DE10328349B4 - Elektormagnetisch betätigbarer Umschalter - Google Patents

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Abstract

Elektromagnetisch betätigbarer Umschalter (2) mit zwei stabilen Schaltstellungen, die durch Spannungsbeaufschlagung eines Elektromagneten (3) wechselweise ansteuerbar sind, mit einer Kontaktbrücke (18), die mit jeweils einem Anschlusskontakt (24) des Umschalters (2) elektrisch leitend verbunden ist und die nur bei geschlossenem Umschalter (2) elektrisch leitend überbrückt ist, gekennzeichnet durch eine zwischen Elektromagnet (3) und Kontaktbrücke (18) angeordnete Scheibenfeder (16), die einen angepassten Kraft-Weg-Verlauf im Überhub-Bereich aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen elektromagnetisch betätigbaren, bistabilen Umschalter gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ein Ziel der Erfindung besteht darin, einen bistabilen Umschalter zur Verfügung zu stellen, der bei kompakter Bauweise einen hohen Strom schalten kann.
  • Dieses Ziel der Erfindung wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs erreicht. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der erfindungsgemäße Umschalter ist beispielsweise als Batterietrennschalter im Automobilbereich verwendbar.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
  • 1 einen schematischen Querschnitt des erfindungsgemäßen Umschalters,
  • 2 eine perspektivische Darstellung des Umschalters mit abgenommener Abdeckung,
  • 3 eine perspektivische Darstellung des Umschalters mit aufgesetzter Abdeckung,
  • 4 eine perspektivische Darstellung eines topfförmigen Ankers des Elektromagneten des Umschalters,
  • 5 eine Schnittdarstellung des Ankers gemäß 4,
  • 6 eine schematische Draufsicht auf eine Scheibenfeder des Umschalters,
  • 7 eine Schnittdarstellung der Scheibenfeder entlang der Schnittlinie VII-VII der 6,
  • 8 eine perspektivische Darstellung der Scheibenfeder,
  • 9 ein Kraft-Weg-Diagramm zur Verdeutlichung der Federkennlinie und
  • 10 zwei Kurven zur Verdeutlichung des Verformungsverlaufs der Scheibenfeder.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 3 zeigt eine perspektivische Ansicht auf den Umschalter von oben mit aufgesetzter Abdeckung 28.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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

Claims (7)

  1. Elektromagnetisch betätigbarer Umschalter (2) mit zwei stabilen Schaltstellungen, die durch Spannungsbeaufschlagung eines Elektromagneten (3) wechselweise ansteuerbar sind, mit einer Kontaktbrücke (18), die mit jeweils einem Anschlusskontakt (24) des Umschalters (2) elektrisch leitend verbunden ist und die nur bei geschlossenem Umschalter (2) elektrisch leitend überbrückt ist, gekennzeichnet durch eine zwischen Elektromagnet (3) und Kontaktbrücke (18) angeordnete Scheibenfeder (16), die einen angepassten Kraft-Weg-Verlauf im Überhub-Bereich aufweist.
  2. Umschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibenfeder (16) über eine ringförmige Führung (14) gegen den Elektromagneten (3) abgestützt ist.
  3. Umschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in geschlossener Schaltstellung ein elektrisch leitender Kontakt der Kontaktbrücke (18) durch eine Krafteinwirkung der Führung (14) hergestellt ist.
  4. Umschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibenfeder (16) wenigstens zwei Federzungen (161) aufweist, die von einem tellerförmigen Ringabschnitt (163) leicht abgewinkelt, senkrecht nach innen weisen.
  5. Umschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Federzungen (161) mit Stirnflächen (162) an ihren freien Enden jeweils auf der Kontaktbrücke (18) abgestützt sind.
  6. Umschalter nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Elektromagnet (3) und Führung (14) ein Verrastmechanismus (26) vorgesehen ist.
  7. Umschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verrastmechanismus (26) eine Kulissenführung mit zwei stabilen Endraststellungen aufweist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE1087674B (de) * 1958-09-26 1960-08-25 Fritz Zuckschwerdt Elektrischer Stromstoss-Schalter

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