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WO2025031598A1 - Hochvoltschütz oder hochvoltrelais - Google Patents

Hochvoltschütz oder hochvoltrelais Download PDF

Info

Publication number
WO2025031598A1
WO2025031598A1 PCT/EP2023/072248 EP2023072248W WO2025031598A1 WO 2025031598 A1 WO2025031598 A1 WO 2025031598A1 EP 2023072248 W EP2023072248 W EP 2023072248W WO 2025031598 A1 WO2025031598 A1 WO 2025031598A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
contact chamber
contact
voltage
wall
relay according
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/072248
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Juri Wagner
Peter Küsgen
Daniel Fuhrmann
Original Assignee
Pierburg Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pierburg Gmbh filed Critical Pierburg Gmbh
Priority to PCT/EP2023/072248 priority Critical patent/WO2025031598A1/de
Publication of WO2025031598A1 publication Critical patent/WO2025031598A1/de

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H50/00—Details of electromagnetic relays
    • H01H50/02—Bases; Casings; Covers
    • H01H50/04—Mounting complete relay or separate parts of relay on a base or inside a case
    • H01H50/041—Details concerning assembly of relays
    • H01H50/045—Details particular to contactors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/30—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H9/44—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts using blow-out magnet
    • H01H9/443—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts using blow-out magnet using permanent magnets
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/12—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage
    • H01H1/14—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage by abutting
    • H01H1/20—Bridging contacts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H50/00—Details of electromagnetic relays
    • H01H50/54—Contact arrangements
    • H01H50/546—Contact arrangements for contactors having bridging contacts

Definitions

  • the invention relates to a high-voltage contactor or high-voltage relay with an electromagnetic actuator, a housing with an inner contact chamber, a first contact element which projects into the contact chamber, a second contact element which projects into the contact chamber, a contact bridge which can be displaced by means of the actuator in the contact chamber at least into a first position in which the first contact element is electrically connected to the second contact element via the contact bridge, and can be displaced into a second position in which an electrical contact between the first contact element and the second contact element is interrupted, a magnetic field conductor which magnetically connects at least two permanent magnets arranged diametrically opposite one another in the contact chamber.
  • Such high-performance switching devices are required in order to be able to establish and separate electrical connections in the load-free case and in the load case, where in the load case voltages of over 1000 V and currents of over 1000 A can be present, for example in electrically operated vehicles between the battery and the drive motor or between a charging station and the battery. Since arcs can occur when the contacts are separated due to the high voltages, especially in the load case when driving or charging or in the event of a short-circuit current, the contact chamber should be as sealed as possible to the outside and have a high level of strength in order to avoid particle, gas or plasma emissions on the one hand and to withstand the pressure caused by the arc for a sufficiently long time on the other.
  • short-circuit currents of up to 30,000 A can be expected at the traction battery contactor or the rapid charging contactor in hybrid, electric and fuel cell vehicles as well as in on-board charging systems.
  • the housings should therefore be able to withstand the conditions that arise inside for several milliseconds without any external effects, such as material leakage or damage to the outer shell, until an additional short-circuit isolating element, such as a fuse or pyroelectric fuse, has separated the short-circuit current.
  • Such a high-voltage contactor is known, for example, from EP 3 846 193 A1.
  • This consists of an actuator housing that surrounds the coil radially and on the side opposite the contact chamber.
  • An outer housing is attached to this actuator housing, which limits the contact chamber to the outside.
  • a separate arc chamber housing is arranged inside this outer housing, which is connected to the actuator's return plate via a seal, so that the arc chamber housing, the seal, the return plate and a guide sleeve of the armature should limit the arc chamber.
  • This contactor requires a large number of individual parts to limit the arc chamber, which must also be connected to one another as tightly and durably as possible. Given the short-circuit currents and the resulting pressures expected in the future, sufficient tightness and durability cannot be guaranteed.
  • such a high-voltage contactor typically comprises an arc extinguishing device consisting of several permanent magnets arranged in the area of the contact elements in such a way that an arc occurring when the contacts are separated is manipulated in an arc shape by the magnetic field of the permanent magnets, whereby the arc is lengthened and ultimately extinguished.
  • These permanent magnets are therefore also referred to as blow magnets in technical terms.
  • Such a high-voltage contactor is known, for example, from US 2015/0054605 Al.
  • This has a permanent magnet radially adjacent to each contact element, which is arranged where the contact element is contacted by the respective contact of the contact bridge.
  • Each permanent magnet is arranged on a magnetic field conductor, whereby each magnetic field conductor is in magnetically conductive contact with the return plate, which is located between the contact chamber and the actuator.
  • the radial contact chamber wall which radially encloses the contact chamber, is made of plastic and is also relatively thin, so that the contact chamber wall can burst and thus become leaky, particularly if high pressures suddenly occur in the contact chamber.
  • the invention is therefore based on the object of creating a high-voltage contactor or high-voltage relay with which sufficient strength and tightness of the contact chamber can be achieved in the simplest possible way, using as few individual parts as possible in order to avoid leaks due to errors during assembly, but nevertheless creating a robust housing in the area of the contact chamber that can withstand the relatively high pressure in the contact chamber.
  • the high-voltage contactor or high-voltage relay according to the invention has an electromagnetic actuator via which the contactor can be switched.
  • the term electromagnetic actuator refers to all actuators which have a Generate movement due to a force caused by electromagnetism.
  • the electromagnetic actuator therefore consists in particular of either a coil consisting of a coil carrier and a winding wound on it, as well as an iron circuit surrounding the coil and an armature which is movable due to the electromagnetic force and which is arranged within the coil and the iron circuit.
  • high-voltage contactor is used below, although this also includes the term high-voltage relay.
  • radial, axial and diametrical refer to the central axis of the high-voltage contactor along which the armature of the actuator can be moved.
  • the housing is designed in such a way that the contact chamber is almost completely sealed from the environment, so that only a slow exchange of air and thus a slight equalization of pressure with the environment takes place.
  • a relatively high pressure is suddenly generated compared to the environment, which cannot be immediately reduced due to the slow exchange of air between the contact chamber and the environment.
  • the high pressure promotes the extinguishing of the arcs, it also leads to increased strength requirements for the housing.
  • the high-voltage contactor also has a first and second contact element that is fixed to the housing and that protrudes into the contact chamber and is connected to two busbars outside the high-voltage contactor, one of which leads to the battery and the other, for example, to the drive motor or which is connected to a charging station and the vehicle's battery.
  • An electrical connection between these two contact elements can be established via a contact bridge that is moved in the contact chamber by means of the actuator.
  • the contact bridge at the ends of which two electrical contacts can be formed, is moved axially against the two contact elements attached to the housing in order to establish an electrical connection between the first contact element and the second contact element via the contact bridge in a first position.
  • the contact bridge is operatively connected to the armature, for example via an actuating rod, and is accordingly pressed against the contact elements by the movement of the armature or rotor due to the electromagnetic force.
  • the contact bridge is loaded in the opposite direction, which is usually achieved by means of a spring force that acts on the armature, the rotor or the contact bridge in the opposite direction to the electromagnetic force, so that the contact bridge is moved to a second position in which electrical contact between the first contact element and the second contact element is interrupted.
  • the high-voltage contactor also has a magnetic field conductor which magnetically connects at least two permanent magnets arranged diametrically opposite one another in the contact chamber.
  • the magnetic field conductor is in direct contact with the at least two permanent magnets, which are preferably arranged radially adjacent to the contact point between the first contact element and the first contact plate of the contact bridge or to the contact point between the second contact element and the second contact plate of the contact bridge.
  • the magnetic field conductor represents a magnetic short circuit between the permanent magnets, which on the one hand leads to a relatively good magnetic field bundling and on the other hand on the other hand, it is particularly advantageous both for the local field strength and for the field homogeneity of the magnetic fields generated by the permanent magnets, which ultimately has a beneficial effect on the extinguishing of the arcs.
  • the magnetic field conductor completely surrounds the contact chamber, i.e. the magnetic field conductor completely encloses the contact chamber radially.
  • the magnetic field conductor can, for example, have a tubular shape with a rectangular or circular cross-section.
  • the magnetic field conductor is preferably made of a ferromagnetic metal and therefore has a relatively high strength compared to the housing, which is usually made of plastic.
  • the occurrence of arcs in the contact chamber is accompanied by a sudden, relatively high increase in pressure in the contact chamber, which particularly stresses the housing sections radially surrounding the contact chamber and can, in the worst case, cause the housing to burst.
  • the magnetic field conductor enclosing the contact chamber creates a metallic reinforcement of the housing section radially surrounding the contact chamber, which withstands the high pressures in the contact chamber caused by the arcs and thus protects the housing from damage. Nevertheless, the contact chamber walls can be designed to be relatively thin, which is particularly advantageous with regard to the compactness of the high-voltage contactor.
  • the housing has a radial contact chamber wall which radially delimits the contact chamber completely, wherein the radial contact chamber wall is formed by a contact chamber inner wall and a contact chamber outer wall.
  • the contact chamber inner wall and the contact chamber outer wall are radially spaced apart and arranged parallel to one another.
  • the radial contact chamber wall is thus double-walled. designed so that a gap is formed between the contact chamber inner wall and the contact chamber outer wall, which completely surrounds the contact chamber radially.
  • This gap can also be annular, for example, in the case of a contact chamber with a cylindrical cross-section and a corresponding annular contact chamber wall.
  • the contact chamber wall can have four double-walled sides, each side having an inner and an outer wall section.
  • the magnetic field conductor is arranged radially between the inner wall of the contact chamber and the outer wall of the contact chamber.
  • the magnetic field conductor is thus located in the gap between the inner wall of the contact chamber and the outer wall of the contact chamber that completely surrounds the contact chamber.
  • the magnetic field conductor is also fitted precisely into the gap, so that a play-free fit is guaranteed. This strengthens the inner wall of the contact chamber in particular, but also the outer wall of the contact chamber, so that they can withstand the relatively high pressure, particularly when arcs occur in the contact chamber.
  • the magnetic field conductor runs completely inside the radial contact chamber wall and is therefore not directly exposed to the arcs.
  • the inner wall of the contact chamber forms an insulating layer, so to speak, between the magnetic field conductor, which is usually made of metal and is therefore electrically conductive, and the arcs, and therefore prevents the arc from jumping over to the magnetic field conductor.
  • the magnetic field conductor is shielded from the environment by the outer wall of the contact chamber and is therefore not exposed to any environmental influences.
  • the radial contact chamber wall is produced by overmolding the magnetic field conductor.
  • the Magnetic field conductors are embedded in the contact chamber wall in a form-fitting and precise manner, whereby the contact chamber inner wall is created by overmolding on the radial inside of the magnetic field conductor and the contact chamber outer wall is created by overmolding the magnetic field body on the radial outside.
  • the permanent magnets are arranged radially between the inner wall of the contact chamber and the outer wall of the contact chamber.
  • the permanent magnets are therefore arranged inside the radial contact chamber wall in a similar way to the magnetic field conductor and are thus protected from the arcs in the contact chamber. This is particularly important for permanent magnets, as the arcs are preferably deformed in the direction of the permanent magnets, so that if these were arranged directly in the contact chamber, the arc could jump to the permanent magnets.
  • the inner wall of the contact chamber thus also forms an insulating barrier here, which protects the mostly electrically conductive permanent magnets from the arcs.
  • the permanent magnets preferably contact the radial inside of the magnetic field guide body, whereby the permanent magnets are in direct contact with the magnetic field guide body.
  • the magnetic field guide body, where the permanent magnets are arranged is not overmolded with plastic on the radial inside.
  • the internal arrangement in relation to the magnetic field conductor also ensures that the permanent magnets can be brought particularly close to the contact points, so that the extinguishing effect of the arcs is particularly high.
  • the magnetic field guide body is formed by a ferromagnetic magnetic field guide plate.
  • the magnetic field guide plate preferably has a relatively small sheet thickness of less than 2 mm, whereby the magnetic field guide plate is designed to be relatively thin-walled in relation to its axial extent.
  • the magnetic field guide plate is arranged in relation to the contact chamber in such a way that the sheet thickness is oriented in the radial direction, which results in a relatively compact design of the radial contact chamber wall, so that the high-voltage contactor is designed to be equally compact in its external dimensions.
  • the magnetic field guide plate can, for example, be made into a corresponding shape from a simple sheet metal strip by forming it.
  • the sheet metal strip can be bent into an essentially rectangular and tubular magnetic field guide plate, which is arranged in such a way that a cuboid-shaped contact chamber is formed, which is radially circumferentially enclosed by the magnetic field guide plate.
  • the magnetic field guide plate in the non-molded state has several openings, which are filled with the molded plastic after the molding.
  • the openings can be formed, for example, by holes that are made in the magnetic field guide plate during its manufacture.
  • the openings are preferably distributed over the circumference of the magnetic field guide plate and extend in a radial direction with respect to the installation position.
  • each of the four sides have at least one such opening.
  • the plastic penetrates through the openings, whereby the contact chamber inner wall and the contact chamber outer wall are bonded together in the area of the opening. This creates a form-fitting connection in a simple manner, which holds the magnetic field guide plate securely in its position.
  • the housing in addition to the radial contact chamber wall, also has an axial contact chamber wall which limits the actuator axially to the contact chamber, i.e. is arranged axially between the contact chamber and the actuator.
  • the axial contact chamber wall which is preferably made of plastic, has an electrically insulating effect and protects the actuator from the arcs occurring in the contact chamber, thereby preventing damage to the actuator and its sensitive components.
  • the radial contact chamber wall and the axial contact chamber wall are preferably formed in one piece and are produced, for example, by jointly overmolding the actuator and the magnetic field guide body with plastic.
  • the axial contact chamber wall is particularly preferably formed in one piece with the contact chamber inner wall.
  • the radial contact chamber wall and the axial contact chamber wall are thus materially connected, whereby the contact chamber is completely sealed from the environment, particularly at the transition between the axial contact chamber wall and the radial contact chamber wall. This eliminates the need for separate sealing agents, which would significantly complicate assembly and lead to increased production costs. In addition, no leaks can occur due to aging processes or damage to the sealing agents.
  • the contact chamber is electrically insulated in the direction of the actuator, so that the actuator circuit remains galvanically separated from the switching circuit.
  • the radial contact chamber wall has at least two diametrically opposed pockets that are open to the axial side opposite the actuator.
  • One of the permanent magnets is arranged in each pocket, which can be pushed into the pocket from the open side during assembly.
  • the shape of each pocket is designed to correspond to the shape of the respective permanent magnet, so that the permanent magnet fits precisely and without play in the pocket.
  • each permanent magnet can be overmolded with plastic in the demagnetized state and magnetized after overmolding, whereby the pocket is formed around the permanent magnet.
  • the pockets preferably protrude radially from the actual contact chamber inner wall into the contact chamber, whereby the permanent magnet can be brought relatively close to the contact point between the contact element and the contact bridge, but the contact chamber inner wall arranged radially on the inside of the permanent magnet protects the permanent magnet from direct contact with the arc.
  • each pocket has a stop structure against which the respective permanent magnet arranged in the pocket rests axially.
  • the stop structure can be formed, for example, by at least one rib arranged in the pocket, which runs between two opposite walls of the pocket.
  • several ribs extend between the contact chamber inner wall and the contact chamber outer wall and form webs on which the permanent magnet rests.
  • a wall projection can be formed which projects from at least one of the walls of the pocket into the interior of the pocket and forms a stop for the Permanent magnets.
  • the permanent magnet can be arranged at the level of the contact points in relation to the axial direction without having to accept manufacturing disadvantages such as material accumulations or uneven wall thicknesses, which would lead to a loss of quality in terms of the processing of the overall product, particularly when using plastic materials.
  • the housing preferably has a contact chamber cover that closes the contact chamber on the axial side opposite the actuator.
  • the contact chamber cover is attached to the radial contact chamber wall in a material-to-material manner all around, in particular by gluing, laser welding, ultrasonic welding or rotational vibration welding. This attachment is very durable and is completely sealed without the need for additional seals.
  • the contact chamber is thus completely airtight and electrically insulated from the environment.
  • the contact chamber cover axially closes the pockets in which the permanent magnets are arranged, whereby the permanent magnets are completely fixed in the pocket.
  • the permanent magnets are therefore only held by a positive connection on all sides without additional connecting elements, which makes the assembly of the high-voltage contactor considerably easier.
  • the contact chamber cover preferably has a collar extending axially in the direction of the actuator, which completely surrounds the radial contact chamber wall.
  • the collar extends axially preferably over at least 20% of the axial extent of the radial contact chamber wall and rests radially on the outside of the contact chamber wall in a form-fitting manner, whereby the contact chamber cover preferably materially bonded, in particular by gluing, laser welding, ultrasonic welding or rotational vibration welding, to the radial contact chamber wall.
  • a further radially delimiting outer wall is created, which additionally increases the strength.
  • the housing has an actuator housing part that is manufactured by overmolding the actuator with plastic.
  • This design completely shields the actuator from the contact chamber, with the exception of the small opening through which the actuating rod protrudes into the contact chamber. Because the housing is closed to the outside, a high level of strength is achieved even with relatively thin walls and necessary sealing surfaces are completely avoided. Overmolding makes production significantly easier because fewer individual parts are required and have to be assembled. The space requirement is also reduced by eliminating the otherwise necessary play between the housing parts and the costs of production are reduced compared to known designs. In addition, a stable system is created in which the actuator cannot move in the housing.
  • the radial contact chamber wall is formed in one piece with the actuator housing part. This can be achieved, for example, by producing the contact chamber wall and the actuator housing part in one and the same injection molding process. This means that connections and abutting edges that could lead to leaks are completely eliminated in the area of the contact chamber wall that delimits the contact chamber, so that the entire housing, apart from the axial end faces, which are preferably provided with covers, forms a completely closed unit that seals the interior of the high-voltage contactor from the environment.
  • the radial contact chamber wall extends axially from the actuator in the direction of the contact elements, so that the contact chamber wall is arranged axially adjacent to the actuator, thereby achieving a particularly compact design of the high-voltage contactor.
  • the electromagnetic actuator advantageously has a coil, an iron circuit surrounding the coil and an armature. This produces a purely translational actuator in which there is no need to convert the movement. Such an actuator can be produced in a particularly compact and cost-effective manner.
  • the iron circuit is formed from a return plate and a U-shaped yoke, the free legs of which rest on the return plate.
  • the yoke can be produced by simple bending, while the straight return plate serves as a support surface during the overmolding to form the axial contact chamber wall.
  • the return plate is arranged axially between the coil or the coil carrier and the axial contact chamber wall and rests against the axial contact chamber wall, so that the axial contact chamber wall is additionally reinforced by the return plate.
  • the radial contact chamber wall is metal-reinforced by means of the magnetic field conductor, but also the axial contact chamber wall by means of the return plate, creating an almost completely metal-reinforced contact chamber that can withstand the extremely high pressures particularly well.
  • the magnetic field conductor is in direct magnetically conductive connection with the iron circuit.
  • the Magnetic field conductor in direct magnetically conductive connection with the return plate. Because the return plate is preferably arranged at the actuator-side axial end of the magnetic field conductor, a direct magnetic connection between the return plate and the magnetic field conductor can be easily established, whereby the magnetic circuit is also closed in the actuator-side axial area of the contact chamber.
  • the iron circuit of the electromagnetic actuator is completely surrounded radially inside and outside by the actuator housing part produced by overmolding and is surrounded axially in the direction of the contact chamber by the contact chamber wall.
  • the actuator, or the current-carrying part of the actuator is thus completely galvanically separated from the contact chamber, whereby the actuator circuit is also completely separated from the circuit to be switched.
  • the contact chamber cover and the contact chamber outer wall are preferably connected to one another in a material-locking manner.
  • Such material-locking connections are produced, for example, by ultrasonic welding, laser welding or other welding processes suitable for plastics. This completely seals the contact chamber from the outside, so that the pressure within the contact chamber can be significantly increased compared to the environment, which is a considerable advantage with regard to extinguishing the arcs.
  • Such a high-voltage contactor or high-voltage relay has a high degree of sealing from the outside to the inside and in the opposite direction over a long service life and is able to withstand the high pressures, especially when the arc occurs.
  • An embodiment of a high-voltage contactor or high-voltage relay according to the invention is shown in the figures and is described below.
  • Figure 1 shows a side view of a high-voltage contactor according to the invention in a sectional view.
  • Figure 2 shows a plan view of the high-voltage contactor according to the invention of Figure 1 in a sectional view, the section being shown in Figure 1.
  • the high-voltage contactor 10 shown in Figure 1 consists of an electromagnetic actuator 12, which has a coil 14, which consists of a coil carrier 16 and a winding 18 wound thereon, a ferromagnetic iron circuit 20 and an armature 22.
  • the ferromagnetic iron circuit 20 has a U-shaped yoke 24, the legs 26 of which rest on a return plate 28 or are attached to the return plate 28, so that the closed iron circuit 20 is created.
  • the yoke 24 has a central opening 32 on its base part 30, the diameter of which essentially corresponds to the inner diameter of the coil carrier 16.
  • a bushing 34 is fastened in this opening or in the interior of the coil carrier 16, in which the armature 22 is movably arranged and guided.
  • An actuating rod 38 rests axially on the armature 22 on the contact chamber side and projects into a contact chamber 42 through a further central opening 40 in the return plate 28.
  • a contact bridge 44 is arranged at the end of the actuating rod 38 opposite the armature 22. This is preferably pressed by a spring element 46 against a stop 48 at the end of the actuating rod 38, which is supported on a shoulder 49 on the actuating rod 38 and is arranged on the actuating rod 38 so as to be slightly axially and tiltably movable.
  • a contact plate 52, 53 made of a particularly good conductive material is attached to each end of the contact bridge 44.
  • the first contact plate 52 is arranged axially opposite a first contact element 54, which can be connected in particular to a high-voltage battery via a busbar (not shown).
  • the second contact plate 53 is arranged opposite a second contact element 56, which can be connected to a drive motor of a motor vehicle, for example, via a busbar.
  • the entire high-voltage contactor 10 is arranged in a housing 58, which is composed of a total of three parts.
  • the actuator 12 is molded with a plastic to form an actuator housing part 60.
  • This plastic completely surrounds the coil 14 radially to form a radial boundary wall 66 and also fills a gap 68 radially between the coil 14 and the yoke 24.
  • the yoke 24 itself is completely surrounded radially by this plastic and is thus shielded from the environment.
  • the return plate 28, which rests against the coil carrier 16 on its side facing the coil carrier, is covered axially by this plastic in the direction of the contact chamber 42, thereby forming an axial contact chamber wall 45.
  • the opening 40 of the return plate 28 is also covered radially inwards by the plastic and only leaves a central guide opening 70 free, in which the actuating rod 38 is guided.
  • the plastic extends further radially inside along a radially outer region 74 of the base part 30 of the yoke 24 or of the actuator 12 and leaves here only in the central, radially inner region 76 an opening 78 which is designed symmetrically to the opening 32, but has a slightly larger diameter so that there is sufficient space for pressing in the bushing 34.
  • This opening 78 is closed by a plastic cover 80, which is firmly attached to the actuator housing part 60 in the opening 78, in particular by laser welding, ultrasonic welding or rotational vibration welding.
  • the actuator housing part 60 produced by overmolding the actuator 12 forms a formation 82 in the form of a plug housing 82, through which the connecting lines 84 to the winding 18 of the coil 14 are led outwards, so that the electrical connection of the coil 14 to a voltage source can be established via a plug counterpart.
  • a circumferential radial contact chamber wall 47 extends from the return plate 28 in extension of the plastic surrounding the actuator 12, which radially delimits the contact chamber 42 and is also manufactured in one piece when the actuator 12 is overmolded and thus forms four side walls of the contact chamber 42 in the present embodiment.
  • the radial contact chamber wall 47 is designed in a so-called sandwich construction, as shown in Figure 2.
  • the radial contact chamber wall 47 is formed by a contact chamber inner wall 474 and a contact chamber outer wall 476, which are spaced apart and arranged parallel to one another. Between the contact chamber inner wall 474 and the contact chamber outer wall 476, a ferromagnetic A magnetic field guide body 50 formed by a magnetic field guide plate 51 is arranged, which completely surrounds the contact chamber 42 radially, the radial contact chamber wall 47 or the contact chamber inner wall 474 and the contact chamber outer wall 476 being produced by overmolding the magnetic field guide plate 51 with plastic on the inside or outside.
  • the overmolding takes place in the same work step in which the actuator 12 is overmolded, as a result of which the contact chamber outer wall 476 is formed in one piece with the actuator housing part 60 and the contact chamber inner wall 474 is formed in one piece with the axial contact chamber wall 45. Nevertheless, the contact chamber inner wall 474 and the contact chamber outer wall 476 are materially connected to one another at several points, for example by openings 512 in the magnetic field guide plate 51.
  • the contact chamber 42 is cuboid-shaped and therefore has a rectangular cross-section which is radially delimited by four side walls each formed by the radial contact chamber wall 47.
  • the side walls of the contact chamber wall 47 each have a cuboid-shaped, inwardly projecting pocket 471, 472 which is open to the axial side opposite the actuator 12, with a permanent magnet 55, 57 being arranged in each pocket 471, 472.
  • Each pocket 471, 472 or each permanent magnet 55, 57 arranged in the pocket 471, 472 is arranged adjacent to one of the contact plates 52, 53 of the contact bridge 44.
  • Each permanent magnet 55, 57 is aligned with respect to its magnetic poles in such a way that the Lorentz force exerted by the magnetic fields of the permanent magnets 55, 57 deforms the arc occurring between the contact plates 52, 53 and the contact elements 54, 56 in an arc shape and thus extinguishes the arcs.
  • the magnetic field guide plate 51 is not completely overmolded on the inside in the area of the pocket 471, 472. Instead, each permanent magnet 55, 57 contacts the magnetic field guide plate 51 on its respective inside, whereby the permanent magnets 55, 57 are connected to one another in a magnetically conductive manner.
  • a stop structure 475 is arranged within each pocket 471, 472, which is formed by two ribs 477 arranged parallel and spaced apart from one another and a wall projection 478.
  • the wall projection 478 protrudes radially inwards from the inside of the magnetic field guide plate 51.
  • the ribs 477 each extend radially from the contact chamber inner wall 474 to the wall projection 478.
  • the permanent magnets 55, 57 rest axially against the respective stop structure 475, whereby each permanent magnet 55, 57 is arranged at the level of one of the contact points in the contact chamber 42 with respect to the axial direction.
  • the magnetic field guide plate 51 extends axially in the actuator direction up to the return plate 28 and contacts it, so that the magnetic field guide plate 51 is in direct, magnetically conductive contact with the return plate 28 and thus with the iron circuit 20. This leads to both an increased local field strength and to an improved homogeneity of the magnetic field, which results in a relatively strong deformation of the arcs and thus a relatively quick extinguishing of the arcs.
  • the contact chamber 42 is closed axially on the axial side opposite the axial contact chamber wall 45 by a contact chamber cover 88, which also axially closes the pockets 471, 472.
  • Two axial openings 90 are formed on the contact chamber cover 88, in which the two contact elements 54, 56 are accommodated and secured, for example, by ultrasonic welding or overmolding.
  • a collar 92 extends circumferentially in the axial direction from this contact chamber cover 88, which surrounds the circumferential contact chamber outer wall 476 radially, so that these two walls 92, 476 can be connected to one another in a materially bonded manner all around, for example by laser welding, ultrasonic welding or rotational vibration welding, thereby creating a high-strength housing 58.
  • a circumferential axial groove 94 is formed directly inside the collar 92, which is thus delimited on the outside by the collar 92 of the contact chamber cover 88 and into which the end of the housing wall 86 of the actuator housing part 60 projects, whereby this is precisely fixed in its position relative to the contact chamber cover 88 before laser welding, ultrasonic welding or rotational vibration welding.
  • the coil 14 is energized, whereby the armature is pulled in the direction of the return plate 28 due to the electromagnetic forces acting.
  • the actuating rod 38 with the contact bridge 44 and the contact plates 52, 53 is pushed against the contact elements 54, 56 so that a current can flow via the contact bridge 44 from the first contact element 54 to the second contact element 56 and thus from the battery to the electric motor or from the charging station to the battery.
  • the coil 14 is not energized, the actuating rod 38 and the armature 22 are loaded in the opposite direction by the spring 36 so that the contact bridge 44 is lifted off the contact elements 54, 56 and the circuit is interrupted. This creates an arc due to the high currents, which also results in an increase in pressure in the contact chamber 42.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hochvoltschütz (10) oder Hochvoltrelais mit einem elektromagnetischen Aktor (12), einem Gehäuse (58) mit einer inneren Kontaktkammer (42), einem ersten Kontaktelement (54), welches in die Kontaktkammer (42) ragt, einem zweiten Kontaktelement (56), welches in die Kontaktkammer (42) ragt, einer Kontaktbrücke (44), die mittels des Aktors (12) in der Kontaktkammer (42) zumindest in eine erste Position verschiebbar ist, in der das erste Kontaktelement (54) mit dem zweiten Kontaktelement (56) über die Kontaktbrücke (44) elektrisch verbunden ist, und in eine zweite Position verschiebbar ist, in der ein elektrischer Kontakt zwischen dem ersten Kontaktelement (54) und dem zweiten Kontaktelement (56) unterbrochen ist, einem Magnetfeldleitkörper (50), der mindestens zwei diametral gegenüberliegend in der Kontaktkammer (42) angeordnete Permanentmagneten (55, 57) magnetisch leitend verbindet. Erfindungsgemäß umgibt der Magnetfeldleitkörper (50) die Kontaktkammer (42) radial vollumfänglich, wodurch eine metallverstärkte radiale Kontaktkammerwand (47) geschaffen ist, die den hohen Drücken in der Kontaktkammer (42) besonders gut standhält.

Description

B E S C H R E I B U N G
Hochvoltschütz oder Hochvoltrelais
Die Erfindung betrifft ein Hochvoltschütz oder Hochvoltrelais mit einem elektromagnetischen Aktor, einem Gehäuse mit einer inneren Kontaktkammer, einem ersten Kontaktelement, welches in die Kontaktkammer ragt, einem zweiten Kontaktelement, welches in die Kontaktkammer ragt, einer Kontaktbrücke, die mittels des Aktors in der Kontaktkammer zumindest in eine erste Position verschiebbar ist, in der das erste Kontaktelement mit dem zweiten Kontaktelement über die Kontaktbrücke elektrisch verbunden ist, und in eine zweite Position verschiebbar ist, in der ein elektrischer Kontakt zwischen dem ersten Kontaktelement und dem zweiten Kontaktelement unterbrochen ist, einem Magnetfeldleitkörper, der mindestens zwei diametral gegenüberliegend in der Kontaktkammer angeordnete Permanentmagneten magnetisch leitend verbindet.
Solche Hochleistungs-Schaltgeräte werden benötigt, um im lastfreien Fall und im Lastfall elektrische Verbindungen herstellen und trennen zu können, bei denen im Lastfall Spannungen von über 1000 V und Ströme von über 1000 A, die beispielsweise bei elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen zwischen der Batterie und dem Antriebsmotor oder zwischen einer Ladestation und der Batterie vorhanden sein können. Da beim Trennen der Kontakte aufgrund der hohen Spannungen vor allem im Lastfall im Fahroder Ladezustand oder im Kurzschlussstromfall Lichtbögen entstehen können, sollte die Kontaktkammer nach außen möglichst dicht sein und eine hohe Festigkeit aufweisen, um einerseits einen Partikel-, Gas-, oder Plasmaausstoß zu vermeiden und andererseits dem entstehenden Druck durch den Lichtbogen ausreichend lange standzuhalten. Bei zukünftigen Hybrid-, Elektro- und Brennstoffzellen-Fahrzeugen sowie in Bordladesystemen sind in Zukunft sogar Kurzschlussströme von bis zu 30000 A am Schütz der Traktionsbatterie oder am Schnellladeschütz zu erwarten. Die Gehäuse sollten entsprechend ohne auftretende Außenwirkung, wie einem Materieaustritt oder einer Beschädigung der Außenhülle den im Inneren entstehenden Bedingungen für mehrere Millisekunden widerstehen bis ein zusätzliches Kurzschlusstrennelement, wie eine Schmelz- oder Pyrosicherung den Kurzschlussstrom getrennt hat.
Ein solches Hochvoltschütz ist beispielsweise aus der EP 3 846 193 Al bekannt. Dieses besteht aus einem Aktorgehäuse, welches die Spule radial und an der zur Kontaktkammer entgegengesetzten Seite umgibt. An diesem Aktorgehäuse wird ein Außengehäuse befestigt, welches die Kontaktkammer nach außen begrenzt. Im Inneren dieses Außengehäuses ist ein separates Lichtbogenkammergehäuse angeordnet, welches über eine Dichtung mit der Rückschlussplatte des Aktors verbunden ist, so dass das Lichtbogenkammergehäuse, die Dichtung, die Rückschlussplatte sowie eine Führungshülse des Ankers die Lichtbogenkammer begrenzen sollen.
Bei diesem Schütz ist entsprechend eine Vielzahl an Einzelteilen zur Begrenzung der Lichtbogenkammer notwendig, die zusätzlich möglichst dicht und haltbar miteinander verbunden werden müssen. Bei den in Zukunft zu erwartenden Kurzschlussströmen und daraus folgenden Drücken kann eine ausreichende Dichtheit und Haltbarkeit nicht sichergestellt werden.
Ferner umfasst ein derartiges Hochvoltschütz typischerweise eine Lichtbogenlöscheinrichtung, die aus mehreren Permanentmagneten besteht, die im Bereich der Kontaktelemente derart angeordnet sind, dass ein beim Trennen der Kontakte auftretender Lichtbogen von dem Magnetfeld der Permanentmagneten bogenförmig manipuliert wird, wodurch der Lichtbogen gelängt wird und letztendlich zum Erlöschen gebracht wird. Diese Permanentmagneten werden daher in der Fachsprache auch als Blasmagneten bezeichnet.
Ein derartiges Hochvoltschütz ist beispielsweise aus der US 2015/0054605 Al bekannt. Dieses weist radial benachbart zu jedem Kontaktelement jeweils einen Permanentmagneten auf, der dort angeordnet ist, wo das Kontaktelement von dem jeweiligen Kontakt der Kontaktbrücke kontaktiert wird. Jeder Permanentmagnet ist jeweils auf einem Magnetfeldleitkörper angeordnet, wobei jeder Magnetfeldleitkörper mit der Rückschlussplatte, die zwischen Kontaktkammer und Aktor sitzt, in magnetisch leitendem Kontakt steht.
Die radiale Kontaktkammerwand, die die Kontaktkammer radial umschließt, ist aus Kunststoff hergestellt und zudem relativ dünn ausgebildet, sodass insbesondere bei einem schlagartigen Auftreten hoher Drücke in der Kontaktkammer, die Kontaktkammerwand bersten und somit undicht werden kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Hochvoltschütz oder Hochvoltrelais zu schaffen, mit dem auf möglichst einfache Weise eine ausreichende Festigkeit und Dichtigkeit der Kontaktkammer erreicht wird, wobei möglichst wenige Einzelteile verwendet werden sollen, um Undichtigkeiten durch Fehler bei der Montage zu vermeiden, aber dennoch ein robustes Gehäuse im Bereich der Kontaktkammer zu schaffen, das dem relativ hohen Druck in der Kontaktkammer standhält.
Diese Aufgabe wird mit einem erfindungsgemäßen Hochvoltschütz oder Hochvoltrelais mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Hochvoltschütz oder Hochvoltrelais weist einen elektromagnetischen Aktor auf, über den das Schütz schaltbar ist. Unter elektromagnetischem Aktor werden alle Aktoren verstanden, welche eine Bewegung aufgrund einer durch Elektromagnetismus verursachten Kraft erzeugen. Der elektromagnetische Aktor besteht somit insbesondere entweder aus einer Spule, die aus einem Spulenträger und einer darauf gewickelten Wicklung besteht, sowie einem die Spule umgebenden Eisenkreis und einem aufgrund der elektromagnetischen Kraft bewegbaren Anker, der innerhalb der Spule und des Eisenkreises angeordnet ist.
Nachfolgend wird der Einfachheit halber nur noch der Begriff Hochvoltschütz verwendet, womit jedoch auch der Begriff Hochvoltrelais gemeint ist.
Ferner beziehen sich die Begriffe radial, axial und diametral auf die Mittelachse des Hochvoltschützes entlang derer der Anker des Aktors bewegbar ist.
Das Gehäuse ist derart ausgebildet, dass die Kontaktkammer gegenüber der Umgebung nahezu vollständig abgedichtet ist, sodass lediglich ein langsamer Luftaustausch und somit ein geringfügiger Druckausgleich mit der Umgebung stattfindet. Grundsätzlich wird bei der Entstehung des Lichtbogens in der Kontaktkammer plötzlich ein gegenüber der Umgebung relativ hoher Druck erzeugt, der aufgrund des langsamen Luftaustauschs zwischen der Kontaktkammer und der Umgebung nicht sofort gemindert werden kann. Der hohe Druck begünstigt zwar die Löschung der Lichtbögen, führt jedoch auch zu erhöhten Festigkeitsanforderungen an das Gehäuse.
Das Hochvoltschütz weist des Weiteren ein fest am Gehäuse angeordnetes erstes und zweites Kontaktelement auf, welche in die Kontaktkammer ragen und außerhalb des Hochvoltschützes mit zwei Stromschienen verbunden sind, von denen eine zur Batterie führt und die andere beispielsweise zum Antriebsmotorführt oder die mit einer Ladestation und der Batterie des Fahrzeugs verbunden sind. Eine elektrische Verbindung zwischen diesen beiden Kontaktelementen kann über eine Kontaktbrücke hergestellt werden, die mittels des Aktors in der Kontaktkammer bewegt wird. Dabei wird üblicherweise durch Bestromung der Wicklung die Kontaktbrücke, an deren Enden zwei elektrische Kontakte ausgebildet sein können, axial gegen die beiden am Gehäuse befestigten Kontaktelemente verschoben, um in einer ersten Position eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Kontaktelement und dem zweiten Kontaktelement über die Kontaktbrücke herzustellen. Hierzu ist die Kontaktbrücke beispielsweise über eine Betätigungsstange mit dem Anker wirkverbunden und wird entsprechend durch die Bewegung des Ankers oder Rotors aufgrund der elektromagnetischen Kraft gegen die Kontaktelemente gedrückt. Zum Öffnen dieser elektrischen Verbindung wird die Kontaktbrücke in die entgegengesetzte Richtung belastet, was üblicherweise mittels einer Federkraft erreicht wird, die auf den Anker, den Rotor oder die Kontaktbrücke entgegengesetzt zur elektromagnetischen Kraft wirkt, so dass die Kontaktbrücke in eine zweite Position verschoben wird, in der ein elektrischer Kontakt zwischen dem ersten Kontaktelement und dem zweiten Kontaktelement unterbrochen ist.
Ferner weist das Hochvoltschütz einen Magnetfeldleitkörper auf, der mindestens zwei diametral gegenüberliegend in der Kontaktkammer angeordnete Permanentmagneten magnetisch leitend verbindet. Dazu steht der Magnetfeldleitkörper in einem direkten Kontakt mit den mindestens zwei Permanentmagneten, die vorzugsweise jeweils radial benachbart zu der Kontaktstelle zwischen dem ersten Kontaktelement und der ersten Kontaktplatte der Kontaktbrücke bzw. zu der Kontaktstelle zwischen dem zweiten Kontaktelement und der zweiten Kontaktplatte der Kontaktbrücke angeordnet sind. Mittels der Magnetfelder der Permanentmagneten bzw. mittels der von den Magnetfeldern ausgeübten Lorentzkraft kann der beim Trennen der Kontaktplatten und der Kontaktelemente jeweils entstehende Lichtbogen bogenartig verformt werden, wodurch dieser gelängt und auf diese Weise zum Erlöschen gebracht wird. Der Magnetfeldleitkörper stellt einen magnetischen Kurzschluss zwischen den Permanentmagneten dar, der zum einen zu einer relativ guten Magnetfeldbündelung führt und zum anderen besonders vorteilhaft sowohl für die lokale Feldstärke als auch für die Feldhomogenität der von den Permanentmagneten erzeugten Magnetfelder ist, was sich letztendlich vorteilhaft auf die Löschung der Lichtbögen auswirkt.
Erfindungsgemäß umgibt der Magnetfeldleitkörper die Kontaktkammer vollumfänglich, d.h., dass der Magnetfeldleitkörper die Kontaktkammer radial vollständig umschließt. Dazu kann der Magnetfeldleitkörper beispielsweise eine rohrartige Form mit einem rechteckigen oder kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Der Magnetfeldleitkörper ist vorzugsweise aus einem ferromagnetischen Metall hergestellt und weist daher im Vergleich zu dem meist aus Kunststoff gefertigten Gehäuse eine relativ hohe Festigkeit auf. Das Auftreten von Lichtbögen in der Kontaktkammer ist von einem schlagartig auftretenden, relativ hohen Druckanstieg in der Kontaktkammer begleitet, der insbesondere die die Kontaktkammer radial umgebenden Gehäuseabschnitte belastet und das Gehäuse im schlimmsten Fall zum Bersten bringen kann. Durch den die Kontaktkammer umschließenden Magnetfeldleitkörper wird eine metallische Verstärkung des die Kontaktkammer radial umgebenden Gehäuseabschnitts geschaffen, die den hohen Drücken in der Kontaktkammer, verursacht durch die Lichtbögen, standhält und somit das Gehäuse vor Beschädigungen schützt. Dennoch können die Kontaktkammerwände relativ dünn gestaltet werden, was hinsichtlich der Kompaktheit des Hochvoltschützes von besonderem Vorteil ist.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Gehäuse eine radiale Kontaktkammerwand auf, die die Kontaktkammer radial vollumfänglich begrenzt, wobei die radiale Kontaktkammerwand durch eine Kontaktkammerinnenwand und eine Kontaktkammeraußenwand gebildet ist. Die Kontaktkammerinnenwand und die Kontaktkammeraußenwand sind radial beabstandet und parallel zueinander angeordnet. Die radiale Kontaktkammerwand ist somit doppelwandig ausgeführt, wobei zwischen der Kontaktkammerinnenwand und der Kontaktkammeraußenwand ein Spalt gebildet ist, der die Kontaktkammer radial vollumfänglich umgibt. Dieser Spalt kann beispielsweise bei einer im Querschnitt zylindrischen Kontaktkammer und einer entsprechenden ringförmigen Kontaktkammerwand ebenfalls ringförmig ausgebildet sein. Alternativ kann im Falle einer im Querschnitt rechteckigen Kontaktkammer die Kontaktkammerwand vier doppelwandige Seiten aufweisen, wobei jede Seite einen inneren und einen äußeren Wandabschnitt aufweist.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Magnetfeldleitkörper radial zwischen der Kontaktkammerinnenwand und der Kontaktkammeraußenwand angeordnet. Der Magnetfeldleitkörper sitzt somit in dem die Kontaktkammer vollumfänglich umgebenden Spalt zwischen der Kontaktkammerinnenwand und der Kontaktkammeraußenwand. Der Magnetfeldleitkörper ist zudem genau in den Spalt eingepasst, sodass ein spielfreier Sitz gewährleistet ist. Dadurch werden insbesondere die Kontaktkammerinnenwand aber auch die Kontaktkammeraußenwand verstärkt, sodass diese dem relativ hohen Druck insbesondere beim besagten Auftreten von Lichtbögen in der Kontaktkammer standhalten. Der Magnetfeldleitkörper verläuft vollständig im Inneren der radialen Kontaktkammerwand und ist daher den Lichtbögen nicht direkt ausgesetzt. Die Kontaktkammerinnenwand bildet sozusagen eine isolierende Schicht zwischen dem meist metallisch ausgeführten und somit elektrisch leitenden Magnetfeldleitkörper und den Lichtbögen und verhindert daher ein Überspringen des Lichtbogens auf den Magnetfeldleitkörper. Zusätzlich ist der Magnetfeldleitkörper durch die Kontaktkammeraußenwand gegenüber der Umgebung abgeschirmt und somit keinen Umwelteinflüssen ausgesetzt.
Vorteilhafterweise ist die radiale Kontaktkammerwand durch Umspritzen des Magnetfeldleitkörpers hergestellt. Durch das Umspritzen des Magnetfeldleitkörpers mit einem Kunststoffmaterial wird der Magnetfeldleitkörper formschlüssig und passgenau in die Kontaktkammerwand eingebettet, wobei durch das Umspritzen an der radialen Innenseite des Magnetfeldleitkörpers die Kontaktkammerinnenwand und durch das radial außenseitige Umspritzen des Magnetfeldkörpers die Kontaktkammeraußenwand entsteht. Hierdurch wird eine metallverstärkte, radiale Kontaktkammerwand in einer sogenannten Sandwichbauweise geschaffen, die sich trotz des leichten und isolierenden Kunststoffmaterials durch ihre Kompaktheit und durch ihre besonders hohe Festigkeit auszeichnet.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Permanentmagneten radial zwischen der Kontaktkammerinnenwand und der Kontaktkammeraußenwand angeordnet. Die Permanentmagneten sind daher ähnlich wie der Magnetfeldleitkörper im Inneren der radialen Kontaktkammerwand angeordnet und somit vor den Lichtbögen in der Kontaktkammer geschützt. Insbesondere bei den Permanentmagneten ist dies besonders wichtig, da die Lichtbögen vorzugsweise in Richtung der Permanentmagneten verformt werden, sodass wenn diese unmittelbar in der Kontaktkammer angeordnet wären, der Lichtbogen auf die Permanentmagneten überspringen könnte. Somit bildet die Kontaktkammerinnenwand auch hier eine Isolationsbarriere, die die meist elektrisch leitenden Permanentmagneten vor den Lichtbögen schützt.
Ferner kontaktieren die Permanentmagneten vorzugsweise die radiale Innenseite des Magnetfeldleitkörpers, wodurch die Permanentmagneten in einem unmittelbaren direkten Kontakt mit dem Magnetfeldleitkörper stehen. Hierdurch ist sowohl ein elektrisch als auch ein magnetisch leitender Kontakt zwischen den Permanentmagneten und dem Magnetfeldleitkörper hergestellt, der die bereits genannten Vorteile hinsichtlich der Feldhomogenität sowie der lokalen Feldstärke zusätzlich verstärkt. Entsprechend ist der Magnetfeldleitkörper, dort wo die Permanentmagneten angeordnet werden, radial innenseitig nicht mit Kunststoff umspritzt. Die innenseitige Anordnung in Bezug auf den Magnetfeldleitkörper sorgt zudem dafür, dass die Permanentmagneten besonders nah an die Kontaktstellen herangebracht werden können, sodass der Löschungseffekt der Lichtbögen besonders hoch ausfällt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Magnetfeldleitkörper durch ein ferromagnetisches Magnetfeldleitblech gebildet. Das Magnetfeldleitblech weist vorzugsweise eine relativ geringe Blechdicke von unter 2 mm auf, wodurch das Magnetfeldleitblech im Verhältnis zu seiner axialen Erstreckung relativ dünnwandig ausgebildet. Ferner ist das Magnetfeldleitblech in Bezug auf die Kontaktkammer derart angeordnet, dass die Blechdicke in radialer Richtung orientiert ist, woraus eine relativ kompakte Ausführung der radialen Kontaktkammerwand resultiert, sodass das Hochvoltschütz in seinen äußeren Abmaßen gleichermaßen kompakt ausgeführt ist. Das Magnetfeldleitblech kann beispielsweise aus einem einfachen Blechstreifen durch Umformen in eine entsprechende Form gebracht werden. Beispielsweise kann der Blechstreifen zu einem im Wesentlichen rechteckigen und rohrförmigen Magnetfeldleitblech gebogen werden, das derart angeordnet ist, dass eine quaderförmige Kontaktkammer gebildet wird, die radial umfänglich von dem Magnetfeldleitblech umschlossen ist. Hieraus ergeben sich insbesondere Vorteile hinsichtlich der Herstellungskosten des Magnetfeldleitkörpers und somit des gesamten Hochvoltschützes.
Vorteilhafterweise weist das Magnetfeldleitblech im nicht umspritzten Zustand mehrere Öffnungen auf, die nach dem Umspritzen mit dem umspritzten Kunststoff gefüllt sind. Die Öffnung können beispielsweise durch Bohrungen gebildet sein, die während der Herstellung des Magnetfeldleitblech in dieses eingebracht werden. Die Öffnungen sind vorzugsweise über den Umfang des Magnetfeldleitblech verteilt angeordnet und erstrecken sich in Bezug auf die Einbauposition in radialer Richtung. Bei einem rechteckrohrförmigen Magnetfeldleitblech weist vorzugsweise jede der vier Seiten mindestens eine derartige Öffnung auf. Während des Umspritzens des Magnetfeldleitblechs dringt der Kunststoff durch die Öffnungen, wodurch sich im Bereich der Öffnung die Kontaktkammerinnenwand und die Kontaktkammeraußenwand miteinander stoffschlüssig verbinden. Hierdurch wird auf einfache Weise eine formschlüssige Verbindung geschaffen, die das Magnetfeldleitblech sicher in seiner Position hält.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Gehäuse zusätzlich zu der radialen Kontaktkammerwand auch eine axiale Kontaktkammerwand auf, welche den Aktor axial zur Kontaktkammer begrenzt, also axial zwischen der Kontaktkammer und dem Aktor angeordnet ist. Die axiale Kontaktkammerwand, die vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt ist, wirkt elektrisch isolierend und schützt den Aktor vor den in der Kontaktkammer auftretenden Lichtbögen, wodurch Beschädigungen des Aktors und seiner empfindlichen Komponenten verhindert werden.
Die radiale Kontaktkammerwand und die axiale Kontaktkammerwand sind vorzugsweise einstückig ausgebildet und beispielsweise durch ein gemeinsames Umspritzen des Aktors und des Magnetfeldleitkörpers mit Kunststoff hergestellt. Besonders bevorzugt ist die axiale Kontaktkammerwand einstückig mit der Kontaktkammerinnenwand ausgebildet. Die radiale Kontaktkammerwand und die axiale Kontaktkammerwand sind somit stoffschlüssig verbunden, wodurch die Kontaktkammer insbesondere am Übergang zwischen der axialen Kontaktkammerwand und der radialen Kontaktkammerwand vollständig gegenüber der Umgebung abgedichtet ist. Separate Dichtmittel entfallen dadurch, die die Montage erheblich verkomplizieren und zu erhöhten Produktionskosten führen würden. Zudem können keine Undichtigkeiten durch Alterungsprozesse oder Beschädigungen der Dichtmittel auftreten. Ferner wird die Kontaktkammer in Richtung Aktor elektrisch isoliert, sodass der Aktorstromkreis galvanisch getrennt von dem Schaltstromkreis verbleibt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die radiale Kontaktkammerwand mindestens zwei diametral gegenüberliegende Taschen auf, die zu der in Bezug auf den Aktor gegenüberliegenden axialen Seite offen sind. In jeder Tasche ist jeweils einer der Permanentmagneten angeordnet, der während der Montage von der offenen Seite aus in die Tasche eingeschoben werden kann. Die Form jeder Tasche ist korrespondierend zu der Form des jeweiligen Permanentmagneten ausgebildet, sodass der Permanentmagnet passgenau und spielfrei in der Tasche sitzt. Alternativ kann jeder Permanentmagnet im entmagnetisierten Zustand mit Kunststoff umspritzt sein und nach dem Umspritzen magnetisiert werden, wodurch die Tasche um den Permanentmagneten herum geformt wird. Die Taschen ragen vorzugsweise von der eigentlichen Kontaktkammerinnenwand radial in die Kontaktkammer hinein, wodurch der Permanentmagnet relativ nahe an die Kontaktstelle zwischen Kontaktelement und Kontaktbrücke herangebracht werden kann, dennoch schützt die radial innenseitig des Permanentmagneten angeordnete Kontaktkammerinnenwand den Permanentmagneten vor einem unmittelbaren Kontakt mit dem Lichtbogen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist jede Tasche eine Anschlagstruktur auf, gegen die der jeweilige in der Tasche angeordnete Permanentmagnet axial anliegt. Die Anschlagstruktur kann beispielsweise durch mindestens eine in der Tasche angeordnete Rippe gebildet sein, die zwischen zwei gegenüberliegenden Wänden der Tasche verläuft. Vorzugsweise erstrecken sich mehrere Rippen zwischen der Kontaktkammerinnenwand und der Kontaktkammeraußenwand und bilden Stege, auf denen der Permanentmagnet aufliegt. Alternativ oder zusätzlich kann ein Wandvorsprung gebildet sein, der von mindestens einer der Wände der Tasche in das Tascheninnere ragt und einen Anschlag für den Permanentmagneten bildet. Mittels der Anschlagstruktur kann der Permanentmagnet in Bezug auf die Axialrichtung auf Höhe der Kontaktstellen angeordnet werden, ohne dass fertigungstechnische Nachteile wie Materialanhäufungen oder ungleichmäßige Wandstärken in Kauf genommen werden müssen, die insbesondere beim Einsatz von Kunststoffmaterialien zu Qualitätseinbußen hinsichtlich der Verarbeitung des Gesamtprodukts führen würden.
Das Gehäuse weist vorzugsweise einen Kontaktkammerdeckel auf, der die Kontaktkammer auf der in Bezug auf den Aktor gegenüberliegenden axialen Seite verschließt. Der Kontaktkammerdeckel ist umlaufend stoffschlüssig, insbesondere durch Kleben, Laserschweißen, Ultraschallschweißen oder Rotationsvibrationsschweißen an der radialen Kontaktkammerwand befestigt. Diese Befestigung weist eine hohe Haltbarkeit auf und ist vollständig dicht, ohne dass zusätzliche Dichtungen eingebracht werden müssen. Die Kontaktkammer ist gegenüber der Umgebung somit vollständig luftdicht und elektrisch isoliert ausgebildet.
In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform verschließt der Kontaktkammerdeckel die Taschen, in denen die Permanentmagneten angeordnet sind, axial, wodurch die Permanentmagneten vollständig in der Tasche fixiert sind. Die Permanentmagneten werden daher lediglich durch eine allseitige formschlüssige Verbindung ohne zusätzliche Verbindungsmittel gehalten, was die Montage des Hochvoltschützes erheblich erleichtert.
Der Kontaktkammerdeckel weist vorzugsweise einen sich axial in Richtung Aktor erstreckenden Kragen auf, der die radiale Kontaktkammerwand radial vollumfänglich umschließt. Der Kragen erstreckt sich axial vorzugsweise über mindestens 20% der axialen Erstreckung der radialen Kontaktkammerwand und liegt radial außenseitig an der Kontaktkammerwand formschlüssig an, wobei der Kontaktkammerdeckel vorzugsweise stoffschlüssig, insbesondere durch Kleben, Laserschweißen, Ultraschallschweißen oder Rotationsvibrationsschweißen an der radialen Kontaktkammerwand befestigt ist. Auf diese Weise wird zumindest in einem Teilabschnitt der radialen Kontaktkammerwand eine weitere radial begrenzende Außenwand geschaffen, die die Festigkeit zusätzlich erhöht.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Gehäuse ein Aktorgehäuseteil auf, das durch Umspritzen des Aktors mit Kunststoff hergestellt ist. Durch diese Ausführung wird der Aktor, mit Ausnahme der kleinen Öffnung, durch die die Betätigungsstange in die Kontaktkammer ragt, von der Kontaktkammer vollständig abgeschirmt. Dadurch, dass das Gehäuse nach außen hin geschlossen ist, wird auch bei relativ dünnen Wandstärken eine hohe Festigkeit erreicht und notwendige Dichtflächen vollständig vermieden. Durch das Umspritzen wird die Herstellung deutlich vereinfacht, da weniger Einzelteile benötigt werden und montiert werden müssen. Auch wird der Platzbedarf durch den Verzicht auf ein sonst notwendiges Spiel zwischen den Gehäuseteilen sowie die Kosten zur Herstellung im Vergleich zu bekannten Ausführungen gesenkt. Hinzu kommt, dass ein stabiles System geschaffen wird, bei dem sich der Aktor nicht im Gehäuse bewegen kann.
In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform ist die radiale Kontaktkammerwand einstückig mit dem Aktorgehäuseteil ausgebildet. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Kontaktkammerwand und das Aktorgehäuseteil in ein und demselben Spritzgussprozess hergestellt werden. Somit wird auf Verbindungen und Stoßkanten, die zu Undichtigkeiten führen könnten, im Bereich der die Kontaktkammer begrenzenden Kontaktkammerwand vollständig verzichtet, wodurch das gesamte Gehäuse, abgesehen von den vorzugsweise mit Deckeln versehenen axialen Stirnseiten, eine vollständig geschlossene Einheit bildet, die das Innere des Hochvoltschützes gegenüber der Umgebung abdichtet. Vorteilhafterweise erstreckt sich die radiale Kontaktkammerwand axial vom Aktor aus in Richtung der Kontaktelemente, sodass die Kontaktkammerwand axial benachbart zu dem Aktor angeordnet ist, wodurch eine besonders kompakte Bauweise des Hochvoltschützes erreicht wird.
Der elektromagnetische Aktor weist vorteilhafterweise eine Spule, einen die Spule umgebenden Eisenkreis und einen Anker auf. So wird ein rein translatorisch wirkender Aktor hergestellt, bei dem auf eine Umwandlung der Bewegung verzichtet werden kann. Ein solcher Aktor kann besonders kompakt und kostengünstig hergestellt werden.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der Eisenkreis aus einer Rückschlussplatte und einem U-förmigen Joch gebildet ist, deren freie Schenkel auf der Rückschlussplatte aufliegen. Das Joch kann entsprechend durch einfaches Biegen hergestellt werden, während die gerade Rückschlussplatte als Auflagefläche bei der Umspritzung zur Bildung der axialen Kontaktkammerwand dient.
Entsprechend ist die Rückschlussplatte axial zwischen der Spule beziehungsweise dem Spulenträger und der axialen Kontaktkammerwand angeordnet und liegt gegen die axiale Kontaktkammerwand an, so dass die axiale Kontaktkammerwand von der Rückschlussplatte zusätzlich verstärkt wird. Somit ist nicht nur die radiale Kontaktkammerwand mittels des Magnetfeldleitkörpers metallverstärkt, sondern auch die axiale Kontaktkammerwand mittels der Rückschlussplatte, wodurch eine nahezu vollständig metal (verstärkte Kontaktkammer geschaffen wird, die den extrem hohen Drücken besonders gut standhalten kann.
Vorteilhafterweise ist der Magnetfeldleitkörper in unmittelbarer magnetisch leitender Verbindung mit dem Eisenkreis. Besonders bevorzugt steht der Magnetfeldleitkörper in unmittelbarer magnetisch leitender Verbindung mit der Rückschlussplatte. Dadurch, dass die Rückschlussplatte vorzugsweise am aktorseitigen axialen Ende des Magnetfeldleitkörpers angeordnet ist, kann auf einfache Weise eine direkte magnetische Verbindung zwischen der Rückschlussplatte und dem Magnetfeldleitkörper hergestellt werden, wodurch der magnetische Kreis auch im aktorseitigen axialen Bereich der Kontaktkammer geschlossen wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Eisenkreis des elektromagnetischen Aktors radial innen und außen vollständig von dem durch Umspritzen hergestellten Aktorgehäuseteil umgeben und axial in Richtung zur Kontaktkammer von der Kontaktkammerwand umgeben. Der Aktor, bzw. der stromführende Teil des Aktors ist dadurch galvanisch vollständig von der Kontaktkammer getrennt, wodurch auch der Aktorstromkreis vollständig von dem zu schaltenden Stromkreis getrennt ist.
Ferner sind der Kontaktkammerdeckel und die Kontaktkammeraußenwand vorzugsweise stoffschlüssig miteinander verbunden. Solche stoffschlüssige Verbindungen werden beispielsweise durch Ultraschallschweißen, Laserschweißen oder andere für Kunststoffe geeignete Schweißverfahren hergestellt. Hierdurch wird die Kontaktkammer vollständig nach außen hin abgedichtet, sodass innerhalb der Kontaktkammer der Druck gegenüber der Umgebung deutlich erhöht werden kann, was hinsichtlich der Löschung der Lichtbögen von erheblichem Vorteil ist.
Ein solches Hochvoltschütz oder Hochvoltrelais weist eine hohe Dichtigkeit von außen nach innen und in umgekehrter Richtung über eine lange Lebensdauer auf und ist in der Lage den hohen Drücken insbesondere beim Entstehen des Lichtbogens standzuhalten. Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hochvoltschützes oder Hochvoltrelais ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Die Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Hochvoltschützes in geschnittener Darstellung.
Die Figur 2 zeigt eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Hochvoltschützes der Figur 1 in geschnittener Darstellung, wobei der Schnittverlauf in Figur 1 dargestellt ist.
Das in Figur 1 dargestellte Hochvoltschütz 10 besteht aus einem elektromagnetischen Aktor 12, der eine Spule 14 aufweist, die aus einem Spulenträger 16 sowie einer darauf gewickelten Wicklung 18, einem ferromagnetischen Eisenkreis 20 und einem Anker 22 besteht. Der ferromagnetische Eisenkreis 20 weist ein U-förmig gebogenes Joch 24 auf, dessen Schenkel 26 auf einer Rückschlussplatte 28 aufliegen beziehungsweise an der Rückschlussplatte 28 befestigt sind, so dass der geschlossene Eisenkreis 20 entsteht.
Das Joch 24 weist an seinem Basisteil 30 eine zentrale Öffnung 32 auf, deren Durchmesser im Wesentlichen dem Innendurchmesser des Spulenträgers 16 entspricht. In dieser Öffnung beziehungsweise im Innern des Spulenträgers 16 ist eine Buchse 34 befestigt, in der der Anker 22 verschieblich angeordnet und geführt wird. Bei Bestromung der Spule 14 wird der Anker 22 in bekannter Weise gegen die Kraft einer Feder 36 in der Kontaktkammer 42 zur Rückschlussplatte 28 gezogen.
An dem Anker 22 liegt kontaktkammerseitig eine Betätigungsstange 38 axial an, die durch eine weitere zentrale Öffnung 40 in der Rückschlussplatte 28 in eine Kontaktkammer 42 ragt. Am zum Anker 22 entgegengesetzten Ende der Betätigungsstange 38 ist eine Kontaktbrücke 44 angeordnet. Diese wird vorzugsweise über ein Federelement 46 gegen einen Anschlag 48 am Ende der Betätigungsstange 38 gedrückt, welches sich an einem Absatz 49 an der Betätigungsstange 38 abstützt und ist entsprechend leicht axial und kippbeweglich auf der Betätigungsstange 38 angeordnet. An den Enden der Kontaktbrücke 44 ist jeweils eine Kontaktplatte 52, 53 befestigt, die aus einem besonders gut leitenden Material besteht. Die erste Kontaktplatte 52 ist axial gegenüberliegend zu einem ersten Kontaktelement 54 angeordnet, welches insbesondere über eine nicht dargestellte Stromschiene mit einer Hochvoltbatterie verbunden werden kann. Die zweite Kontaktplatte 53 ist gegenüberliegend zu einem zweiten Kontaktelement 56 angeordnet, welches beispielsweise über eine Stromschiene mit einem Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs verbunden werden kann.
Das gesamte Hochvoltschütz 10 ist in einem Gehäuse 58 angeordnet, welches aus insgesamt drei Teilen zusammengesetzt ist. Der Aktor 12 ist hierzu zur Bildung eines Aktorgehäuseteils 60 mit einem Kunststoff umspritzt. Dieser Kunststoff umgibt die Spule 14 vollständig radial zur Bildung einer radialen Begrenzungswand 66 und füllt auch einen Zwischenraum 68 radial zwischen der Spule 14 und dem Joch 24. Zusätzlich wird das Joch 24 selbst radial vollständig von diesem Kunststoff umgeben und ist so gegen die Umgebung abgeschirmt. Des Weiteren wird die Rückschlussplatte 28, die an ihrer zum Spulenträger gewandten Seite gegen den Spulenträger 16 anliegt, von diesem Kunststoff axial in Richtung zur Kontaktkammer 42 abgedeckt, wodurch eine axiale Kontaktkammerwand 45 gebildet ist. Auch die Öffnung 40 der Rückschlussplatte 28 ist radial nach innen durch den Kunststoff bedeckt und lässt lediglich eine zentrale Führungsöffnung 70 frei, in der die Betätigungsstange 38 geführt wird.
An der zur Kontaktkammer 42 entgegengesetzten axialen Außenseite 72 des Aktorgehäuseteils 60 erstreckt sich der Kunststoff weiter nach radial innen entlang in einem radial äußeren Bereich 74 des Basisteils 30 des Jochs 24 beziehungsweise des Aktors 12 und lässt hier lediglich im zentralen, radial innenliegenden Bereich 76 eine Öffnung 78 frei, die symmetrisch zur Öffnung 32 ausgebildet ist, jedoch einen etwas größeren Durchmesser aufweist, damit ausreichend Raum zum Einpressen der Buchse 34 vorhanden ist.
Diese Öffnung 78 wird durch einen Kunststoffdeckel 80 verschlossen, der stoffschlüssig, insbesondere durch Laserschweißen, Ultraschallschweißen oder Rotationsvibrationsschweißen am Aktorgehäuseteil 60 in der Öffnung 78 befestigt wird.
Des Weiteren bildet das durch Umspritzen des Aktors 12 hergestellte Aktorgehäuseteil 60 eine Ausformung 82 in Form eines Steckergehäuses 82 aus, durch welches die Verbindungsleitungen 84 zur Wicklung 18 der Spule 14 nach außen geführt wird, so dass über ein Steckergegenstück die elektrische Verbindung der Spule 14 zu einer Spannungsquelle hergestellt werden kann.
Zusätzlich erstreckt sich von der Rückschlussplatte 28 in Verlängerung des den Aktor 12 umgebenden Kunststoffs eine umlaufende radiale Kontaktkammerwand 47, welche die Kontaktkammer 42 radial begrenzt und ebenfalls einstückig beim Umspritzen des Aktors 12 hergestellt wird und so im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier Seitenwände der Kontaktkammer 42 bildet.
Die radiale Kontaktkammerwand 47 ist in so genannter Sandwichbauweise ausgeführt, wie auch in Figur 2 gezeigt ist. Die radiale Kontaktkammerwand 47 ist durch eine Kontaktkammerinnenwand 474 und eine Kontaktkammeraußenwand 476 gebildet, die beabstandet und parallel zueinander angeordnet sind. Zwischen der Kontaktkammerinnenwand 474 und der Kontaktkammeraußenwand 476 ist ein durch ein ferromagnetisches Magnetfeldleitblech 51 gebildeter Magnetfeldleitkörper 50 angeordnet, der die Kontaktkammer 42 radial vollumfänglich umgibt, wobei die radiale Kontaktkammerwand 47 bzw. die Kontaktkammerinnenwand 474 sowie die Kontaktkammeraußenwand 476 durch innenseitiges bzw. außenseitiges Umspritzen des Magnetfeldleitblechs 51 mit Kunststoff hergestellt sind. Die Umspritzung erfolgt in demselben Arbeitsschritt, in dem auch der Aktor 12 umspritzt wird, wodurch die Kontaktkammeraußenwand 476 einstückig mit dem Aktorgehäuseteil 60 ausgebildet ist und die Kontaktkammerinnenwand 474 einstückig mit der axialen Kontaktkammerwand 45 ausgebildet ist. Dennoch sind die Kontaktkammerinnenwand 474 und die Kontaktkammeraußenwand 476 an mehreren Stellen beispielsweise durch Öffnungen 512 in dem Magnetfeldleitblech 51 stoffschlüssig miteinander verbunden.
Die Kontaktkammer 42 ist quaderförmig ausgebildet und weist daher einen rechteckigen Querschnitt auf, der radial durch vier jeweils von der radialen Kontaktkammerwand 47 gebildeten Seitenwänden begrenzt ist. An den beiden sich einander gegenüberliegenden kurzen Seiten weisen die Seitenwände der Kontaktkammerwand 47 jeweils eine quaderförmige, nach innen ragende Tasche 471, 472 auf, die zu der in Bezug auf den Aktor 12 gegenüberliegenden axialen Seite offen sind, wobei in jeder Tasche 471, 472 jeweils ein Permanentmagnet 55, 57 angeordnet ist. Jede Tasche 471, 472 bzw. jeder in der Tasche 471, 472 angeordnete Permanentmagnet 55, 57 ist benachbart zu jeweils einer der Kontaktplatten 52, 53 der Kontaktbrücke 44 angeordnet. Dabei ist jeder Permanentmagnet 55, 57 bezüglich seiner magnetischen Pole derart ausgerichtet, dass die von den Magnetfeldern der Permanentmagneten 55, 57 ausgeübte Lorentzkraft den jeweils zwischen den Kontaktplatten 52, 53 und den Kontaktelementen 54, 56 auftretenden Lichtbogen bogenförmig verformt und die Lichtbögen auf diese Weise zum Erlöschen bringt. Das Magnetfeldleitblech 51 ist im Bereich der Tasche 471, 472 innenseitig nicht vollständig umspritzt. Stattdessen kontaktiert jeder Permanentmagnet 55, 57 das Magnetfeldleitblech 51 an seiner jeweiligen Innenseite, wodurch die Permanentmagneten 55, 57 magnetisch leitend miteinander verbunden sind. Innerhalb jeder Tasche 471, 472 ist eine Anschlagstruktur 475 angeordnet, die jeweils durch zwei parallel und beabstandet zueinander angeordnete Rippen 477 sowie einen Wandvorsprung 478 gebildet ist. Der Wandvorsprung 478 ragt von der Innenseite des Magnetfeldleitblechs 51 radial nach innen. Die Rippen 477 erstrecken sich radial jeweils von der Kontaktkammerinnenwand 474 bis zum Wandvorsprung 478. Die Permanentmagneten 55, 57 liegen axial gegen die jeweilige Anschlagstruktur 475 an, wodurch jeder Permanentmagnet 55, 57 in Bezug auf die Axialrichtung auf Höhe einer der Kontaktstellen in der Kontaktkammer 42 angeordnet ist.
Zusätzlich erstreckt sich das Magnetfeldleitblech 51 in Aktorrichtung axial bis zu der Rückschlussplatte 28 und kontaktiert diese, sodass das Magnetfeldleitblech 51 mit der Rückschlussplatte 28 und somit mit dem Eisenkreis 20 in einem unmittelbaren, magnetisch leitenden Kontakt steht. Dies führt sowohl zu einer erhöhten lokalen Feldstärke als auch zu einer verbesserten Homogenität des Magnetfelds, wodurch eine relativ starke Verformung der Lichtbögen und somit ein relativ schnelles Löschen der Lichtbögen erreicht wird.
Die Kontaktkammer 42 wird axial an der zur axialen Kontaktkammerwand 45 entgegengesetzten axialen Seite durch einen Kontaktkammerdeckel 88 geschlossen, der auch die Taschen 471, 472 axial verschließt. Am Kontaktkammerdeckel 88 sind zwei axiale Öffnungen 90 ausgebildet, in welchen die beiden Kontaktelemente 54, 56 aufgenommen und beispielsweise durch Ultraschallschweißen oder Umspritzen befestigt sind. Von diesem Kontaktkammerdeckel 88 erstreckt sich umlaufend in axialer Richtung einen Kragen 92, der die umlaufende Kontaktkammeraußenwand 476 radial umschließt, so dass diese beiden Wände 92, 476 umlaufend stoffschlüssig, beispielsweise durch Laserschweißen, Ultraschallschweißen oder Rotationsvibrationsschweißen miteinander verbunden werden können, wodurch ein hochfestes Gehäuse 58 geschaffen wird. Unmittelbar innerhalb des Kragens 92 ist eine umlaufende Axialnut 94 ausgebildet, die somit nach außen durch den Kragen 92 des Kontaktkammerdeckels 88 begrenzt ist und in die das Ende der Gehäusewand 86 des Aktorgehäuseteils 60 ragt, wodurch dieses vor dem Laserschweißen, Ultraschallschweißen oder Rotationsvibrationsschweißen exakt in seiner Position zum Kontaktkammerdeckel 88 festgelegt ist.
Soll nun der Stromfluss zwischen dem Elektromotor oder der Ladesäule und der Batterie freigegeben werden, wird die Spule 14 bestromt, wodurch der Anker in Richtung zur Rückschlussplatte 28 aufgrund der wirkenden elektromagnetischen Kräfte gezogen wird. Hierdurch wird die Betätigungsstange 38 mit der Kontaktbrücke 44 und den Kontaktplatten 52, 53 gegen die Kontaktelemente 54, 56 geschoben, so dass über die Kontaktbrücke 44 ein Strom vom ersten Kontaktelement 54 zum zweiten Kontaktelement 56 und somit von der Batterie zum Elektromotor oder von der Ladesäule zur Batterie fließen kann. Wird die Spule 14 nicht bestromt, wird die Betätigungsstange 38 und der Anker 22 durch die Feder 36 in entgegengesetzter Richtung belastet, so dass die Kontaktbrücke 44 von den Kontaktelementen 54, 56 abgehoben wird und der Stromkreis unterbrochen wird. Dabei entsteht ein Lichtbogen aufgrund der hohen Ströme, der auch eine Druckerhöhung in der Kontaktkammer 42 zur Folge hat.
Diese Druckerhöhung kann durch das Gehäuse 58 aufgrund der die Kontaktkammer 42 umgebenden metal (verstärkten Wände 45, 47 gut aufgenommen werden und auch der Aktor 12 wird insbesondere durch die angespritzte axiale Kontaktkammerwand 45 zuverlässig geschützt. Durch das dichte Verschweißen der lediglich drei Gehäuseteile wird auch eine vollständige Dichtigkeit nach außen erreicht, so dass kein Gas aus der Kontaktkammer 42 nach außen dringen kann, der Lichtbogen zuverlässig und schnell gelöscht wird und keine Gase oder Flüssigkeiten von außen eindringen können. Der benötigte Bauraum und die Montagekosten sind sehr gering.
Es sollte deutlich sein, dass im Vergleich zum beschriebenen Ausführungsbeispiel verschiedene Modifikationen möglich sind. Insbesondere kann der Aufbau der Kontakteinheit sowie der Anordnung der Federn und Betätigungsstangenführung und -befestigung von der gezeigten Form abweichen.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Hochvoltschütz (10) oder Hochvoltrelais mit einem elektromagnetischen Aktor (12), einem Gehäuse (58) mit einer inneren Kontaktkammer (42), einem ersten Kontaktelement (54), welches in die Kontaktkammer (42) ragt, einem zweiten Kontaktelement (56), welches in die Kontaktkammer (42) ragt, einer Kontaktbrücke (44), die mittels des Aktors (12) in der Kontaktkammer (42) zumindest in eine erste Position verschiebbar ist, in der das erste Kontaktelement (54) mit dem zweiten Kontaktelement (56) über die Kontaktbrücke (44) elektrisch verbunden ist, und in eine zweite Position verschiebbar ist, in der ein elektrischer Kontakt zwischen dem ersten Kontaktelement (54) und dem zweiten Kontaktelement (56) unterbrochen ist, einem Magnetfeldleitkörper (50), der mindestens zwei diametral gegenüberliegend in der Kontaktkammer (42) angeordnete Permanentmagneten (55, 57) magnetisch leitend verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldleitkörper (50) die Kontaktkammer (42) radial vollumfänglich umgibt.
2. Hochvoltschütz (10) oder Hochvoltrelais gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (58) eine radiale Kontaktkammerwand (47) aufweist, die die Kontaktkammer (42) radial vollumfänglich begrenzt, wobei die radiale Kontaktkammerwand (47) durch eine Kontaktkammerinnenwand (474) und eine Kontaktkammeraußenwand (476) gebildet ist, die radial beabstandet und parallel zueinander angeordnet sind.
3. Hochvoltschütz (10) oder Hochvoltrelais gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldleitkörper (50) radial zwischen der Kontaktkammerinnenwand (474) und der Kontaktkammeraußenwand (476) angeordnet ist.
4. Hochvoltschütz (10) oder Hochvoltrelais gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Kontaktkammerwand (47) durch Umspritzen des Magnetfeldleitkörpers (50) hergestellt ist.
5. Hochvoltschütz (10) oder Hochvoltrelais gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagneten (55, 57) radial zwischen der
Kontaktkammerinnenwand (474) und der Kontaktkammeraußenwand (476) angeordnet sind.
6. Hochvoltschütz (10) oder Hochvoltrelais gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagneten (55, 57) die radiale Innenseite des Magnetfeldleitkörpers (50) kontaktieren.
7. Hochvoltschütz (10) oder Hochvoltrelais gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldleitkörper (50) durch ein ferromagnetisches Magnetfeldleitblech (51) gebildet ist.
8. Hochvoltschütz (10) oder Hochvoltrelais gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeldleitblech (51) im nicht umspritzten Zustand mehrere Öffnungen (512) aufweist, die nach dem Umspritzen mit dem umspritzten Kunststoff gefüllt sind.
9. Hochvoltschütz (10) oder Hochvoltrelais gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (58) eine axiale Kontaktkammerwand (45) aufweist, die die Kontaktkammer (42) axial in Richtung des Aktors (12) begrenzt.
10. Hochvoltschütz (10) oder Hochvoltrelais gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Kontaktkammerwand (45) und die radiale Kontaktkammerwand (47) einstückig ausgebildet sind.
11. Hochvoltschütz (10) oder Hochvoltrelais gemäß einem der Ansprüche 2-10, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Kontaktkammerwand (47) mindestens zwei diametral gegenüberliegende Taschen (471, 472) aufweist, die zu der in Bezug auf den Aktor (12) gegenüberliegenden axialen Seite offen sind, wobei in jeder Tasche (471, 472) einer der Permanentmagneten (55, 57) angeordnet ist.
12. Hochvoltschütz (10) oder Hochvoltrelais gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jede Tasche (471, 472) eine Anschlagstruktur (475) aufweist, gegen die der jeweilige in der Tasche (471, 472) angeordnete Permanentmagnet (55, 57) axial anliegt.
13. Hochvoltschütz (10) oder Hochvoltrelais gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (58) einen Kontaktkammerdeckel (88) aufweist, der die Kontaktkammer (42) auf der in Bezug auf den Aktor (12) gegenüberliegenden axialen Seite verschließt.
14. Hochvoltschütz (10) oder Hochvoltrelais gemäß Anspruch 11-13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktkammerdeckel (88) die Taschen (471, 472) axial verschließt.
15. Hochvoltschütz (10) oder Hochvoltrelais gemäß einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktkammerdeckel (88) einen sich axial in Richtung Aktor (12) erstreckenden Kragen (92) aufweist, der die radiale Kontaktkammerwand (47) radial vollumfänglich umschließt.
16. Hochvoltschütz (10) oder Hochvoltrelais gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (58) ein Aktorgehäuseteil (60) aufweist, das durch Umspritzen des Aktors (12) mit Kunststoff hergestellt ist.
17. Hochvoltschütz (10) oder Hochvoltrelais gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Kontaktkammerwand (47) einstückig mit dem Aktorgehäuseteil (60) ausgebildet ist.
18. Hochvoltschütz (10) oder Hochvoltrelais gemäß einem der Ansprüche 2-16, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Kontaktkammerwand (47) sich axial vom Aktor (12) aus in Richtung der Kontaktelemente (52, 53) erstreckt.
19. Hochvoltschütz (10) oder Hochvoltrelais gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromagnetische Aktor (12) eine Spule (14), einen die Spule (14) umgebenden Eisenkreis (20) und einen Anker (22) aufweist.
20. Hochvoltschütz (10) oder Hochvoltrelais Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenkreis (20) aus einer Rückschlussplatte (28) und einem iförmigen Joch (24) gebildet ist, dessen freie Schenkel (26) auf der Rückschlussplatte (28) aufliegen.
21. Hochvoltschütz (10) oder Hochvoltrelais nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückschlussplatte (28) axial zwischen der Spule (14) und der axialen Kontaktkammerwand (69) angeordnet ist und gegen die axiale Kontaktkammerwand (69) anliegt.
22. Hochvoltschütz (10) oder Hochvoltrelais gemäß einem der Ansprüche
19-21, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldleitkörper (50) in unmittelbarer magnetisch leitender Verbindung mit dem Eisenkreis (20) steht.
23. Hochvoltschütz (10) oder Hochvoltrelais gemäß einem der Ansprüche
20-22, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldleitkörper (50) in unmittelbarer magnetisch leitender Verbindung mit der Rückschlussplatte (28) steht.
24. Hochvoltschütz (10) oder Hochvoltrelais gemäß einem der Ansprüche 18-21, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenkreis (20) des elektromagnetischen Aktors (12) radial innen und außen vollständig von dem durch Umspritzen hergestellten Aktorgehäuseteil (60) umgeben ist und axial in Richtung zur Kontaktkammer (42) von der axialen Kontaktkammerwand (45) umgeben ist.
25. Hochvoltschütz (10) oder Hochvoltrelais gemäß einem der Ansprüche 12-23, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktkammerdeckel (88) und die Kontaktkammeraußenwand (476) stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
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