DE1081148B - Elektromagnetische Relaisanordnung mit hoher Ansprechgeschwindigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft elektromagnetische Relais mit Ausschalt- und/oder Umschaltkontakten und insbesondere solche Relais, bei denen nur verhältnismäßig geringe Kontaktdrücke, beispielsweise von einigen Zehntelgramm je Quadratmillimeter, gefordert werden.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung derartiger Relais mit sehr großer Ansprechgeschwindigkeit, die einfach, sicher und leicht in Massenfabrikation herzustellen sind. Ferner sollen die Relais geringen Platzbedarf haben, eine einfache Montage ihrer einzelnen Teile und ganzer Relaisgruppen ermöglichen und eine große Lebensdauer aufweisen.

Bei der Erfindung wird die bekannte Tatsache ausgenutzt, daß sich zwei parallele stromdurchflossene Leiter anziehen, wenn die Ströme in gleicher Richtung fließen, sich aber abstoßen, wenn die Ströme entgegengesetzte Richtung aufweisen.

Es sind bereits zahlreiche Meß- und Schaltvorrichtungen bekannt, die auf diesem Prinzip beruhen. Im einfachsten Fall sind zwei geradlinige Leiter parallel zueinander angeordnet, und dazwischen ist ein druckempfindliches Organ angeordnet. Diese Anordnung eignet sich nicht als Relais, weil zur Erzielung ausreichender Kontaktdrücke erhebliche Ströme durch die Leiter fließen müssen. Ferner führt die Befestigung der Kontakte an den Leitern und die gegenseitige Isolierung des steuernden und des gesteuerten Stromkreises zu erheblichen Schwierigkeiten.

Es sind auch bereits Vorrichtungen bekannt, bei denen die Leiter zu flachen Spiralwicklungen aufgewickelt sind, deren Windungsflächen etwa parallel zueinander liegen. Dadurch können wesentlich größere Anziehungskräfte erzielt werden. Eine der Flachspulen ist beispielsweise um eine Achse schwenkbar, so daß sie bei Stromdurchfluß zur anderen Spule bewegt wird. Um eine solche Anordnung als Relais zu verwenden, würde es genügen, an der beweglichen Spule einen Kontakt anzubringen, der mit einem feststehenden Kontakt zusammenwirkt. Eine solche Anordnung hätte aber eine erhebliche Ansprechzeit, weil die ganze Spulenmasse beschleunigt werden muß. Ferner ist die Herstellung von gewickelten Flachspulen und ihre stabile Montage kompliziert und teuer.

Die Erfindung schafft demgegenüber eine neue Relaisanordnung, bei der der Vorteil der Flachspulen, nämlich große Anziehungskraft bei kleinen Strömen, ausgenutzt wird, ohne daß deren Nachteile, nämlich große Ansprechzeit und teure, komplizierte Herstellung, in Kauf genommen werden müssen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der treibende Teil des Relais mindestens zwei in Reihe geschaltete Spiralwickiungen umfaßt, die in parallelen Ebenen in geringem Abstand voneinander angeordnet Elektromagnetische Relaisanordnung
mit hoher Ansprechgeschwindigkeit

Anmelder:

S. E. A. Societe d'Electronique

et d'Automatisme,
Courbevoie, Seine (Frankreich)

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Prinz, Patentanwalt,
Mündien-Pasing, Bodenseestr. 3 a

Beanspruchte Priorität:
Frankreich, vom 15. Juni 1955

sind, wobei mindestens eine Wicklung auf einen elastischen Träger aufgedruckt ist, und daß wenigstens ein Kontaktpaar durch die Deformation des elastischen Trägers gesteuert wird.

Bei dieser Relaisanordnung wird von den bekannten Eigenschaften der gedruckten Stromkreise Gebrauch gemacht. Diese können in Massenfertigung sehr billig hergestellt werden. Die auf diese Weise gebildeten Spiralwickiungen können erheblich kräftigere Ströme als isolierte Drähte bei gleichem Metallquerschnitt führen. Beispielsweise kann ein gedruckter Leiter mit der Dicke 0,1 mm und der Breite 0,2 mm ohne Gefahr einen Dauerstrom von 1 Ampere aushalten. Der elastische Träger kannn ebenfalls sehr leicht und dünn gehalten werden. Da außerdem infolge der Deformation des Trägers nur ein Teil der Wicklung und des Trägers beschleunigt werden muß, sind die zu beschleunigenden Massen sehr gering und die Ansprechzeit dementsprechend kurz.

Ein weiterer Vorteil, der sich aus der Verwendung der gedruckten Schaltungen ergibt, ist der geringe Raumbedarf.

Das Herstellungsverfahren für gedruckte Stromkreise ist an sich bekannt und hat zahlreiche praktische Ausgestaltungen gefunden. Es kann beispielsweise folgende Stufen umfassen:

a) Metallisierung der einen Seite eines isolierenden Trägers,

b) Niederschlag eines lichtempfindlichen Häutchens auf der metallisierten Fläche,

009 50S/332

c) photographischer Aufdruck des Stromkreisklischees,

d) Entwicklung, Waschen und Trocknen des aufgedruckten Bildes,

e) Säurebehandlung bis zur völligen Entfernung der Metallisierung an den nicht belichteten Stellen.

Dieses Verfahren eignet sich auch sehr gut bei elastischen isolierenden Trägern. Als solche elastische Träger können z. B. dünne Folien aus thermoplastischen Kunststoffen dienen. Derartige Folien sind im Handel erhältlich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnungen beschrieben. Hierin zeigt

Fig. 1 ein Beispiel eines gedruckten Bauteiles zur Herstellung des genannten Relais,

Fig. 2 eine abgeänderte Ausführungsform dieses Bauteiles,

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des Relais unter Verwendung zweier Bauteile nach Fig. 1,

Fig. 4 bis 6 abgeänderte Ausführungsformen des Relais nach Fig. 3,

Fig. 7 bis 10 verschiedene abgeänderte Ausführungsformen für gedruckte Bauteile der Relais und

Fig. 11 bis 16 verschiedene Beispiele für deren Zusammenbau.

In den Fig. 1 sind bei α und b die beiden Seiten einer Ausführungsform eines gedruckten Bauteiles für den Aufbau einer Relaistreibspule gemäß der Erfindung dargestellt. Der Bauteil besteht aus eine Folie 1 aus biegsamem dielektrischem Material, auf deren eine Seite eine leitende Spirale 2 aufgedruckt ist. In der Mitte dieser Spirale ist eine metallisierte Fläche für die Befestigung eines Kontaktes 5 vorgesehen, der z. B. angelötet sein kann. Bei der Herstellung wurden metallisierte Durchführungen derart vorgesehen, daß die beiden Enden der Spirale 2 und auch der Kontakt 5 mit elektrischen Anschlüssen an der Rückseite der Folie versehen werden können. Diese Anschlüsse, die gleichzeitig wie die Spirale und die Durchführungen aufgedruckt wurden, sind für die Spirale mit 3 und 4 und für den Kontakt mit 6 bezeichnet.

Die normale Form der Spirale ist an sich nicht erforderlich. So kann beispielsweise gemäß Fig. 2 die Wicklung in rechteckiger, quadratischer, ovaler Form usw. ausgeführt sein. Die Trägerfolie kann übrigens in allen Fällen auf Wunsch rechteckig sein.

Zwei Bauteile nach Fig. 1, die gemäß der Ausführung nach Fig. 3 angeordnet sind, können mit ihren mittleren Anschlüssen in Reihe geschaltet werden (vgl. Schaltschema 3 a) und bilden dann die Relaistreibspule. Wenn z. B. das eine Ende der vollständigen Wicklung an Masse liegt und das andere Ende eine Gleichspannung +B erhält, ziehen sich die beiden Spiralen an, und die Kontakte berühren sich. Bei Abschaltung der Gleichspannung nimmt die Anordnung durch die mechanische Rückzugskraft wegen der Elastizität der Trägerfolien der Spiralen wieder die Ausgangslage ein.

Die konstruktive Anordnung kann entsprechend dem Schnitt der Fig. 3 getroffen sein. Die beiden Wicklungsträger werden mit Hilfe eines Abstandsstückes 8 so weit entfernt gehalten, daß in Ruhe, d.h. bei abgeschaltetem Erregerstrom, ihre Kontakte 5 getrennt bleiben. Die Lötfahnen 9 werden vorher an die Enden der Metallisierung 3 angelötet und liegen in Ausnehmungen der Teile 12 und 13, welche das Montagegehäuse bilden und beiderseits der Wicklungsund Kontaktträger angeordnet sind. Zur Verbindung der Metallisierungen 4 der beiden Bauteile ist, um dadurch die Spiralen in Reihe zu schalten, eine Leiste 10 vorgesehen. Nach Anbringung dieser Leiste wird das Gehäuse mit dem Stopfen 11 verschlossen. Man kann auch weitere Lötfahnen an die Metallisierungen 4 anlöten, um dadurch verschiedene Ausgänge zu erhalten. In diesem Falle genügt es, diese Ausgangslötfahnen zu verbinden. Vorzugsweise werden die dargestellten und noch zu beschreibenden Bauteile durchweg so vorbereitet, daß ihre Ausgänge mit derartigen Lötfahnen versehen sind. Selbstverständlich sind auch in allen Fällen Lötfahnen an den Kontaktanschlüssen 6 befestigt. Diese sind in Fig. 3 nicht sichtbar, da sie senkrecht zur Zeichenebene verlaufen.

Der Gehäuseteil 12 besitzt einen geschlossenen Boden. Nach dem Zusammenbau wird ein Deckel 14 auf dem Gehäuseteil 13 angebracht und die ganze Anordnung in geeigneter Weise zusammengehalten, z. B. mit Hilfe von Schrauben 15. Die Anordnung ist in allen Fällen so getroffen, daß die Folien 1 auf irgendeine Weise am Rand eingespannt sind. Dies ist durch den gestrichelten Kreis in Fig. 1 angedeutet. Die Folien sind gespannt, aber ihre Eigenelastizität gestattet ihnen eine Verformung unter der Wirkung der bei Stromdurchgang auftretenden elektromagnetischen Kräfte. Diese Wirkung ist außerordentlich rasch, denn einerseits steigt die Anziehungskraft sehr schnell an (Überstrom bei der Schließung des Erregerkreises), und andererseits hat jeder Wicklungsträger eine sehr geringe Trägheit. Man kann die Anziehungskraft zahlenmäßig aus der folgenden Beziehung ableiten:

2 de '

Hierbei bedeutet F die Anziehungskraft, / die Stromstärke und dL die Änderung der Selbstinduktion der Anordnung, wenn sich der Abstand e zwischen den Spiralen ändert. Als einfaches Beispiel sei angegeben, daß bei zwei Spiralen mit je 30 Windungen eines gedruckten Leiters von 0,1 mm Dicke und 0,2 mm Breite, wobei jede Spirale eine Ringfläche einnimmt, deren mittlerer Durchmesser und deren Breite je 1 cm betragen, die zur Berührung der Kontakte führende Anziehungskraft bei einer Stromstärke von 1 Ampere 360 dyn beträgt. Die Ansprechgeschwindigkeit des Relais wurde zu etwa 30 Mikrosekunden gefunden, wenn die Spiralen in den angegebenen Abmessungen auf den zu Anfang der Beschreibung erwähnten biegsamen plastischen Träger aufgedruckt waren. Bei diesem Träger und diesem Metallisierungsquerschnitt beträgt die zur Zerstörung erforderliche Stromstärke etwa 50 Ampere. Daraus ergibt sich die völlige Betriebssicherheit der Anordnung.

Bei umgekehrter Verbindung der Spiralen bekommt man an Stelle der Anziehungskraft eine Abstoßungskraft. Montiert man die Folien so, daß sich ihre Kontakte in der Ruhelage berühren, so erhält man ein Relais, daß in seiner Arbeitslage einen Stromkreis unterbricht.

Die Anziehungs- bzw. Abstoßungskräfte können auf Wunsch erheblich gesteigert werden, indem die Treibspule der Wirkung eines permanenten Magnetfeldes unterworfen wird. Diese Wirkung beeinflußt im übrigen die Ansprechgeschwindigkeit des Relais nicht wesentlich. Die Relaiswicklung kann z. B. nach Fig. 4 zwischen zwei Polschuhen 16 und 17 eines Permanentmagneten angeordnet werden, die mit entgegengesetzter Polarität (N und S) in den Abstandsring 8 einge-

setzt sind. Es können auch mehrere aufeinanderfolgende gleichnamige Pole auf dem Umfang verteilt .sein, die mit ebenso vielen entgegengesetzten Polen abwechseln.

Diese Polschuhe können mit Hilfe einzelner kleiner Dauermagnete erzeugt werden. Sie können auch zu einem Dauermagnet oder einem Elektromagnet mit einem einzigen magnetischen Kreis gehören. Beispielsweise kann nach Fig. 5 der magnetische Kreis sich über zwei Joche 18 und 19 schließen, welche die Relaiswicklung umgeben. Die Teile 1 sind hierbei zwischen die Joche und die Polschuhe 16 und 17 eingespannt. Nach Fig. 6 kann das Joch 20 auch ringförmig ausgebildet sein und die Relaisanordnung umgeben.

Die physikalische Wirkung eines solchen zusätzlichen Magnetfeldes ist bekannt. Bezeichnet man mit Φ den von dem zusätzlichen mechanischen Kreis erzeugten Fluß und mit φ den von den Relaiswicklungen erzeugten Fluß, so hat die Querkraft, die auf die gedruckten Spiralen in der Bewegungsrichtung senkrecht zum Zusatzfeld ausgeübt wird, folgenden Wert:

8% '

Die Relaisanordnung mit Mehrfachkontakten kann ausschließlich mit Hilfe von Bauteilen nach Fig. 1 aufgebaut werden. So zeigt z. B. Fig. 11 eine Relaisanordnung mit zwei Arbeitskontaktpaaren und Fig. 12 ein Relais mit Umschaltkontakten.

Bei der Anordnung nach Fig. 11 sind vier Bauteile gemäß Fig. 1 derart paarweise angebracht, daß die beiden Teile 21 und 22 in einer Richtung derart miteinander verbunden sind, daß sie sich anziehen, wenn die aufgedruckten Spiralen von einem Strom durchflossen werden. Dasselbe gilt für die Teile 23 und 24. Ferner sind die Teile 22 und 23 in Reihe geschaltet, so daß sie sich beim Stromdurchgang abstoßen. Auf diese Weise kommen bei der Erregung des Relais die Kontakte 25 einerseits und die Kontakte 26 andererseits in Berührung.

Bei der Anordnung nach Fig. 12 sind die vier Teile 27, 28, 29 und 30 so miteinander verbunden, daß beim Stromdurchgang die Teile 27 und 28 sich abstoßen, die Teile 29 und 30 dagegen sich anziehen. In der Ruhelage sind die Kontakte 31 geschlossen und die Kontakte 32 geöffnet. In der Arbeitslage gilt das umgekehrte. Es ergibt sich also ein Relais mit einem Ruhekontakt und einem Arbeitskontakt, wenn die Kontaktanschlüsse der Teile 28 und 29 nicht miteinander verbunden sind. Sind sie aber miteinander verbunden, so entsteht ein Relais mit einfachem Umschaltkontakt.

Um jedoch den Aufbau derartiger Anordnungen zu erleichtern, insbesondere wenn zahlreiche Kontakte vorgesehen sind, können zusätzlich einfache bedruckte Teile gemäß Fig. 7 vorgesehen sein. Diese Bauteile, die auf einem nachgiebigen oder starren dielektrischen Träger aufgedruckt sind, besitzen nur die Metallisierungen, die beispielsweise für einen Mittelkontakt erforderlich sind. Es können auch mehrere auf der Fläche verteilte Kontakte gemäß Fig. 8 vorgesehen sein. Dann müssen allerdings die Spulenträger eine entsprechende Kontaktverteilung aufweisen.

Mit Hilfe dieser Kontaktträger können die Anordnungen nach Fig. 11 und 12 in vereinfachter Weise gemäß Fig. 13 und 14 aufgebaut werden. Das Relais mit doppeltem Arbeitskontakt nach Fig. 13 besitzt zwei biegsame Wicklungsträger 33 und 34, die so miteinander verbunden sind, daß sie sich gegenseitig abstoßen, wenn ein Strom ihre aufgedruckten Spiralea in Reihe durchfließt. Dann schließen sich die Arbeitskontakte 37 und 38 auf den Bauteilen 35 und 36, die je nur mit einem Kontaktaufdruck versehen sind. Die Teile 35 und 36 können auf starren Trägern angebracht sein.

Das Relais mit Umschaltkontakt nach Fig. 14 enthält zwei Spulenträger 39 und 40, die so verbunden sind, daß sie sich bei Stromdurchgang anziehen. Der ίο Teil 39 trägt jedoch auf jeder Seite einen Kontakt. Einer dieser Kontakte gehört zu dem Ruhekontaktpaar 42, von dem der andere fest ist. Er ist beispielsweise auf einem starren Träger 41 aufgedruckt. Der andere Kontakt des Teiles 39 gehört zu dem Arbeitskontaktpaar 43 des Relais.

In leicht ersichtlicher Weise können verschiedene Anordnungen für Mehrfachkontakte vorgesehen werden. Auf Wunsch können die Außenkontakte nicht aufgedruckt, sondern getrennt vorgesehen sein, wobei unmittelbare elektrische Verbindungen mit entsprechenden Gehäuseteilen vorhanden sein können.

Ein Bauteil kann auch speziell zur Herstellung von Haltekontakten der beschriebenen Relais ausgebildet sein. Ein solcher Bauteil ist in Fig. 9 dargestellt. Er trägt eine aufgedruckte Spirale 44, die in der Mitte in den Kontakt 45 einläuft, während ihr äußeres Ende mit dem Ausgangsanschluß 46 verbunden ist.

Ein Ausführungsbeispiel für ein Relais unter Verwendung des Bauteiles nach Fig, 9 ist in Fig. 15 dargestellt. Außer diesem Bauteil 47, der eine Speisegleichspannung erhalten kann, sind zwei Spiralenträger 48 und 49 vorgesehen, die so verbunden sind, daß sie sich beim Stromdurchgang abstoßen. Ferner ist ein Teil 50 vorhanden, der nur einen Kontakt trägt. Dieser bildet mit dem vom Teil 49 getragenen Kontakt das Ärbeitskontaktpaar 51 des Relais. Die gedruckten Spiralen der Teile 47 und 48 haben einen solchen Windungssinn, daß nach einem anfänglichen Stromdurchgang durch die in Reihe geschalteten Wicklungen 48 und 49, durch welchen das Haltekontaktpaar 52 in Berührung kommt, und nach Aufhören des Stromflusses durch die Wicklung 49 die beiden Spiralen 47 und 48, die noch vom Haltestrom durchflossen werden, einander weiterhin anziehen, bis der Haltestrom abgeschaltet wird. Beim Durchgang des Haltestromes in Reihe durch die Spiralen 48 und 49 bleibt außerdem die Abstoßung zwischen diesen Teilen bestehen, so daß das Arbeitskontaktpaar 51 des Relais geschlossen bleibt.

Es kann auch wünschenswert sein, zwecks bequemeren Zusammenbaues die Spulenträger von den Kontaktträgern völlig zu trennen. In diesem Falle ist der Spulenträger an Stelle eines Kontaktes mit mindestens einem nichtleitenden Druckstück versehen, das an die eine Fläche des Spulenträgers angeklebt oder angeschweißt ist.

Fig. 16 gibt ein Ausführungsbeispiel für diese Anordnung. Die Teile 53 und 54 sind elektrisch derart verbunden, daß sie bei Stromdurchgang durch ihre Spiralwicklungen einander abstoßen. Hierbei kann der Teil 53 z. B. auf einem starren Träger angebracht sein. Der Teil 54 ist, wie aus Fig. 10 hervorgeht, mit einem Druckstück 55 in der Mitte versehen. Dieses Druckstück liegt in der Ruhelage an der Rückseite eines Kontaktträgers 56 an, der mit einem weiteren Kontaktträger 58 das Arbeitskontaktpaar 57 des Relais ergibt. Wenn das Relais erregt wird, entfernt sich der Teil 54 vom Teil 53 und drückt den Teil 56 so weit nach rechts, daß die Kontakte 57 in Berührung kommen. Wenn der Teil 58 ebenfalls mit einem Druck-

stück auf der Rückseite versehen wäre, könnte er einen weiteren Kontaktträger betätigen.

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Elektromagnetische Relaisanordnung mit hoher Ansprechgeschwindigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß der treibende Teil des Relais mindestens zwei in Reihe geschaltete Spiralwicklungen umfaßt, die in parallelen Ebenen in geringem Abstand voneinander angeordnet sind, wobei mindestens eine Wicklung auf einen elastischen Träger aufgedruckt ist, und daß wenigstens ein Kontaktpaar durch die Deformation des elastischen Trägers gesteuert wird.

2. Relaisanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsträger durch rahmenförmige Teile im Abstand gehalten werden, welche die Wicklungsträger an ihrem Umfang oder Rand einklemmen, und daß die elektrischen Verbindungen zwischen den Wicklungen auf den Rahmen verlaufen.

3. Relaisanordnung nach x\nspruch2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen auf die Rahmen aufgedruckt sind.

4. Relaisanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse der Wicklungen auf der den eigentlichen Spiralwicklungen gegenüberliegenden Seite des Trägers aufgedruckt und mit den Wicklungen durch den Träger hindurch verbunden sind.

5. Relaisanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Kontakte in der Mitte der Wicklungsträger angebracht ist.

6. Relaisanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Kontakte auf von den Wicklungsträgern unabhängigen Trägern angebracht ist.

7. Relaisanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktanschluß auf der Seite des Wicklungsträgers, die den Kontakt trägt, zusammen mit der Anschlußfläche, auf welcher der Kontakt aufgelötet ist, aufgedruckt ist.

8. Relaisanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktanschluß auf der dem Kontakt gegenüberliegenden Seite des Wicklungsträgers aufgedruckt ist.

9. Relaisanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß neben einigen Kontakten eine mit dem betreffenden Kontakt verbundene Selbsthaltewicklung aufgedruckt ist.

10. Relaisanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kontakte auf einem gemeinsamen Träger einer Wicklung zugeordnet sind.

11. Relaisanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Wicklungsträger mit isolierenden Druckstücken versehen ist, die mit Kontakten derart zusammenarbeiten, daß ein Druckstück jeweils mindestens ein Kontaktpaar betätigt.

12. Relaisanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dauermagnet derart angeordnet ist, daß die Kraftlinien des von ihm erzeugten magnetischen Feldes parallel zu den Wicklungsebenen verlaufen und. die Wicklungen und ihre Träger sich wenigstens teilweise innerhalb dieses Feldes befinden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 697 966, 156456;
britische Patentschrift Nr. 633 625.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© OM 508/332 4.60