DE19641407C1 - Bistabiles Elektromagnetsystem für ein Relais - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein bistabiles Elektromagnetsystem für ein Relais mit

• - einem eine Spule tragenden Kernjoch mit zwei Polenden,
• - einem Anker, der die Polenden des Kernjoches unter Bildung mindestens eines Arbeitsluftspaltes überbrückt und mit die­ sem einen Magnetflußkreis bildet,
• - einer den Anker in eine von dem Kernjoch abgehobene Ruhe­ stellung vorspannende Rückstelleinrichtung und
• - einen im Querschnitt verminderten Einschnürungsabschnitt des Magnetflußkreises, zu dem ein Dauermagnet parallel ge­ schaltet ist.

Ein derartiges Elektromagnetsystem ist beispielsweise aus der EP 0 686 989 A1 bekannt. Bei der dortigen bistabilen Schalt­ vorrichtung ist ein Teil des Querschnittes des Magnetkreises durch den Dauermagneten gebildet. Dies wird in der bevorzug­ ten Ausführungsform so verwirklicht, daß der Dauermagnet zwi­ schen die beiden Teile eines zweiteiligen Joches eingefügt wird und entsprechend in Jochlängsrichtung polarisiert ist, wobei der Rest des Querschnittes entweder als Luftspalt aus­ gebildet oder mehr oder weniger durch einen ferromagnetischen Abschnitt ausgefüllt wird. Durch die in Längsrichtung anein­ andergefügten zwei Jochteile mit dem zusätzlichen Dauermagne­ ten ergibt sich eine Toleranzsummierung für die Länge des Jo­ ches, und es erfordert einen zusätzlichen Fertigungsaufwand, bei dieser Konstellation eine Polfläche am Ende des Joches mit einer Polfläche am Ende des Kerns in eine gemeinsame Ebe­ ne zu bringen. In der genannten Druckschrift ist allerdings auch eine Ausführungsform vorgeschlagen, bei der ein einstückiges Joch mit einem seitlichen Einschnitt zur Aufnahme des Dauermagneten versehen werden soll. In diesem Fall ist zwar die Gesamtlänge des Joches keiner Toleranzsummierung unter­ worfen, jedoch erfordert die Einpassung des Dauermagneten in einen derartigen Einschnitt einen erheblichen Aufwand, wenn eine reproduzierbare Kopplung zwischen dem Dauermagneten und den angrenzenden Jochteilen sichergestellt werden soll.

Aus der DE 295 02 797 U1 ist eine bistabile elektrische Ma­ gnetvorrichtung bekannt, bei der ein Magnetkern von einem teilweise in Längsrichtung oder auch schräg zur Längsrichtung verlaufenden Spalt durchdrungen ist, in welchem ein in Rich­ tung der Spaltdicke polarisierter Dauermagnet angeordnet ist. In der praktischen Ausführung besteht auch dort der Kern aus zwei Kernteilen, die mittels Distanzstücken aus nichtmagne­ tisch leitendem Material auf Abstand voneinander gehalten sind. Auch dabei besteht also das oben bereits erwähnte Pro­ blem der Toleranzsummierung.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein bistabiles Elek­ tromagnetsystem der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem der Dauermagnet so eingefügt ist, daß die Gesamtkonstruk­ tion mit möglichst wenig Teilen auf möglichst einfache Weise herzustellen ist. Dabei soll die Geometrie des Magnetkreises durch die Einfügung des Dauermagneten möglichst wenig gegen­ über der Geometrie eines neutralen Magnetsystem mit ansonsten gleichem Aufbau verändert werden.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel bei dem genannten System da­ durch erreicht, daß parallel zu dem Einschnürungsabschnitt ein ferromagnetisches Brückenelement angeordnet ist, welches mit einem ersten Endabschnitt großflächig an den Magnetfluß­ kreis angekoppelt ist und mit seinem anderen, zweiten Endab­ schnitt einen Längsspalt gegenüber dem Magnetflußkreis bil­ det, in welchem der in Richtung der Spaltdicke polarisierte Dauermagnet angeordnet ist, und daß der Einschnürungsab­ schnitt derart dimensioniert ist, daß er bei geschlossenem Anker durch den Dauermagnetfluß gesättigt wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Magnetsystem wird also der Magnet­ flußkreis nicht durch die Einfügung des Dauermagneten unter­ brochen; der Dauermagnet ist also kein geometrisch bestimmen­ der Teil des Magnetkreises. Vielmehr wird der Magnetkreis, vorzugsweise das Joch, in einem zum Dauermagneten benachbar­ ten Abschnitt im Querschnitt geschwächt, so daß ein Teil des Flusses über den seitlich angekoppelten Dauermagneten und das zugehörige Brückenelement geführt wird. Das seitlich angekop­ pelte Brückenelement mit dem Dauermagneten ist auf besonders einfache Weise herstellbar und montierbar, da es hinsichtlich seiner Abmessungen keinen Einfluß auf die geometrische Ab­ stimmung zwischen Kernjoch und Anker ausübt und seine Tole­ ranzen deshalb keine Rolle spielen. Die Schwächung am Ein­ schnürungsabschnitt des Magnetflußkreises ist ebenfalls bei der Herstellung des Kernjoches oder auch des Ankers ohne gro­ ßen zusätzlichen Aufwand durch einen entsprechenden Schnitt­ stempel oder dergleichen zu bewerkstelligen.

In bevorzugter Ausführungsform besitzt das Kernjoch - in an sich bekannter Weise - eine U-förmige Gestalt mit einem die Spule tragenden Kernschenkel und einem Jochschenkel, deren freie Stirnflächen miteinander in einer Ebene fluchten, wobei ein Endabschnitt des Jochschenkels den Dauermagneten mit dem Brückenelement trägt. Dabei kann der Jochschenkel mit ent­ sprechend stufenförmigen Absätzen den Dauermagneten und das Brückenelement im Querschnitt seiner Grundkontur aufnehmen, so daß die geometrischen Abmessungen im wesentlichen genau denen eines im übrigen gleich aufgebauten neutralen Magnetsy­ stems ohne Dauermagnet entsprechen.

Obgleich in der bevorzugten Ausführungsform der Ein­ schnürungsabschnitt und der Dauermagnet mit dem Brückenele­ ment an einem Abschnitt des Kernjoches und bevorzugt im End­ bereich eines Jochschenkels vorgesehen sind, wäre die Erfin­ dung auch dadurch verwirklicht, daß der Anker einen Ein­ schnürungsabschnitt aufwiese und mit dem Dauermagneten sowie dem Brückenelement versehen würde. Zwar wird man in der Regel bestrebt sein, den beweglichen Anker mit möglichst wenig Mas­ se zu versehen, so daß die Anbringung des Dauermagneten auf dem Anker in dieser Hinsicht etwas ungünstig ist, doch sind Anwendungsfälle denkbar, bei denen dieser Umstand in Kauf ge­ nommen werden kann.

Auch ist bereits darauf hingewiesen worden, daß in der bevor­ zugten Ausführungsform das Brückenelement als Zusatzteil par­ allel zu dem den Einschnürungsabschnitt aufweisenden Ab­ schnitt des Magnetflußkreises aufgebracht wird. Auch hier wä­ re eine Abwandlung in der Weise denkbar, daß beispielsweise ein Endabschnitt des Joches mit einem Längsschlitz versehen würde, um durch eine gabelförmige Gestaltung des Joches in einem Stück den eigentlichen Jochabschnitt und parallel dazu das Brückenelement auszubilden, wobei der Dauermagnet dann zwischen diese Gabelenden eingeklemmt würde. Der Hauptpfad des Jochabschnittes müßte dann mit einer Querschnittsvermin­ derung bzw. Einschnürung versehen werden, was beispielsweise durch eine Bohrung senkrecht zur Längsausdehnung des Joches erfolgen könnte. Fertigungsmäßig dürfte jedoch in der Regel die Ausführung mit einem getrennt hergestellten und nachträg­ lich aufgebrachten Brückenelement günstiger sein. Das Brüc­ kenelement kann an dem Magnetkreisabschnitt, also beispiels­ weise dem Jochschenkel, mit einer der herkömmlichen Methoden befestigt werden, beispielsweise durch Kleben, Punktschweißen oder Laserschweißen.

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

Fig. 1 ein erfindungsgemäß gestaltetes Relais-Magnetsystem (ohne Kontaktanordnung) in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 die Eisenkreisteile des Relais von Fig. 1 in Explo­ sionsdarstellung,

Fig. 3 und 4 das Magnetsystem von Fig. 1 in einer Seitenan­ sicht (Spule und Kern im Längsschnitt) sowie in einer Drauf­ sicht und

Fig. 5 die schematische Darstellung eines abgewandelten, zweiten Ausführungsbeispiels.

Das in den Fig. 1 bis 4 gezeigte Magnetsystem besitzt ein U-förmiges Kernjoch 1 mit einem Kernschenkel 2 und einem Jochschenkel 3, deren stirnseitige Endflächen 4 und 5 in ei­ ner Ebene miteinander fluchten. Der Kernschenkel 2 trägt ei­ nen Spulenkörper 6 mit einer Wicklung 7. Außerdem ist an der Stirnfläche 4 des Kerns, oder genauer gesagt, in einer Kerbe zwischen der Stirnfläche 4 und einem Fortsatz 8 des Spulen­ körpers ein plattenförmiger Anker 9 schwenkbar gelagert, der mit der Stirnfläche 5 des Jochschenkels als Polfläche einen Arbeitsluftspalt bildet. Mittels einer Rückstellfeder 10, die beiderseits am Fortsatz 8 des Spulenkörpers eingehängt ist und in einer Ausnehmung 11 an der Außenseite des Ankers an­ greift, wird der Anker in seine Ruhelage von dem Jochschenkel weg nach außen vorgespannt.

Der Jochschenkel 3 ist nahe seinem freien Ende mit einer Aus­ nehmung 12 versehen und bildet auf diese Weise einen Ein­ schnürungsabschnitt 13 in Form von zwei schmalen seitlichen Stegen. Dieser Einschnürungsabschnitt könnte aber natürlich auch auf andere Weise gestaltet sein. Wichtig ist, daß dieser Einschnürungsabschnitt nur eine gewisse Menge an Magnetfluß bis zu seiner Sättigung aufnehmen kann und so den zusätzli­ chen Magnetfluß auf einen Parallelkreis zwingt, der durch ei­ nen flachen Dauermagneten 14 und ein ferromagnetisches Brüc­ kenelement 15 gebildet ist. Zur geometrischen Unterbringung dieser Parallelkreiselemente ist der Jochschenkel 3 mit zwei Abstufungen 16 und 17 versehen. An der ersten Abstufung 16 ist das Brückenelement 15 so eingefügt, daß die Gesamtdicke des Jochschenkels an dieser Stelle mit dem Brückenelement der Grunddicke des Jochschenkels 3 entspricht. Durch die zweite Abstufung 17 wird zwischen dem Brückenelement 15 und dem En­ dabschnitt des Jochschenkels 3 ein Spalt gebildet, in welchem der Dauermagnet 14 mit einer quer zur Spaltlänge und zur Spaltbreite gerichteten Polarisierung angeordnet ist. Das be­ deutet, daß der Dauermagnet mit einem Pol an dem Endabschnitt des Jochschenkels 3 und mit seinem entgegengesetzten Pol an dem Brückenelement 15 angekoppelt ist. Zum Ausgleich der durch die Abstufung 16 und 17 verminderten Dicke des Joch­ schenkels im Endbereich ist dieser Endabschnitt 18 verbrei­ tert, so daß er einen ausreichenden Querschnitt und eine ge­ nügend große Polfläche 5 für den Erreger- und den Haltefluß aufweist. Entsprechend ist auch das Brückenelement 15 in dem dem Endabschnitt 18 gegenüberliegenden Bereich verbreitert, so daß der Steuerfluß über eine große Luftspaltfläche durch den Dauermagneten hindurch und neben dem Dauermagneten von dem Endabschnitt 18 zu dem Brückenelement 15 übertreten kann. Wie dargestellt, ist der Dauermagnet sehr flach und in Rich­ tung seiner kurzen Achse polarisiert. Er kann beispielsweise eine Dicke in der Größenordnung von 0,3 mm besitzen.

Die Funktion des beschriebenen Magnetsystems ergibt sich aus der Anordnung der einzelnen Teile. In dem dargestellten uner­ regten Zustand wird der Anker durch die Rückstellfeder 10 in den abgefallenen Zustand vorgespannt. Der Fluß des Dauerma­ gneten 14 schließt sich über den Endabschnitt 18, sowie den Einschnürungsabschnitt 13 des Jochschenkels 16 und das Brückenelement 15, während der Streufluß über die Polfläche 5 und den Arbeitsluftspalt zum Anker nicht ausreicht, den Anker entgegen der Rückstellkraft der Feder 10 anzuziehen.

Wird in der Spule eine Erregung erzeugt, die im Arbeits­ luftspalt sich dem Dauermagnetfluß gleichsinnig überlagert, so wird der Anker angezogen. Nach Abschalten der Erregung bleibt der Anker angezogen, da der Einschnürungsabschnitt 13 des Jochschenkels in Sättigung geht und somit genügend Dauer­ magnetfluß über den Anker fließt, um diesen entgegen der Rückstellkraft der Feder 10 angezogen zu halten.

Wird die Spule dann aber entgegengesetzt erregt, wobei auf­ grund der Sättigung im Einschnürungsbereich 13 ein Teil des Erregerflusses über den Magneten geht und diesen schwächt, überlagert sich der Erregerfluß dem Dauermagnetfluß im Luftspalt entgegengesetzt und bringt so den Anker mit Unter­ stützung der Rückstellfeder 10 zum Abfallen. Dabei reicht ei­ ne relativ schwache Rückstellfeder 10 bereits aus, um den An­ ker in der abgefallenen Position zu halten.

Durch die einstückige Gestaltung des Kernjoches sind die Polfläche 5 und die Stirnfläche 4 des Kerns auf einfache Wei­ se in eine Ebene zu kalibrieren, da der zusätzlich aufge­ brachte Dauermagnet 14 mit dem Brückenelement keinen Einfluß auf die Geometrie zwischen Kernjoch und Anker hat. Die Stirn­ fläche 19 des Brückenelementes ist so weit vom Anker ent­ fernt, daß sie nicht als Polfläche wirkt. Allenfalls könnte durch den Abstand dieser Stirnfläche vom Anker der Streufluß beeinflußt werden, um eine Feinabstimmung im Ansprechverhal­ ten des Magnetsystems zu erreichen. Im übrigen ist es für die Fertigung am einfachsten, den Jochschenkel bei der Herstel­ lung des Kernjoches durch Prägen mit den Abstufungen 16 und 17 zu versehen und nachträglich das Brückenelement einzubrin­ gen. Der Dauermagnet wird dabei zweckmäßigerweise zuerst auf das Brückenelement aufgebracht, beispielsweise geklebt, und dann wird das Brückenelement an dem Jochschenkel befestigt. Auch in diesem Fall ist eine Klebebefestigung die bevorzugte Montageart. Es wäre aber auch eine Punktschweißung oder eine Laserschweißung möglich. Das Magnetsystem kann in an sich be­ kannter Weise in einem Relais eingesetzt werden, wobei die nicht dargestellten Kontaktfedern über einen Schieber durch das freie Ende des Ankers betätigt werden können.

In Fig. 5 ist schematisch eine andere Ausführungsmöglichkeit gezeigt. In diesem Fall ist ebenfalls ein U-förmiges Kernjoch 21 mit einem Kernschenkel 22 und einem Jochschenkel 23 ge­ zeigt, wobei der Kernschenkel eine Spulenwicklung 24 trägt. Ein Anker 25 ist an der Stirnseite des Jochschenkels 23 gela­ gert und über eine Ankerfeder 26 gehalten bzw. in seine Ruhe­ lage vorgespannt. Mit dem freien Ende des Kernschenkels 22 bildet der Anker den Arbeitsluftspalt. In diesem Fall besitzt der Anker einen Einschnürungsabschnitt bzw. einen im Quer­ schnitt geschwächten Abschnitt 29, der in der Seitenansicht nicht sichtbar und deshalb nur gestrichelt angedeutet ist. Vor diesem Einschnürungsabschnitt 26 ist auf dem freien Ende des Ankers ein Dauermagnet 27 mit einer quer zur Längsausdeh­ nung verlaufenden Polarisierung angeordnet, über dem ein fer­ romagnetischen Brückenelement 28 den oberen Pol des Dauerma­ gneten parallel zum Einschnürungsabschnitt 29 an das gelager­ te Ende des Ankers 25 ankoppelt. Das Brückenelement 28 ist in diesem Fall als einfache Platte ausgebildet, während der An­ ker einen Stufenabsatz mit der Dicke des Dauermagneten 27 aufweist. Denkbar wäre es aber auch, den Anker 25 mit dem Brückenelement 28 in einem Stück herzustellen und mit einem Schlitz von der Dicke des Dauermagneten 27 zu versehen und nachträglich den Dauermagneten in diesen Schlitz einzuklem­ men. Auch in diesem Fall müßte eine Ausnehmung zur Bildung des Einschnürungsabschnittes 29 in den unteren, den Hauptfluß aufnehmenden Teil des Ankers eingebracht werden.

Claims (9)

1. Bistabiles Elektromagnetsystem für ein Relais mit

• - einem eine Spule (7; 24) tragenden Kernjoch (1; 21) mit zwei Polenden (4, 5),
• - einem Anker (9; 25), der die Polenden des Kernjoches (1; 21) unter Bildung mindestens eines Arbeitsluftspaltes über­ brückt und mit diesem einen Magnetflußkreis bildet,
• - einer den Anker (9; 25) in eine von dem Kernjoch (1; 21) ab­ gehobene Ruhestellung vorspannende Rückstelleinrichtung (10; 26) und
• - einem im Querschnitt verminderten Einschnürungsabschnitt (13; 29) des Magnetflußkreises, zu dem ein Dauermagnet (14; 27) parallel geschaltet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem Einschnürungsabschnitt (13; 29) ein ferromagnetisches Brückenelement (15; 28) angeordnet ist, welches mit einem er­ sten Endabschnitt großflächig an den Magnetflußkreis (2, 3, 9; 22, 23, 25) angekoppelt ist und mit seinem anderen, zweiten Endabschnitt einen Längsspalt gegenüber dem Magnet­ flußkreis bildet, in welchem der in Richtung der Spaltdicke polarisierte Dauermagnet (14; 27) angeordnet ist, und daß der Einschnürungsabschnitt (13; 29) derart dimensioniert ist, daß er bei geschlossenem Anker (9; 25) durch den Dauerma­ gnetfluß gesättigt wird.

2. Magnetsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kern­ joch (1; 21) eine U-förmige Gestalt mit einem die Spule tra­ genden Kernschenkel (2; 22) und einem Jochschenkel (3; 23) auf­ weist, deren freie Stirnflächen (4, 5) miteinander in einer Ebene fluchten, und daß ein Endabschnitt (18) des Jochschen­ kels (3) den Dauermagneten (14) mit dem Brückenelement (15) trägt.

3. Magnetsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Joch­ schenkel (3) im Auflagebereich des Dauermagneten (14) eine verringerte Dicke und eine vergrößerte Breite aufweist.

4. Magnetsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Joch­ schenkel (3) gegenüber seinem Grundquerschnitt in seiner Dicke zweimal stufenförmig abgesetzt ist, wobei in dem ersten Stufenabsatz (16) das Brückenelement (15) und in dem zweiten Stufenabsatz (17) das Brückenelement (15) mit dem Dauermagne­ ten (14) an den Jochschenkel (3) gekoppelt ist.

5. Magnetsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stu­ fenabsätze (16, 17) des Jochschenkels (3) derart dimensioniert sind, daß die jeweilige Dicke des Jochschenkels (3) mit dem Brückenelement (15) und gegebenenfalls mit dem Dauermagneten (14) der Grunddicke des Kernjoches (1) entspricht.

6. Magnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der an den Dauermagneten (14) grenzende Abschnitt (18) des Jochschenkels (3) mit seiner Stirnseite (5) einen Arbeitsluftspalt mit dem Anker (9) bildet und daß das Brückenelement (15) eine gegen­ über dem Jochschenkel (3) zurückgesetzte Stirnseite (19) auf­ weist.

7. Magnetsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ein­ schnürungsabschnitt (29), der Dauermagnet (27) und das Brückenelement (28) auf dem Anker (25) vorgesehen sind.

8. Magnetsystem nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Brückenelement (15; 28) einstückig mit dem zugehörigen Abschnitt des Magnetkreises (3; 25) ausgebildet ist und daß der Dauerma­ gnet (14; 27) in einem Längsschlitz des Abschnittes angeordnet ist.