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Die
Erfindung betrifft einen elektromagnetisch betätigbaren, bistabilen Umschalter
gemäß dem Oberbegriff
des unabhängigen
Anspruchs.
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Elektromagnetisch
betätigbare
Schalter sind unter anderem als Relais bekannt. Diese können unterschiedliche
Schaltstellungen aufweisen, wobei typischerweise wenigstens eine
dieser Schaltstellungen nur unter Spannungsbeaufschlagung gehalten wird.
Für manche
Anwendungen ist es erforderliche, bistabile Umschalter zur Verfügung zu
haben, die zudem bei kompakter Bauweise hohe Ströme schalten können.
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Aus
der Patentschrift
DE 1 087 674 ist
ein elektrischer Stromstoß-Schalter
bekannt, bei dem durch Erregung einer Magnetspule eine in einer
evakuierten oder mit Gas gefüllten
Schaltröhre
befindlicher Anker mittels zwei Führungskurven abwechselnd die
Verbindung und Trennung zweier Kontakte bewirkt. In der Längsseite
des Ankers sind Führungsschlitze
vorgesehen, die von dem oberen Rand des Ankers beginnend, zunächst schwach
und dann stärker
geneigt ausgebildet sind.
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Aus
der Patentschrift
DE
35 14 959 C2 ist ein elektromagnetischer Umformer bekannt,
der ein topfförmiges
Joch aufweist, das von einer Tauchspule umgeben ist, die an einer
Scheibe befestigt ist. Die Tauchspule ist zwischen dem zentralen
Joch und einem Topfkern angeordnet. Die Tauchspule ist von zwei
oder mehreren Schraubenfedern abgestützt. Die Tauchspule stellt
einen Anker dar, der über Scheibenfedern
gelagert ist.
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Ein
Ziel der Erfindung besteht darin, einen bistabilen Umschalter zur
Verfügung
zu stellen, der bei kompakter Bauweise einen hohen Strom schalten kann.
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Dieses
Ziel der Erfindung wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs
erreicht. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den abhängigen
Ansprüchen.
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Dem
gemäß weist
ein elektromagnetisch betätigbarer
Umschalter zwei stabile Schaltstellungen auf, die durch eine Spannungsbeaufschlagung
eines Elektromagneten wechselweise ansteuerbar sind. Der Umschalter
weist eine Kontaktbrücke
auf, die mit jeweils einem Anschlusskontakt des Umschalters elektrisch
leitend verbunden ist, und die bei geschlossenem Umschalter überbrückt ist.
Erfindungsgemäß weist
der Umschalter eine zwischen Elektromagnet und Kontaktbrücke angeordnete
Schei benfeder auf, die einen angepassten Kraft-Weg-Verlauf mit nicht
linearer Überhub-Charakteristik
bzw. im Überhub-Bereich
aufweist.
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Dieser
erfindungsgemäße Umschalter
ermöglicht
eine sehr kompakte Bauweise, wie sie beispielsweise in der Automobilindustrie
gefordert wird, und ist in der Lage, hohe Ströme zu schalten. Der Umschalter
besitzt zwei stabile Endstellungen, in denen die Anschlusskontakte
entweder überbrückt oder offen
sind.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung weist die Scheibenfeder eine ringförmige Kontur auf und ist in
einer ringförmigen
bzw. scheibenförmigen
Führung
gegen den Elektromagneten abgestützt.
Diese Führung
schließt
den Kontakt in geschlossener Stellung des Umschalters. Weiterhin weist
die Scheibenfeder wenigstens zwei Federzungen auf, die von einem äußeren Ringabschnitt
leicht abgewinkelt senkrecht nach innen weisen und die sich mit
ihren Stirnflächen
auf korrespondierenden Absätzen
der Kontaktbrücke
abstützen.
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Der
Umschalter weist weiterhin einen Verrastmechanismus zwischen Elektromagnet
und Führung
auf, mit dessen Hilfe die zwei stabilen Schaltstellungen realisiert
werden können.
Ein Verrastmechanismus mit Kulissenführung und zwei stabilen Endraststellungen
ermöglicht
hierbei die mechanische Verriegelung in den zwei stabilen Lagen
des Systems. Der Verrastmechanismus kann beispielsweise nach dem
bekannten Prinzip eines Kugelschreibers oder dergleichen funktionieren.
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Der
Aufbau des Systems ist sehr kompakt und zeichnet sich durch eine
Unabhängigkeit
der bistabilen Lage vom Temperaturgang des Elektromagneten aus.
Weiterhin ist die Haltekraft in den Endstellungen nicht von der
Oberflächengüte oder
dergleichen abhängig.
Der Laststrom hat keinen Einfluss auf die Stabilität der Endlage,
da diese mechanisch verriegelt ist.
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Die
Kennlinie der Überhubfeder
sichert einen optimal angepassten Kraft-Weg-Verlauf, wobei im Bereich
der Überfederung
zur Einrastung kein nennenswerter Kraftverlust auftritt, der vom
Magnetsystem zusätzlich
aufgebracht werden müsste.
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Der
erfindungsgemäße Umschalter
ist beispielsweise als Batterietrennschalter im Automobilbereich
verwendbar.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher
erläutert.
Dabei zeigt:
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1 einen
schematischen Querschnitt des erfindungsgemäßen Umschalters,
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2 eine
perspektivische Darstellung des Umschalters mit abgenommener Abdeckung,
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3 eine
perspektivische Darstellung des Umschalters mit aufgesetzter Abdeckung,
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4 eine
perspektivische Darstellung eines topfförmigen Ankers des Elektromagneten
des Umschalters,
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5 eine
Schnittdarstellung des Ankers gemäß 4,
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6 eine
schematische Draufsicht auf eine Scheibenfeder des Umschalters,
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7 eine
Schnittdarstellung der Scheibenfeder entlang der Schnittlinie VII-VII
der 6,
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8 eine
perspektivische Darstellung der Scheibenfeder,
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9 ein
Kraft-Weg-Diagramm zur Verdeutlichung der Federkennlinie und
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10 zwei
Kurven zur Verdeutlichung des Verformungsverlaufs der Scheibenfeder.
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1 verdeutlicht
in einem schematischen Querschnitt einen erfindungsgemäßen Umschalter 2, der
einen von einem Elektromagneten 3 betätigten und überbrückten Kontakt aufweist, womit
eine elektrisch leitende Verbindung zwischen zwei Anschlusskontakten 24 herstellbar
ist. Die Anschlusskontakte 24 sind in einer Sockelplatine 22 eingebettet.
Jeder der beiden Anschlusskontakte 24 verfügt über einen aufgesetzten
Kontaktsockel 20. Eine Kontaktbrücke 18 verbindet die
beiden Kontaktsockel 20. Die Kontaktbrücke 18 weist an ihrer
Oberseite zwei Anschläge
auf, in denen zwei Federzungen einer Scheibenfeder 16 (vgl. 6 bis 8)
einrasten und sich abstützen
können.
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Ein äußerer Ringabschnitt
der Scheibenfeder 16 stützt
eine scheibenförmige
Führung 14,
die einen zentralen zylindrischen Abschnitt aufweist, der nach oben
weist. Auf einem Absatz in der zylindrischen Innenmantelfläche dieses
zylindrischen Abschnitts der Führung 14 stützt sich
ein zylindrischer Führungskern 10 gegen
einen Boden eines topfförmigen
Ankers 4 des Elektromagneten 3 ab. Um den Führungskern 10 ist
eine Ankerrückstellfeder 12 in Gestalt
einer Schraubenfeder angeordnet, die für eine Rückstellung des Ankers 4 bei
fehlender Spannungsbeaufschlagung sorgen kann.
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Der
Anker 4 wird über
eine Spannungsbeaufschlagung von Wicklungen 6 gegen ein
magnetisches Joch 8 gezogen und sorgt auf dieses Weise
für eine
Verschiebung der Führung 14 nach
unten, wobei die Kontaktbrücke 18 durch
Krafteinwirkung mit der Führung 14 geschlossen
wird. Zwischen Führung 14 und
sich am Anker 4 abstützenden
Führungskern 10 ist
eine Verrastmechanik 26 er kennbar, die zwei stabile Endraststellungen
aufweist, wodurch die bistabile Charakteristik des erfindungsgemäßen Schalters 2 realisiert
ist. Um den Anker 4 herum und bis zur Sockelplatine 22 reichend
ist eine Abdeckung 28 vorgesehen, die den Umschalter 2 umhüllt.
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2 verdeutlicht
in einer perspektivischen Ansicht den erfindungsgemäßen Umschalter 2 mit abgenommener
Abdeckung 28, so dass hier der topfförmige Anker 4, der
den zylindrischen magnetischen Bügel 8 umgreift,
erkennbar ist. An den magnetischen Bügel 8 schließt die Führung 14 an,
die ebenfalls einen runden Querschnitt aufweist. In einem umlaufenden äußeren Absatz
der Führung 14 ist
die Scheibenfeder 16 eingelegt und abgestützt, so
dass diese nach allen Richtungen geführt wird und nur durch ihre
Elastizität
eine Verschiebung der Führung 14 zulassen
kann. Die in einer größeren quadratischen
Sockelplatine 22 befindlichen Anschlusskontakte 24 weisen
an ihren freien Enden jeweils einen kreisrunden Durchbruch auf,
der zur Verschraubung und Kontaktierung des Umschalters 2 dienen
kann.
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3 zeigt
eine perspektivische Ansicht auf den Umschalter von oben mit aufgesetzter
Abdeckung 28.
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Die 4 und 5 verdeutlichen
die Kontur des Ankers 4, der einen zylindrischen Außenmantel 43 aufweist,
der an einer unteren Stirnfläche
in einen flachen Boden 42 übergeht. Aus einem mittleren Bereich
des Bodens 42 ragt ein Führungsabschnitt 41 senkrecht
in gleiche Richtung wie der Außenmantel 43 und überragt
diesen etwa um doppelte Länge. Ein
Schlitz 44 im Außenmantel 43 kann
optional vorgesehen sein und dient zur Vermeidung von Stromrückwirkungen
des Kontaktes.
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Die 6 bis 8 verdeutlichen
die Scheibenfeder 16, die einen flachen bzw. leicht tellerförmig gewölbten kreisförmigen Ringabschnitt 163 aufweist, von
dem an zwei gegenüberliegenden
Stellen jeweils eine Federzunge 161 senkrecht nach innen
weist und unter einem Winkel von ca. 5° bis 20° gegenüber dem Rand der Feder steht.
Wie anhand der Querschnittsdarstellung entlang der Schnittlinie
VII-VII der 6 verdeutlicht wird (7)
weist die Scheibenfeder im entspannten Zustand einen tellerförmigen Querschnitt
auf. Der Ringabschnitt 163 weist dabei in etwa die gleiche
Neigung wie die schwach nach unten geneigten Federzungen 161 auf,
die etwa in einem Winkel von zwischen 5 und 20° zur Waagrechten geneigt sind.
Das freie Ende jeder Federzunge 161 ist mit einer Stirnfläche 162 in
Gestalt eines Radius versehen, so dass die Stirnfläche 162 in
einer korrespondierenden Abstützung
der Brücke 18 aufliegen
und einrasten kann. 8 verdeutlicht dies nochmals
in perspektivischer Ansicht.
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Im
Folgenden werden beispielhafte Kraft-Weg-Kurven anhand einer Scheibenfeder
aus Stahl mit einer Stärke
von 0,2 mm erläutert. 9 zeigt
einen Kraft-Weg-Verlauf 30 der als Überhubfeder fungierenden Scheibenfeder 16.
Dabei ist auf der horizontalen Achse der Federhub (Weg s in mm)
und auf der vertikalen Achse die für den Hub erforderliche Kraft
(in N) aufgetragen. Es ist erkennbar, dass bei einem maximalen Hub
von ca. 5 mm die Feder ab einem Hub von 4 mm eine zunächst ansteigende
und an diesem Punkt wieder abfallende Kraftkurve aufweist. Das heißt, bei
einem Hub von ca. 4 mm erreicht die Feder ein Maximum, das im Bereich
der Verrastung überschnitten
wird. Dabei stellt der Punkt 36 den Punkt der Kontaktgabe
des Schalters dar. Der Punkt 38 verdeutlicht die Endlage
des Schalters. Der Pfeil 40 verdeutlicht den Überhub,
und die beiden Pfeile 42 sollen die Verrastfunktion verdeutlichen.
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10 verdeutlicht
zwei Weg-Kurven der Scheibenfeder 16. Die vertikale Achse
zeigt den Weg in mm der x-und y-Koordinaten und die horizontale Achse
die Auslenkung der Feder in x-Richtung,
wobei der Wert Δx
der Auslenkung entspricht. D.h., x verdeutlicht den Hub an der Feder, Δx zeigt die
Auslenkung in Hubrichtung und Δy
zeigt die Auslenkung quer zur Hubrichtung. Hierbei zeigt die obere Zeit-Weg-Kurve 32 die
horizontale Verschiebung der Federzungen 161, die sich
nahezu nicht bewegen. Die untere Zeit-Weg-Kurve 34 zeigt
die vertikale Bewegung des Ringabschnitts 163 der Scheibenfeder.
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- 2
- Umschalter
- 3
- Elektromagnet
- 4
- Anker
- 41
- Führungsabschnitt
- 42
- Boden
- 43
- Außenmantel
- 44
- Schlitz
- 6
- Wicklung
- 8
- Magnetischer
Bügel
- 10
- Führungskern
- 12
- Ankerrückstellfeder
- 14
- Führung
- 16
- Scheibenfeder
- 161
- Federzunge
- 162
- Stirnfläche
- 163
- Ringabschnitt
- 18
- Kontaktbrücke
- 20
- Kontaktsockel
- 22
- Sockelplatine
- 24
- Anschlusskontakt
- 26
- Verrastmechanik
- 28
- Abdeckung
- 30
- Kraft-Weg-Kurve
- 32
- Zeit-Weg-Kurve
(horizontal), Δy
- 34
- Zeit-Weg-Kurve
(vertikal), Δx
- 36
- Kontaktgabe
- 38
- Endlage
- 40
- Überhub
- 42
- Verrastung