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Title:
SWITCHING DEVICE AND SWITCHING METHOD
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/101603
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a switching device which comprises at least one electrical switching contact (60) and an actuator assembly (AE) designed for clamping and having a solid-state actuator (130) and a hydraulic unit (120) that is mechanically connected to the solid-state actuator (130) in series, said hydraulic unit (120) comprising a hydraulic volume that is filled with a hydraulic fluid (195), and said switching device additionally comprising a clamping body (40) that can be clamped by the actuator assembly and that is motion-coupled to the at least one electrical switching contact (60). In the method, a switch is switched by a switching device (10) of this type, said switch comprising the at least one switching contact (60) of the switching device (10).

Inventors:
BACHMAIER, Georg (Kohlstraße 2, München, 80469, DE)
GERLICH, Matthias (Maximilian-Wetzger-Straße 9, München, 80636, DE)
KNABE, Thomas (Kesselstr. 2, Berlin, 12307, DE)
LAST, Philipp (Goßlerstraße 18, Berlin, 12161, DE)
ZÖLS, Wolfgang (Ranertstraße 8, München-Lochhausen, 81249, DE)
Application Number:
EP2018/081260
Publication Date:
May 31, 2019
Filing Date:
November 14, 2018
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
H01L41/083; F15B21/06
Domestic Patent References:
WO2016050490A12016-04-07
Foreign References:
DE10017178A12001-10-18
US20150345519A12015-12-03
US5800060A1998-09-01
US7726972B12010-06-01
DE102016208274A12017-11-16
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Claims:
Patentansprüche

1. Schalteinrichtung, umfassend mindestens einen elektrischen Schaltkontakt (60) sowie eine zur Klemmung ausgebildete Ak toreinrichtung (AE) mit einem Festkörperaktor (130) und einer zu dem Festkörperaktor (130) mechanisch in Serie geschalteten Hydraulikeinheit (120), wobei die Hydraulikeinheit (120) ein Hydraulikvolumen aufweist, welches mit einer Hydraulikflüs sigkeit (195) befüllt ist, wobei die Schalteinrichtung zudem einen Arretierkörper (40) aufweist, welcher mit der Aktorein richtung arretierbar ist und welcher mit dem mindestens einen elektrischen Schaltkontakt (60) bewegungsgekoppelt ist.

2. Aktoreinrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, welche zur Arretierung in Form von Klemmung und/oder formschlüssiger Festlegung ausgebildet ist.

3. Aktoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Arretierkörper ein Klemmkörper (40) ist, wel cher mittels der Hydraulikeinheit (120) klemmbar ist und/oder ein Formschlusskörper (40') ist, welcher mittels der Hydrau likeinheit (120) formschlüssig festlegbar ist.

4. Schalteinrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, welche ein Federelement (20) und/oder Antriebselement aufweist, wel ches zur Kraftbeaufschlagung des Arretierkörpers (40) und/oder zum Antrieb des Arretierkörpers (40), insbesondere an dem Arretierkörper (40), angeordnet und ausgebildet ist.

5. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das Federelement (20) oder Antriebselement einen Druckspeicher und/oder einen Magneten aufweist .

6. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Aktoreinrichtung mindestens eine Klemmfläche (100) aufweist, welche zur reibschlüssigen Ineingriffnähme des als Klemmkörper ausgebildeten Arretierkörpers (40) ausge bildet ist und/oder einen Vorsprung (100') und/oder eine Aus- nehmung aufweist, welcher zur formschlüssigen Ineingriffnähme des als Formschlusskörper ausgebildeten Arretierkörpers (40') oder mit dem als Formschlusskörper ausgebildeten Arretierkör per (40') ausgebildet ist.

7. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Aktoreinrichtung ausgebildet ist, den Klemm körper (40) umfänglich, vorzugsweise vollumfänglich, zu klem men .

8. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Hydraulikflüssigkeit (195) ein Flüssigmetall, insbesondere Gallium, Indium, Zinn und/oder Quecksilber, und/oder eine eutektische Legierung und/oder eine Hydraulik flüssigkeit (195) ist oder aufweist, welche bei Normaldruck bei einer Temperatur von 20 °C, vorzugsweise 0 °C und ideal erweise -20 °C, und/oder bei einer Betriebstemperatur und bei einem Betriebsdruck der Schalteinrichtung flüssig ist.

9. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Hydraulikeinheit (120) dazu ausgebildet ist, eine von dem Festkörperaktor (130) ausgehende Bewegung mit einem Übersetzungsverhältnis von ungleich eins auf ein zu be wegendes Element (100), insbesondere eine zur Klemmung des Klemmkörpers (40) ausgebildete Klemmbacke und/oder ein zur formschlüssigen Festlegung des Formschlusskörpers (40') aus gebildetes Formschlusselement (100'), zu übertragen.

10. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, bei welcher die Hydraulikeinheit (120) wenigstens eine Antriebskammer (140), eine Abtriebskammer (230) und vor zugsweise eine diese Antriebskammer (140) und Abtriebskammer (230) verbindende hydraulische Leitung (235) aufweist.

11. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, bei welcher die Hydraulikeinheit (120) wenigstens ein die Antriebskammer (140) teilweise begrenzendes Antriebsele ment (160) aufweist, welches mittels des Festkörperaktors (130) bewegbar ist, wobei durch Bewegen des Antriebselements (160) eine Strömung der Hydraulikflüssigkeit (195) zwischen Antriebskammer (140) und Abtriebskammer (230), insbesondere aus der Abtriebskammer (140) in die Antriebskammer (230), und/oder eine Druckminderung der Abtriebskammer (140) be wirkbar ist .

12. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, bei welcher die Hydraulikeinheit (120) zusätzlich eine, vorzugsweise druckbeaufschlagte, Vorratskammer (210) für die Hydraulikflüssigkeit (195) aufweist.

13. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, zumindest nach den Ansprüchen 10 und 12, bei welcher die Vorratskammer (210) druckbeaufschlagt ist und wobei die druckbeaufschlagte Vorratskammer (210) zur Druckbeaufschla gung der Abtriebskammer (230), insbesondere mittels einer Druckbeaufschlagung der Antriebskammer (140), ausgebildet und hydraulisch angebunden ist.

14. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, bei welcher der Festkörperaktor (130) als oder mit einem Piezoaktor und/oder Piezostapelaktor ausgebildet ist und/oder ein magnetostriktiver Aktor oder ein elektrostriktiver Aktor und/oder ein Formgedächtnis-Aktor ist oder einen solchen Ak tor aufweist .

15. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, bei welchem die Aktoreinrichtung mindestens zwei Arre tierkörper (40, 40') aufweist, welche mit je mindestens einem elektrischen Schaltkontakt bewegungsgekoppelt sind.

16. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, bei welcher eine Steuereinrichtung vorhanden ist, welche eingerichtet ist, den Festkörperaktor abhängig von einer Be wegungsgröße des Arretierkörpers (40, 40') und/oder einer Kraftbeaufschlagung des Arretierkörpers (40, 40') zu steuern.

17. Verfahren zum Schalten eines Schalters mit einer Schalt einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei wel chem der Schalter den mindestens einen Schaltkontakt (60) der Schalteinrichtung (10) aufweist.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem ein Schalter mit mindestens zwei oder mehr Phasen ge schaltet wird und der Schalter je Phase mindestens einen Schaltkontakt der Schalteinrichtung (10) aufweist.

Description:
Beschreibung

Schalteinrichtung und Verfahren zum Schalten

Die Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung sowie ein Ver fahren zum Schalten eines elektrischen Schalters oder Schalt geräts .

In elektrischen Energienetzen kommen zum Schutz von Netzkom ponenten oder von mit Energie zu versorgenden Geräten, Ma schinen und Anlagen unterschiedliche Schalteinrichtungen zum Einsatz. Solche Schalteinrichtungen werden bei Nieder,- Mit tel- und Hochspannungsnetzen und dort jeweils sowohl für Gleich- und Wechselspannung eingesetzt.

Derartige Schalteinrichtungen sind dazu ausgelegt, bei einem Schaltvorgang zwei elektrische Schaltkontakte entweder zu öffnen, d.h. auseinander zu bewegen, oder zu schließen, d.h. miteinander in elektrisch leitenden Kontakt zu bringen. Dazu sind die elektrischen Schaltkontakte häufig sehr schnell zu bewegen. Zu diesem Zweck sind geeignete Antriebskonzepte er forderlich .

Es sind Schalteinrichtungen bekannt, bei denen ein elektri scher Schaltkontakt formschlüssig festgelegt ist und mittels elektromagnetischer Auslöser freigegeben werden kann. Die Schaltzeiten solcher Schalteinrichtungen sind jedoch limi tiert, was einen Einsatz in speziellen Anwendungen wie insbe sondere dem Kurzschließen und/oder dem Strombegrenzen ein schränkt .

Für besonders kurze Schaltzeiten im Bereich von weniger als 5 Mikrosekunden sind Explosionsantriebe, etwa von ABB, bekannt, bei welchen Schaltvorgänge mittels Explosion antreibbar sind oder leitende Verbindungen mittels Explosion aufsprengbar sind, so dass ein elektrischer Kontakt unterbrochen werden kann. Solche Lösungen sind jedoch typischerweise nur ein ein ziges Mal nutzbar. Es ist vor diesem Hintergrund Aufgabe der vorliegenden Erfin dung, eine verbesserte Schalteinrichtung zu schaffen, mittels welcher möglichst rasch geschaltet werden kann. Vorzugsweise soll zudem mit möglichst hoher Schaltkraft geschaltet werden können. Insbesondere soll eine Schalteinrichtung geschaffen werden, die wiederholt nutzbar ist.

Diese Aufgaben werden mit einer Schalteinrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einem Verfahren zum Schalten eines Schalters mit den in Anspruch 16 angegebe nen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfin dung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgen den Beschreibung und der Zeichnung angegeben. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen der Schalteinrichtung und des Verfahrens zum Schalten eines elektrischen Schalters vor teilhaft miteinander kombiniert werden.

Die erfindungsgemäße Schalteinrichtung umfasst mindestens ei nen elektrischen Schaltkontakt sowie eine zur Arretierung ausgebildete Aktoreinrichtung, welche einen Festkörperaktor und eine zu dem Festkörperaktor mechanisch in Serie geschal tete Hydraulikeinheit aufweist. Dabei weist die Hydraulikein heit der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung ein Hydraulikvo lumen auf, welches mit einer Hydraulikflüssigkeit befüllbar und vorzugsweise befüllt ist . Die erfindungsgemäße Schaltein richtung umfasst zudem einen Arretierkörper, welcher mit der Aktoreinrichtung arretierbar ist und welcher mit dem mindes tens einen elektrischen Schaltkontakt bewegungsgekoppelt ist. Geeigneterweise ist bei der erfindungsgemäßen Schalteinrich tung der Arretierkörper arretierbar und entriegelbar.

Das Hydraulikvolumen kann insbesondere im Wesentlichen voll ständig mit der Hydraulikflüssigkeit befüllt sein. Vorzugs weise sollte Hydraulikflüssigkeit das Hydraulikvolumen so weit ausfüllen, dass durch diese Hydraulikflüssigkeit eine Übertragung von Kraft und/oder mechanischer Bewegungsenergie zwischen verschiedenen Elementen der Hydraulikeinheit (insbe- sondere zwischen einem Antriebselement und einem Abtriebsele ment) ermöglicht wird.

Unter dem genannten Merkmal, dass der Festkörperaktor mit der Hydraulikeinheit „mechanisch in Serie geschaltet" ist, soll im vorliegenden Zusammenhang verstanden werden, dass Festkör peraktor und Hydraulikeinheit so verbunden sind, dass eine mechanische Bewegung eines Teils des Festkörperaktors auf einen korrespondierenden Teil der Hydraulikeinheit übertrag bar ist. Die Hydraulikeinheit ist insbesondere dazu ausge staltet, diese Bewegung des korrespondierenden Teils der Hyd raulikeinrichtung auf ein, insbesondere äußeres, zu bewegen des Element zu übertragen, wobei eine solche Übertragung all gemein mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis und/oder mit einer Integration von mehreren Einzelbewegungen verbunden sein kann. Dieses Element weist vorzugsweise eine Klemmfläche zur Klemmung des Arretierkörpers in Gestalt eines Klemmkör pers und/oder einen Vorsprung zur Verriegelung, d.h. zur formschlüssigen Festlegung, des Arretierkörpers in Gestalt eines Formschlusskörpers auf. D.h. unter einer Arretierung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise eine Klem mung zu verstehen, wobei mittels der Aktoreinrichtung eine Arretierkörper in Gestalt eines Klemmkörpers festlegbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann unter einer Arretierung im Sinne dieser Erfindung eine formschlüssige Arretierung, also eine Verriegelung, zu verstehen sein, wobei der Arretierkör per mittels der Hydraulikeinheit und vorzugsweise dem, insbe sondere zusätzlichen, Element, formschlüssig festlegbar ist und somit einen Formschlusskörper ausbildet.

Geeigneterweise umfasst der Formschlusskörper eine Ausnehmung und das Element einen mit der Ausnehmung korrespondierenden Vorsprung. Alternativ und ebenfalls bevorzugt umfasst das Element eine Ausnehmung und der Formschlusskörper einen mit der Ausnehmung korrespondierenden Vorsprung. Zweckmäßig bil det dieses weitere Element mit der Klemmfläche zusammen mit der Hydraulikeinheit und dem Festkörperaktor die Aktorein richtung der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung. Dieses Ele- ment kann Bestandteil der Hydraulikeinheit sein oder ein zu sätzliches, d.h. „äußeres" Element sein, welches mit der Hyd raulikeinheit mechanisch in Serie geschaltet ist. Vorzugswei se ist dieses Element Bestandteil der erfindungsgemäßen Ak toreinrichtung .

Vorteilhaft weisen Festkörperaktoren, wie sie bei der erfin dungsgemäßen Schalteinrichtung vorgesehen sind, hohe mechani sche Eigenfrequenzen und damit kurze Stellzeiten mit zugleich hohen Stellkräften auf. Insbesondere können die Auslenkzeiten solcher Festkörperaktoren mindestens 20 Mikrosekunden und/oder höchstens 20 Millisekunden, vorzugsweise höchstens 200 Mikrosekunden und idealerweise höchstens 50 Mikrosekun den, betragen. Mittels der bei der erfindungsgemäßen Schalt einrichtung vorgesehenen, in Serie geschalteten, Hydrauli keinheit ist zudem eine Auslenkung des Festkörperaktors be sonders verzögerungsarm und nahezu verlustfrei übertragbar, sodass mittels der Schalteinrichtung eine nahezu instantane Arretierung des Arretierkörpers infolge einer Ansteuerung des Festkörperaktors bewirkbar ist. Folglich kann der Arretier körper ohne deutlichen Verzug entweder freigegeben werden o- der an seiner Bewegung gehindert werden. Somit kann mittels der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung besonders rasch ge schaltet werden.

Vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Schalteinrichtung zer störungsfrei nutzbar. Insbesondere im Vergleich zu Explosi onsantrieben ist die erfindungsgemäße Schalteinrichtung daher nicht nur einmalig, sondern wiederholt nutzbar. Denn die er findungsgemäße Schalteinrichtung lässt in den ursprünglichen Zustand zurück versetzen, sodass die Schalteinrichtung erneut einsetzbar ist. Weiterhin vorteilhaft lässt sich die erfin dungsgemäße Schalteinrichtung aufgrund des Verzichts auf Ex plosionsantriebe ohne Schaden für ggf. vorhandene Periphä- reinrichtungen und somit besonders betriebssicher einsetzen. Aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen Hydraulikeinheit ist die erfindungsgemäße Schalteinrichtung zudem mechanisch verschleißarm ausgebildet.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Schalteinrichtung ein Federelement und/oder Antriebselement auf, welches zur Kraftbeaufschlagung des Arretierkörpers und/oder zum Antrieb des Arretierkörpers, insbesondere an dem Arretierkörper, angeordnet und ausgebildet ist. Auf diese Weise ist der Arretierkörper mit einer hohen Kraft beauf schlagbar, welche den Arretierkörper beschleunigen kann, so fern er nicht arretiert ist. Wenn die erfindungsgemäß vorge sehene Aktoreinrichtung den Arretierkörper arretiert und so mit in der Bewegung festlegt, lassen sich mittels der erfin dungsgemäßen Schalteinrichtung Bewegungen des Arretierkörpers und somit des elektrischen Schaltkontakts rasch einleiten und/oder unterbinden.

Zweckmäßig weist bei der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung das Federelement oder Antriebselement einen Druckspeicher und/oder einen Magneten und/oder eine Feder auf. Mittels ei nes Druckspeichers und/oder eines Magneten oder mittels Fe dern lässt sich der Arretierkörper vorteilhaft auf konstruk tiv einfache Weise mit einer hohen Kraft beaufschlagen.

Geeigneterweise weist bei der erfindungsgemäßen Schaltein richtung die Aktoreinrichtung mindestens eine Klemmfläche auf, die zur reibschlüssigen Ineingriffnähme des Arretierkör pers in Gestalt eines Klemmkörperss ausgebildet ist. In die ser Weiterbildung der Erfindung lässt sich der Klemmkörper leicht durch Kraftbeaufschlagung in Richtung schräg, insbe sondere senkrecht, zu einer vorgegebenen Bewegungsrichtung des Klemmkörpers in seiner Bewegung festlegen. Es versteht sich, dass die Bewegung des Arretierkörpers keine Schwer punktsbewegung des Arretierkörper sein muss. Es ist grund sätzlich ebenfalls ausreichend und möglich, dass eine Ober fläche des Arretierkörpers beweglich und durch Arretierung, d.h. durch Klemmung und/oder Formschluss, festlegbar ist, et wa im Falle einer bloßen Rotation des Arretierkörper, welche gerade keine Schwerpunktsbewegung des Arretierkörpers um fasst .

Bei der Schalteinrichtung gemäß der Erfindung ist im Falle der Arretierung in Form einer Klemmung vorzugsweise die Ak toreinrichtung ausgebildet, den Arretierkörper in Gestalt ei nes Klemmkörpers umfänglich, vorzugsweise vollumfänglich, zu klemmen. Mittels einer umfänglichen Klemmung des Klemmkörpers ist eine große Kontaktfläche zur reibschlüssigen Festlegung des Klemmkörpers nutzbar. Folglich sind in dieser Weiterbil dung der Erfindung besonders große Klemmkräfte auf den Klemm körper realisierbar. Vorzugsweise ist der Klemmkörper außen umfänglich klemmbar. Alternativ oder zusätzlich und ebenfalls bevorzugt kann der Klemmkörper auch innenumfänglich klemmbar, insbesondere innenumfänglich an einem Innenumfang eines als Hohlwelle oder Hohlzylinder ausgebildeten Klemmkörpers, klemmbar ausgebildet sein.

Bevorzugt weist der Arretierkörper eine, abgesehen von zum Formschluss ggf. vorgesehener Ausnehmungen und/oder Vorsprün ge, zylindrische, vorzugsweise kreiszylindrische, Form auf und bildet geeigneterweise eine Welle. Soweit in dieser An meldung von Welle die Rede ist, kann der Begriff der Welle in einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung auch durch Ach se und/oder Anker und/oder Stößel ersetzt werden. Alternativ oder zusätzlich weist der Arretierkörper einen polygonförmi gen Querschnitt auf. Zweckmäßig weist im Falle der Arretie rung in Form der Klemmung die Klemmfläche eine zum Klemmkör per ganz oder zumindest teilweise korrespondierende Form auf. In dieser Weiterbildung ist folglich vorteilhaft eine Klemm buchse realisiert.

Mittels der in dieser Weiterbildung realisierten Klemmbuchse sind mit der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung Klemmkräfte von mehreren Kilonewton erzielbar. Im Falle der Arretierung mittels Formschlusses sind ähnliche Haltekräfte erzielbar.

Die Energie allerdings, welche zur Schaltung solcher Klemm kräfte erforderlich ist, beträgt lediglich etwa 1 Joule. Folglich lassen sich mittels der erfindungsgemäßen Schaltein richtung hohe Schaltkräfte mittels besonders geringer Ener gien, etwa bereitgestellt mittels Batterien wie insbesondere Knopfzellen, steuern.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist oder um fasst bei der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung die Hydrau likflüssigkeit ein Flüssigmetall.

Unter einem Flüssigmetall soll hier ein Metall (also ein me tallisches Element oder auch eine Legierung mehrerer metalli sche Elemente) verstanden werden, welches in einem Betriebs zustand der Aktoreinrichtung einen flüssigen Aggregatzustand aufweist. Beispielsweise kann das Flüssigmetall bei Raumtem peratur und dem Betriebsdruck der Hydraulikeinheit in einem flüssigen Zustand vorliegen. Besonders vorteilhaft kann es auch noch bei tieferen Temperaturen als der Raumtemperatur oder der Betriebstemperatur der erfindungsgemäßen Schaltein richtung in einem flüssigen Zustand vorliegen, dies ist je doch für das Funktionieren der Erfindung nicht zwingend not wendig .

Ein wesentlicher Vorteil dieser Weiterbildung der erfindungs gemäßen Schalteinrichtung liegt darin, dass ein Flüssigmetall im Vergleich zu herkömmlichen Hydraulikflüssigkeiten eine deutlich geringere Kompressibilität aufweist. Hierdurch wer den mechanische Verluste reduziert und der Wirkungsgrad der Aktoreinrichtung und damit der erfindungsgemäßen Schaltein richtung im Vergleich zum Stand der Technik erhöht. Ein wei terer Vorteil der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung liegt darin, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient eines Flüs sigmetalls allgemein deutlich geringer ist als bei herkömmli chen Hydraulikflüssigkeiten. Hierdurch werden durch Tempera turschwankungen bedingte mechanische Zustandsänderungen der Hydraulikeinheit vorteilhaft reduziert. Die Viskosität und die Dichte eines Flüssigmetalls sind zwar typischerweise hö her als die einer herkömmlichen Hydraulikflüssigkeit. Die da mit verbundenen Nachteile können jedoch in Kauf genommen wer- den, um die genannten Vorteile beim Betrieb der Schalt einrichtung zu erzielen. Insbesondere bei dem typisch relativ geringen Flüssigkeitsvolumen in der Hydraulikeinheit

einer solchen Schalteinrichtung können die eintretenden Erhö hungen von Viskosität und/oder Dichte der Hydraulikflüssig keit gut toleriert werden.

Vorteilhaft ist in dieser Weiterbildung die erfindungsgemäße Schalteinrichtung aufgrund der weitestgehend inkompressiblen Hydraulikflüssigkeit sowie aufgrund des vergleichsweise ge ringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten daher äußerst ro bust gegenüber mechanischen Toleranzen und Temperaturausdeh nungen .

Aufgrund der Ausbildbarkeit der Hydraulikeinheit mit einem geringen Volumen sowie der geringen Kompressibilität der Hyd raulikflüssigkeit weist die erfindungsgemäße Schalteinrich- tung in dieser Weiterbildung zudem besonders geringe Eigen frequenzen auf, sodass Schaltzeiten von deutlich unterhalb einer Mikrosekunde möglich sind.

Die Hydraulikflüssigkeit kann vorteilhaft Gallium und/oder Indium und/oder Zinn und/oder Quecksilber umfassen. Derartige Metalle sind vorteilhaft geeignete Komponenten, um in einer metallischen Legierung einen niedrigen Schmelzpunkt zu errei chen. Besonders vorteilhaft weist die Hydraulikflüssigkeit sowohl Gallium als auch Indium und Zinn auf. Gemäß einer be sonders bevorzugten Ausführungsform besteht sie sogar aus schließlich aus den drei genannten Metallen. Beispielsweise kann es sich bei der Hydraulikflüssigkeit um eine Legierung handeln, die in der Fachwelt unter dem Namen Galinstan be kannt ist. Galinstan ist eine eutektische Legierung, welche etwa 68,5 Gewichtsprozent Gallium sowie etwa 21,5 Gewichts prozent Indium und etwa 10 Gewichtsprozent Zinn aufweist. Ei ne solche Legierung weist einen sehr niedrigen Schmelzpunkt von etwa -19 °C auf. Andere geeignete niedrigschmelzende Le gierungen sind beispielsweise unter den Namen Indalloy 51 und Indalloy 60 von dem US-amerikanischen Unternehmen Indium Cor- poration in Utica, NY erhältlich. Weitere geeignete gallium basierte Legierungen sind insbesondere diejenigen Legierun gen, die in den Patentschriften US5800060B1 und US7726972B1 beschrieben sind. Sie können neben den drei genannten beson ders bevorzugten Metallen auch Zusätze von anderen Metallen wie beispielsweise Zink (insbesondere zwischen etwa 2 und 10 Gewichtsprozent) umfassen.

Die beschriebenen Legierungen, welche mit Gallium und/oder Indium und/oder Zinn gebildet sind, haben den Vorteil, dass sie eine geringe Toxizität aufweisen und somit relativ unbe denklich bezüglich Gesundheits- und Umweltschädigungen sind. Quecksilber ist ebenfalls ein geeignetes Flüssigmetall oder ein geeigneter Legierungsbestandteil für niedrigschmelzende Legierungen, hat aber den grundsätzlichen Nachteil, dass es stark toxisch ist. Da das Hydraulikvolumen der Hydraulikein heit der Schalteinrichtung jedoch prinzipiell sehr gut herme tisch gegen die äußere Umgebung abgedichtet sein kann, ist auch die Verwendung von Quecksilber oder quecksilberhaltigen Legierungen prinzipiell nicht ausgeschlossen und kann für be stimmte Anwendungen ebenfalls vorteilhaft sein.

Allgemein und unabhängig von ihrer genauen Zusammensetzung kann die Hydraulikflüssigkeit eine eutektische Legierung sein. Eine derartige Legierung ist besonders bevorzugt, da mit ihr ein wesentlich niedrigerer Schmelzpunkt erreicht wer den kann als mit ihren einzelnen metallischen Komponenten.

Weiterhin ist es allgemein besonders bevorzugt, wenn die Hyd raulikflüssigkeit bei Normaldruck bei einer Temperatur von 20 °C, zweckmäßig bei 0 °C, insbesondere sogar bei -10 °C und idealerweise bei -20 °C, flüssig ist. Mit anderen Worten ist das Flüssigmetall dann wenigstens bis hinunter zu der genann ten Temperatur und unter Umständen sogar noch bei tieferen Temperaturen im flüssigen Zustand. Ein derart niedrigschmel zendes Flüssigmetall eignet sich besonders gut als Hydraulik flüssigkeit für die beschriebene Anwendung, selbst wenn die Betriebstemperatur der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung deutlich oberhalb der genannten Temperatur liegt. In jedem Fall ist bei einer derart niedrigen Schmelztemperatur die Wahl der Betriebstemperatur für die erfindungsgemäße Schalt einrichtung nicht besonders stark eingeschränkt. Für den Be trieb der Schalteinrichtung ist es allgemein vorteilhaft, wenn die Betriebstemperatur nicht nur knapp, sondern deutlich oberhalb der Schmelztemperatur des verwendeten Flüssigmetalls liegt. Beispielsweise kann der Abstand zwischen Betriebstem peratur und Schmelztemperatur bei wenigstens 10 °C liegen.

Ein solcher Sicherheitsabstand in der Temperatur wirkt sich beispielsweise auch günstig auf die Viskosität der Hydraulik flüssigkeit aus, da die Viskosität dann niedriger ist als in unmittelbarer Nähe des Schmelzpunkts. Alternativ oder zusätz lich und ebenfalls bevorzugt ist die Hydraulikflüssigkeit bei einer Betriebstemperatur und bei einem Betriebsdruck der Ak toreinrichtung flüssig.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung liegt das Kompressionsmodul der Hydraulikflüssigkeit oberhalb von 10 GPa, beispielsweise zwischen 20 GPa und 60 GPa. Ein derart hohes Kompressionsmodul kann durch die Verwendung eines Flüs sigmetalls leicht erreicht werden und hat zur Folge, dass die mechanischen Verluste in der Hydraulikeinheit niedrig sind und dass entsprechend der Wirkungsgrad der Schalteinrichtung hoch ist .

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung liegt der thermische Ausdehnungskoeffizient der Hydraulik flüssigkeit unterhalb von 0,001 1/K, insbesondere unterhalb von 0,00015 1/K. Ein derart niedriger thermischer Ausdeh nungskoeffizient kann durch die Verwendung eines Flüssigme talls leicht erreicht werden und hat zur Folge, dass Tempera turschwankungen beim Betrieb der Schalteinrichtung nur gerin ge Positionsänderungen bei den einzelnen Elementen der Hyd raulikeinrichtung zur Folge haben.

Gemäß einer weiteren allgemein bevorzugten Weiterbildung der Erfindung liegt die Viskosität des Flüssigmetalls oberhalb von 0,5 mm 2 /s, beispielsweise zwischen 1 mm 2 /s und 100 mm 2 /s. Eine derart hohe Viskosität trägt zur Verringerung von Lecka gen zwischen den einzelnen Leitungsteilen und somit zur Auf rechterhaltung der nötigen Druckgefälle bei.

Gemäß einer weiteren allgemein bevorzugten Weiterbildung der Erfindung liegt die Dichte des Flüssigmetalls unterhalb von 8 g/cm 3 , beispielsweise zwischen 5 g/cm 3 und 7 g/cm 3 . Eine der art niedrige Dichte trägt zur Verringerung der Verluste in der Hydraulikeinheit und somit zu einem guten Wirkungsgrad der Schalteinrichtung bei.

Die hier genannten Materialparameter für das Flüssigmetall als Hydraulikflüssigkeit sollen jeweils für die Betriebsbe dingungen der Schalteinrichtung, also für deren Betriebstem peratur und Betriebsdruck, gelten. Die Betriebstemperatur kann dabei insbesondere bei Raumtemperatur liegen und es kön nen die Materialparameter als Parameter bei Raumtemperatur spezifiziert sein.

Das Hydraulikvolumen der Hydraulikeinrichtung, welche im We sentlichen dem verwendeten Flüssigkeitsvolumen für das Flüs sigmetall entspricht, kann allgemein bevorzugt unterhalb von 10 Millilitern liegen. Ein derart niedriges Flüssigkeitsvolu men ist allgemein vorteilhaft, um die mechanischen Verluste (insbesondere Reibungsverluste und Kompressionsverluste) der Hydraulikflüssigkeit beim Betrieb der Hydraulikeinheit mög lichst gering zu halten. Dies trifft generell auch für her kömmliche Hydraulikflüssigkeiten zu. In Kombination mit den vorteilhaften Eigenschaften eines Flüssigmetalls tragen die genannten niedrigen Flüssigkeitsmengen jedoch noch umso mehr dazu bei, die Verluste und thermischen Einflüsse auf ein Mi nimum zu reduzieren.

Die Begrenzungswände des Hydraulikvolumens, insbesondere der Antriebs- und Abtriebskammern und hydraulischen Leitung (en) der Hydraulikeinheit, sind besonders vorteilhaft aus oder mit einem Material gebildet und/oder mit einem Material beschich- tet, welches auch bei dauerhaftem Kontakt mit dem jeweiligen Flüssigmetall chemisch beständig ist. Viele Metalle sind kor rosionsanfällig bei längerem Kontakt mit flüssigem Gallium oder galliumhaltigen Legierungen. Um die Begrenzungswände vor einer derartigen Korrosion zu schützen, können diese aus ei nem resistenten Material gebildet sein und/oder mit einer re sistenten Schutzschicht versehen sein. Geeignete resistente Materialien sind Refraktärmetalle wie Tantal, Wolfram oder Ruthenium. Aber auch hinreichend reines Eisen oder Stahl (insbesondere das Material, das von dem Unternehmen Carpenter Steel unter dem Namen Consumet vertrieben wird) , Nickel, Ti tannitrid (TiN) oder diamantartige Beschichtungen können hochgradig beständig gegenüber galliumhaltigen Flüssigmetal len sein.

Allgemein bevorzugt ist die Hydraulikeinheit dazu ausgebil det, eine von dem Festkörperaktor ausgehende Bewegung mit einem Übersetzungsverhältnis von ungleich 1 auf ein zu bewe gendes Element, insbesondere eine zur Klemmung ausgebildete Klemmbacke, oder ein mit einem Vorsprung und/oder einer Aus nehmung versehenes Formschlusselement, welches zur Festlegung des Arretierkörpers mittels Formschluss ausgebildet ist, zu übertragen. Dabei muss das genannte „zu bewegendes Element" nicht notwendig Teil der Hydraulikeinheit sein. Das Überset zungsverhältnis kann insbesondere kleiner als 1 gewählt sein, sodass der mechanische Hub auf der Austrittsseite der Hydrau likeinheit (also insbesondere der mit dem zu bewegenden Ele ment verbundenen Seite oder der das Element aufweisenden Sei te) größer ist als der Hub auf der Eintrittsseite der Hydrau likeinheit (also der mit dem Festkörperaktor verbundenen Sei te) . Auf diese Weise kann für die Aktoreinrichtung der

Schalteinrichtung gemäß der Erfindung ein größerer Hub er zielt werden als für den einzelnen Festkörperaktor. Auf diese Weise kann der Nachteil des geringen Maximalhubs, der bei vielen solchen Festkörperaktoren vorliegt, zumindest teilwei se ausgeglichen werden. Grundsätzlich kann in einer Weiter bildung der Erfindung das Übersetzungsverhältnis auch 1 sein. In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung weist die Hydraulikeinheit wenigstens eine Antriebskammer und eine Abtriebskammer und vorzugsweise eine Antriebskammer und Abtriebskammer verbindende hydraulische Leitung auf. Alternativ können Antriebskammer und Abtriebs kammer direkt, d.h. ohne vermittelnde hydraulische Leitung, miteinander verbunden sein und aneinander angeordnet sein.

Die Innenräume dieser Kammern und ggf. dieser Leitung bilden dann zumindest einen Teil des genannten Hydraulikvolumens aus. Dabei soll jedoch nicht ausgeschlossen sein, dass das Hydraulikvolumen zusätzlich noch weitere hier nicht genannte Teile, insbesondere noch weitere Kammer (n) und/oder Lei tung (en) umfasst. Zusätzlich kann das Hydraulikvolumen insbe sondere mit einem oder mehreren Ventilen zwischen einzelnen Bestandteilen des Volumens gebildet sein.

Schalteinrichtungen mit derart ausgestalteten Hydraulikein heiten eignen sich besonders gut, um durch die jeweilige Aus gestaltung der Antriebskammer und der Abtriebskammer ein vor bestimmtes Übersetzungsverhältnis für die Hydraulikeinheit einzustellen. Somit kann beispielsweise auch bei geringem Hub des Festkörperaktors ein vergleichsweise großer Hub im Be reich der Abtriebskammer der Hydraulikeinheit erreicht wer den. Mit anderen Worten lässt sich durch das Zusammenspiel zwischen Festkörperaktor und Hydraulikeinheit ein zur Arre tierung günstiges Übersetzungsverhältnis für die Bewegung der Aktoreinrichtung der Schalteinrichtung erreichen.

Die Antriebskammer kann insbesondere ein zugeordnetes An triebselement aufweisen und/oder die Abtriebskammer kann ein zugeordnetes Antriebselement aufweisen. Bei diesen Antriebs und Abtriebselementen kann es sich beispielsweise um Kolben elemente oder ähnlich wirkende Elemente handeln, die zweckmä ßig mit den Festkörperaktoren bewegungsgekoppelt sind. Die Antriebs- und Abtriebskammern können beispielsweise als Zy linder oder als Faltenbalge ausgestaltet sein. Ein gewünschtes Übersetzungsverhältnis ist bei einer derarti gen Hydraulikeinheit insbesondere durch unterschiedliche Form und/oder Größe der jeweiligen Antriebs- und Abtriebskammern und/oder durch unterschiedliche Wahl der Antriebs- und Ab triebselemente einstellbar.

In jedem Fall ist es allgemein bevorzugt, wenn die Hydrauli keinheit wenigstens ein die Antriebskammer teilweise begren zendes Antriebselement aufweist, welches mittels des Fest körperaktors bewegbar ist. Dabei ist durch Bewegen des An triebselements eine Strömung der Hydraulikflüssigkeit zwi schen Antriebskammer und Abtriebskammer bewirkbar. Die Hyd raulikeinheit kann zusätzlich wenigstens ein die Abtriebs kammer teilweise begrenzendes Antriebselement aufweisen, wel ches wiederum durch die strömende Hydraulikflüssigkeit beweg bar ist und auf einer Ausgangsseite der Hydraulikeinheit ein, insbesondere äußeres, zu bewegendes Element bewegen kann. Insbesondere ist mittels des Festkörperaktors, vorzugsweise mittels des Antriebselements wie zuvor beschrieben, Hydrau likflüssigkeit aus der Abtriebskammer in die Antriebskammer beweglich, und/oder eine Druckminderung der Abtriebskammer bewirkbar. Auf diese Weise kann mittels einer Ansteuerung des Festkörperaktors eine Druckminderung der Abtriebskammer be wirkt werden. Insbesondere ist mittels einer Druckbeaufschla gung der Abtriebskammer der Arretierkörper arretierbar und mittels einer Druckminderung der Abtriebskammer der Arretier körper freigebbar. Folglich kann in dieser Weiterbildung der Erfindung der Arretierkörper freigegeben werden, indem der Festkörperaktor ausgelenkt wird.

Allgemein ist es aber auch möglich und vorteilhaft, wenn für eine Bewegung ein Übersetzungsverhältnis größer als 1 er reicht wird. Dies kann insbesondere dazu vorteilhaft sein, um auf der Abtriebsseite (also der Ausgangsseite der Aktorein richtung) eine besonders hohe Kraft zu erreichen. Dies ist für die vorliegende Anwendung mit einer Arretierung relevant, bei der der Festkörperaktor zweckmäßig gegen ein festes Ende oder ein Ende mit einer sehr hohen Steifigkeit betrieben wird .

Die Hydraulikeinheit der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung kann optional zusätzlich eine Vorratskammer für die Hydrau likflüssigkeit aufweisen. Vorzugsweise ist die Vorratskammer druckbeaufschlagt, insbesondere mittels eines in der Vorrats kammer angeordneten Gasdruckspeichers und/oder mittels einer eine flexible Wandung der Vorratskammer kraftbeaufschlagenden Feder, d.h. eines federnden Elements.

Vorzugsweise ist bei der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung die Vorratskammer druckbeaufschlagt, wobei die druckbeauf schlagte Vorratskammer zur Druckbeaufschlagung der Abtriebs kammer, insbesondere mittels einer Druckbeaufschlagung der Antriebskammer, ausgebildet und hydraulisch angebunden ist. Auf diese kann die druckbeaufschlagte Vorratskammer die Ab triebskammer mit einem Druck beaufschlagen, in welcher mit tels einer Ansteuerung des Festkörperaktors wie oben be schrieben eine Druckminderung bewirkbar ist. Folglich lässt sich mittels dieser Weiterbildung der Erfindung die Abtriebs kammer derart Vorspannen, dass der Arretierkörper dauerhaft mittels der druckbeaufschlagten Abtriebskammer arretiert, et wa geklemmt oder verriegelt, wird, wobei im Bedarfsfall der Arretierkörper infolge der Druckminderung der Abtriebskammer freigegeben werden kann. Idealerweise ist die Antriebskammer mittels eines Hydraulikzylinders realisiert, in welchem ein im Hydraulikzylinder geführter Hydraulikkolben eine Antriebs kammer begrenzt. Vorzugsweise begrenzt der Hydraulikkolben die Antriebskammer an einer dem Festkörperaktor zugewandten Seite. Auf diese Weise kann eine Auslenkung des Festkörperak tors ein Hydraulikvolumen der Antriebskammer vorteilhaft ver größern, sodass die Abtriebskammer infolge einer Strömung von Hydraulikflüssigkeit von der Abtriebskammer in die Antriebs kammer druckgemindert wird. In dieser Weiterbildung ist folg lich eine Druckminderung in der Abtriebskammer realisierbar, sodass ein Arretierkörper mittels einer Auslenkung des Fest körperaktors freigebbar ist. Auf diese Weise lässt sich eine sogenannte „Z\7ormaIIy-CIosed"-Schalteinrichtung realisieren, bei welcher im Normalfall der Arretierkörper arretiert ist und der Arretierkörper im Bedarfsfall mittels einer Ansteue rung des Festkörperaktors freigebbar ist. Geeigneterweise ist die Antriebskammer mit einer Drossel mit der Vorratskammer verbunden, sodass eine Änderung des Volumens der Antriebskam mer in einer Änderung des Volumens der Abtriebskammer resul tiert und Hydraulikflüssigkeit nicht im nennenswerten Umfang aus der Vorratskammer in die Antriebskammer strömt oder in die Vorratskammer zurück strömt. Vielmehr dient die Anbindung der Vorratskammer an die Antriebskammer mittels der Drossel vordringlich einer vorspannenden Druckbeaufschlagung der An triebskammer und folglich auch der Abtriebskammer.

Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der genannte Festkörperaktor ein Piezoaktor. Piezoaktoren haben sich in der Vergangenheit als besonders vielverspre chende Ausgestaltungen des Festkörperaktors erwiesen. Mit ihnen kann eine besonders präzise Bewegung erreicht werden. Ihr Hauptnachteil, nämlich ihr geringer mechanischer Hub, kann wie beschrieben durch die nachfolgende Hydraulikeinheit ausgeglichen werden.

Besonders bevorzugt ist der Piezoaktor der Schalteinrichtung als Piezostapelaktor ausgebildet. Ein Piezostapelaktor ist eine aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannte Serien schaltung aus mehreren einzelnen Piezoelementen, welche als Schichtstapel angeordnet sind. Ein solcher Stapelaktor ist besonders vorteilhaft, um auch schon mit den Piezoaktor eine höhere Bewegungsamplitude zu erreichen als dies mit einem einzelnen Piezoelement möglich wäre.

Die Erfindung ist jedoch nicht notwendig auf einen Piezoaktor als Festkörperaktor beschränkt. So gelten viele der bekannten Vorteile und Nachteile von Piezoaktoren auch für andere Arten von Festkörperaktoren. Auch für sie kann ein vergleichsweise geringer Hub durch die nachfolgende Hydraulikeinheit vergrö ßert werden. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfin- düng ist der genannte Festkörperaktor beispielsweise ein mag netostriktiver Aktor oder ein elektrostriktiver Aktor. Alter nativ kann es sich bei dem Festkörperaktor auch um einen Formgedächtnis-Aktor handeln.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Schalteinrichtung eine Steuereinrichtung auf, welche einge richtet ist, den Festkörperaktor abhängig von einer Bewe gungsgröße des Arretierkörpers zu steuern. Die Bewegungsgröße ist zweckmäßig mit einem Ort und/oder einer Geschwindigkeit und/oder einer Beschleunigung des Arretierkörpers gebildet.

Mittels der erfindungsgemäß bei der Schalteinrichtung vorge sehenen Hydraulikeinrichtung sind somit nicht allein, gewis sermaßen digital, Klemmkräfte für einen den Arretierkörper mit maximaler arretierender Kraft arretierenden Zustand und einen nicht arretierenden Zustand einstellbar, sondern es sind zudem sämtliche Zwischenzustände, im Falle oder Arretie rung in Form von Klemmung sämtliche zwischen mit maximaler Klemmkraft klemmendem und nicht klemmendem Zustand befindli chen Zustände, einstellbar.

So lässt sich im Falle der Arretierung in Form von Klemmung insbesondere eine einen beweglichen Klemmkörper bremsende Klemmkraft einstellen. Besonders zweckmäßig weist in einer Weiterbildung die erfindungsgemäße Schalteinrichtung eine solche Steuereinrichtung auf, welche den Festkörperaktor der art stellt, dass der Klemmkörper, nachdem er infolge einer Aufhebung der Klemmung beschleunigt worden ist, abgebremst wird, insbesondere derart, dass ein Abprallen des ersten elektrischen Schaltkontakts vom zweiten, festgelegten elektrischen Schaltkontakt vermieden werden kann.

Insbesondere ist die Schalteinrichtung öffnend, d.h. den Ar retierkörper freigebend, ausgeführt. In dieser Weiterbildung der Erfindung kann dann kann mit erneuter Arretierung, insbe sondere erneutem Klemmen, ein Abprallen an einem typischer- weise vorhandenen Endanschlag und/oder einem zweiten, festge legten elektrischen Schaltkontakt, verhindert werden.

Bevorzugt ist die Steuereinrichtung ausgebildet, eine Steue rung der Füllung der Abtriebskammer und folglich eine Ein stellung der Bremskraft auf den Klemmkörper mittels einer Rückkopplung zu steuern, indem eine Bewegungsgröße wie insbe sondere ein Geschwindigkeitswert und/oder ein Beschleuni gungswert und/oder ein Ortswert des Klemmkörpers oder eine davon abgeleitete Größe zur Rückkopplung herangezogen wird. Insbesondere ist die Steuereinrichtung zur Regelung der Klemmkraft ausgebildet, indem die Füllung der Abtriebskammer die Steuergröße und die Geschwindigkeit und/oder die Be schleunigung und/oder der Ort des Klemmkörpers die Führungs oder Regelungsgröße bildet. Vorzugsweise wird die Regelung dann unternommen, nachdem die Klemmeinrichtung den Klemmkör per freigegeben hat und das Federelement den Klemmkörper be schleunigt hat. Insbesondere ist die Regelungseinrichtung ausgebildet, den Klemmkörper kontrolliert abzubremsen oder zu entprellen und/oder um insbesondere die Geschwindigkeit des Klemmkörpers in Abhängigkeit der Position des Klemmkörpers, und damit vorzugsweise eines Schalthubs, zu variieren.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Schalteinrichtung mehrfach ausgeführt und jeweils zur Schal tung je einer Phase einer mehrphasigen elektrischen Verbin dung ausgebildet. Insbesondere ist jede der Schalteinrichtun gen zur öffnenden Schaltung der jeweiligen Phase ausgebildet, vorzugsweise bei einem Nulldurchgang der Phasenspannung oder eines Phasenstroms der jeweiligen Phase. Folglich entsteht beim Öffnen kein oder nur ein sehr kurzer Lichtbogen und ers ter und ggf. zweiter elektrischer Schaltkontakt werden je weils nur gering belastet. Folglich eignet sich die erfin dungsgemäße Schalteinrichtung in dieser Weiterbildung für Hoch-, Mittel- und Niederspannung. In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bildet der Klemmkörper einen Rotationskörper wie er in Druck schrift DE 10 2016 208 274 Al beschrieben ist. Die Aktorein richtung bildet dabei vorzugsweise die in dieser Druckschrift beschriebene Arretierung. Auf diese Weise lassen sich die Vorteile des in dieser Druckschrift beschriebenen Kopplungs gliedes mit den Vorteilen der in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Schalteinrichtung sehr einfach kombinieren. Der Offenbarungsgehalt der Druckschrift DE 10 2016 208 274 Al sei daher in die vorliegende Anmeldung mit einbezogen.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Schalten eines elektrischen Schalters und zieht dazu eine erfindungsgsmäße Schalteinrichtung heran, wobei die Schalteinrichtung eine Ak toreinrichtung mit einem Festkörperaktor und einer zu dem Festkörperaktor mechanisch in Serie geschaltete Hydraulikein heit aufweist . Dabei weist die Hydraulikeinheit ein Hydrau likvolumen auf, welches mit einer Hydraulikflüssigkeit be- füllbar oder befüllt ist. Dabei ist der Schalter mit mindes tens einem elektrischen Schaltkontakt der Schalteinrichtung gebildet .

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zei gen :

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Schalteinrichtung mit einer Aktoreinrichtung mit einer

Hydraulikeinheit schematisch in einer

Prinzipskizze,

Fig . 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer

erfindungsgemäßen Schalteinrichtung mit einer Hydraulikeinheit schematisch in einer

Prinzipskizze, sowie

Fig . 3 ein drittens Ausführungsbeispiel einer

erfindungsgemäßen Schalteinrichtung mit einer Hydraulikeinheit schematisch in einer

Prinzipskizze.

Wie in Fig. 1 anhand eines ersten Ausführungsbeispiels darge stellt umfasst die erfindungsgemäße Schalteinrichtung 10 ein Federelement 20, vorliegend beispielsweise eine Druckfeder in Gestalt einer Schraubenfeder, welches an einer Stirnseite 30 einer kreiszylindrischen Welle 40 angeordnet ist und die Wel le 40 an dieser Stirnseite 30 in axialer Richtung A kraftbe aufschlagt. In weiteren, nicht eigens gezeigten Ausführungs beispielen kann die Welle 40 anstelle eines kreisförmigen Querschnitts auch einen polygonförmigen Querschnitt aufwei sen. Die Welle 40 ist an einer weiteren, dem Federelement 20 fernen, Stirnseite 50 mit einem ersten elektrischen Schalt kontakt 60 bewegungsgekoppelt. Die Welle 40 kann dazu direkt an den ersten Schaltkontakt 60 angebunden, beispielsweise verschweißt, sein oder es kann eine Übersetzungseinheit 70 vorhanden sein, welche einen Weg der Welle 40 in einen Weg des ersten Schaltkontakts 60 übersetzt, in gezeigten Ausfüh rungsbeispiel mit einem Übersetzungsfaktor größer als eins übersetzt, d.h. eine Bewegung der Welle 40 wird in einen um diesen Übersetzungsfaktor größeren Weg des ersten Schaltkon takts 60 übersetzt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Übersetzungseinheit 70 eine Kontaktdruckfeder auf. In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen kann die Übersetzungseinheit 70 jedoch auch auf sonstige Wei se gebildet sein oder entfallen und/oder ein Übersetzungsver hältnis kleiner als eins oder größer als eins aufweisen.

Der erste elektrische Schaltkontakt 60 bildet ein Gegenstück zu einem weiteren, zweiten, elektrischen Schaltkontakt 80, mit welchem der erste elektrische Schaltkontakt 60 einen elektrischen Schalter 90 der erfindungsgemäßen Schalteinrich tung 10 bildet. Im Gegensatz zum ersten, mit der Überset zungseinheit 70 beweglichen, elektrischen Schaltkontakt 60 ist der zweite elektrische Schaltkontakt 80 festgelegt. Lie gen erster elektrischer Schaltkontakt 60 und zweiter elektri scher Schaltkontakt 80 aneinander an, so ist der elektrische Schalter 90 geschlossen. Der elektrische Schalter 90 ist ge öffnet, wenn erster 60 und zweiter elektrischer Schaltkontakt 80 voneinander beabstandet sind. Folglich ist im gezeigten Ausführungsbeispiel der elektrische Schalter 90 allein mit tels Bewegung des ersten elektrischen Schaltkontakts 60 öf fenbar und schließbar.

Erster elektrischer Schaltkontakt 60 und zweiter elektrischer Schaltkontakt 80 können grundsätzlich auf unterschiedliche Art und Weise ausgeführt sein. Im dargestellten Ausführungs beispiel sind erster 60 und zweiter Schaltkontakt 80 als Plattenkontakte ausgeführt, wie man sie z.B. in den in der Mittelspannung üblichen Vakuumschaltröhren findet. Grundsätz lich können erster 60 und zweiter Schaltkontakt 80 jedoch auch als sonstige Kontakte, z.B. als PinTulpe-Kontakte, wie sie z.B. in der Hochspannnung üblich sind, ausgebildet sein.

In der in Fig. 1 dargestellten Situation ist der erste 60 elektrische Schaltkontakt von dem zweiten elektrischen

Schaltkontakt 80 beabstandet, d.h. der elektrische Schalter 90 ist geöffnet.

Das Federelement 20 ist vorspannend in axialer Richtung A ge staucht und ist an ihrer Entspannung infolge einer Arretie rung der Welle 40 in axialer Richtung A gehindert. Die Welle 40 ist in axialer Richtung A mittels einer Klemmbacke 100 festgelegt, welche in radialer Richtung auf die Welle 40 zu kraftbeaufschlagt ist und die Welle 40 reibschlüssig in ihrer axialen Position hält.

Die Klemmbacke 100 ist ausgebildet, die Kraftbeaufschlagung auf die Welle 40 zu unterbrechen zu können und die Welle 40 axial freigeben zu können. Infolge einer Freigabe der Welle 40 kann sich das Federelement 20 entspannen und die Welle 40 in axialer Richtung A kraftbeaufschlagen. Aufgrund der Kraft beaufschlagung der Welle 40 mittels des Federelements 20 ist die Welle 40 in axialer Richtung A beweglich, sodass der ers te elektrische Schaltkontakt 60 auf den zweiten elektrischen Schaltkontakt 80 zu beweglich ist und der Schalter 90 schließbar ist. Die Klemmbacke 100 ist im dargestellten Aus führungsbeispiel zur reibschlüssigen Ineingriffnähme der Wel le 40 zwischen Federelement 20 und erstem Schaltkontakt 60 angeordnet. Aus Richtung des Federelement 20 gesehen, kann die Klemmbacke 100 wie dargestellt vor der optionalen Über setzungseinheit 70 angeordnet sein. In weiteren, nicht eigens gezeigten Ausführungsbeispielen kann die Klemmbacke 100 auch hinter der Übersetzungseinheit 70 angeordnet sein. Je nach Übersetzung kann so eine geringere Klemmkraft erforderlich sein .

Die Klemmbacke 100 ist Teil einer Hydraulikeinheit 120, mit tels welcher die Klemmbacke 100 wie nachfolgend beschrieben kontrolliert beweglich betreibbar ist:

Die Hydraulikeinheit 120 bildet mit der Klemmbacke 100 und der mittels der Klemmbacke 100 klemmbaren Welle 40 eine Klemmeinrichtung zur ultraschnellen Druckreduktion.

Die Hydraulikeinheit 120 weist wie in Fig. 1 dargestellt ei nen Festkörperaktor 130 auf, welcher im gezeigten Ausfüh rungsbeispiel mit einem Piezoaktor gebildet ist.

Dieser Festkörperaktor 130 ist im gezeigten Ausführungsbei spiel mittels einer Antriebskammer 140 eines doppelt wirken den Hydraulikzylinders 150 in Gestalt eines Kolbenzylinders gekoppelt. Gekoppelt meint in diesem Zusammenhang, dass der Festkörperaktor 130 derart mit einer Begrenzung der Antriebs kammer 140 des Hydraulikzylinders 150 verbunden ist, dass die Antriebskammer 140 infolge einer Auslenkung des Festkörperak tors 130 ihr Volumen ändert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Antriebskammer 140 des Kolbenzylinders in an sich be kannter Weise von einem im Kolbenzylinder in einer axialen Richtung des Kolbenzylinders verschieblichen Hydraulikkolben 160 volumenbegrenzt und der Festkörperaktor 130 mit dem Hyd raulikkolben 160 bewegungsgekoppelt, etwa formschlüssig mit einer an einer Stirnseite 164 des Hydraulikkolbens 160 ange- ordneten Handhabe 166, verbunden. In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen ist anstelle des Kol benzylinders ein Hydraulikzylinder 150 in Gestalt eines me tallischen Faltenbalges vorhanden, welcher eine bewegliche Stirnseite aufweist, die mit dem Festkörperaktor 130 bewe gungsgekoppelt ist .

Grundsätzlich kann der Hydraulikzylinder 150 auch auf andere Weise realisiert sein. Erfindungsgemäß wesentlich ist insbe sondere, dass mittels einer Bewegung des Festkörperaktors 130 ein hydraulisches Antriebsvolumen geändert wird.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel trennt der Hydraulikkolben 160 zwei Volumina. An einer dem Festkörperaktor 130 nahen Stirnseite des Hydraulikkolbens 160 liegt das Antriebsvolumen der Antriebskammer 140 an, d.h. bei Auslenkung des Festkör peraktors 130 in Richtung auf den Hydraulikkolben 160 zu nimmt das Antriebsvolumen der Antriebskammer 140 in seiner Größe zu.

Ein weiteres Volumen 190 des Hydraulikzylinders 150 liegt an einer dem Festkörperaktor 130 fernen Seite des Hydraulikkol bens 160 an.

Antriebsvolumen der Antriebskammer 140 und weiteres Volumen 190 des Hydraulikzylinders 150 sind mit einer Hydraulikflüs sigkeit 195 gefüllt. Grundsätzlich kann die Hydraulikflüssig keit 195 mit Wasser oder mit einer sonstigen Flüssigkeit ge bildet sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Hydraulikflüssigkeit 195 mit einem Flüssigmetall, beispiels weise Galinstan, gebildet. Flüssigmetall weist eine besonders niedrige Kompressibilität und einen besonders geringen ther mischen Ausdehnungskoeffizienten auf.

Das weitere Volumen 190 ist über eine in der Praxis stets vorhandene Leckage mit dem Antriebsvolumen verbunden. Die Le ckage ist in Fig. 1 mit einer zum Hydraulikkolben 160 paral lel geschalteten Drossel 200 symbolisiert. Das weitere Volumen 190 ist fluidleitend mit einem mit Hyd raulikflüssigkeit 195 gefüllten Reservoir 210 verbunden. Das Reservoir 210 ist mittels eines Druckbeaufschlagungsmittels 220 vorgespannt, d.h. mit einem Druck, hier einem Überdruck, beaufschlagt. Infolge der Leckage ist nicht allein das weite re Volumen 190, sondern die gesamte Hydraulikeinheit 120, d.h. insbesondere auch das Antriebsvolumen der Antriebskammer 140, mit dem Überdruck beaufschlagt.

Das Druckbeaufschlagungsmittel 220 ist im dargestellten Aus führungsbeispiel ein im Reservoir 210 befindlicher Gasdruck speicher. In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausfüh rungsbeispielen kann das Druckbeaufschlagungsmittel 220 auch mit einer Feder gebildet sein, welche eine flexible Wandung des Reservoirs derart kraftbeaufschlagt, dass das Reservoir 210 mit einem Druck beaufschlagt wird.

Die Antriebskammer 140 ist fluidleitend mittels Fluidleitun gen 235 mit einer Abtriebskammer 230 verbunden, in welcher zur Realisierung einer Klemmung der Welle 40 ein Druckabfall realisierbar ist :

Wird der Festkörperaktor 130 sprunghaft, d.h. mittels eines Spannungspulses, angesteuert, so wird der Festkörperaktor 130 in Richtung s ausgelenkt und treibt die Handhabe 166 des Hyd raulikkolbens 160 axial. Dadurch wird Hydraulikflüssigkeit 195 in das Reservoir 210 geschoben. Da das Druckbeaufschla gungsmittel 220 verglichen mit der Hydraulikflüssigkeit 195 eine geringere Federsteifigkeit aufweist, ist der Druckan stieg infolge der geringen Ausdehnung des Festkörperaktors 130 gering. Infolge der Auslenkung des Hydraulikkolbens 160 erfolgt jedoch eine Volumenänderung in der hydraulischen Ab triebskammer 230.

Der Druckabfall ist dabei proportional zum Quotienten aus re lativer Volumenänderung und Kompressibilität der Hydraulik flüssigkeit : Die relative Volumenänderung bedeutet dabei die Volumenände rung bezogen auf ein Anfangsvolumen vor der Volumenänderung.

Die absolute Volumenänderung ist im dargestellten Ausfüh rungsbeispiel durch den Festkörperaktor 130 vorgegeben. Um einen möglichst hohen Druckabfall zu erzielen, ist für einen hohen Druckabfall das hydraulische Anfangsvolumen möglichst gering gehalten und eine Hydraulikflüssigkeit 195 mit beson ders geringer Kompressibilität gewählt.

Der thermische Ausdehungskoeffizient eines Flüssigmetalls wie Galinstan beträgt 0,000126 1/K und damit nur ein Fünftel von Glycerin und nur die Hälfte von Wasser. Dadurch kann der tem peraturbedingte Einfluss auf den Druck in der Abtriebskammer 230 verringert werden.

Je geringer Anfangsvolumen und Kompressibilität sind, desto weniger Energie muss von den Festkörperaktoren 130 bereitge stellt werden, um einen bestimmten Druckabfall zu realisie ren .

Zusätzlich kann für einen möglichst hohen Druckabfall wie im gezeigten Ausführungsbeispiel der Festkörperaktor 130 mit der hydraulischen Antriebskammer wie in Fig. 1 dargestellt zwei fach oder mehrfach vorgesehen sein.

Die Abtriebskammer 230 der Hydraulikeinheit 120 weist eine Gestalt eines kreiszylindrischen Rohres auf, welches die Wel le 40 entlang eines axialen Abschnitts vollumfänglich umgibt. Die Abtriebskammer 230 ist in ein umfängliches Rohr 240 ein gebracht und folglich außenumfänglich festgelegt. Infolge einströmender Hydraulikflüssigkeit 195 ist ein Innendurchmes ser der Abtriebskammer 230 der Hydraulikeinheit 120 verrin gerbar, sodass die Abtriebskammer 230 sich abhängig von ein strömender Hydraulikflüssigkeit 195 reibschlüssig um die Wel le 40 herum an dieser anlegt. Der an der Welle 40 anlegbare Teil der Oberfläche der Ab triebskammer 230 bildet die oben erwähnte Klemmbacke 100 der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung 10. Mittels dieser Klemm backe 100 ist die Welle 40 kraftschlüssig festlegbar: Infolge des ursprünglichen Anfangsdrucks im hydraulischen System ist die Klemmbacke 100 in Richtung auf die Welle 40 zu kraftbe aufschlagt, sodass die Welle 40 im Ausgangszustand geklemmt ist .

Im Falle eines kritischen Zustandes eines mit der erfindungs gemäßen Schalteinrichtung 10 versehenen Systems soll der Schalter 90 der Schalteinrichtung 10 rasch geschlossen wer den. Dazu wird die Welle 40 von der Klemmbacke 100 freigege ben, sodass sich das Federelement 20 entspannen kann und die Welle 40 in axialer Richtung A beschleunigt. Das Federelement 20 ist wie zuvor beschrieben als mechanische Druckfeder aus gebildet sein. Alternativ ist anstelle einer mechanischen Druckfeder eine Druckgasfeder oder ein sonstiges Federelement 20 vorhanden.

Im Falle eines kritischen Zustandes lässt sich die bis dahin in er Klemmbacke 100 geklemmte Welle 40 freigegeben, indem der oder - im Falle mehrerer parallel geschalteter Festkör peraktoren 130 die - Festkörperaktoren 130 angesteuert wer den, um eine Druckabsenkung in der Abtriebskammer 230 zu be wirken. Dadurch ist die Klemmung zwischen der Klemmbacke 100 und Welle 40 lösbar und die Welle aufgrund des Federelements 20 beschleunigbar. Auf diese Weise ist die Welle 40 mit be sonders geringem zeitlichen Verzug bewegbar.

Es versteht sich, dass anstelle des Federelements 20 in wei teren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen ein elektromechanischer Antrieb vorgesehen sein kann, wobei die Antriebsenergie beispielsweise in Kondensatoren vorgehalten wird .

Mittels der erfindungsgemäß bei der Schalteinrichtung 10 vor gesehenen Hydraulikeinrichtung 120 sind zudem nicht allein, gewissermaßen digital, Klemmkräfte für einen die Welle 40 mit maximaler Klemmkraft klemmenden Zustand und einen die Welle 40 nicht klemmenden Zustand einstellbar, sondern es sind zu dem sämtliche zwischen mit maximaler Klemmkraft klemmendem und nicht klemmendem Zustand befindlichen Zustände einstell bar: So lässt sich insbesondere eine die Welle 40 in axialer Richtung A bremsende Klemmkraft einstellen. Nicht eigens in der Zeichnung dargestellt ist eine Steuereinrichtung vorhan den, welche die Festkörperaktoren 130 derart stellt, dass die Welle 40, nachdem sie von der Klemmbacke 100 freigegeben wor den ist, abgebremst wird und zwar derart, dass ein Abprallen des ersten elektrischen Schaltkontakts 60 vom zweiten, fest gelegten elektrischen Schaltkontakt 80 vermieden werden kann. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet, eine Steuerung der Füllung der Abtriebskammer 230 und folglich eine Einstellung der Bremskraft auf den die Welle 40 durch die Klemmbacke 100 mittels einer Rückkopplung zu steuern, indem ein Beschleuni gungswert sowie ein Geschwindigkeits- und ein Ortswert der Welle 40 zur Rückkopplung herangezogen wird. Dabei wird die Klemmkraft mittels Füllung der Abtriebskammer 230 derart ein gestellt, dass die Welle 40 bei ihrem Anschlag mit dem ersten elektrischen Schaltkontakt 60 an dem zweiten elektrischen Schaltkontakt 80 abrupt abgebremst wird. Vorzugsweise wird diese Regelung erst dann unternommen, nachdem die Klemmbacke 100 die Welle 40 freigegeben hat und das Federelement 20 die Welle 40 beschleunigt hat.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Schalteinrichtung 10 zur schließenden Schaltung des Schalters 90 ausgebildet .

Grundsätzlich lässt sich die Schalteinrichtung 10 auch zur Öffnung des Schalters 90 ausbilden, beispielsweise durch ent sprechende Anordnung des Federelements 20 an der Welle 40. In diesem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Schalter 90 im Bedarfsfall, etwa in einem Fehlerfall oder in einem sonstigen Notfall, geöffnet. In einer spezifischen Ausgestaltung kann die Schalteinrichtung 10 dreifach ausgebildet sein und zur Schaltung je einer Phase einer dreiphasigen elektrischen wechselspannungsführenden Leitung angeordnet sein. Im Be- darfsfall wird jede Phase unterbrochen, d.h. öffnend geschal tet, allerdings nicht genau gleichzeitig. Vielmehr wird jede Phase zu einem Nulldurchgang der jeweils anliegenden Wechsel spannung geöffnet. Hierzu umfasst die dreifach ausgebildete Schalteinrichtung 10 eine Koordinationseinrichtung (nicht ei gens dargestellt), die die Spannung jeder Phase zeitaufgelöst am Ort je eines Schalters 90 zur Koordinierung der Öffnung dieses jeweiligen Schalters 90 heranzieht .

In einer besonders spezifischen Ausgestaltung ist die Welle 40 im Detail so ausgebildet wie der Rotationskörper 12 der Druckschrift DE 10 2016 208 274 Al. Die Klemmbacke 100 kann dabei die Arretierung 20 wie in dieser Druckschrift beschrie ben bilden, wobei Festkörperaktor 130 und Hydraulikeinheit 120 (ausgenommen die Klemmbacke 100 selbst) den Aktor 22 die ser Druckschrift bilden. Hierzu sei das Ausführungsbeispiel der Druckschrift DE 10 2016 208 274 Al in den Offenbarungsge halt der vorliegenden Anmeldung mit einbezogen.

Das in Fig. 2 dargestellte weitere Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schalteinrichtung 10 ' entspricht weitgehend dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Schalteinrichtung 10.

Die Schalteinrichtung 10' weist jedoch abweichend von dem vorgehend beschriebenen Ausführungsbeispiel anstelle einer mit einer Klemmbacke 100 klemmbaren Welle 40 eine mit einem Riegel 100' klemmbare Welle 40' auf. Dazu weist die Welle 40' eine vollumfänglich verlaufende Einschnürung 42' auf, welche eine Ausnehmung bildet, in welche der Riegel 100' eingreifen kann. Der Riegel 100' ist als sich radial einwärts erstre ckender, vollumfänglich an einem Innenumfang der Abtriebskam mer 230 angeordneter Vorsprung ausgebildet, welcher demgemäß radial in die Ausnehmung 42' einkragt. Die Abtriebskammer 230 weist dazu in axialer Richtung kürzere Abmessungen auf ver glichen mit dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel. Auf diese Weise kann der Riegel 100 ' mittels einer Befüllung der Abtriebskammer 230 in die Ausnehmung 42 ' eingebracht wer den und mittels einer Druckreduzierung und somit einer Ent leerung der Abtriebskammer 230 aus der Ausnehmung 42' ausge bracht werden. Entsprechend ist in diesem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel die Welle 40 ' formschlüssig mittels des Riegels 100' festlegbar.

Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Schalteinrichtung 10'' entspricht bis auf den nachfolgend beschriebenen Umstand dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung 10'. Dabei weist der Riegel 100' zusätzlich eine Übersetzung 270 auf, welche eine Bewegung eines Innenumfangs der Ab triebskammer 230 mit einem Übersetzungsfaktor versieht, so- dass der Riegel 100' nicht direkt bewegt wird, sondern ent sprechend dem Übersetzungsfaktor übersetzt bewegt wird.

Im Falle der anhand der Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausfüh rungsbeispiele handelt es sich um sogenannte „Normally- Closed"-Schalteinrichtungen, d.h. die Wellen 40, 40' sind im Betriebszustand dauerhaft festgelegt, also arretiert. Die Wellen 40, 40' werden nur im Bedarfsfall, etwa eines kriti schen Zustands, freigegeben und mittels der Federelemente 20 beschleunigt .

Grundsätzlich können Schalteinrichtungen in weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen auch als „Normal- ly-Open"-Schalteinrichtungen ausgebildet sein, bei welchen die Wellen 40, 40' nur im Bedarfsfall, in der Regel einem Ausnahmefall, festgelegt sind.