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Kontaktanordnung für Gleit- und Steckkontakte elektrischer Geräte und Anlagen, insbesondere der elektrischen Energietechnik, sowie der Steuer- und Regelungstechnik.
Die Erfindung betrifft eine Kontaktanordnung für Gleit- und Steckkontakte elektrischer Geräte und Anlagen, insbesondere der elektrischen Energietechnik, sowie de Steuer- und Regelungstechnik, wobei das Kontaktelement der Kontaktanordnung als schraubenförmig gewendelte, aus elektrisch gut leitendem und federndem Material bestehende Feder ausgebildet ist, die von einer in einem von zwei die Gleit-bzw. Steckkontakte bildenden, relativ zueinander bewegbaren Strombahnteilen angeordneten Kontaktnut aufgenommen wird.
Eine derartige Kontaktanordnung geht hinsichtlich der Anordnung eines Kontaktes zwischen zwei relativ zueinander bewegbaren Strombahnteilen, die die Gleitbzw. Steckkontakte bilden, im wesentlichen beispielsweise aus der DD 237 558 Al hervor. Dabei ist der Kontakt als schraubenförmig gewendelte, aus elektrisch gut leitendem und federndem Material bestehende Feder ausgebildet, die in Einbaulage quer zu ihrer Wickelachse derart verformt ist, dass die zwischen den Kontaktpunkten liegenden Abschnitte jeder Windung der Feder unterschiedlich gegen die Wickelachse geneigt sind.
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Schraubenförmig gewendelte Federn, deren Windungen gegen die Wickelachse der Feder geneigt sind und durch die im wesentlichen eine lösbare Verbindung von konzentrisch zueinander angeordneten Bauteilen bei gleichzeitiger Gewährleistung einer elektromagnetischen Schirmung und elektrischen Leitfähigkeit erreicht werden soll, sind auch gemäss dem Federmechanismus nach der US-PS 5, 411, 348 bekannt.
Dabei ist die Feder in einer Nut eines der konzentrisch zueinander angeordneten Bauteile angeordnet und verhindert im Zusammenwirken nach dem Einrasten in eine weitere Nut des zweiten der konzentrisch zueinander angeordneten Bauteile eine unbeabsichtigte Trennung dieser Bauteile-s. a.
Dichtungsanordnung gemäss US-PS 5, 474, 309-.
Nachteilig bei diesem Federmechanismus und der Dichtungsanordnung ist, dass sie zwar die elektromagnetische Schirmung und die elektrische Leitfähigkeit berücksichtigen, dass sie aber nicht dazu geeignet sind, die bei Geräten und Anlagen der elektrischen Energietechnik zu beherrschenden Dauerströme bis 4000 A und Kurzschlussströme bis 100 kA zu übertragen. Besonders haftet diesen Lösungen, aber auch der nach der DD 237588A1 der Nachteil an, dass die Herstellung der schraubenförmig gewendelten Feder, deren Windungen gegen die Wickelachse geneigt sind, sehr kostenaufwendig ist, da die geforderten Federeigenschaften bei dem verwendeten Material -CuLegierungen- nur über zusätzliche Wärmebehandlungen erreicht werden, so dass ein universeller Einsatz dieser Federn begrenzt ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kontaktanordnung entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1 zu schaffen, durch die bei wesentlicher Reduzierung der Fertigungskosten nicht nur ein grosser Bereich von Kontaktkräften berücksichtigt wird sondern durch die auch die Übertragung von Dauerströmen zumindest bis 4000 A und von Kurzschlussströmen zumindest bis 100 kA beherrscht wird.
Erfindungsgemäss wird dieses dadurch erreicht, dass die Kontaktnut eine Form besitzt, durch die im Verlaufe der Kontaktierung der beiden relativ zueinander bewegbaren Strombahnteile die Windungen der Feder in eine Lage bringbar sind, in der sie durch die aus der Kontaktierung resultierenden Kompression weiter elliptisch verformt ist und eine grössere und eine kleinere Federkonstante besitzt, von denen die grössere Federkonstante der grösseren, bei der Kompression der Feder zu ihrer Wickelachse eine geneigt Lage einnehmenden Achse einer jeden Windung der Feder zugeordnet ist.
Diese beiden Federkonstanten, die durch die stark elliptische Verformung der Windungen der Feder erreicht werden, tragen wesentlich dazu bei, dass der Bereich der Kontaktkräfte erheblich gegenüber den Federkonstanten vergrössert werden kann, die eine herkömmliche, schräg gewickelte, schraubenförmig gewendelte Feder in symmetrischer Anordnung besitzt.
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Gleichzeitig wird neben der Vergrösserung des Bereiches der Kontaktkräfte durch die Erfindung aber auch Einfluss auf eine wesentliche Minimierung der Kosten genommen, indem die Verformung der Windungen der schraubenförmig gewendelten, aus elektrisch gut leitendem und federndem Material bestehenden Feder aus der industriellen Fertigung und damit aus den Fertigungskosten in den Anwendungsfall, also in das elektrische Gerät oder in die Anlage der elektrischen Energietechnik, verlagert wird.
Erreicht wird dieses durch eine spezielle Formgebung der Kontaktnut der Kontaktanordnung, die die notwendige Lage der Windungen der Feder durch die Kontaktierung erzwingt. Das bedeutet, dass gleichförmige, schraubenförmig gewendelte Federn, unabhängig davon, ob die Windungen die Grundform eines Kreises oder eine elliptische Form besitzen, in die Kontaktnut eingedrückt werden können.
Gemäss einer bevorzugten Ausbildung der Kontaktnut besitzt diese in ihrem Eingangsbereich eine Einengung, die sich in das Innere der Kontaktnut konusförmig erweitert und bei der sich an diese Einengung in Form der konusförmigen Erweiterung zwei parallel zueinander verlaufende, die Kontaktnut begrenzende Seitenwände anschliessen, von denen die bei der Kontaktierung der Strombahnteile in Bewegungsrichtung des beweglichen bzw. verschiebbaren Strombahnteiles liegende zweite Seitenwand kürzer ist als die gegenüberliegende erste Seitenwand, die an ihrem unteren Ende mit einem horizontal verlaufenden
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Boden verbunden ist, der über einen geneigt nach oben verlaufenden Boden mit dem unteren Ende der kürzeren der beiden parallel zueinander verlaufenden Seitenwände in Verbindung steht.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung stehen die Windungen der Feder auf Grund ihrer Verformung innerhalb der Kontaktnut über drei annähernd gegenüberliegende Kontaktpunkte mit dem Strombahnteil galvanisch in Verbindung, in dessen Kontaktnut die Feder angeordnet ist, wobei auf Grund der Kompression der Windungen der Feder durch diese eine unterschiedliche, den unterschiedlichen Strömen angepasste Kontaktkraft ausübbar ist, die an den drei annähernd gegenüberliegenden Kontaktpunkten kleiner ist als die Kontaktkraft, die über den Kontaktpunkt zwischen den Windungen der Feder und dem Strombahnteil wirkt, durch das die Kompression der Windungen der Feder erfolgt.
Dabei ist die in dem einem Kontaktpunkt wirkende Kontaktkraft bei gleichzeitiger Berücksichtigung der Stromteilung, bei der über den einem Kontaktpunkt der gleiche Strom fliesst wie über die drei annähernd gegenüberliegenden Kontaktpunkte zusammen, im wesentlichen gleich der Summe der in den drei annähernd gegenüberliegenden Kontaktpunkten wirkenden Kontaktkräfte.
Indem die Kontaktnut vorzugsweise in dem feststehenden Strombahnteil der beiden relativ zueinander bewegbaren Strombahnteile angeordnet ist, was nicht ausschliesst, dass eine Anordnung auch in dem beweglichen Strombahnteil angeordnet sein kann,
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wird gleichzeitig erreicht, wenn das feststehende Strombahnteil beispielsweise der feststehende Schaltkontakt eines Vakuumschalters ist, dass ein wesentlicher Anteil der Wärme vom beweglichen Schaltkontakt des Vakuumschalters über die drei annähernd gegenüber liegenden Kontaktpunkte der Windungen der Feder an den feststehenden Schaltkontakt des Vakuumschalters abgeführt werden kann, was zur Entlastung des beweglichen Schaltkontaktes führt, so dass die vorzugsweise versilberten Berührungsstellen der Oberfläche der Windungen der Feder,
der Kontaktnut und des beweglichen Schaltkontaktes durch die hohen Temperaturen keinen Schaden nehmen.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung erfolgt die Verformung der Windungen der Feder in der Kontaktnut derart, dass die annähernd gegenüberliegenden Kontaktpunkte der Windungen der Feder infolge ihrer durch Kompression zur Wickelachse der Feder eine geneigte Lage einnehmenden Achse versetzt zueinander angeordnet sind, wobei die Versetzung dem Mass der Neigung entspricht. Da hierdurch ein relativ grosser Abstand der Kontaktpunkte zueinander besteht, wirkt sich dieses beispielsweise vorteilhaft auf die Wärmeabführung aus. Bei dieser Anordnung der Kontaktpunkte ist der untere Bereich der Windungen der Feder zwischen den beiden unteren Kontaktpunkten annähernd stromlos.
Ausgehend davon, dass die Windungen der Feder bei ihrer Kompression durch die auf sie wirkende Kraft
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eine geneigte Lage innerhalb der Kontaktnut einnehmen, kann ausgehend von der erfindungsgemässen Kontaktanordnung in weiterer Ausgestaltung jede erforderliche Kontaktkraft, die die jeweilige Stromübertragung erfordert, realisiert werden, indem die Grösse der Kraft der Kompression der Windungen der Feder durch den Durchmesser der Windungen und/oder durch die Drahtstärke der Windungen der Feder sowie durch die Materialeigenschaften und durch die Steigung der Windungen bestimmt wird.
Die durch die Erfindung beabsichtigten Wirkungen werden bei den vielfältigsten elektrischen Geräten und Anlagen der elektrischen Energietechnik erzielt.
So beispielsweise nicht nur bei elektrischen Hochspannungsschaltgeräten sondern auch bei Stromschienenverbindungen sowie bei Anschlüssen von Schaltanlagenkomponenten. In Abhängigkeit von der Grösse der zu übertragenden Betriebs- oder Kurzschlussströme können dabei auch mindestens zwei schraubenförmig gewendelte Federn mit der jeder Feder zugeordneten, erfindungsgemäss ausgebildeten Kontaktnut parallel angeordnet sein.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Kontaktanordnung besteht aber auch darin, dass ausgehend davon, dass sich bei grossen Strömen die Windungen der Feder abstossen, so dass es zu einer Bewegung der Fusspunkte der Windungen der Feder kommt, eine Selbstreinigung der Kontaktpunkte erfolgt, so dass die Kontaktanordnung keinen Wartungsaufwand erfordert.
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Die durch die Erfindung beabsichtigten Wirkungen werden darüberhinaus durch folgende Vorteile erreicht : Die elliptische Formgebung der Windungen und der die Windungen bildende kreisrunde Draht besteht in einer definierten Ausbildung des Kontaktpunktes auf dem Kontaktteil der der Nut gegen übersteht, während in der Nut die Kontaktpunkte infolge der Grösseren Radien vergrössert werden, was sowohl für die Strom- als besonderes auch für die Warmeübertragung besondere Vorteile bringt.
Die erzwüngene Verformung der Feder gewährt eine Reduzierung der Steigung der Windungen und damit eine Erhöhung der Windungszahlen pro Spulenlänge, das hat zugleich eine radiale und axiale Kontaktkraftänderung zur Folge, die zu einer Reduzierung des Kontaktwiderstandes führt.
Weiterhin kann durch die Windungsgrösse, der Windungsteigung sowie die Drehmöglichkeiten der Windungen in der Nut einen grösseren Toleranzbereich gewähren.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen :
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Figur 1 den Schnitt einer Teilansicht einer Kontakt- anordnung eines Hochspannungsleistungs- schalters vor der Kontaktierung und Figur 2 den Schnitt der Kontaktanordnung nach Figur 1 nach der Kontaktierung.
Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Kontaktanordnung eines Hochspannungsleistungsschalters geht von zwei relativ zueinander bewegbaren Strombahnteilen 1, 2 aus, von denen das Strombahnteil
1 der bewegliche Schaltkontakt und das Strombahnteil 2 der feststehende Schaltkontakt eines Hochspannungsleistungsschalters ist. Zur Übertragung hoher Betriebs- und Kurzschlussströme ist zwischen den Strombahnteilen 1, 2, also den Schaltkontakten, eine Kontaktanordnung vorgesehen, die im wesentlichen aus einer im feststehenden Strombahnteil 1 angeordneten Kontaktnut 3 besteht, in der eine als Kontaktelement 4 dienende, schraubenförmig gewendelte, aus elektrisch gut leitendem und federndem Material bestehende Feder 5 angeordnet ist.
Auf Grund der Ausbildung der Kontaktnut 3 besitzen die Windungen 6 der Feder 5, deren Grundform der eines Kreises entspricht, nach ihrem Einbringen in die Kontaktnut 3 eine elliptische Form und füllen die Kontaktnut 3 im wesentlichen aus. Dabei besitzt die Kontaktnut 3 in ihrem Eingangsbereich 7 eine Einengung 8, die sich in das Innere der Kontaktnut 3 konusförmig erweitert, so dass ein Herausspringen der Feder 5 aus der Kontaktnut 3 bei einem Ausschaltvorgang vermieden wird.
Um nun im Verlaufe der Kontaktierung der beiden relativ zueinander bewegbaren Strombahnteile 1, 2 die
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Windungen 6 der Feder 5 in eine Lage zu bringen, in der sie durch die aus der Kontaktierung resultierenden Kompression weiter elliptisch verformt wird, schliessen sich an die konusförmige Erweiterung 9 der Kontaktnut 3 zwei parallel zueinander verlaufende Seitenwände 10, 11 an, von denen die Seitenwand 10 kürzer ist als die Seitenwand 11. An die Seitenwand 11 schliesst sich ein horizontal verlaufender Boden 12 an, der über einen geneigt nach oben verlaufenden Boden 13 mit der Seitenwand 10 in Verbindung steht.
Während aus Figur 1 die Lage der Windungen 6 der Feder 5 innerhalb der Kontaktnut 3 vor der Kontaktierung der Strombahnteile 1, 2, also vor dem Einschaltvorgang, ersichtlich ist, geht aus Figur 2 die weitere Verformung und Lage der Windungen 6 der Feder 5 innerhalb der Kontaktnut 3 nach der aus der Kontaktierung resultierenden Kompression hervor.
Dabei ist aus Figur 2 ersichtlich, dass die grössere Achse 14 der Windungen 6 zu ihrer Wickelachse 15 geneigt ist. Dieser Achse 14 ist gegenüber der kleineren Achse 16 der Windungen 6 eine grössere Federkonstante zugeordnet. Die Figur 2 zeigt aber auch, dass die Windungen 6 der Feder 5 über drei annähernd gegenüberliegende, versetzt zueinander angeordnete Kontaktpunkte 17, 18, 19 mit dem feststehenden Strombahnteil 2 und über den Kontaktpunkt 20 mit dem beweglichen Strombahnteil 1 galvanisch in Verbindung stehen, so dass über den Kontaktpunkt 20 der gleiche Strom fliesst wie über die Kontaktpunkte 17, 18, 19 zusammen.
Um diese
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Stromteilung zu sichern, ist gemäss den Grundregeln des Kontaktwiderstandes die Kontaktkraft im Kontaktpunkt 20 grösser als die in den Kontaktpunkten 17, 18, 19, wobei auf die Grösse der Kontaktkräfte auch dadurch Einfluss genommen wird, dass sich die Windungen 6 der Feder 5 auf Grund der aus der Kontaktierung resultierenden Kompression umlegen, wobei die Grösse der Kraft zur Kompression vom Durchmesser der Windungen und deren Drahtstärke bestimmt wird.
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Bezugszeichenliste
1, 2 relativ zueinander bewegbare Strombahnteile
3 Kontaktnut
4 Kontaktelement
5 aus elektrisch gut leitendem und federndem
Material bestehende Feder
6 Windungen
7 Eingangsbereich
8 Einengung
9 konusförmige Erweiterung
10, 11 Seitenwände
12 horizontal verlaufender Boden
13 geneigt nach oben verlaufender Boden
14 grössere Achse
15 Wickelachse
16 kleinere Achse
17, 18, 19, 20, Kontaktpunkte