Schalt _V orrichtung

Es wird eine Schaltvorrichtung angegeben.

Die Schaltvorrichtung ist insbesondere als ein durch

elektrisch leitenden Strom betreibbarer, elektromagnetisch wirkender, fernbetätigter Schalter ausgebildet. Die

Schaltvorrichtung kann über einen Steuerstromkreis aktiviert werden und kann einen Laststromkreis schalten. Insbesondere kann die Schaltvorrichtung als Relais oder als Schütz, insbesondere als Leistungsschütz, ausgebildet sein. Besonders bevorzugt kann die Schaltvorrichtung als gasgefüllter

Leistungsschütz ausgebildet sein.

Eine mögliche Anwendung von derartigen Schaltvorrichtungen, insbesondere von Leistungsschützen, ist das Öffnen und

Trennen von Batteriestromkreisen, beispielsweise in

Kraftfahrzeugen wie etwa elektrisch oder teilelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen. Diese können beispielsweise rein batteriebetriebene Fahrzeuge (BEV: „Battery Electric

Vehicle") , über eine Steckdose oder Ladestation aufladbare Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEV: „Plug-in Hybrid Electric

Vehicle") und Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEV: „Hybrid Electric Vehicle") sein. Dabei werden in der Regel sowohl der Plus- als auch der Minuskontakt der Batterie mit Hilfe eines

Leistungsschützes getrennt. Diese Auftrennung erfolgt im Regelbetrieb beispielsweise im Ruhezustand des Fahrzeuges sowie auch im Falle einer Störung wie etwa einem Unfall oder ähnlichem. Dabei ist es die Hauptaufgabe des

Leistungsschützes, das Fahrzeug spannungsfrei zu schalten und den Stromfluss zu unterbrechen. Insbesondere im Störfall treten beim Unterbrechen des Stromes Schaltlichtbögen auf. Diese gilt es zu löschen, um den Stromfluss sicher zu

unterbrechen und einer Zerstörung des Schalters

entgegenzuwirken .

Zum Löschen des Lichtbogens werden üblicherweise eine

wasserstoffhaltige Gasfüllung sowie zusätzlich im Bereich der auftretenden Lichtbögen zusätzliche Permanentmagnete, sogenannte Blasmagnete eingesetzt, die eine Ablenkung der Lichtbögen bewirken können. Beispielsweise beschreibt die Druckschrift EP 1 168 392 Al solche Blasmagnete.

Weiterhin können ausgasende Kunststoffe wie ungesättigtes Polyester oder Nylon in der Nähe eines Lichtbogens zu einer Verbesserung des Löschverhaltens führen. Der Nachteil dieser ausgasenden Kunststoffe ist jedoch ihr hoher

Kohlenstoffanteil , der bei Verdampfen des Kunststoffes zu leitenden Belägen auf der Kammerinnenwand, insbesondere durch die Bildung von Graphit, führen kann und dadurch die

Isolationsfestigkeit beeinträchtigen oder im schlimmsten Fall zu einem Kurzschluss der Kontakte führen kann.

Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, eine Schaltvorrichtung anzugeben, besonders bevorzugt eine Schaltvorrichtung, bei der beschriebene Nachteile des Standes der Technik vermieden oder zumindest verringert werden können.

Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand gemäß dem

unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte

Ausführungsformen und Weiterbildungen des Gegenstands sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor .

Gemäß einer Ausführungsform weist eine Schaltvorrichtung zumindest einen feststehenden Kontakt und zumindest einen beweglichen Kontakt auf. Der zumindest eine feststehende Kontakt und der zumindest eine bewegliche Kontakt sind dazu vorgesehen und eingerichtet, einen an die Schaltvorrichtung anschließbaren Laststromkreis ein- und auszuschalten. Der bewegliche Kontakt ist in der Schaltvorrichtung entsprechend derart zwischen einem nicht-durchschaltenden Zustand und einem durchschaltenden Zustand der Schaltvorrichtung

bewegbar, dass der bewegliche Kontakt im nicht- durchschaltenden Zustand der Schaltvorrichtung vom zumindest einen feststehenden Kontakt beabstandet und damit galvanisch getrennt ist und im durchschaltenden Zustand einen

mechanischen Kontakt zum zumindest einen feststehenden

Kontakt aufweist und damit galvanisch mit dem zumindest einen feststehenden Kontakt verbunden ist. Besonders bevorzugt weist die Schaltvorrichtung zumindest zwei feststehende

Kontakte auf, die voneinander getrennt in der

Schaltvorrichtung angeordnet sind und die auf diese Weise je nach Zustand des beweglichen Kontakts durch den beweglichen Kontakt elektrisch leitend miteinander verbunden oder elektrisch voneinander getrennt sein können.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die

Schaltvorrichtung ein Gehäuse auf, in dem der bewegliche Kontakt und der zumindest eine feststehende Kontakt oder die zumindest zwei feststehenden Kontakte angeordnet sind. Der bewegliche Kontakt kann insbesondere vollständig im Gehäuse angeordnet sein. Dass ein feststehender Kontakt im Gehäuse angeordnet ist, kann insbesondere bedeuten, dass zumindest der Kontaktbereich des feststehenden Kontakts, der im

durchschaltenden Zustand in mechanischem Kontakt zum

beweglichen Kontakt steht, innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Zum Anschluss einer Zuleitung eines durch die

Schaltvorrichtung zu schaltenden Stromkreises kann ein im Gehäuse angeordneter feststehender Kontakt von außen, also von außerhalb des Gehäuses, elektrisch kontaktierbar sein. Hierzu kann ein im Gehäuse angeordneter feststehender Kontakt mit einem Teil aus dem Gehäuse herausragen und außerhalb des Gehäuses eine Anschlussmöglichkeit für eine Zuleitung

aufweisen .

Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Kontakte in einer Gasatmosphäre im Gehäuse angeordnet. Das kann

insbesondere bedeuten, dass der bewegliche Kontakt

vollständig in der Gasatmosphäre im Gehäuse angeordnet ist und dass weiterhin zumindest Teile des oder der feststehenden Kontakte, etwa der oder die Kontaktbereiche des oder der feststehenden Kontakte, in der Gasatmosphäre im Gehäuse angeordnet sind. Die Schaltvorrichtung kann entsprechend besonders bevorzugt eine gasgefüllte Schaltvorrichtung wie etwa ein gasgefülltes Schütz sein.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Kontakte, das bedeutet der bewegliche Kontakt vollständig sowie zumindest Teile des oder der feststehenden Kontakte, in einer

Schaltkammer innerhalb des Gehäuses angeordnet, in der sich das Gas, also zumindest ein Teil der Gasatmosphäre, befindet. Das Gas kann bevorzugt einen Anteil von zumindest 50% H2 aufweisen. Zusätzlich zum Wasserstoff kann das Gas ein inertes Gas aufweisen, besonders bevorzugt N2 und/oder eines oder mehrere Edelgase. Die Schaltkammer kann einen Schaltkammerboden und eine

Schaltkammerwand aufweisen. Der bewegliche Kontakt kann mit einer Achse verbunden sein, wobei die Achse durch eine

Öffnung im Schaltkammerboden hindurchragt. Die

Schaltkammerwand kann zumindest eine Öffnung aufweisen, wobei der zumindest eine feststehende Kontakt durch die Öffnung in der Schaltkammerwand hindurchragen kann. Weist die

Schaltvorrichtung mehrere feststehende Kontakte auf, kann die Schaltkammerwand bevorzugt für jeden der feststehenden

Kontakte eine entsprechende Öffnung aufweisen. Die

Schaltkammerwand kann besonders bevorzugt kappenförmig ausgeformt und ein- oder mehrteilig sein. Der

Schaltkammerboden kann besonders bevorzugt plattenartig ausgebildet und ebenfalls ein- oder mehrteilig sein.

Alternativ können der Schaltkammerboden und die

Schaltkammerwand auch umgekehrt ausgeformt sein. Weiterhin kann es auch möglich sein, dass der Schaltkammerboden und die Schaltkammerwand beide kappenförmig ausgebildet sind.

Unabhängig von der Form der Schaltkammerwand und dem

Schaltkammerboden können diese besonders bevorzugt so

zueinander angeordnet sein, dass ein bis auf die vorab beschriebenen Öffnungen umschlossener Raum gebildet wird, in dem die weiter oben beschriebenen Schaltvorgänge stattfinden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Schaltkammer zumindest teilweise ein Polymermaterial auf, aus dem bei Erwärmung Wasserstoff freigesetzt werden kann. Insbesondere kann das Polymermaterial derart ausgebildet sein, dass durch einen Lichtbogen, wie er bei einem Schaltvorgang in der

Schaltkammer auftreten kann, Wasserstoff freigesetzt werden kann. Der zusätzlich freigesetzte Wasserstoff, besonders bevorzugt in Form von H ₂ , kann eine Lichtbogenlöschung in der Schaltkammer verbessern. Beispielsweise kann der Schaltkammerboden zumindest teilweise das Polymermaterial aufweisen. Das kann bedeuten, dass der Schaltkammerboden ein KunststoffSchild aus dem

Polymermaterial aufweisen kann. Weiterhin kann der

Schaltkammerboden auch aus dem Polymermaterial gebildet sein.

Alternativ oder zusätzlich kann die Schaltkammerwand

zumindest teilweise das Polymermaterial aufweisen.

Insbesondere kann ein Teil der Schaltkammerwand das

Polymermaterial aufweisen. Weiterhin kann die

Schaltkammerwand auch aus dem Polymermaterial gebildet sein.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das

Polymermaterial ein Polyoxymethylen (POM) auf. Besonders bevorzugt ist das Polymermaterial ein POM. POM ist ein teilkristalliner, weitgehend linearer, durch

Kettenpolymerisation oder Kettencopolymerisation

herstellbarer Thermoplast mit dem wiederkehrenden Baustein -CHR-O-, wobei R einen organischen Rest bezeichnet. Besonders bevorzugt weist das Polymermaterial die Struktur (CH ₂ 0) _n auf, also mit Wasserstoff als Rest R, oder wird dadurch gebildet. Das Polymermaterial kann sich entsprechend durch einen vergleichsweise geringen Kohlenstoffanteil und eine sehr geringe Neigung zur Graphitbildung auszeichnen. Durch die gleichen Anteile von Kohlenstoff und Sauerstoff insbesondere bei (CH2O) _n können bei einer Wärme- und insbesondere einer Lichtbogen-induzierten Zersetzung überwiegend gasförmiges CO und H2 entstehen. Folglich entstehen also kaum leitende

Wandbeläge und der zusätzliche Wasserstoff verstärkt die Bogenlöschung . Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist in der Schaltkammer zumindest ein Blasmagnet angeordnet, der besonders bevorzugt durch einen Permanentmagnet gebildet sein kann. Weiterhin können auch mehrere Blasmagnete vorhanden sein. Im Falle eines Abschaltvorgangs der Schaltvorrichtung unter Last, also einer räumlichen Trennung des beweglichen Kontakt und des einen oder der mehreren feststehenden Kontakte bei noch fließendem Laststrom, wird der dabei entstehende Lichtbogen durch den oder die Blasmagnete ausgelenkt und aus dem

Kontaktbereich herausgetrieben. Dabei kann er insbesondere auch einen Teil der Schaltkammer, beispielsweise den

Schaltkammerboden, erreichen. Durch Aufheizung dieses Teils, der bevorzugt aus dem beschriebenen Polymermaterial, also insbesondere mit oder aus POM, ist, kann dann wie vorab beschrieben zusätzlicher Wasserstoff freigesetzt werden, so dass ein Verlöschen des Lichtbogens beschleunigt werden kann.

Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und

Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in

Verbindung mit den Figuren beschriebenen

Ausführungsbeispielen .

Es zeigen:

Figuren 1A und 1B schematische Darstellungen einer

Schaltvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel und

Figur 2 eine schematische Darstellung eines Teils einer

Schaltvorrichtung gemäß einem weiteren

Ausführungsbeispiel .

In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.

In den Figuren 1A und 1B ist ein Ausführungsbeispiel für eine Schaltvorrichtung 100 gezeigt, die beispielsweise zum

Schalten starker elektrischer Ströme und/oder hoher

elektrischer Spannungen eingesetzt werden kann und die ein Relais oder Schütz, insbesondere ein Leistungsschütz, sein kann. In Figur 1A ist eine dreidimensionale

Schnittdarstellung gezeigt, während in Figur 1B eine

zweidimensionale Schnittdarstellung dargestellt ist. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich gleichermaßen auf die Figuren 1A und 1B. Die gezeigten Geometrien sind nur

exemplarisch und nicht beschränkend zu verstehen und können auch alternativ ausgebildet sein.

Die Schaltvorrichtung 100 weist in einem Gehäuse 1 zwei feststehende Kontakte 2, 3 und einen beweglichen Kontakt 4 auf. Der bewegliche Kontakt 4 ist als Kontaktplatte

ausgebildet. Die feststehenden Kontakte 2, 3 bilden zusammen mit dem beweglichen Kontakt 4 die Schaltkontakte . Das Gehäuse 1 dient vornehmlich als Berührschutz für die im Inneren angeordneten Komponenten und weist einen Kunststoff auf oder ist daraus, beispielsweise Polybutylenterephthalat (PBT) oder Glas-gefülltes PBT. Die Kontakte 2, 3, 4 können

beispielsweise mit oder aus Cu, einer Cu-Legierung oder einer Mischung von Kupfer mit zumindest einem weiteren Metall, beispielsweise Wo, Ni und/oder Cr, sein. In den Figuren 1A und 1B ist die Schaltvorrichtung 100 in einem Ruhezustand gezeigt, in dem der bewegliche Kontakt 4 von den feststehenden Kontakten 2, 3 beabstandet ist, so dass die Kontakte 2, 3, 4 galvanisch voneinander getrennt sind.

Die gezeigte Ausführung der Schaltkontakte und insbesondere deren Geometrie sind rein beispielhaft und nicht beschränkend zu verstehen. Alternativ können die Schaltkontakte auch anders ausgebildet sein. Beispielsweise kann es möglich sein, dass nur einer der Schaltkontakte feststehend ausgebildet ist .

Die Schaltvorrichtung 100 weist einen beweglichen Magnetanker 5 auf, der im Wesentlichen die Schaltbewegung vollzieht. Der Magnetanker 5 weist einen magnetischen Kern 6 auf,

beispielsweise mit oder aus einem ferromagnetischen Material. Weiterhin weist der Magnetanker 5 eine Achse 7 auf, die durch den magnetischen Kern 6 geführt ist und an einem Achsenende fest mit dem magnetischen Kern 6 verbunden ist. Am anderen, dem magnetischen Kern 6 gegenüberliegenden Achsenende weist der Magnetanker 5 den beweglichen Kontakt 4 auf, der

ebenfalls mit der Achse 7 verbunden ist. Die Achse 7 kann beispielsweise mit oder aus Edelstahl gefertigt sein.

Der magnetische Kern 6 ist von einer Spule 8 umgeben. Ein von außen aufschaltbarer Stromfluss in der Spule 8 erzeugt eine Bewegung des magnetischen Kerns 6 und damit des gesamten Magnetankers 5 in axialer Richtung, bis der bewegliche

Kontakt 4 die feststehenden Kontakte 2, 3 kontaktiert. Der Magnetanker 5 bewegt sich somit von einer ersten Position, die dem Ruhezustand und gleichzeitig dem trennenden, also nicht-durchschaltendem Zustand entspricht, in eine zweite Position, die dem aktiven, also durchschaltenden Zustand entspricht. Im aktiven Zustand sind die Kontakte 2, 3, 4 galvanisch miteinander verbunden. In einer anderen Ausführungsform kann der Magnetanker 5 alternativ auch eine Drehbewegung ausführen. Der Magnetanker 5 kann insbesondere als Zuganker oder Klappanker ausgebildet sein. Zur Führung der Achse 7 und damit des Magentankers 5 weist die

Schaltvorrichtung 100 ein Joch 9 auf, das Reineisen oder eine niedrig dotierte Eisenlegierung aufweisen oder daraus sein kann und das einen Teil des magnetischen Kreises bildet. Das Joch 9 weist eine Öffnung auf, in der die Achse 7 geführt wird. Wird der Stromfluss in der Spule 8 unterbrochen, wird der Magnetanker 5 durch eine oder mehrere Federn 10 wieder in die erste Position bewegt. Die Schaltvorrichtung 100 befindet sich dann wieder im Ruhezustand, in dem die Kontakte 2, 3, 4 geöffnet sind.

Beim Öffnen der Kontakte 2, 3, 4 kann ein Lichtbogen

entstehen, der die Kontaktflachen beschädigen kann. Dadurch kann die Gefahr bestehen, dass die Kontakte 2, 3, 4 durch eine durch den Lichtbogen hervorgerufene Verschweißung aneinander „kleben" bleiben und nicht mehr voneinander getrennt werden. Um die Entstehung derartiger Lichtbögen zu verhindern oder wenigstens um die Löschung von auftretenden Lichtbögen zu unterstützen, sind die Kontakte 2, 3, 4 in einer Gasatmosphäre angeordnet, so dass die Schaltvorrichtung 100 als gasgefülltes Relais oder gasgefüllter Schütz

ausgebildet ist. Hierzu sind die Kontakte 2, 3, 4 innerhalb einer Schaltkammer 11, gebildet durch eine Schaltkammerwand 12 und einen Schaltkammerboden 13, in einem hermetisch abgeschlossenen Teil des Gehäuses 1 angeordnet. Das Gehäuse 1 und insbesondere der hermetisch abgeschlossene Teil des

Gehäuses 1 umgibt den Magnetanker 5 und die Kontakte 2, 3, 4 vollständig. Der hermetisch abgeschlossene Teil des Gehäuses 1 und damit auch die Schaltkammer 11 sind mit einem Gas 14 gefüllt. Das Gas 14, das durch einen Gasfüllstutzen 15 im Rahmen der Herstellung der Schaltvorrichtung 100 eingefüllt werden kann, kann besonders bevorzugt Wasserstoff-haltig sein. Insbesondere kann das Gas 14 zumindest 50% oder mehr H2 in einem inerten Gas wie N2 und/oder einem oder mehreren Edelgasen aufweisen, da Wasserstoff-haltiges Gas die Löschung von Lichtbögen fördern kann.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Schaltkammerwand 12 kappenförmig ausgebildet und kann ein- oder mehrteilig sein. Der Schaltkammerboden 13 ist plattenartig ausgebildet und kann ebenfalls ein- oder mehrteilig sein. Durch Öffnungen im Schaltkammerboden 13 und in der Schaltkammerwand 12 können die mit dem beweglichen Kontakt 4 verbundene Achse 7 sowie die feststehenden Kontakte 2, 3 durch die besagten Teile hindurchragen. Die Schaltkammerwand 12 und der

Schaltkammerboden 13 umgeben somit einen Raum, in dem die Schaltvorgänge stattfinden. Alternativ zum gezeigten

Ausführungsbeispiel sind auch andere Geometrien der

Schaltkammerwand 12 und des Schaltkammerbodens 13 möglich.

Weiterhin weist die Schaltkammer 11 zumindest teilweise ein Polymermaterial auf, aus dem bei Erwärmung Wasserstoff freigesetzt werden kann. Insbesondere ist das Polymermaterial derart ausgebildet, dass durch einen Lichtbogen, der auf das Polymermaterial trifft, Wasserstoff freigesetzt werden kann, so dass es durch den zusätzlich freigesetzten Wasserstoff, besonders bevorzugt in Form von H2, zu einer Verbesserung der Lichtbogenlöschung kommen kann. Das Polymermaterial weist ein Polyoxymethylen (POM) auf, insbesondere mit der Struktur (CH2O) _n , oder wird dadurch gebildet. Wie im allgemeinen Teil beschrieben ist, zeichnet sich ein solches Polymermaterial durch einen im Vergleich zu anderen Polymeren geringen Kohlenstoffanteil und eine sehr geringe Neigung zu Graphitbildung aus, wobei bei einer insbesondere Lichtbogen induzierten Zersetzung überwiegend gasförmiges CO und H2 entstehen .

Besonders bevorzugt weist der Schaltkammerboden 13 das

Polymermaterial auf. Beispielsweise kann ein einen Teil des Schaltkammerbodens 13 bildender Polymerschild mit und

bevorzugt aus dem Polymermaterial verhindern, dass ein

Lichtbogen den darunter liegenden Flanschbogen erreichen kann. Weiterhin kann auch der Schaltkammerboden 13 als Ganzes aus dem Polymermaterial gebildet sein. Alternativ oder zusätzlich können auch Teile der Schaltkammerwand 12 oder auch die Schaltkammerwand 12 als Ganzes mit oder aus dem Polymermaterial gebildet sein. Die nicht durch das

beschriebene Polymermaterial gebildeten Teile der

Schaltkammer 11, also insbesondere nicht durch das

beschriebene Polymermaterial gebildeten Teile der

Schaltkammerwand 12 und/oder des Schaltkammerbodens 13, können beispielsweise mit oder aus einem Metalloxid wie etwa AI2O3 gefertigt sein.

In Figur 2 ist ein Ausschnitt der in der Schaltkammer

angeordneten Kontakte 2, 4 gezeigt, wobei die Darstellung der Figur 2 um 90° zu den Schnittebenen der Figuren 1A und 1B gedreht ist. Wie in Figur 2 angedeutet ist, können innerhalb der Schaltkammer ein oder mehrere Blasmagnete 16 angeordnet sein, also bevorzugt Permanentmagnete, die eine Verlängerung der Lichtbogenstrecke sowie ein Auslenken der Lichtbögen aus dem Bereich zwischen den Kontakten bewirken können. Die

Lichtbögen können dabei insbesondere auch einen Teil der Schaltkammer, beispielsweise den Schaltkammerboden oder die Schaltkammerwand, erreichen. Durch die Aufheizung dieses Teils, der mit oder bevorzugt aus dem beschriebenen

Polymermaterial, also insbesondere mit oder aus POM, ist, kann dann wie vorab beschrieben zusätzlicher Wasserstoff freigesetzt werden, so dass ein Verlöschen des Lichtbogens beschleunigt werden kann.

Die in den in Verbindung mit den Figuren beschriebenen

Merkmale und Ausführungsbeispiele können gemäß weiteren

Ausführungsbeispielen miteinander kombiniert werden, auch wenn nicht alle Kombinationen explizit beschrieben sind.

Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren

beschriebenen Ausführungsbeispiele alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen .

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den

Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Bezugszeichenliste

1 Gehäuse

2, 3 feststehender Kontakt

4 beweglicher Kontakt

5 Magnetanker

6 magnetischer Kern 7 Achse

8 Spule

9 Joch

10 Feder

11 Schaltkammer

12 Schaltkämmerwand 13 Scha1tkämmerboden

14 Gas

15 Gasfüllstutzen

16 Blasmagnet

100 Schalt _V orrichtung