DE10035173C1 - Magnetsystem für ein elektromagnetisches Relais - Google Patents

Abstract

Ein Magnetsystem für ein elektromagnetisches Relais weist mindestens zwei dieselbe Spule 10 durchsetzende Magnetkreise auf, deren jeder einen eigenen Anker 20, 20' zum Antrieb eines zugehörigen Kontaktsystems enthält. Die beiden Anker 20, 20' verlaufen im wesentlichen parallel zur Achse der Spule 10 und liegen auf entgegengesetzten Seiten der Spule. Mit einem derartigen Magnetsystem läßt sich eine kompakte Relaisanordnung bilden, die effektiv zwei gemeinsam ansteuerbare aber im übrigen getrennte Relais enthält und eine optimale Ausnutzung des von der Spule 10 erzeugten gesamten Magnetflusses gestattet.

Description

Bei elektromagnetischen Relais spielt die Verlustleistung der Spule eine zunehmend wichtige Rolle, da sie Erwärmungsprobleme verursacht und einer Miniaturisierung der Geräte entgegensteht. Diesem Problem wur­ de bei Relais-Magnetsystemen nach dem Stand der Technik zu wenig Be­ achtung geschenkt.

Aus US 4,833,435 A ist ein elektromagnetisches Relais mit einem Ma­ gnetsystem bekannt, das die im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale aufweist. Das ungepolte Magnetsystem weist dort zwei dieselbe Spule durchsetzende, magnetisch parallel geschaltete Magnetkreisen auf, deren jeder ein Paar von an die axialen Enden der Spule angekoppelten Spulenpolflächen und einen mit diesen zusammenarbeitenden Klappanker Anker zum Antrieb eines zugehörigen Kontaktsystems enthält. Die Anord­ nung soll gewährleisten, daß dann, wenn einer der beiden Kontakte ver­ schweißt, der andere noch öffnet. Bei diesem Magnetsystem ergibt sich eine hohe Spulenverlustleistung mit den daraus resultierenden Erwärmungspro­ blemen.

Eine ähnlich gestaltetes Magnetsystem ist aus DE 263 627 B bekannt. AT 221 148 B offenbart ein elektromagnetisches Relais, bei dem eine Spule von einem aus zwei Teilen aufgebauten mantelförmigen Joch umge­ ben ist. Jedes Jochteil ist aus einem gestanzten und gebogenen Blechstück aufgebaut. An beide Jochteile sind Fahnen angeformt, die das Innere der Spule parallel aneinanderliegend durchsetzen. An jedem der Jochteile sind ein oder mehrere, bei Erregung der Spule synchron arbeitende Klappanker angeordnet.

Gemäß CH 448 269 B gehört ferner ein Relais mit zwei oder mehre­ ren Ankern zum Stand der Technik, bei dem an beide Enden eines oder mehrerer, jeweils eine Spule durchsetzenden Kerns zwei lange Polschuhe angekoppelt sind, zwischen denen zwei oder mehrere Drehanker angeord­ net sind.

JP abstract 06283088 A zeigt ein Relais mit einem einzigen eine Spule durchsetzenden Eisenkern, der an beiden Enden je ein Paar von Polschu­ hen zur Betätigung eines jeweiligen Klappankers angeordnet ist.

JP abstract 09035607 A zeigt ein ähnliches Relais, wobei jeder Anker mittig an einem quer dazu verlaufenden Dauermagnet gelagert ist; bei einem weiteren, aus US 4,703,293 A bekannten Magnetsystem verläuft ein Dauermagnet parallel zur Relaisspule, wobei ein Kippanker an einer mitti­ gen Stelle des Dauermagnet gelagert ist.

Bei dem aus DE 37 05 918 A1 bekannten elektromagnetischen Relais wird die Relaisspule des neutralen Magnetsystems von einem insgesamt C- förmigen Joch durchsetzt, dessen einer Schenkel in zwei Teile aufgeteilt ist, so daß auf derselben Seite der Spule zwei parallele Magnetkreise mit je­ weils einem zugeordneten Anker entstehen. Die Anordnung soll gewährlei­ sten, daß dann, wenn der von einem Anker angetriebene Kontakt verklebt, der gesamte Magnetfluß durch diesen Anker verläuft und daher der andere Anker zwar noch abfällt und den in Serie liegenden anderen Kontakt öff­ net, ihn aber bei nachfolgender Beaufschlagung der Spule nicht mehr schließen kann. Betrachtungen zur Verlustleistung der Spule werden in dieser Druckschrift nicht angestellt.

Aus EP 0 571 064 A1 ist ein polarisiertes elektromagnetisches Relais bekannt, das zwei unabhängig voneinander beaufschlagbare Spulen auf­ weist. Im Innern jeder Spule befindet sich ein Anker. Zwischen den beiden Spulen liegt ein Jochabschnitt, der je nach der Schaltstellung der Anker von den durch die Spulen erzeugten Magnetflüssen durchsetzt wird und einen in beiden Magnetkreisen liegenden Dauermagnet enthält. Wegen des Einsatzes zweier getrennter Spulen ist das bekannte Relais sowohl vom Platzbedarf als auch von der gesamten Spulenverlustleistung her aufwen­ dig.

Bei einem weiteren, in DE 28 11 378 A1 beschriebenen Relais sind zwei voneinander unabhängige Anker einschließlich der von ihnen ange­ triebenen Kontaktsysteme im Innern der Relaisspule angeordnet. Um die aus der Spule herausgeführten Kontaktanschlüsse voneinander zu isolie­ ren, wird der Magnetfluß über ein die Spule umgebendes Jochblech ge­ schlossen, das über eine Isolierfolie an die magnetisch leitfähigen Kontakt­ stücke angekoppelt ist. Auch bei dieser Anordnung ist die Relaisspule mit erheblichem Platzbedarf und erheblicher Verlustleistung behaftet.

Elektromagnetische Relais, bei denen die Spule einen mit zwei Dau­ ermagneten bestückten Anker antreibt, sind aus EP 0 124 109 A2 und DE 27 50 142 A1 bekannt, wobei der Anker im ersten Fall zwischen zwei Stellungen seitlich hin und her bewegbar, im zweiten Fall als Drehanker ausgebildet ist. Bei beiden Relais verläuft der Anker auf einer Seite der Spule generell parallel zur Spulenachse.

Bei einem weiteren, aus EP 0 211 446 A1 bekannten Relais liegen im Magnetkreis der Spule zwei unabhängig betätigbare Anker in Serie, und zwar zwischen den Enden der Spule und den Enden eines außerhalb der Spule und parallel zu ihr verlaufenden magnetischen Jochs. Auch diese An­ ordnung läßt Betrachtungen zur Spulenverlustleistung außer Acht.

Der Erfindung liegt die generelle Aufgabe zugrunde, Nachteile, wie sie bei vergleichbaren Magnetsystemen nach dem Stand der Technik beste­ hen, mindestens teilweise zu überwinden. Eine speziellere Aufgabe der Er­ findung kann darin gesehen werden, ein Magnetsystem für ein elektroma­ gnetisches Relais mit geringer Spulenverlustleistung zu schaffen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 an­ gegeben. Die danach vorgesehene Gestaltung der Anker mit den darin an­ geordneten Dauermagneten führt zu einer optimalen Nutzung des von der Spule erzeugten Magnetflusses bei einem kompakten polarisierten Relais.

Die Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 bedeutet eine räumlich gleichmäßige Ausnutzung des Magnetflusses der Spule und damit eine weitere Optimierung bezüglich Spulenverlusten.

Die Gestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 ist für den Einsatz des Magnetsystems bei vielen Relaisanwendungen zweckmäßig.

Die Ausgestaltung der Erfindung nach den Ansprüchen 4 und 5 be­ trifft ein Magnetsystem, das auch in seinem mechanischen Aufbau und be­ züglich der bei Betätigung auftretenden Kräfte mechanisch ausgeglichen ist.

Eine weitere Gestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Magnetsy­ stems ist in Anspruch 6 angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 und 2 ein Magnetsystem mit zwei Drehankern in schemati­ schen, zerlegten Darstellungen;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung des Magnetsystems nach Fig. 1 und 2 im zusammengebauten Zustand;

Fig. 4 eine teilweise geschnittene Stirnansicht des Magnetsystems nach Fig. 3; und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines gepolten Magnetsystems mit vier Ankern.

Das Magnetsystem nach Fig. 1 bis 4 umfaßt eine Spule 10, deren Spu­ lenkörper 11 von einem H-förmigen Spulenkern 12 durchsetzt wird. Die beiden parallelen Schenkel des Spulenkerns 12 bilden ein oberes Paar von in Fig. 1 vorderen Spulenpolflächen 13, 16, ein oberes Paar von hinteren Spulenpolflächen 14, 15, ein unteres Paar von vorderen Spulenpolflächen 13', 16' und unteres Paar von hinteren Spulenpolflächen 14', 15'.

Die Spule 10 ist von einem zweiteiligen Spulengehäuse umgeben, dessen obere Hälfte 17 einen nach oben ragenden Lagerzapfen 18 bildet, während die bezüglich der oberen Hälfte 17 identisch gestaltete untere Hälfte 17' einen nach unten ragenden, mit dem Lagerzapfen 18 koaxialen Lagerzapfen 18' trägt. Um den jeweiligen Lagerzapfen 18, 18' drehbar ist ein insgesamt etwa H-förmiger oberer bzw. unterer Anker 20, 20' gelagert.

Der Anker 20 enthält zwei die parallelen Schenkel der H-Form bil­ denden Ankerbleche 21, 22 (vergl. auch Fig. 4), zwischen denen zwei Dau­ ermagnete 23 angeordnet sind. Die Ankerteile 21 bis 23 werden von einer sie weitgehend umschließenden Kunststoff-Ummantelung 24 zusammenge­ halten.

Das in Fig. 1 bis 3 linke Ende des vorderen Ankerblechs 21 ragt aus der Ummantelung 24 nach unten heraus und bildet eine große Ankerpolflä­ che 25, während das linke Ende des hinteren Ankerblechs 22 nur in einem kurzen Abschnitt freiliegt und eine kleine Ankerpolfläche 28 bildet. In glei­ cher Weise ragt das rechte Ende des Ankerblechs 22 nach unten aus der Ummantelung 24 heraus und bildet eine große Ankerpolfläche 26, während das rechte Ende des Ankerblechs 21 nur in einem kurzen Abschnitt freiliegt und eine kleine Ankerpolfläche 27 bildet. Im zusammengebauten Zustand stehen die der Längsmittelebene des Ankers 20 zugewandten großen An­ kerpolflächen 25, 26 den oberen Spulenpolflächen 13, 14 des Spulenkerns 12 gegenüber, wobei diese Flächen nahezu gleich groß sind.

Der untere Anker 20' ist mit dem oberen Anker 20 identisch ausgebil­ det, wobei die der Längsmittelebene des Ankers 20' zugewandten großen Ankerpolflächen 25', 26' den unteren Spulenpolflächen 13' bzw. 14' des Spulenkerns 12 gegenüberstehen. Wegen der identischen Gestaltung der beiden Anker 20, 20' ergibt sich die in Fig. 2 und 4 angedeutete entgegenge­ setzte Polarisierung der Dauermagnete 23, 23'.

Wie der obigen Beschreibung zu entnehmen, weist das Magnetsy­ stem nach Fig. 1 bis 4 zwei Magnetkreise auf, deren einer den Spulenkern 12 mit den oberen Spulenpolflächen 13, 14, 15 und 16 und den oberen An­ ker 20 und deren anderer den Spulenkern 12 mit den unteren Spulenpol­ flächen 13', 14', 15' und 16' und den unteren Anker 20' enthält. Die so gebil­ deten Magnetkreise liegen in um 180° um die Spulenachse verteilten Ebe­ nen (in diesem Fall also in derselben geometrischen Ebene).

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 4 zeigt eine monostabile Ausführung des Magnetsystems. In der in Fig. 3 gezeigten Ruhelage liegen bei nicht erregter Spule 10 die großen Ankerpolflächen 25, 26 an den obe­ ren Spulenpolflächen 13, 14 und die großen Ankerpolflächen 25', 26' an den unteren Spulenpolflächen 13', 14' an. Wird die Spule 10 so beaufschlagt, daß sie an den Spulenpolflächen 13, 13', 15, 15' einen S-Pol und an den Spulenpolflächen 14, 14', 16, 16' einen N-Pol erzeugt, so werden die beiden Anker 20, 20' in entgegengesetztem Drehsinn in ihrer Arbeitslage ge­ schwenkt, bis die kleinen Ankerpolflächen 27, 28 der Ankerbleche 21, 22 an den Spulenpolflächen 15, 16 und die kleinen Ankerpolflächen 27', 28' der Ankerbleche 21', 22' an den Spulenpolflächen 15', 16' anliegen.

Die Bewegung der Anker 20, 20' läßt sich an den in Fig. 3 durch große Pfeile angedeuteten Stellen auf Kontaktfedersätze eines elektroma­ gnetischen Relais übertragen. Dabei ist angenommen, daß jeder Anker 20, 20' zwei Kontaktfedern beispielsweise derart betätigt, daß in jeder Anker­ stellung jeweils ein Relaiskontakt offen und einer geschlossen ist.

Wird die Spule 10 abgeschaltet, so kehren, da es sich um ein mono­ stabiles Magnetsystem handelt, die Anker 20, 20' in die in Fig. 3 gezeigte Ruhelage zurück, weil die Anziehungskräfte zwischen den Spulenpolflä­ chen 13, 14, 13', 14' und den großen Ankerpolflächen 25, 26, 25', 26' wesent­ lich größer sind zwischen den Spulenpolflächen 15, 16, 15', 16' und den kleinen Ankerpolflächen 27, 28, 27', 28'.

Die erwähnte gegenläufige Drehung der beiden Anker 20, 20' beim Ein- und Ausschalten der Spule 10 bedeutet, daß die in dem Magnetsystem auftretenden Kräfte und Drehmomente einander aufheben, so daß bei Betä­ tigung keine Kräfte nach außen übertragen werden.

In einer nicht gezeigten Variante können die in den Ankern unterge­ brachten Dauermagnete auch gleichsinnig gepolt sein, wobei die Anker dann bei Erregung der Spule gleich gerichtete Drehbewegungen ausführen.

In diesem Fall ist es auch möglich, die beiden Anker mechanisch miteinan­ der zu koppeln.

Die schematische Darstellung der Fig. 5 betrifft ein Magnetsystem, das grundsätzlich ähnlich wie in Fig. 1 bis 4 aufgebaut sein kann, jedoch vier um jeweils 90° um die Spulenachse herum angeordnete Drehanker 30, 30', 31, 31' aufweist. Wie angedeutet, enthält jeder der Drehanker zwei An­ kerbleche 32 und einen dazwischen angeordneten Dauermagnet 33.

Die Spule 34 wird in Aalrichtung von vier C-förmigen Jochen 35, 35', 36, 36' durchsetzt, deren aus der Spule 34 austretende und senkrecht zur Spulenachse verlaufende Schenkel 37, 37', 38, 38' zwischen den Enden der jeweiligen Ankerbleche 32 liegen.

In diesem Fall weist das Magnetsystem also vier Magnetkreise auf, deren jedes eines der dieselbe Spule 34 durchsetzenden Joche 35, 35', 36, 36' und einen der Drehanker 30, 30', 31, 31' enthält. Die so gebildeten Ma­ gnetkreise liegen in um 90° um die Spulenachse verteilten Ebenen (d. h. in zwei geometrischen Ebenen).

Anstelle der gezeigten Anordnung von zwei Ankern auf gegenüberlie­ genden Seiten der Spule (Fig. 1 bis 4) oder von vier gleichwinklig um die Spulenachse verteilten Ankern (Fig. 5) sind auch Magnetsysteme mit drei oder mehr als vier um die Spulenachse gleichwinklig verteilten Magnetkrei­ sen denkbar. In jedem Fall wird der gesamte von der Spule erzeugte Ma­ gnetfluß wegen der räumlich verteilten und gleichmäßigen Anordnung der Magnetkreise optimal ausgenützt und damit die Spulenverlustleistung pro Magnetsystem reduziert.

Claims (6)

1. Magnetsystem für ein elektromagnetisches Relais mit dieselbe Spule (10; 34) durchsetzenden, magnetisch parallel geschalteten Magnetkreisen, die in von der Spulenachse und dem jeweiligen Anker (20; 30, 31) definier­ ten Ebenen verlaufen, die die Spulenachse enthalten und um diese herum verteilt sind, wobei jeder Magnetkreis ein Paar von an die axialen Enden der Spule angekoppelten Spulenpolflächen (13. . .16; 37, 38) und einen mit die­ sen zusammenarbeitenden Anker (20; 30, 31) zum Antrieb eines zugehöri­ gen Kontaktsystems enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (20; 30; 31) um eine zur Spulenachse senkrechte Lagerachse schwenkbar ist und zwei die parallelen Schenkel einer H-Form bildenden Ankerbleche (21, 22; 32) mit einem da­ zwischen angeordneten Dauermagnet (23; 33) aufweist.

2. Magnetsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkreisebenen im wesentlichen gleichwinklig um die Spulenachse ver­ teilt sind.

3. Magnetsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkreise im wesentlichen gleichen magnetischen Widerstand ha­ ben.

4. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Magnetkreise vorgesehen sind und die Lagerach­ sen der beiden Anker (20, 20) koaxial sind.

5. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauermagnete (23; 23') der beiden Anker (20, 20') in entgegengesetzten Richtungen magnetisiert sind.

6. Magnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß vier Magnetkreise vorhanden sind, die in zwei zueinander im wesentlichen senkrechten Ebenen verlaufen.