DE19653105C1 - Elektromagnetisches Relais für hohe Wärmebelastung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Relais mit

• - einem einen Spulenkörper mit Wicklung tragenden, U-förmigen Kernjoch,
• - einem die freien Enden des Kernjoches in Abhängigkeit von der Spulenerregung überbrückenden flachen Anker,
• - einer im Bereich des Ankers in einer zu diesem parallelen Ebene angeordneten Schaltfeder in Form eines langgestreck­ ten Streifens, welche mit ihrem einen Ende befestigt ist und an ihrem anderen Ende mindestens ein bewegliches Kon­ taktelement trägt, und
• - mit mindestens einem Paar von feststehenden Gegenkontakte­ lementen, welche durch die Schaltfeder in einer seiner Schaltpositionen überbrückt werden.

Ein derart einfach aufgebautes Relais mit einem als Grundkör­ per dienenden Spulenkörper, einem U-förmigen Kernjoch und ei­ nem plattenförmigen Anker ist beispielsweise aus dem Dokument WO 90/09028 bekannt. Die Schaltfeder ist dort unmittelbar mit dem Anker verbunden und außerdem über einen abgewinkelten Ab­ schnitt am Joch verschweißt. Sie dient also sowohl als Anker­ lagerfeder als auch als elektrischer Anschluß für die beweg­ lichen Kontakte.

Beim Einsatz derartiger bekannter Relais mit hoher Wärmebela­ stung, nämlich bei hoher Umgebungstemperatur und/oder mit ho­ her Eigenerwärmung durch den Spulenstrom und/oder einen hohen Laststrom, müssen bisher die Querschnitte für den Lastkreis überdimensioniert werden, um die Verlustleistung klein zu halten, außerdem muß die Spule für eine kleine Verlustlei­ stung mit einem hohen Wickeldrahtvolumen ausgelegt werden. Die bei dem herkömmlichen Aufbau erforderliche Kontakt- und Ankerrückstellfeder muß aus einem Werkstoff mit geringem Re­ laxationsverhalten bei hohen Temperaturen, d. h. beispielswei­ se aus einem teuren berylliumlegierten Kupfer-Federwerkstoff ausgeführt sein. Diese Parameter begrenzen physikalisch die Miniaturisierung von elektromechanischen Relais für große La­ sten bei hoher Umgebungstemperatur.

Aus der DE 689 08 162 T2 ist ein Verfahren zur Herstellung von keramischen Produkten, insbesondere von keramischen Fe­ dern bekannt. Derartige keramische Federn sind bekanntlich widerstandsfähig gegen Wärmebelastung, doch ist dort keine spezielle Anwendung für solche Produkte beschrieben.

In der DE 23 48 423 B2 ist weiterhin ein Relais mit einem Spulenkörper beschrieben, in dessen Flansch eine Ausnehmung zur Aufnahme eines mit einer Betätigungskarte zusammenwirken­ den Flachankers vorgesehen ist. Das dort beschriebene Relais besitzt ein polarisiertes Magnetsystem spezieller Ausgestal­ tung, doch sind keine besonderen Merkmale vorgesehen, um das Relais für hohe Wärmebelastung auszulegen.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Relais der ein­ gangs genannten Art mit einem möglichst einfachen Aufbau und möglichst wenig Einzelteilen herzustellen, wobei die Einzel­ teile eine einfache Form besitzen und mit möglichst wenig Be­ arbeitung ineinandergefügt werden können, so daß auch preis­ werte Materialien zum Einsatz kommen können und trotzdem das Volumen je nach Einsatzfall klein gehalten werden kann. Dabei soll das Relais insbesondere für Anwendungen mit hoher Wärme­ belastung geeignet sein.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel bei einem Relais der ein­ gangs genannten Art dadurch erreicht, daß die Schaltfeder aus einem hochisolierenden Material mit hoher Federsteifigkeit und geringem Relaxationsverhalten bei hohen Temperaturen be­ steht, daß die Schaltfeder an ihrem kontaktgebenden Ende ein Brückenkontaktelement aus hochleitfähigem Material trägt und daß der Anker beim Schalten unmittelbar an der Schaltfeder angreift.

Bei dem erfindungsgemäßen Relais braucht die Schaltfeder also selbst keinen Laststrom zu leiten, da dieser nur über den Brückenkontakt an ihrem Ende fließt. Sie braucht auch keine Lagerfunktion für den Anker zu übernehmen, muß deshalb auch nicht gebogen zu werden und kann deshalb aus verhältnismäßig steifem Material in einfachster Formgebung ohne nachträgliche Bearbeitung hergestellt werden. In Betracht kommen dabei hochtemperaturfeste Kunststoffmaterialien, vorzugsweise aber ein Keramikmaterial.

In einer vorteilhaften Ausführungsform besteht die Kontaktfe­ der deshalb aus einem planen Keramikstreifen von langge­ strecktem, rechteckigem oder nahezu rechteckigem, beispiels­ weise auch trapezförmigem, Querschnitt. Sie ist vorzugsweise auch unabhängig vom Anker an einem feststehenden Teil des Re­ lais, vorzugsweise am Spulenkörper, befestigt, wobei der An­ ker nicht mit ihr verbunden ist, sondern bei Erregung des Re­ lais mit einem Befestigungsabschnitt auf sie drückt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dient ein Spulen­ körper als Grundkörper, der die Spule zwischen zwei Spulen­ flanschen trägt; das Kernjoch bildet einen Kernschenkel und einen dazu parallelen Jochschenkel, deren freie Enden im Be­ reich eines ersten Spulenflansches fluchten, der Anker ist in dem ersten Spulenflansch frei beweglich gelagert und die Schaltfeder ist an diesem ersten Spulenflansch befestigt. Günstig ist dabei eine Anordnung, bei der der Anker in einer zur Spulenachse annähernd senkrechten Ebene angeordnet ist und mit den Stirnseiten des Kernschenkels und des Jochschen­ kels zwei Arbeitsluftspalte bildet, wobei die Schaltfeder in einem peripheren Bereich des ersten Spulenflansches befestigt ist, sich zwischen den Endabschnitten des Kernschenkels und des Jochschenkels hindurch erstreckt, dabei den Anker in ei­ ner zu ihm annähernd parallelen Ebene kreuzt und in einem zur Befestigungsstelle entgegengesetzten peripherem Bereich die Kontaktbrücke trägt.

Je nach den Anforderungen an die Temperaturbeständigkeit kann auch der Spulenkörper entweder aus einem hochgefüllten Kunst­ stoff oder vorzugsweise ebenfalls aus Keramik hergestellt sein. Die Schaltfeder wird dabei vorzugsweise in einem Schlitz des ersten Spulenflansches befestigt, beispielsweise durch eine Hartlötung. Zur Erzeugung einer Verspannung der Schaltfeder zum Anker hin kann sie in dem Schlitz schräg be­ festigt werden. Eine besonderes einfache Konstruktion ergibt sich weiterhin dadurch, daß der Anker ohne Lagerbefestigung in Form einer mehr oder weniger rechteckigen Platte in einer Ausnehmung des ersten Spulenflansches angeordnet und durch Haltenasen gesichert ist. Eine unverlierbare Halterung des Ankers läßt sich vorzugsweise dadurch erzielen, daß er eine Sollbiegestelle aufweist, durch die er in einem leicht ge­ knickten Zustand zwischen Haltenasen eingesetzt und durch nachträgliches Biegen in einen gestreckten Zustand gebracht wird.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein erfindungsgemäß gestaltetes Relais in perspekti­ vischer Darstellung,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der Einzelteiles des Relais,

Fig. 3 und 4 zwei Schnittansichten des Relais mit zueinan­ der senkrechten Schnittebenen und

Fig. 5 die Schnittansicht von Fig. 4 mit einer Darstellung der Ankermontage.

Das in der Zeichnung dargestellte Relais besitzt einen Spu­ lenkörper 1 aus Keramikmaterial, der zugleich als Grundkörper und Träger für die Funktionselemente dient. Auf dem Spulen­ körper 1 ist eine Spulenwicklung 2 aufgebracht; sie wird durch einen ersten Flansch 3 und einen zweiten Flansch 4 be­ grenzt. Ein U-förmiges Kernjoch 5 ist mit einem Kernschenkel 6 durch eine Axialöffnung 7 des Spulenkörpers 1 gesteckt, während sich ein Jochschenkel 8 parallel dazu neben der Spule erstreckt. Der Kernschenkel 6 und der Jochschenkel 8 bilden miteinander fluchtende stirnseitige Polflächen 6a und 8a, die mit einem plattenförmigen Anker 9 zwei Arbeitsluftspalte bil­ den.

Der Spulenkörper 1 besteht aus Keramikmaterial und ist vor­ zugsweise im Pulverspritzgießverfahren hergestellt. An dem zweiten Flansch 4 sind außerdem zwei Spulenanschlüsse 1a un­ mittelbar angeformt, so daß sie mit den Wicklungsenden 2a der Spule 2 direkt umwickelt werden können. Dadurch kann der tem­ peraturfeste Spulenkörper 1 unmittelbar in eine Leiterplatte eingelötet werden.

Im ersten Spulenflansch 3 sind in der Nähe der Unterseite zwei schubladenartige Schächte 10 und 11 eingeformt, in die von entgegengesetzten Seiten her zwei Gegenkontaktträger 12 und 13 mit Gegenkontakten 12a und 13a eingeschoben sind. Au­ ßerdem ist eine Keramikfeder als Schaltfeder 14 von einfacher rechteckiger Form vorgesehen, die mit einem Ende im oberen Bereich des ersten Spulenflansches 3 in einem dort ausgebil­ deten Schlitz 15 fixiert ist. Die Befestigung kann dabei bei­ spielsweise durch Lötung, durch Verguß oder mittels Keramik­ kitt vorgenommen sein. An ihrem anderen Ende trägt die Schaltfeder 14 ein querliegendes Kontaktband, welches als Brückenkontakt 14a mit den beiden feststehenden Gegenkontak­ ten 12a und 13a zusammenwirkt, diese also beim Anziehen des Ankers überbrückt. Der Brückenkontakt 14a kann durch eine Lö­ tung mit der in diesem Bereich vorgalvanisierten Schaltfeder 14 verbunden werden. Die plane Schaltfeder 14 ist so nach au­ ßen stehend schräg eingespannt, daß sie eine Vorspannung zum Anker hin erfährt und für diesen die erforderliche Rückstell­ kraft liefert.

Der Anker 9 ist in einer freigesparten Ausnehmung 16 des Spu­ lenkörperflansches 3 frei beweglich angeordnet und durch An­ schläge sowie Haltenasen 17, 18 und 19 allseitig unverlierbar gesichert. In der Mitte besitzt er eine ballige Druckwarze 20, mit der er im Kreuzungspunkt die um 90° zur Längsausdeh­ nung des Ankers gedreht angeordnete Schaltfeder betätigt. Bei dem dargestellten Beispiel wird die Kraft des Magnetsystems etwa mit einem Übersetzungsverhältnis von 2 : 1 auf den Brückenkontakt 14a übertragen. Im nicht erregten Zustand des An­ kers 9 drückt die Feder 14 den Anker gegen die Anschlagnasen 17, 18 und 19.

Die Montage des Ankers 9 erfolgt gemäß der schematischen Dar­ stellung in Fig. 5 in der Weise, daß er zunächst V-förmig abgewinkelt wird (Zustand 9-1); in diesem Zustand ist die Länge lx des Ankers im Bereich einer seitlichen Ausnehmung 21 so verkürzt, daß lx kleiner ist als die Länge l1, welche die Öffnungslänge der Ausnehmung 16 an der Haltenase 19 bezeich­ net. Der Anker kann in dem Zustand 9-1 also an der Haltenase 19 vorbei in die Ausnehmung 16 eingesetzt werden. Danach wird der Anker durch den Angriff einer Kraft F von der Rückseite der Betätigungswarze 20 her entlang einer durch Einschnürun­ gen 22 gebildeten Sollbiegestelle solange verformt, bis ein vorgegebener Überhub erreicht ist; in diesem Zustand ist er annähernd plan und nimmt die Länge l2 an. Mit dieser Länge l2 ist er unverlierbar hinter den Haltenasen 17, 18 und 19 gehal­ ten.

Bei diesem beschriebenen Montageschritt wird der Zeitpunkt des Schließens der Kontakte erfaßt, so daß durch ein defi­ niertes Überdrücken der erforderliche Überhub als Kontaktab­ brandsicherheit eingestellt wird. Durch die gekreuzte Anord­ nung der Schaltfeder 14 zum Anker, wobei die Schaltfeder 14 zwar in einer parallelen Ebene zum Anker, jedoch mit ihrer Längenausdehnung um 90° gegenüber der Längenausdehnung des Ankers verdreht angeordnet ist, wird sichergestellt, daß kei­ ne inneren Befestigungsspannungen in der relativ spröden, aber trotzdem ausreichend federnden Keramik-Schaltfeder ent­ stehen, die zu einem Bruch führen könnten. Durch diese er­ wähnte gekreuzte Anordnung der Feder zum Anker ist auch die Anordnung des Ankers zu den beiden Polflächen 6a und 8a nicht beeinträchtigt, da die Schaltfeder 14 in dem freien Bereich zwischen den Endabschnitten des Kernschenkels 6 und des Joch­ schenkels 8 liegt.

In den Fig. 3 und 4 sind Schnitte III-III und IV-IV in Längs- und Querrichtung dargestellt. Durch die im ersten Spu­ lenflansch 3 liegenden Funktions- und Anlageebenen der Funk­ tionsteile des Relais ist eine hohe Genauigkeit der mechani­ schen Kennwerte des Relais gegeben, so daß auf eine Justie­ rung verzichtet werden kann. Da eine Relaxation und somit ei­ ne spätere Veränderung der mechanischen Kennwerte bei hohen Temperaturen nicht zu erwarten ist, können kleinere Wege und Kräfte als bei herkömmlich aufgebauten Relais bei gleicher Lebensdauer vorgesehen werden. Ein Vorhalten dieser Parameter ist also nicht erforderlich. Das Relais kann bei höheren Tem­ peraturen mit einer niederohmigen Spule betrieben werden; es können im Vergleich zu herkömmlichen Relais bei höheren Tem­ peraturen auch kleinere Querschnitte für den elektrischen Lastkreis und den Magnetkreis verwendet werden, wodurch weni­ ger Material verbraucht wird. Damit kann es auch an exponier­ ten Stellen mit hohen Umgebungstemperaturen eingesetzt wer­ den.

Wenn die Temperaturbeanspruchung nicht allzu hoch ist und ein gesintertes Keramik-Basisteil für den Spulenkörper nicht er­ forderlich ist, kann auch ein Spulenkörper aus einem hochge­ füllten thermoplastischen Kunststoff, zum Beispiel mit mine­ ralischen, keramischen oder Glas-Füllstoffen, eingesetzt wer­ den. Natürlich kann das Relais bei Bedarf auch mit SMT-Anschlüssen versehen werden. Auch kann die Kontaktanordnung statt des dargestellten Brücken-Schließers einen Brücken-Öffner oder einen Brücken-Wechsler bilden.

Claims (11)

1. Elektromagnetisches Relais mit

• - einem einen Spulenkörper mit Wicklung (2) tragenden, U-förmigen Kernjoch (5),
• - einem die freien Enden (6a, 8a) des Kernjoches (5) in Abhän­ gigkeit von der Spulenerregung überbrückenden flachen Anker (9),
• - einer im Bereich des Ankers (9) in einer zu diesem annä­ hernd parallelen Ebene angeordneten Schaltfeder (14) in Form eines langgestreckten Streifens, welche mit ihrem ei­ nen Ende befestigt ist und an ihrem anderen Ende mindestens ein bewegliches Kontaktelement (14a) trägt, und
• - mit mindestens einem Paar von feststehenden Gegenkontakte­ lementen (12, 13), welche durch die Schaltfeder (14) in ei­ ner seiner Schaltpositionen überbrückt werden,
  dadurch gekennzeichnet,
  daß die Schaltfeder (14) aus einem hochisolierenden Material mit ho­ her Federsteifigkeit und geringem Relaxationsverhalten bei hohen Temperaturen besteht,
  daß die Schaltfeder (14) an ihrem kontaktgebenden Ende ein Brückenkontaktelement (14a) aus hochleitfähigem Material trägt und
  daß der Anker (9) beim Schalten unmittelbar an der Schaltfe­ der (14) angreift.

2. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalt­ feder (14) aus Keramikmaterial besteht.

3. Relais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltfeder (14) unabhängig vom Anker (9) an einem festste­ henden Trägerkörper (1) befestigt ist und daß der Anker (9) bei Erregung des Relais mit einem Betätigungsabschnitt (20) auf sie drückt.

4. Relais nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Spu­ lenkörper (1) als Grundkörper die Spule (2) zwischen zwei Spulenflanschen (3, 4) trägt, daß das Kernjoch (5) einen Kern­ schenkel (6) und einen dazu parallelen Jochschenkel (8) bil­ det, deren freie Enden (6a, 8a) im Bereich eines ersten Spu­ lenflansches (3) fluchten,
daß der Anker (9) in dem ersten Spulenflansch (3) frei beweg­ lich gelagert ist und
daß die Schaltfeder (14) an dem ersten Spulenflansch (3) be­ festigt ist.

5. Relais nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (9) in einer zur Spulenachse annähernd senkrechten Ebene an­ geordnet ist und mit den Stirnseiten (6a, 8a) des Kernschen­ kels (6) und des Jochschenkels (8) Arbeitsluftspalte bildet, daß die Schaltfeder (14) in einem peripheren Bereich des er­ sten Spulenflansches (3) befestigt ist, sich zwischen den En­ dabschnitten des Kernschenkels (6) und des Jochschenkels (8) hindurch erstreckt, dabei den Anker (9) in einer zu ihm annähernd parallelen Ebene kreuzt und in einem zur Befesti­ gungsstelle entgegengesetzten peripheren Bereich des Spulen­ flansches (3) die Kontaktbrücke (14a) trägt.

6. Relais nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulen­ körper (1) aus Keramikmaterial besteht und in seinem ersten Spulenflansch (3) einen Schlitz (15) zur Befestigung der Schaltfeder (14) aufweist.

7. Relais nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz (15) die Schaltfeder (14) schräg einspannt und sie dadurch zum Anker (9) hin vorspannt.

8. Relais nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (9) als eine in der Grundform rechteckige Platte ausgebildet ist, die ohne Lagerbefestigung zwischen Haltenasen (17, 18, 19) begrenzt ist.

9. Relais nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (9) allseitig in Hinterschneidungen der Haltenasen (17, 18, 19) angeordnet und durch plastische Deformation entlang einer Sollbiegestelle (22) unverlierbar montiert ist.

10. Relais nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Spulenkörper (1) einstückig Spulenanschlußstifte (1a) ange­ formt sind, an denen die Wicklungsenden (2a) der Spule (2) befestigt sind.

11. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (9) mit einer angeformten Betätigungswarze (20) die Schaltfe­ der (14) an einer definierten Stelle betätigt.