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Die
Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Relais mit einem Ankerbolzen,
einer Spule und wenigstens einem Schalter sowie ein Verfahren zum Schalten
eines elektrischen Kontaktes eines Relais durch Bewegen eines Ankerbolzens
mittels Anlegens eines Magnetfeldes und Induzierens einer magnetischen
Kraft.
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Die
DE 101 04 438 A1 zeigt
einen Sicherheitsabschalter eines Wassererhitzers mit einem Ankerbolzen,
auf den in einer Spule erzeugte elektromagnetische Felder wirken.
Im Störfall gibt der Ankerbolzen einen Schieber frei, wodurch
elektrische Kontakte des Sicherheitsabschalters geöffnet
werden.
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Aus
dem Stand der Technik sind elektromagnetische Relais bekannt, bei
denen der Ankerbolzen aus Eisen oder aus Eisen mit einem Nickelüberzug hergestellt
ist. So ist aus der
DE
196 28 139 C1 eine weichmagnetische Eisen-Nickel-Chrom-Legierung für
Joche und Anker von elektromagnetischen Relais bekannt. Nachteilig
hieran ist, dass das Eisen weich ist und dadurch leicht beschädigt
wird.
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Weiterhin
ist aus dem Stand der Technik bekannt, einen Ankerbolzen aus hartem
Kunststoff zu verwenden und diesen mit ferromagnetischen Partikeln
zu versehen. So zeigt die
DE
102 60 668 A1 ein Ankerelement für einen elektromagnetischen
Aktuator mit einer Ankerplatte aus einem ferromagnetischen Material,
das durch eine mit ferromagnetischen Partikeln gefüllte
Matrix aus einem elektrisch nicht leitenden Kunststoff gebildet
wird. Nachteilig hieran ist, dass im Verhältnis zu Eisenbolzen
bei der Verwendung von Kunststoff eine relativ große Spule notwendig
ist.
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Ausgehend
vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein elektromagnetisches Relais bereitzustellen, bei dem der Ankerbolzen
kostengünstig in der Herstellung ist, ein sicheres Handling
gewährleistet und einen kleineren Bauraum ermöglicht.
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Erfindungsgemäß ist
die obige Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs
1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen gegeben.
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Zunächst
wird ein Körper bei Anlegen eines Magnetfeldes über
einen Weg beschleunigt. Da er verschieblich auf oder an dem Ankerbolzen
liegt, nimmt er eine Geschwindigkeit auf, bis er auf einen Anschlag
trifft. Durch den Weg ist die Verschieblichkeit des Körpers
auf bzw. an dem Ankerbolzen definiert, wovon im Zusammenhang mit
der Beschleunigungskraft durch das Magnetfeld die kinetische Energie
festgelegt ist, die er annehmen kann. Beim Auftreffen auf den Anschlag
wird die kinetische Energie auf den Ankerbolzen impulsartig übertragen,
wodurch insbesondere anfängliche Reibungskräfte überwunden
werden und sich der Ankerbolzen in Bewegung setzt.
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In
einem Ausführungsbeispiel wird das Magnetfeld weiter aufrecht
erhalten und der Körper, der nicht weiter beweglich ist,
wird weiter beschleunigt und somit auch der Ankerbolzen. Somit wird
die kinetische Energie des Ankerbolzens und des Körpers weiter
erhöht, um einen Schaltvorgang auszuführen.
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Vorzugsweise
ist der ferromagnetische Körper T-förmig ausgebildet
und weist ein Oberstück und eine Verstrebung auf. Die Verstrebung
taucht vorzugsweise in einer Ausnehmung zumindest teilweise in den
Anker ein und/oder durchgreift ihn. Die Verstrebung dient dabei
als Halterung für den Körper, der dadurch an der
Außenseite des Ankerbolzens positioniert ist.
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In
einem Ausführungsbeispiel weist der Körper zusätzlich
ein Unterstück auf. Ober- und Unterstück gleiten
an der Außenseite des Bolzens entlang und sind durch die
Verstrebung gehalten.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der Ankerbolzen
einen äußeren Anschlag auf. Bewegt sich der Körper
durch das Magnetfeld stößt er gegen den äußeren
Anschlag des Ankers. Hierdurch wird der Effekt verstärkt,
dass der Körper den Ankerbolzen mitreißt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Körper
mittels einer gleitenden Stange mit dem Ankerbolzen verbunden. Vorzugsweise weist
der Ankerbolzen einen inneren Anschlag auf. Die Stange weist dabei
eine Querverstrebung auf. Wenn sich der Körper bewegt,
stößt die Querverstrebung der gleitenden Stange
gegen den inneren Anschlag des Ankerbolzens und zieht den Ankerbolzen mit.
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Vorzugsweise
ist der Körper gerade ausgebildet. In einer bevorzugten
Ausführungsform umgreift er den Ankerbolzen wenigstens
teilweise.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der
Ankerbolzen wenigstens an einem Ende wenigstens teilweise von einer
magnetisierbaren Kappe umschlossen, die lose mit dem Ankerbolzen
verbunden ist. Diese Ausführungsform ermöglicht
eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung,
da lediglich eine Kappe aufgesteckt und lose mit dem Ankerbolzen,
vorzugsweise mittels eines Dorns, am Ankerbolzen befestigt ist.
Die Kappe bewegt sich, wenn ein Magnetfeld erzeugt wird. Diese Bewegung
reicht aus, um auch den Ankerbolzen mit einem Ruck zu bewegen, da
die Kappe mittels der Befestigung am Bolzen den Bolzen mitzieht.
Zur Verstärkung dieses Effekts besteht der Ankerbolzen verzugsweise
aus Kunststoff und ist zusätzlich mit Eisenpartikeln bestückt.
Durch das Zusammenwirken des ferromagnetischen Körpers
mit dem wenigstens teilweise ferromagnetischen Ankerbolzen wird
die induzierte Kraft weiter verstärkt.
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Vorzugsweise
besteht die Kappe aus Eisen oder aus vernickeltem Eisen.
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Der
Ankerbolzen besteht vorzugsweise aus Kunststoff und ist somit nicht
ferromagnetisch. Dies ermöglicht ein einfaches und sicheres
Handling. Durch die Verwendung eines verschieblichen ferromagnetischen
Körpers, vorzugsweise einer Kappe, ist die Spule relativ
klein, so dass die Schaltung platzsparend ist.
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In
einem Verfahren ist ein Körper verschieblich gegenüber
dem Ankerbolzen angeordnet. Der Körper wird durch das Anlegen
eines Magnetfeldes beschleunigt, nimmt eine kinetische Energie auf
und trifft nach einem definierten Weg auf einen Anschlag des Ankerbolzens.
Der Ankerbolzen wird durch einen Impuls, den der Körper
auf den Ankerbolzen beim Auftreffen auf den Anschlag abgibt, in
Bewegung gesetzt.
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Anspruch
11 beschreibt einen Durchlauferhitzer mit wenigstens einem Heizkörper
und mit einem Relais, welches dazu geeignet ist, den Heizkörper
von einem Stromversorgungsnetz zu trennen, wenn ein unsachgemäßer
Zustand vorliegt.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung.
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In
der Zeichnung zeigen
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1 den Ankerbolzen mit dem ferromagnetischen
Körper in verschiedenen Ausführungsformen
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2 den Ankerbolzen mit Anschlag mit dem
ferromagnetischen Körper in verschiedenen Ausführungsformen
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3 den
Ankerbolzen und den ferromagnetischen Körper in einem weiteren
Ausführungsbeispiel
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4 den
Ankerbolzen mit einer verschieblichen Kappe
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5 einen
Schalter eines Durchlauferhitzers mit dem in 4 gezeigten
Ankerbolzen
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1 zeigt den Ankerbolzen 10 mit
dem ferromagnetischen Körper 100. Der Körper 100 besteht aus
einem Oberstück 110 und einer Verstrebung 120, die
in den Ankerbolzen 10 in einer Ausnehmung 121 eintaucht.
Die Verstrebung 120 ist in diesem Ausführungsbeispiel
nicht über die gesamte Länge des Oberstücks 110 angeordnet,
sondern im Bereich der Mitte. Die Verstrebung 120 ist im
Bereich der Ausnehmung 121 verschieblich. Wird ein Magnetfeld
erzeugt, bewegt sich der Körper 100 und die Verstrebung 120 stößt
gegen den der Endseite des Ankers 10 zugewandten Rand 121' der
Ausnehmung 121. Diese Kraft bewirkt, dass sich der Anker
ebenfalls bewegt.
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1a zeigt
eine Seitenansicht des Ankerbolzens 10 in einem Ausführungsbeispiel,
wobei der Körper 100 ein Oberstück 110 aufweist.
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1b zeigt
eine Seitenansicht des Ankerbolzens 10 mit dem Körper 100 in
einem weiteren Ausführungsbeispiel. Der Körper 100 weist
ein Oberstück 110 und ein Unterstück 130 auf.
Das Oberstück 110 und das Unterstück 130 sind
durch eine nicht näher dargestellte Verstrebung 120 verbunden-,
die im Innern des Bolzens 10 verläuft. Die Außenkanten
der Verstrebung 120 sind durch eine gestrichelte Linie gekennzeichnet.
Denkbar sind verschiedene Ausführungsformen der Verstrebung 120.
Die Verstrebung 120 verbindet das Oberstück 110 und
das Unterstück 130 entweder über deren
gesamte Länge oder sie verbindet die beiden Stücke 110, 130 auf
einem Teilstück 120' im mittleren Bereich.
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In 1c ist
eine Draufsicht des Ankerbolzens 10, insbesondere gemäß den
in 1a und 1b dargestellten
Ausführungsbeispielen, gezeigt.
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1d zeigt
einen Querschnitt durch den Ankerbolzen 10 und den Körper 100.
Der Körper 100 weist ein Oberstück 110 und
eine Verstrebung 120 auf, wobei die Verstrebung 120 den
Bolzen 10 durchgreift.
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2 zeigt den Ankerbolzen 10 mit
dem ferromagnetischen Körper 100 gezeigt. Der
Körper 100 besteht aus einem Oberstück 110 und
einer Verstrebung 120, die in den Ankerbolzen 10 in
einer Ausnehmung 121 eintaucht. Die Verstrebung 120 ist
im Bereich der Ausnehmung 121 verschieblich. Der Ankerbolzen 10 weist
einen äußeren Anschlag 11 auf. Wird ein
Magnetfeld erzeugt, bewegt sich der Körper 100 und
das Oberstück 110 des Körpers 100 stößt
gegen den äußeren Anschlag 11. Diese
Kraft bewirkt, dass sich der Anker ebenfalls bewegt.
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2a zeigt
eine Seitenansicht des Ankerbolzens 10 mit dem ferromagnetischen
Körper 100 in einem Ausführungsbeispiel,
wobei der Körper 100 ein Oberstück 110 aufweist.
Der Körper 100 ist verschieblich, wobei das Oberstück 110 des
Körpers am Bolzen 10 entlang gleitet. Der Ankerbolzen 10 weist einen äußeren
Anschlag 11 auf.
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2b zeigt
eine Seitenansicht des Ankerbolzens 10 mit dem Körper 100 in
einem weiteren Ausführungsbeispiel. Der Körper 100 weist
ein Oberstück 110 und ein Unterstück 130 auf.
Das Oberstück 110 und das Unterstück 130 sind
durch eine nicht näher dargestellte Verstrebung 120,
die im Innern des Bolzens 10 verläuft verbunden.
Die Verstrebung 120 verläuft in diesem Ausführungsbeispiel über
die gesamte Länge des Oberstücks 110.
Die Außenkanten der Verstrebung 120 sind durch
eine gestrichelte Linie gekennzeichnet. Der Ankerbolzen 10 weist
einen äußeren Anschlag 11 auf.
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In 2c ist
eine Draufsicht des Ankerbolzens 10, insbesondere gemäß den
in 2a und 1b dargestellten
Ausführungsbeispielen, gezeigt.
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3 zeigt
den Ankerbolzen 10 in einer weiteren Ausführungsform.
Der Körper 100 ist mittels einer gleitenden Stange 140 mit
dem Ankerbolzen 10 verbunden. Der Ankerbolzen 10 weist
einen inneren Anschlag 12 auf. Die Stange weist eine Querverstrebung 141 auf.
Wenn mittels der Spule 20 ein Magnetfeld erzeugt wird,
bewegt sich der Körper 100 und die Querverstrebung 141 der
gleitenden Stange 140 stößt gegen den
inneren Anschlag 12 des Ankerbolzens 10 und zieht
den Ankerbolzen 10 mit.
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In 4 ist
eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Ankerbolzens 10 dargestellt.
Der ferromagnetische Körper 100 ist durch eine
magnetisierbare Kappe 150 gebildet, die den Ankerbolzen 10 wenigstens
an einem Ende wenigstens teilweise umschließt und lose
mit dem Ankerbolzen 10 mittels eines Dorns 151 verbunden
ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Kappe 150 mit
dem Dorn 151 an einem Befestigungspunkt 152 verbunden,
der im Innern des Ankerbolzens 10 liegt. Der Dorn 151 weist einen
Anschlag 153 auf. Die Kappe 151 weist ein Loch 154 auf,
durch das der Dorn 152 hindurch gesteckt wird. Das Loch 154 ist
dabei größer als der Durchmesser des Dorns 152 jedoch
kleiner als der Durchmesser des Anschlags 153. Dadurch
ist die Kappe 150 am Dorn 151 verschieblich. Sie
kann jedoch nicht über den Dorn 151 hinweg rutschen.
Die Länge des Dorns 151 ist größer
als die Summe aus der Länge L zwischen dem Befestigungspunkt 152 des
Dorns 151 und der der Kappe 150 zugewandten Endseite
des Ankerbolzens 10 und der Materialdicke der Kappe 150.
Dies hat den Vorteil, dass die Kappe 150 im Bereich des
Dorns 151 einen gewissen Spielraum hat, um verschoben zu
werden. Wenn ein Magnetfeld 200 erzeugt wird, bewegt sich
die Kappe 150 und stößt gegen den Anschlag 153 des
Dorns 151. Da der Dorn 151 am Befestigungspunkt 152 mit
dem Anker 10 verbunden ist, wird der Ankerbolzen 10 von der
Bewegung der Kappe 150 mitgerissen und aus seiner Position
heraus gezogen.
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5 zeigt
einen Schalter 1 eines nicht näher dargestellten
Durchlauferhitzers mit einem Ankerbolzen 10, einer Spule 20,
einem Schieber 30, Kontakten 40, 41 zur
Schaltung eines nicht näher dargestellten Heizkörpers
und einer Halteplatte 50. Der Ankerbolzen 10 ist
von einer magnetisierbaren Kappe 150 umschlossen und mittels
eines Dorns 151 lose mit dem Ankerbolzen 10 verbunden.
Der Dorn 151 weist dabei einen Anschlag 153 auf.
Durch Anlegen eines Magnetfeldes wird die Kappe 150 beschleunigt.
Da die Kappe 150 lose mit dem Ankerbolzen 10 verbunden
ist, nimmt sie eine Geschwindigkeit auf, bis sie auf den Anschlag 153 des
Dorns 151 trifft. Die Kappe 150 nimmt kinetische
Energie an, die beim Auftreffen auf den Anschlag 153 des
Dorns 151 auf den Ankerbolzen 10 impulsartig übertragen
wird, wodurch insbesondere anfängliche Reibungskräfte überwunden
werden und sich der Ankerbolzen 10 in Bewegung setzt. Wird
das Magnetfeld weiter aufrecht erhalten, wird die Kappe 150,
die nicht weiter beweglich ist, weiter beschleunigt und somit auch
der Ankerbolzen 10. Somit wird die kinetische Energie des
Ankerbolzens 10 und der Kappe 150 weiter erhöht.
Der Ankerbolzen 10 bewegt sich und gibt den Schieber 30,
der die Halteplatte 50 in eine Position drückt,
in der die Kontakte 40 zur Schaltung des Heizkörpers
die Kontakte 41 berühren, frei. Dadurch werden
die Kontakte 40, 41 geöffnet und der
Heizkörper ausgeschaltet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10104438
A1 [0002]
- - DE 19628139 C1 [0003]
- - DE 10260668 A1 [0004]
