DE19532762A1 - Elektromagnetisches Laststromrelais und Anordnung eines derartigen Relais auf einer Leiterplatte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Laststromre­ lais mit einem Elektromagnetsystem, das zwischen einem Kern und einem Anker mindestens einen von einem Erregerfluß durch­ setzten Arbeitsluftspalt besitzt, und mit mindestens einem von dem Anker betätigten Kontaktpaar, das in geschlossenem Zustand mit seinen beiden Zuleitungen eine Kontaktstrom- Schleife bildet, deren induzierter Magnetfluß sich dem Erre­ gerfluß überlagert.

Außerdem betrifft die Erfindung die Anordnung eines derarti­ gen Laststromrelais auf einer Leiterplatte.

Ein derartiges Laststromrelais ist beispielsweise aus der in­ ternationalen Patentanmeldung WO 93/23866 bekannt. Der kom­ pakte Aufbau derartiger Relais bringt es in diesem und in an­ deren Fällen mit sich, daß der in der Kontaktstromschleife durch den Laststrom induzierte Magentfluß den Arbeits­ luftspalt durchsetzt und bei einer bestimmten Polung des Last-Gleichstroms dem Erregerfluß direkt entgegengesetzt wirkt. Bei normalen Schaltströmen ist dies zwar kein Problem, doch kann es bei sehr hohen Lastströmen, beispielsweise Kurz­ schlußströmen, dazu kommen, daß dieser bei der ersten Berüh­ rung der Kontakte bereits fließende hohe Laststrom die weite­ re Schließbewegung des Ankers verzögert. Dadurch kann sich die notwendige Kontaktkraft nicht rechtzeitig aufbauen, so daß der hohe Laststrom bei vorübergehend geringer Kontakt­ kraft über einen hohen Übergangswiderstand fließt. Auch wenn diese Verzögerung nur wenige Millisekunden andauert, kann die dabei erzeugte Wärme bereits ausreichen, die Kontakte zu ver­ schweißen.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem Relais der eingangs genannten Art ohne konstruktive Änderung des Magnet­ systems und der eigentlichen Kontaktanordnung sicherzustel­ len, daß die Kontaktstromschleife auch bei sehr hohen Last­ strömen den Erregerfluß im Arbeitsluftspalt nicht nennenswert beeinträchtigen kann.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel bei einem solchen Relais da­ durch erreicht, daß die beiden Zuleitungen des Kontaktpaares im Anschlußbereich des Relais derart ausgekreuzt sind, daß sie mit entsprechenden Zuleitungsabschnitten eine zusätzli­ che, annähernd ebene Kompensationsstromschleife mit zur Kon­ taktstromschleife unterschiedlicher Stromrichtung bilden, wo­ bei die Hauptfeldlinien der von beiden Stromschleifen gebil­ deten Magnetflüsse sich zumindest teilweise in entgegenge­ setzter Richtung überdecken und aufheben.

Die Erfindung beruht also auf dem Gedanken, durch eine Aus­ kreuzung der Zuleitungen zu dem Kontaktpaar einerseits die Kontaktstromschleife so klein wie möglich zu machen und ande­ rerseits mindestens eine weitere Stromschleife zu bilden, die im Anschluß an die Kontaktstromschleife und in deren Verlän­ gerung liegt, so daß die annähernd räumlich hintereinander liegenden Zuleitungsabschnitte zwei Magnetfelder mit entge­ gengesetzter Feldrichtung bilden, deren schädliche Einflüsse auf den Erregerfluß im Arbeitsluftspalt sich gegenseitig auf­ heben oder zumindest auf ein unschädliches Maß reduzieren. Da die Kontaktstromschleife dem Arbeitsluftspalt in der Regel am nächsten liegt, wird man versuchen, diese möglichst klein zu machen, indem man die Kreuzungsstelle der Zuleitungen mög­ lichst nahe an die Kontakte legt; die Kompensationsstrom­ schleife ist naturgemäß größer, da sie rein theoretisch - falls keine weitere Kreuzung vorgenommen ist - bis zur Strom­ versorgung reicht. Wirksam im Bereich des Magnetsystems ist jedoch nur der unmittelbar an die Kontaktstromschleife an­ grenzende Bereich, der im Sinne der Erfindung die Kompensa­ tion bewirkt. Je nach Konstruktion des Relais und der An­ schlußführung, vorzugsweise auf einer Leiterplatte, können die Kontaktstromschleife und die Kompensationsstromschleife ganz oder teilweise in einer gemeinsamen Ebene liegen oder derart zueinander senkrecht stehen, daß ihre seitlich begren­ zenden Zuleitungsabschnitte annähernd in zwei parallelen Ebe­ nen liegen. Dies muß jedoch nicht immer vollständig der Fall sein; wichtig ist vor allem, daß durch die Lage der beiden Stromschleifen ihre jeweiligen Magnetflüsse sich im Bereich des Arbeitsluftspaltes in ausreichendem Maße kompensieren.

Die Kreuzung der Zuleitungen kann auf verschiedene Weise er­ zielt werden. So ist es denkbar, die Kontaktanschlüsse be­ reits im Relais, nämlich in dessen Sockelbereich, durchzufüh­ ren. Denkbar ist es jedoch auch, das Relais unverändert zu lassen und die Auskreuzung der Zuleitungen entweder in einer das Relais aufnehmenden Steckfassung oder auf einer Leiter­ platte durch gekreuzte Anordnung der Leiterbahnen, natürlich mit entsprechender Zwischenisolierung, zu bewerkstelligen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen an­ hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines auf einer Leiter­ platte angeordneten Relais mit gekreuzten Kontaktzuleitungen,

Fig. 2 eine Ansicht auf die Leiterplatte unterhalb des Re­ lais,

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Relais gemäß dem Stand der Technik, das auf einer Leiterplatte sitzt und pa­ rallele Kontaktzuleitungen besitzt,

Fig. 4 eine Ansicht von oben auf die Leiterplatte von Fig. 3,

Fig. 5 eine schematische Darstellung der im Arbeitsluftspalt wirkenden Magnetflüsse bei einem Relais gemäß Fig. 3,

Fig. 6 eine schematische Darstellung der im Arbeitsluftspalt wirkenden Magnetflüsse bei einem Relais gemaß Fig. 1,

Fig. 7 ein Diagramm zur Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Kontaktstroms und der Ankerbewegung bei einem Relais ge­ mäß Fig. 3,

Fig. 8 eine Fig. 7 entsprechende Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Kontaktstroms und der Ankerbewegung bei einem Relais gemäß Fig. 1,

Fig. 9 und 10 eine den Fig. 1 und 2 entsprechende Dar­ stellung eines Relais und einer Leiterplatte mit einer Aus­ kreuzung der Zuleitungen in zwei Schichten der Leiterplatte,

Fig. 11 und 12 eine den Fig. 1 und 2 entsprechende Dar­ stellung eines Relais und einer Leiterplatte mit einer Aus­ kreuzung der Kontaktzuleitungen mittels Drahtbrücken auf ei­ ner Einschicht-Leiterplatte und

Fig. 13 und 14 eine den Fig. 1 und 2 entsprechende Dar­ stellung eines Relais und einer Leiterplatte mit einer Aus­ kreuzung der Kontaktzuleitungen in einer zwischengefügten Steckfassung.

Zum Verständnis der Voraussetzungen für die Erfindung sei zu­ nächst auf die Fig. 3 verwiesen, die schematisiert einen be­ kannten Relaisaufbau zeigt, wie er etwa in der eingangs ge­ nannten WO 93/23866 ausführlich dargestellt ist. Der Über­ sichtlichkeit halber werden hier nur die für das Verständnis der Erfindung wichtigsten Teile des Relais, ohne genaue Kenn­ zeichnung von Schnittflächen und dergleichen, gezeigt. Das Relais besitzt ein Gehäuse, bestehend aus einer Grundplatte 1 und einer Kappe 2. In dem Gehäuse ist ein Magnetsystem mit einer nicht gezeigten Spule, einem Eisenkern 3 und einem be­ weglichen Anker 4 sowie einem dazwischen gebildeten Arbeits­ luftspalt 5 angeordnet. Der Anker 4 betätigt über einen nicht dargestellten Schieber eine stirnseitig sichtbare Kontaktfe­ der 6 mit einem beweglichen Kontakt 7; dieser wirkt mit einem Festkontakt 8 zusammen, der seinerseits an einem Festkontakt­ träger 9 befestigt ist. Die Kontaktfeder ist an einem Feder­ träger 10 befestigt, der in seiner Verlängerung einen An­ schlußstift 11 bildete. Der Festkontaktträger bildet in seiner Verlängerung einen Anschlußstift 12. Das Relais sitzt auf ei­ ner Leiterplatte 13 mit Leiterbahnen 14 und 15, in denen die Anschlußstifte 11 und 12 wie üblich verlötet sind.

Fließt nun beim Schließen der Kontakte 7 und 8 ein hoher Kurzschlußstrom i_K, so bilden diese Kontakte beim Schließen mit ihren Kontaktträgern 9 und 10 sowie den Anschlußstiften 11 und 12 eine Kontaktstromschleife, die im Anschlußbereich des Relais bis zur Leiterplatte eine Fläche A11 und auf der Leiterplatte zwischen den Leiterbahnen 14 und 15 eine Fläche A12 einschließt. Die Begrenzung dieser Stromflächen A11 und A12 ist jeweils durch strichpunktierte Linien a11 und a12 an­ gedeutet. Durch diese Flächen ergibt sich im Kurzschlußfall jeweils eine magnetische Induktion, nämlich die Induktion B11 in der Fläche A11 und die Induktion B12 in der Schleifenflä­ che A12. Die Gesamtinduktion im Luftspalt durch den Kurz­ schlußstrom ist demnach:

B_KS = B11 + B12.

Dieser Feldlinienverlauf ist prinzipiell in Fig. 5 darge­ stellt. Bei entsprechend ungünstiger Stromrichtung des Kurz­ schlußstroms i_K ist somit die Induktion B_KS der Induktion B_E der Erregerspule 16 entgegengesetzt, wodurch der Anker wäh­ rend der Schaltbewegung nach der ersten Kontaktberührung um einige Millisekunden verzögert wird.

Dieser Vorgang ist in einer Meßkurve in Fig. 7 gezeigt. Dar­ gestellt ist über der Zeit t der Ankerweg s von einer Start­ position P1 bis zu einer Schließ- oder Endposition P2, außer­ dem der Verlauf des Kurzschlußstroms i_K über die Kontakte. Dieser Strom erreicht im vorliegenden Beispiel kurzzeitig den Wert von -1000 A und fällt dann wieder ab. Man sieht in der Meßkurve deutlich, daß die Ankerbewegung nach der ersten Kon­ taktberührung durch den hohen Kurzschlußstrom um 3 bis 4 ms verzögert wird, wobei der Anker sogar etwas zurückfällt, be­ vor er die endgültige Schließposition P2 erreicht, in der er dann erst den vollen Kontaktdruck erzeugt. Diese Verzögerung kann zu einem Verschweißen der Kontakte führen.

Am diesem beschriebenen Effekt abzuhelfen, sind bei dem er­ findungsgemäßen Relais die Stromzuleitungen zu den Kontakten ausgekreuzt, wie dies in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Dieses Relais entspricht in seinen wesentlichen Funktionstei­ len dem bekannten Relais gemäß Fig. 2; insoweit sind auch die gleichen Bezugszeichen verwendet. Die Kontaktfeder 6 be­ sitzt auch in diesem Fall einen Federträger 10, in dessen Verlängerung ein Anschlußstift 11 in der Leiterplatte verlö­ tet ist. Der Festkontaktträger 9 jedoch ist so geführt, daß er über einen den Anschlußstift 11 kreuzenden Zuleitungsab­ schnitt 21 mit dem Anschlußstift 12 verbunden ist. Somit er­ geben sich unterschiedliche Stromschleifen, nämlich eine Kon­ taktstromschleife mit der Fläche A1, die mit der strichpunk­ tierten Linie a1 umgrenzt ist, ferner eine Kompensations­ stromschleife A21, deren Begrenzung durch die strichpunktier­ te Linie a21 dargestellt ist. Die Kompensationsstromschleife setzt sich in der Ebene der Leiterbahnen 14 und 15 mit der Stromfläche A22 fort, die durch die strichpunktierte Linie a22 umgrenzt wird.

Die Auskreuzung der Stromzuleitungen über den Zuleitungsab­ schnitt 21 bewirkt, daß in der Stromfläche A1 eine Induktion B1, in den Stromflächen A21 und A22 jedoch die dazu entgegen­ gesetzten Induktionswerte B21 und B22 erzeugt werden, so daß sich als Kurzschlußinduktion ergibt:

B_KS = B1 - B21 - B22.

Die Induktion B21 und B22 ist also der Induktion B_E der Erre­ gerspule 16 gleichgerichtet und kompensiert damit zu einem wesentlichen Teil die schädliche Induktion B1 der Kon­ taktstromschleife A1 (siehe Fig. 6).

Die in Fig. 8 gezeigte Meßkurve für einen Aufbau gemäß Fig. 1 zeigt den Erfolg der Kompensation. Im Gegensatz zu der Kurve von Fig. 7 steigt die Kurve für die Ankerbewegung s von der Startposition P1 stetig an bis zur Endposition P2. Sie wird dabei auch durch das Ansteigen des Kurzschlußstroms i_K auf -1000 A nicht beeinträchtigt. Damit kann der Anker oh­ ne Verzögerung die notwendige Kontaktkraft an den Kontakten aufbauen, so daß ein Verschweißen aufgrund des Übergangswi­ derstandes vermieden wird.

In den Fig. 9 bis 13 sind weitere Möglichkeiten für die erfindungsgemäße Auskreuzung der Stromzuleitungen gezeigt. So ist bei dem Beispiel von Fig. 9 und 10 das Relais in her­ kömmlicher Weise wie gemäß Fig. 3 aufgebaut und auf einer Leiterplatte 23 verlötet. Hierbei handelt es sich jedoch um eine Zweischicht-Leiterplatte, die auf der Oberseite eine Leiterbahn 24 und auf der Unterseite eine Leiterbahn 25 trägt. Diese Leiterbahnen 24 und 25 kreuzen einander in ihrem Verlauf, so daß eine Kompensationsstromschleife A2, begrenzt durch die strichpunktierte Linie a2, entsteht. Diese Kompen­ sationsstromschleife mit der Fläche A2 kompensiert die schäd­ liche Induktion der Kontaktstromschleifen A11 und A12, in der Darstellung jeweils begrenzt durch die strichpunktierten Li­ nien a11 und a12.

In den Fig. 11 und 12 ist eine erfindungsgemäße Auskreu­ zung an einer Einschicht-Leiterplatte gezeigt. Das Relais ist auch in diesem Fall wie in Fig. 3 aufgebaut und auf der Lei­ terplatte 33 verlötet. Diese Leiterplatte 33 trägt zwei Paare von Leiterbahnen, nämlich die Leiterbahnen 34 und 35 sowie die inselförmigen Leiterbahnen 36 und 37. Das Relais ist mit seinen Anschlußstiften 11 und 12 mit den Leiterbahnen 36 und 37 verlötet, diese wiederum sind kreuzweise über Drahtbrücken 38 und 39 mit den jeweils entfernteren Leiterbahnen 35 bzw. 34 verbunden. Auf diese Weise wird neben der Kontaktstrom­ schleife mit den Stromflächen A11 und A12 eine Kompensations­ stromschleife A2 gebildet. Die Stromflächen sind wie in den vorhergehenden Fällen wiederum mit strichpunktierten Linien a11, a12 bzw. a2 umrandet.

In den Fig. 13 und 14 ist eine weitere Möglichkeit der Auskreuzung für die Kontaktzuleitungen gezeigt. In diesem Fall ist zwischen dem herkömmlich aufgebauten Relais in dem Gehäuse 1, 2 und der ebenfalls herkömmlich aufgebauten Lei­ terplatte 13 gemäß den Fig. 3 und 4 eine Steckfassung 40 angeordnet. Das Relais ist mit seinen Anschlußstiften 11 und 12 in Kontaktelemente 43 und 44 eingesteckt, gegebenenfalls auch gelötet oder geschweißt. Diese Kontaktelemente 44 sind in der Steckfassung 40 gekreuzt angeordnet und bilden wech­ selweise gegenüberliegend jeweils in der Verlängerung der An­ schlußstifte 11 und 12 Lötanschlußstifte 41 und 42. Letztere sind dann in die Leiterplatte 13 eingesteckt und mit den Lei­ terbahnen 14 und 15 verlötet.

Analog zu den vorherigen Ausführungsbeispielen wird in diesem Fall neben der Kontaktstromschleife mit der Fläche A1 eine Kompensationsstromschleife mit den Flächen A21 und A22 gebil­ det. Auch in diesem Fall sind die Flächen jeweils mit strich­ punktierten Linien a1 sowie a21 und a22 umrandet. Die Wirkung ist die gleiche wie in Fig. 6 gezeigt.

Weitere Ausführungsformen der Kompensationsstromschleifen sind natürlich möglich und entsprechend der Konstruktion des Relais geboten. Dabei ist es durchaus denkbar, die Kontaktzu­ leitungen mehr als einmal zu kreuzen, um so Stromschleifen mit wechselnder Induktionswirkung zu erzeugen.

Claims (9)

1. Elektromagnetisches Laststromrelais mit einem Elektroma­ gnetsystem, das zwischen einem Kern (3) und einem Anker (4) mindestens einen von einem Erregerfluß durchsetzten Arbeits­ luftspalt (5) besitzt und mit mindestens einem von dem Anker (4) betätigten Kontaktpaar (7, 8), das im geschlossenen Zu­ stand mit seinen beiden Zuleitungen (9, 10) eine Kon­ taktstromschleife (A1; A11, A12) bildet, deren induzierter Magnetfluß sich dem Erregerfluß überlagert, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die beiden Zuleitungen (9, 10) des Kontaktpaares im Anschlußbereich des Relais derart ausge­ kreuzt sind, daß sie mit entsprechenden Zuleitungsabschnitten (21; 24, 25; 38, 39; 43, 44) eine zusätzliche, annähernd ebene Kompensationsstromschleife mit zur Kontaktstromschleife unterschiedlicher Stromrichtung bilden, wobei die Hauptfeld­ linien der von beiden Stromschleifen gebildeten Magnetflüsse sich zumindest teilweise in entgegengesetzter Richtung über­ decken und aufheben.

2. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kontaktstromschleife (A1; A11, A12) und die Kom­ pensationsstromschleife (A2; A21, A22) seitlich begrenzenden Zuleitungsabschnitte den Kontaktstrom zumindest teilweise in entgegengesetzt parallelen Richtungen führen.

3. Relais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die einander kreuzenden Abschnitte der Zu­ leitungen im wesentlichen lediglich durch ihren Isolierab­ stand voneinander getrennt sind.

4. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zuleitungen (11, 12, 21) im Be­ reich einer isolierenden Bodenplatte (1) des Relais gekreuzt angeordnet sind.

5. Anordnung eines Laststromrelais nach Anspruch 1 auf einer Leiterplatte, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu­ leitungen (24, 25; 38, 39) im Bereich der Leiterplatte ausge­ kreuzt sind, derart, daß die zusätzliche Stromschleife (A2) auf der Leiterplatte (23; 33) gebildet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die zusätzliche Stromschleife durch eine Drahtver­ bindung zwischen unterschiedlichen Leiterbahnen gebildet ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß bei einer Einschicht-Leiterplatte (33) die Kreu­ zung auf der Leiterschicht (34, 35) durchgeführt ist, wobei mindestens ein Zuleitungsabschnitt (38, 39) in Form eines Drahtes über einen anderen Zuleitungsabschnitt (36, 37) hin­ weggeführt ist.

8. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die einander kreuzenden Zuleitungsabschnitte (24, 25) als Leiterbahnen voneinander getrennter Schichten in ei­ ner Mehrschicht-Leiterplatte (23) gebildet sind.

9. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die einander kreuzenden Zuleitungsabschnitte (43, 44) als Leiterelemente in einer Steckfassung (40) angeordnet sind, die zwischen dem Relais und der Leiterplatte angeordnet ist.