DE102021103542A1

DE102021103542A1 - Elektrisches Schaltgerät mit Verriegelung

Info

Publication number: DE102021103542A1
Application number: DE102021103542.2A
Authority: DE
Inventors: Korbinian Kreuzpointner; Andrej Ignatov; Martin Geschke
Original assignee: Schaltbau GmbH
Current assignee: Schaltbau GmbH
Priority date: 2021-02-16
Filing date: 2021-02-16
Publication date: 2022-08-18
Anticipated expiration: 2041-02-17
Also published as: WO2022175299A1; DE102021103542B4; JP2024507792A; CN116897406A; EP4226405A1; TWI819496B; US20240145200A1; KR20230144621A; TW202238649A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaltgerät mit zumindest einem feststehenden Kontakt sowie einem damit zusammenwirkenden beweglichen Kontakt, und mit einer elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung zum Antrieb des beweglichen Kontakts, wobei die elektromagnetische Betätigungsvorrichtung eine Erregerspule zur Erzeugung eines Magnetfelds, ein Magnetjoch zur Verstärkung der Flussdichte des Magnetfelds, und einen durch das Magnetfeld von einer Ausgangsstellung in eine angezogene Stellung anziehbaren Magnetanker aufweist, der mit dem beweglichen Kontakt verbunden ist, wobei die elektromagnetische Betätigungsvorrichtung ferner ein Verriegelungselement aufweist, das von einer verriegelnden Position, in der das Verriegelungselement eine Bewegung des Magnetankers verhindert, in eine entriegelnde Position überführbar ist, in der das Verriegelungselement eine Bewegung des Magnetankers freigibt, und wobei das Verriegelungselement zumindest teilweise aus einem ferromagnetischen Werkstoff besteht und derart angeordnet ist, dass es aufgrund der Einwirkung des Magnetfelds aus der entriegelnden Position in die verriegelnde Position gebracht wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Magnetjoch derart ausgeführt ist, dass das Magnetjoch eine Unterbrechung aufweist, wenn sich das Verriegelungselement in der verriegelnden Position befindet, wobei die Unterbrechung des Magnetjochs durch das Verriegelungselement geschlossen wird, wenn sich das Verriegelungselement in der entriegelnden Position befindet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaltgerät nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
Ein gattungsgemäßes Schaltgerät verfügt über zumindest einen feststehenden Kontakt sowie einen damit zusammenwirkenden beweglichen Kontakt. Ferner umfasst das gattungsgemäßes Schaltgerät eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung zum Antrieb des beweglichen Kontakts, wobei die elektromagnetische Betätigungsvorrichtung eine Erregerspule zur Erzeugung eines Magnetfelds, ein Magnetjoch zur Verstärkung der Flussdichte des Magnetfelds, und einen durch das Magnetfeld von einer Ausgangsstellung in eine angezogene Stellung anziehbaren Magnetanker aufweist, der mit dem beweglichen Kontakt verbunden ist. Die elektromagnetische Betätigungsvorrichtung weist ferner ein Verriegelungselement auf, das von einer verriegelnden Position, in der das Verriegelungselement eine Bewegung des Magnetankers und/oder des beweglichen Kontakts verhindert, in eine entriegelnde Position überführbar ist, in der das Verriegelungselement eine Bewegung des Magnetankers und/oder des beweglichen Kontakts freigibt. Das Verriegelungselement besteht zumindest teilweise aus einem ferromagnetischen Werkstoff und ist derart angeordnet, dass es aufgrund der Einwirkung des Magnetfelds des Antriebs aus der entriegelnden Position in die verriegelnde Position gebracht wird.
Typischerweise weisen herkömmliche elektromagnetisch betätigte Schaltgeräte zumindest einen feststehenden Kontakt und einen beweglichen Kontakt auf, wobei der bewegliche Kontakt durch einen Magnetanker zum feststehenden Kontakt bewegt wird, wenn die Erregerspule der elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung des Schaltgeräts bestromt wird. Wenn das Schaltgerät im Fahrzeugbau Verwendung findet, besteht beispielsweise bei einem Unfall die Gefahr, dass derart große Kräfte auftreten, dass die Kontakte unabsichtlich ohne Aktivierung der elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung geschlossen werden. Ein versehentliches Schließen der Kontakte muss zuverlässig verhindert werden. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass eine sehr starke Rückstellfeder verwendet wird, die den Magnetanker in seine Ausgangsstellung vorspannt. Der Nachteil dieser Lösung ist, dass die elektromagnetische Betätigungsvorrichtung entsprechend leistungsstark dimensioniert sein muss, um die große Federkraft der Rückstellfeder zu überwinden.
Um diesem Problem zu begegnen, schlägt die DE 10 2014 211 735 A1 vor, den Magnetanker in der Ausgangsstellung zu verriegeln. Als Verriegelungselement kann dabei beispielsweise eine ferromagnetische Kugel zum Einsatz kommen, die in entsprechenden Ausnehmungen des Magnetankers sowie des Magnetjochs der Erregerspule aufgenommen ist und in einer verriegelnden Position einen Formschluss zwischen dem Magnetanker und dem Magnetjoch erzeugt. Wird die Erregerspule bestromt, so zieht der dadurch erzeugte magnetische Fluss die ferromagnetische Kugel aus der Ausnehmung des Ankers heraus und etwas weiter in die Ausnehmung des Magnetjochs hinein, sodass die Bewegung des Magnetankers freigegeben wird. Die Druckschrift DE 10 2014 211 735 A1 offenbart somit ein Schaltgerät nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, das gattungsgemäße Schaltgerät weiter zu verbessern. Das erfindungsgemäße Schaltgerät soll besonders einfach im Aufbau sowie kostengünstig herstellbar sein und eine zuverlässige Entriegelung gewährleisten.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1. Demnach liegt dann eine erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe vor, wenn das Magnetjoch derart ausgeführt ist, dass das Magnetjoch eine Unterbrechung aufweist, wenn sich das Verriegelungselement in der verriegelnden Position befindet, wobei die Unterbrechung des Magnetjochs durch das Verriegelungselement geschlossen wird, wenn sich das Verriegelungselement in der entriegelnden Position befindet.
Das Verriegelungselement ist erfindungsgemäß somit Teil des Magnetjochs. Der magnetische Fluss, der auf den Magnetanker wirkt, wird bei geschlossenem Magnetjoch verstärkt. Es ergibt sich somit der Vorteil, dass die Entriegelung des Magnetankers und/oder des beweglichen Kontakts zuverlässig und ohne die Gefahr des Verklemmens des Magnetankers erfolgen kann, da auf den Magnetanker zunächst noch keine großen Kräfte ausgeübt werden. Erst wenn die Entriegelung des Magnetankers und/oder des beweglichen Kontakts stattgefunden hat und das Magnetjoch durch das ferromagnetische Verriegelungselement geschlossen wurde, wird der auf den Magnetanker wirkende magnetische Fluss verstärkt, sodass die volle Anzugskraft anliegt.
Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das die elektromagnetische Betätigungsvorrichtung derart ausgelegt ist, dass der Magnetanker bei geschlossenem Magnetjoch gegen die Kraft einer Rückstellfeder der elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung angezogen wird, wohingegen der auf den Magnetanker wirkende magnetische Fluss bei bestehender Unterbrechung des Magnetjochs nicht ausreicht, um den Magnetanker gegen die Kraft der Rückstellfeder anzuziehen.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Verriegelungselement nach Art eines Klappankers ausgeführt. Diese Ausführungsform bietet eine besonders einfache und zugleich zuverlässige Bauweise.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Verriegelungselement durch ein Rückstellelement, vorzugsweise in Form einer Vorspannfeder, in die verriegelnde Position vorgespannt ist. Dadurch wird das Verriegelungselement sicher in der verriegelnden Stellung gehalten. Somit wird auch der Magnetanker sicher, vorzugsweise in seiner Ausgangsstellung, verriegelt. Das Rückstellelement kann vorzugsweise in Form einer Zugfeder oder in Form einer Druckfeder realisiert sein.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass eine Bewegungsrichtung des Verriegelungselements quer zu einer Bewegungsrichtung des Magnetankers verläuft und vorzugsweise einen Winkel von mindestens 70° bis idealerweise 90° zur Bewegungsrichtung des Magnetankers einschließt. Dadurch wird sichergestellt, dass eine beispielsweise bei einem Unfall auftretende Kraft, die in Bewegungsrichtung des Magnetankers wirkt, keine oder so gut wie keine Wirkung auf das Verriegelungselement hat. Falls das Verriegelungselement als Klappanker ausgeführt ist, ist unter der Bewegungsrichtung des Verrieglungselements die - sich unter Umständen entlang der Bewegungsbahn ändernde - Bewegungsrichtung des verschwenkten Endes des Verriegelungselements zu verstehen, welches sich beispielsweise entlang einer Kreisbahn bewegen kann, sofern der Klappanker drehbar am Magnetjoch angelenkt ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Magnetanker als sich durch die Erregerspule hindurch erstreckender Zuganker ausgeführt ist. Dadurch ergibt sich eine besonders einfache und kompakte Bauweise.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Magnetjoch einen die Erregerspule umschließenden U-förmigen Abschnitt auf, wobei das Verriegelungselement derart an der offenen Seite des U-förmigen Abschnitts angeordnet ist, dass der U-förmige Abschnitt durch das Verriegelungselement zu einem geschlossenen Joch vervollständigt wird, wenn sich das Verriegelungselement in der entriegelnden Position befindet. Auch diese Ausführungsform trägt zu einer besonders einfachen Bauweise bei.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Verriegelungselement eine abstehende Nase auf, die zur Verriegelung des Magnetankers und/oder des beweglichen Kontakts mit einem Haken zusammenwirkt, der an dem Magnetanker oder dem beweglichen Kontakt ausgebildet oder mit dem Magnetanker beziehungsweise dem beweglichen Kontakt verbunden ist. Der Haken ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Nase automatisch wieder mit dem Haken verrastet, wenn sich der Anker von der angezogenen Stellung in die Ausgangsstellung bewegt. Der Haken ist vorzugsweise an einem starr mit dem Magnetanker verbundenen Bauteil ausgebildet, beispielsweise an einem mit dem Magnetanker verbundenen Kontaktträger. Der Haken kann beispielsweise jedoch auch am beweglichen Kontakt ausgebildet sein, welcher nicht starr sondern über eine oder mehrere Kontaktdruckfedern mit dem Kontaktträger verbunden sein kann. In diesem Fall wird primär der bewegliche Kontakt durch das Verriegelungselement an einer Bewegung gehindert. Der Magnetanker wird durch das Verriegelungselement ebenfalls an einer Bewegung gehindert, allerdings erst nach Ausnutzung des Federwegs der Kontaktdruckfeder(n). Anstatt einer abstehenden Nase kann das Verriegelungselement alternativ auch eine entsprechende Ausnehmung aufweisen, die mit dem Haken verrastet.
Das Verriegelungselement ist vorzugsweise einteilig ausgeführt und besteht vorzugsweise vollständig aus einem ferromagnetischen Material. Es kann jedoch auch mehrteilig ausgeführt sein. Beispielsweise kann das Verriegelungselement einen ferromagnetischen Teil, der in der entriegelnden Position das Magnetjoch vervollständigt, sowie einen daran angesetzten, für die eigentliche Verriegelung zuständigen Teil aufweisen.
Weiter vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Verriegelungselement den Magnetanker in der Ausgangsstellung verriegelt, wenn es sich in der verriegelnden Position befindet. Dabei sind weiter vorzugsweise der zumindest eine feststehende Kontakt und der zumindest eine damit zusammenwirkende bewegliche Kontakt geöffnet, wenn sich der Magnetanker in der Ausgangsstellung befindet.
Bei dem Schaltgerät handelt es sich vorzugsweise um ein Schaltschütz.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1: einen schematischen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Schaltgerät mit Magnetanker in der Ausgangsstellung und dem Verriegelungselement in der verriegelnden Position,
2: das erfindungsgemäße Schaltgerät gemäß 1 mit dem Magnetanker weiterhin in der Ausgangsstellung und dem Verriegelungselement in der in der entriegelnden Position, und
3: das erfindungsgemäße Schaltgerät aus den 1 und 2 nach Entriegelung des Magnetankers mit dem Magnetanker in der angezogenen Stellung.

Für die folgenden Ausführungen gilt, dass gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sind. Sofern in einer Figur Bezugszeichen enthalten sind, auf die in der zugehörigen Figurenbeschreibung nicht näher eingegangen wird, so wird auf vorangehende oder nachfolgende Figurenbeschreibungen Bezug genommen.
Die 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Schaltgerät 1. Das Schaltgerät 1 verfügt über zwei Festkontakte 2 sowie einen beweglichen Kontakt in Form einer Kontaktbrücke 3. In der Darstellung aus 1 sind die elektrischen Kontakte geöffnet.
Das Schaltgerät 1 weist ferner eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung zum Antrieb des beweglichen Kontakts 3 auf. Die elektromagnetische Betätigungsvorrichtung verfügt über eine Erregerspule 4 zur Erzeugung eines Magnetfelds, das auf einen als Zuganker ausgeführten Magnetanker 6 wirkt. Die Erregerspule 4 ist auf einen Spulenträger 14 aufgewickelt. Der Zuganker 6 ist an seinem oberen Ende mit einem Kontaktträger 11 verbunden, der wiederum über entsprechende Kontaktdruckfedern 13 mit der Kontaktbrücke verbunden ist.
Die elektromagnetische Betätigungsvorrichtung verfügt ferner über ein Magnetjoch zur Verstärkung des auf den Magnetanker 6 wirkenden magnetischen Flusses. Das Magnetjoch weist einen U-förmigen Abschnitt 5 auf, der die Erregerspule an drei Seiten umgibt. Die beiden Schenkel des U-förmigen Abschnitts 5 decken dabei die beiden Stirnseiten des hohlzylindrischen Spulenträgers 14 ab. Die beiden Schenkel weisen entsprechende Bohrungen 15 auf, durch die sich der Magnetanker 6 hindurch erstreckt. Am offenen Ende des U-förmigen Abschnitts ist am unteren Schenkel des U-förmigen Abschnitts ein ebenfalls ferromagnetisches Verriegelungselement 7 angelenkt. Das Verriegelungselement 7 ist nach Art eines Klappankers ausgeführt und über das Gelenk 8 schwenkbar am U-förmigen Abschnitt 5 des Magnetjochs angeordnet.
In der in 1 gezeigten Ausgangsstellung des Magnetankers 6 befindet sich das Verriegelungselement 7 bei ausgeschalteter Erregerspule zunächst in einer verriegelnden Position. Das Verriegelungselement 7 weist hierzu am freien Ende eine nach außen abstehende Nase 10 auf, die mit einem vom Kontaktträger 11 abstehenden Haken 12 verrastet ist. Durch eine Vorspannfeder 9, die bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Zugfeder ausgeführt und an einem nicht weiter dargestellten Gehäuseelement befestigt ist, wird das Verriegelungselement 7 bei ausgeschalteter Betätigungsvorrichtung zuverlässig in der verriegelnden Stellung gehalten.
Wird nun die Erregerspule 4 bestromt, so wird das als Klappanker ausgeführte Verriegelungselement 7 aufgrund des magnetischen Flusses vom U-förmigen Abschnitt 5 des Magnetjochs angezogen, sodass sich das freie Ende des Verriegelungselements 7 auf das freie Ende des oberen Schenkels des U-förmigen Abschnitts 5 zubewegt. Der Haken 12 wird dadurch freigegeben, wodurch der Magnetanker entriegelt wird. Das Verriegelungselement 7 befindet sich nun in einer entriegelnden Position. Gleichzeitig schließt sich durch das Verriegelungselement 7 dadurch das Magnetjoch der Erregerspule (2), sodass der auf den Magnetanker wirkende magnetische Fluss verstärkt wird und der Magnetanker gegen die Kraft einer nicht dargestellten Rückstellfeder von der Ausgangsstellung in die angezogene Stellung (3) bewegt wird, sodass die elektrischen Kontakte geschlossen werden.
Bezugszeichenliste

1: Schaltgerät
2: Festkontakt
3: Kontaktbrücke (beweglicher Kontakt)
4: Erregerspule
5: U-förmiger Abschnitt des Magnetjochs
6: Magnetanker
7: Verriegelungselement
8: Gelenk
9: Vorspannfeder
10: Nase
11: Kontaktträger
12: Haken
13: Kontaktdruckfeder
14: Spulenträger
15: Bohrung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014211735 A1 [0004]

Claims

Schaltgerät (1) mit zumindest einem feststehenden Kontakt (2) sowie einem damit zusammenwirkenden beweglichen Kontakt (3), und mit einer elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung zum Antrieb des beweglichen Kontakts (3), wobei die elektromagnetische Betätigungsvorrichtung eine Erregerspule (4) zur Erzeugung eines Magnetfelds, ein Magnetjoch (5/7) zur Verstärkung der Flussdichte des Magnetfelds, und einen durch das Magnetfeld von einer Ausgangsstellung in eine angezogene Stellung anziehbaren Magnetanker (6) aufweist, der mit dem beweglichen Kontakt (3) verbunden ist, wobei die elektromagnetische Betätigungsvorrichtung ferner ein Verriegelungselement (7) aufweist, das von einer verriegelnden Position, in der das Verriegelungselement (7) eine Bewegung des Magnetankers (6) und/oder des beweglichen Kontakts (3) verhindert, in eine entriegelnde Position überführbar ist, in der das Verriegelungselement (7) eine Bewegung des Magnetankers (6) und/oder des beweglichen Kontakts (3) freigibt, und wobei das Verriegelungselement (7) zumindest teilweise aus einem ferromagnetischen Werkstoff besteht und derart angeordnet ist, dass es aufgrund der Einwirkung des Magnetfelds aus der entriegelnden Position in die verriegelnde Position gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetjoch (5/7) derart ausgeführt ist, dass das Magnetjoch eine Unterbrechung aufweist, wenn sich das Verriegelungselement (7) in der verriegelnden Position befindet, wobei die Unterbrechung des Magnetjochs durch das Verriegelungselement (7) geschlossen wird, wenn sich das Verriegelungselement (7) in der entriegelnden Position befindet.
Schaltgerät (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Betätigungsvorrichtung derart ausgelegt ist, dass der auf den Magnetanker (6) wirkende magnetische Fluss verstärkt wird, wenn die Unterbrechung des Magnetjochs (5/7) durch das Verriegelungselement (7) geschlossen wird.
Schaltgerät (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das die elektromagnetische Betätigungsvorrichtung derart ausgelegt ist, dass der Magnetanker (6) bei geschlossenem Magnetjoch (5/7) gegen die Kraft einer Rückstellfeder der elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung angezogen wird, wohingegen der auf den Magnetanker (6) wirkende magnetische Fluss bei bestehender Unterbrechung des Magnetjochs nicht ausreicht, um den Magnetanker (6) gegen die Kraft der Rückstellfeder anzuziehen.
Schaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement (7) nach Art eines Klappankers ausgeführt ist.
Schaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement (7) durch ein Rückstellelement, vorzugsweise in Form einer Vorspannfeder (9), in die verriegelnde Position vorgespannt ist.
Schaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewegungsrichtung des Verriegelungselements (7) quer zu einer Bewegungsrichtung des Magnetankers (6) verläuft und vorzugsweise einen Winkel von 70° bis 90° zur Bewegungsrichtung des Magnetankers (6) einschließt.
Schaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetjoch (5/7) einen die Erregerspule (4) umschließenden U-förmigen Abschnitt (5) aufweist, wobei das Verriegelungselement (7) derart an der offenen Seite des U-förmigen Abschnitts angeordnet ist, dass der U-förmige Abschnitt durch das Verriegelungselement zu einem geschlossenen Joch vervollständigt wird, wenn sich das Verriegelungselement in der entriegelnden Position befindet.
Schaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement (7) eine abstehende Nase (10) aufweist, die zur Verriegelung des Magnetankers (6) und/oder des beweglichen Kontakts (3) mit einem Haken (12) zusammenwirkt, der an dem Magnetanker (6) oder dem beweglichen Kontakt (3) ausgebildet oder mit dem Magnetanker (6) beziehungsweise dem beweglichen Kontakt (3) verbunden ist.
Schaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement (7) den Magnetanker (6) in der Ausgangsstellung verriegelt, wenn es sich in der verriegelnden Position befindet.
Schaltgerät (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine feststehende Kontakt (2) und der zumindest eine damit zusammenwirkende bewegliche Kontakt (3) geöffnet sind, wenn sich der Magnetanker (6) in der Ausgangsstellung befindet.