den beiden miteinander zu verbindenden Kontaktelemente in Relation zueinander ein Kontaktelement aus einem weicheren und das andere Kontaktelement aus einem härteren Werkstoff besteht.
2. Elektrische Kontaktanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kontaktelemente so geformt sind, dass sich die Kontaktflächen bzw. Kontaktkonturen nach erfolgter mechanischer und elektrischer Kontaktierung zumindest teilformschlüssig komplementär ergänzen und zumindest oberflächennah hierzu verformt sind.
3. Elektrische Kontaktanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kontaktelemente eine teilweise ineinander eindringende
Pyramidalform aufweisen.
4. Elektrische Kontaktanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Kontaktelemente eine becherförmige öffnung aufweist, deren
Kanten wulstig vorgeformt sind, und sich bei Erstellen der Kontaktverbindung dort deformieren.
5. Elektrische Kontaktanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen nach erfolgter Verbindung eine komplementäre Kegelpassung ergeben.
6. Elektrische Kontaktanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass von den zu verbindenden Kontaktelementen ein Kontaktelement eine becherförmige Eintiefung und das andere Kontaktelement eine dort einzubringende Anformung hat, und dass Eintiefung und Anformung unterschiedliche geometrische Querschnitte aufweisen.
7. Verfahren zur Herstellung eines übergangswiderstandsreduzierten Kontaktes zwischen zwei Kontaktelementen, insbesondere bei einer Mittelspannungsanlage, dadurch gekennzeichnet, dass von den beiden miteinander zu verbindenden Kontaktelementen in Relation zueinander ein Kontaktelement aus einem weicheren und das andere Kontaktelement aus einem härteren Werkstoff besteht und derart gefügt werden, dass sich mindestens das weichere Kontaktelement deformiert.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kontaktelemente derart vorgeformt werden, dass sich die Kontaktflächen bzw. Kontaktkonturen nach erfolgter mechanischer und elektrischer Kontaktierung zumindest teilformschlüssig komplementär ergänzen und zumindest oberflächennah hierzu verformt sind.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der beiden Kontaktelemente mit einer Gold-, Silber- oder ähnlichen Beschichtung vor der Fügung beschichtet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die beiden Kontaktelemente eine Gold-, Silber- oder ähnliche Folie eingelegt ist, bevor die Bauteile miteinander verbunden werden. |
Elektrische Kontaktanordnung, insbesondere für Mittelspannungsanlagen, sowie
Verfahren zur Herstellung derselben.
Die Erfindung betrifft eine elektrische Kontaktanordnung, insbesondere für Mittelspannungsanlagen, sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 7.
Bekannt sind Niederspannungs-, Mittelspannungs- oder Hochspannungsschaltanlage, deren durchgehende Strombahn mittels fester Kontakte, z.B. Verschraubungen und/ oder von beweglichen Kontakten, z.B. Gleit- oder Rollenkontakten, gebildet wird. Dies beinhaltet auch die Schaltgeräte, wie Leistungsschalter, Lasttrennschalter, Schütze und Trenner.
In bekannten elektrischen Schaltanlagen wird die Strombahn durch eine Aneinanderreihung von Kontakten gebildet. Sind diese Kontakte beweglich, lässt sich die Strombahn unproblematisch öffnen und schließen.
Eine geschlossene Strombahn hat zumeist die Aufgabe, Kurzschluss- und Lastströme zu führen. Des Weiteren besteht die Forderung nach hoher Kompaktheit der Schaltanlage. Diese Kleinräumigkeit, ggf. noch unter hermetischen Abschluss, u. a. bei gasisolierten Schaltanlagen, zwingt dazu, den Widerstand der Strombahn möglichst klein zu halten, um die Verlustleistung zu minimieren.
Weiterhin ist eine gute thermische Leitfähigkeit der Strombahn erforderlich, um die im Inneren der Schaltanlage auftretende Verlustwärme nach außen abzuführen, ohne bestimmte Temperaturgrenzen zu überschreiten.
Hieraus ergibt sich ein Vielzahl von Nachteilen. Verschraubungen oder Schraubkontakte haben nur dann kleine elektrische Widerstände und gute thermische Leitfähigkeit, wenn die beiden Verschraubflächen sauber und vollständig miteinander verbunden sind. Industriell gefertigte und bearbeitete Oberflächen erfüllen diese Anforderung häufig nicht. Ursache dafür sind mikroskopische Oberflächenunebenheiten, die sich nur mit großem Aufwand glätten bzw. beseitigen lassen.
Eine derartige einfache Verschraubung nach dem Stand der Technik ist in Figur 2 gezeigt. Zwei Flächen werden durch eine Schraubverbindung gegeneinander gedrückt. Dabei sind die beiden Kontaktflächen mikroskopisch gesehen nicht schlüssig aufeinanderliegend. Dies führt zu erhöhten elektrischen übergangswiderständen und zu einem schlechten Wärmeübergang. Erhöht Verlustleistungen führen zusätzlich zu einer erschwerten Ableitung der dabei entstehenden Verlustwärme an die Umgebung. Die zulässigen Grenztemperaturen können im ungünstigsten Fall überschritten werden. Das erfordert zumeist kostenaufwendige Maßnahmen, wie großzügigere Dimensionierung der Schaltanlage, größere Leiterquerschnitte und zusätzliche Kühlkörper, um Konvektion, Strahlung und Leitung zu verbessern. Vermeidbar ist dies nur, wenn von vornherein die Verlustleistung minimiert und die thermische Leitfähigkeit maximiert wird.
Bei einem eventuellen Einguss der Kontaktstelle in einen festen Isolierstoff, z.B. Epoxydharz, ist zusätzlich zu beachten, dass Vergussmasse in einen möglichen Spalt zwischen den Kontaktflächen eindringen kann, was zu einer weiteren Verminderung der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit führen kann.
Weiterhin kann bei Außenanwendungen in einen Spalt zwischen den Kontakten z.B. Wasser eindringen und Korrosion begünstigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst großflächige und vollständige Verbindung der Verschraubflächen zu erreichen, mit einem definierten Abschluss der Kontaktfläche nach außen.
Die gestellte Aufgabe wird bei einer elektrischen Kontaktanordnung der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Im Hinblick auf ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Kontaktanordnung wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruch 7 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung sowie des Verfahrens sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Kern der einrichtungsgemäßen Erfindung ist, dass von den beiden miteinander zu verbindenden Kontaktelementen in Relation zueinander ein Kontaktelement aus einem weicheren und das andere Kontaktelement aus einem härteren Werkstoff besteht. Dies bewirkt, dass die Kontaktelemente einen deutlich kleineren elektrischen übergangswiderstand aufweisen und im übrigen auch eine gute thermische Leitfähigkeit aufweisen. Durch das Festziehen der Befestigungselemente schmiegt sich das weichere Kontaktelement an die Oberfläche der härten Kontaktelementes deutlich besser an, wobei eine leichte Verformung des weicheren Kontaktelementes gewollt ist.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die beiden Kontaktelemente so geformt sind, dass sich die Kontaktflächen bzw. Kontaktkonturen nach erfolgter mechanischer und elektrischer Kontaktierung zumindest teilformschlüssig komplementär ergänzen und zumindest oberflächennah hierzu verformt sind.
Im Hinblick auf konstruktive Ausgestaltungsmöglichkeiten besteht eine darin, dass die beiden Kontaktelemente eine teilweise ineinander eindringende Pyramidalform aufweisen. Diese wird auf reproduzierbare und damit fertigungstechnisch vernünftige Weise durch die Verformung des weicheren Kontaktstückes begünstigt.
Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit besteht darin, dass eines der Kontaktelemente eine becherförmige öffnung aufweist, deren Kanten wulstig vorgeformt sind, und sich bei Erstellen der Kontaktverbindung dort deformieren. Beim Eindringen des härteren Kontaktelementes in das weichere Kontaktelement wird diese Wulst verformt und führt so zu einem innigen Kontakt mit niedrigem elektrischen übergangswiderstand.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Kontaktflächen nach erfolgter Verbindung eine komplementäre Kegelpassung ergeben.
Eine letzte vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass von den zu verbindenden Kontaktelementen ein Kontaktelement eine becherförmige Eintiefung und das andere Kontaktelement eine dort einzubringende Anformung hat, und dass Eintiefung und Anformung unterschiedliche geometrische Querschnitte aufweisen.
Der Kern der verfahrensgemäßen Erfindung besteht darin, dass von den beiden miteinander zu verbindenden Kontaktelementen in Relation zueinander ein Kontaktelement aus einem weicheren und das andere Kontaktelement aus einem härteren Werkstoff besteht und derart gefügt werden, dass sich mindestens das weichere Kontaktelement deformiert. Damit wird eine optimale Anschmiegung der kontaktbildenden Oberflächen gewährleistet.
Dies wird in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung dadurch konkretisiert, dass die beiden Kontaktelemente derart vorgeformt werden, dass sich die Kontaktflächen bzw. Kontaktkonturen nach erfolgter mechanischer und elektrischer Kontaktierung zumindest teilformschlüssig komplementär ergänzen und zumindest oberflächennah hierzu verformt sind.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass dass zumindest eines der beiden Kontaktelemente mit einer Gold-, Silber- oder ähnlichen Beschichtung vor der Fügung beschichtet wird.
Dies kann dadurch geschehen, dass zwischen die beiden Kontaktelemente eine Gold-, Silber- oder ähnliche Folie eingelegt ist, bevor die Bauteile miteinander verbunden
werden. Die Folie kann nur stirnseitig aber auch allumfassend in die Verbindung eingelegt sein.
Die Erfindung ist anhand mehrerer Ausgestaltungsbeispiele deutlich gemacht und nachfolgend näher beschrieben.
Es zeigt:
Figur 1 : Erstes Ausgestaltungsbeispiel
Figur 2: Stand der Technik
Figur 3: Ausgestaltungsbeispiel mit Presspassung
Figur 4: Ausgestaltungsbeispiel mit kragenförmiger Presspassung
Figur 5: Ausgestaltungsbeispiel mit konischer Presspassung
Figur 6: Ausgestaltungsbeispiel mit einem im Querschnitt elliptischen Kontaktelement
Figur 7: Ausgestaltungsbeispiel mit einem im Querschnitt quadratischen
Kontaktelement
Fig. 1 zeigt eine erste Ausgestaltung. In das härtere Kontaktelement im oberen Bildteil dargestellt, wird im Bereich um die Bohrung für die Schraube eine kleine Vertiefung eingebracht. Das weichere Kontaktelement, unten dargestellt mit Innengewinde, ist im Wesentlichen zylindrisch geformt.
Beim Anziehen der Schraube liegt das weichere Kontaktelement, unten dargestellt mit Innengewinde, zunächst ringförmig am Außenrand auf. Beim weiteren Anziehen der Schraube wird diese Auflage zunächst so verdichtet, dass sich auf dieser ringförmigen Fläche ein hoher Druck ausbildet. Mikroskopische Oberflächenunebenheiten werden
so teilweise ausgeglichen, und die effektive Auflagefläche steigt. Der elektrische und der thermische Widerstand sinken.
Gleichzeitig kann eine Abdichtung der Kontaktstelle gegen das Eindringen von Vergussmasse oder Wasser bewirkt werden.
Wird die Schraube festgezogen, dann hebt sich der Bereich um das Gewinde des weicheren Kontaktelementes so weit an, bis auch dieser Bereich eine ringförmige Fläche hohen mechanischen Drucks ausbildet. Fig. 1 , unten, zeigt einen Querschnitt durch diese beiden ringförmigen Kontaktbereiche, die durch schwarze Balken in der Abbildung hervorgehoben sind.
Die Vertiefung in dem härteren (oberen) Kontaktelement kann nun in solcher Weise eingebracht werden, dass sich auch in dem Bereich zwischen den beiden Ringen hohen Kontaktdrucks eine Berührung der beiden Kontaktflächen einstellt, wenn die Schraubverbindung geschlossen worden ist.
Die oben erwähnte Ausgestaltung, bei der vor dem Fügen der Kontaktelemente eine Folie aus Gold, Silber oder Kupfer, oder einer elektrisch gut leitfähigen Legierung dazwischen gelegt wird, führt zu einer weiteren erheblichen Verringerung von Kontaktübergangswiderständen.
Folien oder Beschichtungen der Kontaktstücke mit diesen Edel- oder Halbedelmetallen können in allen gezeigten Ausgestaltungen verwendet werden.
Figur 2 zeigt - wie oben schon beschrieben - den Stand der Technik, wie er eingangs schon dargelegt wurde.
Eine weitere Ausgestaltung, die auch mit den vorher beschriebenen kombiniert werden kann, wird in Fig. 3 gezeigt. Hier gibt es neben der stimförmigen Kontaktfläche zusätzlich eine Umfassung des weicheren, zylindrischen Teil des Kontaktelementes durch eine entsprechende Bohrung in dem härteren Kontaktelement - durch die vorgesehene Presspassung wird eine zusätzliche Kontaktfläche mit hoher Andruckkraft bereitgestellt.
In einzelnen Fällen kann die Aufbringung der für das Einpressen erforderlichen Kräfte nicht durch die Schraubverbindung und auch nicht durch äußere Kräfte erfolgen.
Dann ist eine Ausgestaltung nach Fig. 4 möglich, bei der die Presspassung nur über einen begrenzten Teil der Umfassung ausgebildet wird. Durch diese Maßnahme kann die zum Einpressen erforderliche Kraft reduziert und eingestellt werden. Auch bei diesen Ausgestaltungen kann eine Abdichtung der Kontaktstelle gegen das Eindringen von Vergussmasse oder Wasser gebildet werden.
Eine weitere Möglichkeit die Einpresskraft zu reduzieren stellt eine Beschichtung eines oder auch beider Bauteile z.B. mit eine Silber- oder ähnliche Beschichtung oder die Erwärmung des äußeren und/oder die Abkühlung des inneren Kontaktelementes dar, so dass durch die thermische Ausdehnung die überlappung der Durchmesser, also die Enge der Presspassung, für die Zeit der Montage reduziert oder aufgehoben werden kann.
Eine weitere Ausgestaltung stellt eine kegelförmige Passung nach Fig. 5 dar. Die seitliche Kontaktfläche kann hier auch wie bei der Fig. 5 so ausgebildet werden, dass die Berührung der seitlichen Flächen nur über einen begrenzten Teil der Umfassung stattfindet, um die Einpresskraft beeinflussen zu können. Die Ausgestaltungen nach Fig. 3, 4 und 5 können mit den Ausgestaltungen nach Fig. 1 und 2 kombiniert werden, um den Widerstand des Kontaktes zu optimieren.
Weitere Ausgestaltungen nach Fig. 6 sehen ein nicht zylindrisches weicheres
Kontaktelement vor. Fig. 6 zeigt ein weicheres Kontaktelement mit einem elliptischen Querschnitt (linker Bildteil) während Fig. 6 im rechten Bildteil ein weicheres Kontaktelement mit quadratischem Querschnitt und verrundeten Ecken zeigt.
Der elliptische Querschnitt des weicheren Kontaktelementes berührt das härtere
Kontaktelement in zwei Zonen (Fig. 6), während bei dem quadratischen Querschnitt diese Berührung in vier Zonen stattfindet. Es sind auch andere Querschnitte denkbar, die eine Berührung in drei oder in mehr als vier Zonen realisieren.
Durch diese Maßnahme wird die Einpresskraft im Vergleich zu der Ausgestaltung nach Fig. 3 reduziert und einstellbar, ähnlich Fig. 4.
Eine weitere Ausgestaltung wird in Fig. 7 beschrieben. Hier sind sowohl der Querschnitt des weicheren Kontaktelementes als auch die Senkung des härteren Kontaktelementes elliptisch ausgeführt.
Beide Teile, d.h. beide zusammenwirkenden Kontaktelemente können zunächst mit ihren Stirnflächen aufeinander gesetzt werden, ohne dass die zusätzliche Kontaktfläche am Umfang des weicheren Kontaktelementes im Eingriff ist. Nach einem Vorspannen der Schraube mit reduziertem Drehmoment können beide Teile um 90° gegeneinander verdreht werden, so dass eine Presspassung beider Kontaktelemente mit entsprechend geringem elektrischen und thermischen Kontaktwiderstand entsteht. Abschließend wird die Schraube mit Nenndrehmoment angezogen.
Neben elliptischen Querschnitten können auch andere Querschnitte eingesetzt werden, die zu mehr als zwei Berührzonen am Umfang führen (ähnlich Fig. 8).
Die Ausgestaltung nach Fig. 7 kann mit den Ausgestaltungen nach Fig. 1 und 4 kombiniert werden.
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