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Elektromagnetisches Relais
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Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Relais mit einem die
Erregerwicklung tragenden Joch und einem gegenüber den Polflächen des Joches beweglich
angeordneten Anker, wobei ein Hebel vorgesehen ist, bei dem das freie Ende des Kraftarmes
unter der Krafteinwirkung der einen Polfläche des Joches und das freie Ende des
Lastarmes mit der beweglichen Kontaktfeder eines Kontaktfedersystems in kraftschlüssiger
Verbindung steht.
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Bei derartigen Relais tritt häufig die Forderung auf, daß der Verstellweg
der beweglichen Kontaktfeder des Kontaktfedersystems größer sein soll als der Verstellweg
des der einen Polfläche des Joches gegenüberliegenden Teiles des Ankers.
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Dieser I1orderung entsprechen die bekannten Winkelankerrelais, bei
denen der Anker eilen abgewinkelten, zweiarmigen Hebel darstellt, dessen Kraftarm
kürzer ist als der an der beweglichen Kontaktfeder angreifende Lastarm, so daß der
Verstellweg des die bewegliche Kontaktfeder des Kontaktfedersystems betätigenden
Endes des Lastarmes größer ist als der terstellweg des der einen Polfläche des Joches
gegenüberliegenden Endes des Kraftarmes. Diese bekannten Winkelankerrelais weisen
jedoch den Nachteil auf, daß das Verhältnis von Lastarm zu Kraftarm und damit die
Untersetzung der für die Betätigung der beweglichen Kontaktfeder zur Verfügung stehenden
Kraft über den gesamten Ankerhub konstant ist, so daß der Wirkungsgrad solcher Relais
gering ist. Da die auf den Kraftarm in der Ruhelage des Ankers von der bezügli dien
Polfl k eausgeübte Anzugskraft so groß sein muß, daß der Lastarm mit Sicherheit
eine Verstellbewegung der beweglichen Kontaktfeder herbeiführt und die von der Polfläche
auf den Kraftarm ausgeübte Kraft im Zuge der Verstellbewegung im allgemeinen quadratisch
anwächst, bleiben die -bei kleinen Luftspalten, also bei kleinen ntfernungen des
Kraftarmes
von der Polfläche des Joches auftretenden Iiräfte ungenützt, da diese bei Annäherung
des Kraftarmes an die Polfläche des Joches wesentlich höher sind als es für die
Betätigung der beweglichen Kontaktfeder erforderlich wäre.
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Das Ziel der Erfindung besteht darin, den dargelegten Nachteil der
bekannten elektromagnetischen Relais zu vermeiden und ein elektromagnetisches Relais
zu schaffen, bei dem die vor allem bei kleinen Luftspalten auftretenden Kraftreserven
ausgenützt werden.
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Erfindungsgemäß ist das Verhältnis von Lastarm zu Kraftarm des Hebels
in Abhangigkeit voi Verstellweg des Kraftarmes veränderbar ausgebildet.
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Dadurch wird erreicht, daß sich im Zuge der Verstellbewegungen das
Ubersetzungsverhaltnis in dem jeweils gewünschten Sinne ändert, so daß ein optimaler
Zusammenhang zwischen den Verstellwegen und den auftretenden bzw. ausgeübten Kräften
erzielt werden kann.
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Vorteilhafterweise wird das Verhältnis von Lastarm zu Kraftarm mit
abnehmendem Abstand des Kraftarmes von der Polfläche des Joches vergrößert.
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Durch diese Maßnahme werden vor allem die bei kleinen Luftspalten
auftretenden Kraftreserven für ein Ubersetzungsverhältnis ausgenützt, das wesentlich
größer ist als das ffbersetzungsverhältnis zu Beginn der Verstellbewegung, so daß
zur Erzielung großer Verstellwege der beweglichen Kontaktfeder bei kleinen Verstellwegen
des Kraftarmes kleinste Luftspalte an den die Verstellbewegung des Kraftarmes herbeiführenden
Polflächen ermöglicht werden.
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Darüber hinaus ist eine optimale funktionelle Abhängigkeit zwischen
der an sich veränderlichen Verstellkraft der beweglichen Kontaktfeder und der gleichfalls
im Zuge der Verstellbewegung des Kraftarmes veränderlichen Anzugskraft des Joches
erzielbar.
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Die inderunu des Verhältnisses von Lastarm zu Kraftarm kann auf Grund
vielfacher an sich bekannter Maßnahmen erfolgen.
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Nach einer vorteilhaften Variante ist ein den Hebel in einen Lastarm
und einen Kraftarm aufteilender Stützkörper für den Hebel vorgesehen, der in Abhängigkeit
von der Bewegung des Ankers in der Längsrichtung des Hebels verschiebbar ist.
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Nach einer anderen zweckmäßigen Variante sind in der Längsrichtung
des Hebels Abstützungen vorgesehen, auf denen der Hebel im Zuge seiner Verstellbewegung
aufeinanderfolgend gelagert ist.
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Vorteilhafterweise sind die Abstützungen durch einen Stützkörper
zenit gekrümmter Oberfläche gebildet, auf der der Hebel aufruht. Durch entsprechende
Wahl der Krümmungskurve kann die funktionelle Abhangigkeit der für die Betätigung
der beweglichen Kontaktfeder erforderlichen Kraft vom Weg desjenigen Teiles des
Ankers, auf den vom Joch eine anziehende Kraft ausgeübt wird, nach vorhergehender
Berechnung in exakter Weise realisiert werden.
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Zweckmäßigerweise ist der mit seinem freien Ende unter der Krafteinwirkung
der einen Polfläche des Joches stehende Kraftarm des Hebels in an sich bekannter
Weise durch den Anker selbst gebildet, wobei der Stützkörper aus magnetisierbarem
Material besteht und die andere der beiden Polflächen des Joches bildet, wodurch
ein besonders einfacker Aufbau des Relais erzielt wird.
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Nach einer vorteilhaften Variante ist der Hebel als gesonderter Bauteil
ausgebildet, dessen Kraftarm mit dem der einen Polfläche des Joches gegenüberliegenden
Ende des Ankers in kraftschlüssiger Verbindung steht, dessen anderes Ende an der
anderen Polfläche des Joches schwenkbar gelagert ist. Dies bringt den Vorteil nit
sich, daß die für die Wahl
optimaler Übersetzungsverhältnisse erforderlichen
Bauteile unabhängig vom Anker selbst konstruiert und hergestellt werden können.
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Die Brfindun;» wird anhand der Zeichnung; näher erläutert, in der
u.a. drei Ausfüilrung-sbeispiele schematisch dargestellt sind.
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Fig.1 zeigt die schematische Dartt.llung eines bekannten Slachankerreiais,
Fig.2 ein Diagramm zur Erläuterung der brfindung, Fig.3 ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei den der kraftarm des hebels durch den Anker selbst gebildet ist,
Fig.4 ein Diagramm zur Konstruktion der Oberfläche eines Stützkörpers, Fig.5 ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Hebel als gesonderter Bauteil ausgebildet
ist und Fig.6 ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Stotzkörper vorgesehen ist, der
in Längsrichtung des Hebels verschiebbar ist.
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Das in Fig.1 dargestellte elektromagnetische Relais weist ein eine
Erregerwicklung 1 tragendes U-förmiges Joch 2 auf. Den beiden Polflächen des Joches
2 gegenüber ist ein beweglicher Anker 3 angeordnet, der in der Lagerstelle 4 schwenkbar
gelagert ist und dessen freies Ende über einen Stößel 5 mit der beweglichen Kontaktfeder
6 eines Arbeitskontaktsystems 7 in Verbindung steht.
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wird die Erregerwicklung 1 erregt, so wird der Anker 3 von der voll
gezeichneten Stellung in die strichliert dargestellte Stellung verschwenkt, wobei
die Kontakte des Arbeitskontaktsystems geschlossen werden und der Abstand x des
freien Endes des Ankers 3 von der Polfläche 8 unter der Wirkung der Kraft PA vom
Huheabstand a bis zum Anliegen des Ankers 3 an der Polfläche 8 reduziert wird.
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Es ist nun bekannt, daß die Kraft PA mit kleiner werdendem Abstand
x exponentiell, beispielsweise etwa quadratisch anwac'-lst, wie dies in Fig.2 dargestellt
ist.
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Im Abstand x = a, dem Ruheabstand des freien Endes des Ankers 3 von
der Polfläche 8, wirkt auf den Anker 3 die Kraft P'A, die zumindest ebenso groß,
zweckmäßig aber etwas größer bemessen sein muß als die Kraft, die erforderlich ist,
um die bewegliche Kontaktfeder 6 mit Sicherheit zu betätigen. Von diesem Wert P'A
steigt die Kraft PA bis zum Wert P"A an. Die im Zuge der Ankerbewegung auf den Anker
3 wirkende Anzugskraft ist somit nach Verlassen der Ruhelage exponentiell anwachsend
wesentlich größer als erforderlich und bleibt infolgedessen völlig ungenützt, wobei
der Verstellweg der Kontaktfeder 6 im wesentlichen gleich dem Abstand a des freien
Endes des Ankers 3 von der Polfläche 8 in seiner Ruhelage ist.
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In Fig.2 ist nun auch der Verlauf der ,Lraft dargestellt, der beispielsweise
für die Betätigung der beweglichen Kontaktfeder 6 wünschenswert wäre. In der in
Fig.
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2 mit 0 bezeichneten Stellung des freien Endes des Ankers 3 sei die
amnschenswerte Kraft Pp gleich der Kraft PA. In der Stellung I beträgt die Kraft
PF 8/9 der Kraft PA, in der Stellung II 4/7 der Kraft PA, in der Stellung III 3/7
der Kraft PA und in der Stellung IV ein Drittel der Kraft Das Wesentliche vorliegender
Erfindung besteht nun darin, die vor allem bei kleinen Luftspalten auftretenden
Kraftreserven dadurch auszunutzen, daß ein Hebel vorgesehen wird, bei dem das freie
Ende seines Kraftarmes unter der Krafteinwirkung der einen Polfläche 8 des Joches
2 und das freie Ende seines Lastarmes mit der beweglichen Kontaktfeder 6 des Kontaktfedersystems
in kraftschlüssiger Verbindung stehen und das Verhältnis von Lastarm zu Kraftarm
in Abhängigkeit vom Verstellweg des Kraftarmes veränderbar ausgebildet ist.
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bin Ausführungsbeispiel hiefür ist in Fig.3 dargestellt, bei dem
der eine Schenkel 9 des die Erregerwicklung 1 tragenden Joches 2 in Richtung zum
anderen, die Polfläche 8 aufweisenden Schenkel 10 hin gebogen ist und einen Stützkörper
11 mit gekrümmter Oberfläche 12 bildet, auf dem ein zweiarmiger Hebel 13 aufruht,
der in Halterungen 14,15,16 gelagert ist und dessen kraftarm 17 durch den A er selbst
gebildet ist. Der Lastarm 18 steht über den Stößel 5 ii Zuge der betätigung siìit
der beweglichen Kontaktfeder 6 des hrbeitskontastsystems 7 in kraftschlüssiger Verbindung.
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Im Ruhezustand ruht der Hebel 13 mit der Bertihrungsstelle 19 auf
der gekrümmten Oberfläche 12 des Stützkörpers 11 auf und ist durch die lserührungsstelle
19 in einen Kraftarm m und einen Lastarm n etwa im Verhältnis 1:1 geteilt.
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Wird die Brregerwicklung 1 mit Strom versorgt, so wird das eine freie
Ende des durch den Anker gebildeten Kraftarmes 17 gegen die Polfläche 8 des Joches
2 gezogen, wobei der Hebel 13 auf der gekrümmten Oberfläche 12 des Stützkörpers
11 abrollt, so daß die Berührungsstelle an der gekrümmten Oberfläche 12 zwischen
dem Hebel 13 und dem Stützkörper 11 verschoben wird. Dabei wird durch das freie
Ende des Lastarmes 18 die bewegliche Kontaktfeder 6 betätigt.
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Erreicht der Hebel 13 seine in Fig.3 strichliert dargestellte Endlage,
in der das freie Ende des Kraftarmes 17 auf der Polfläche 8 aufruht und der Arbeitskontakt
durch die bewegliche Kontaktfeder 6 durch das freie Ende des Lastarmes 18 geschlossen
ist, so steht der Hebel 13 mit der gekrümmten Oberfläche 12 des Stützkörpers 11
an der Berührungestelle 20 in Verbindung, so daß nunmehr der Kraftarm 17 die Länge
m' und der Lastarm 18 die Länge n' besitzt.
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Das Verhältnis von Lastarm zu Kraftarm hat sich somit im
Zuge
der Verstellbewegung von m in das Verhältnis s geändert, ist also größer geworden.
Das heißt, daß das Verhältnis der am freien sunde des Kraftarmes 17 wirkenden Kraft
PA zu der sm freien %nde des Lastarmes 18 wirkenden n Kraft Pp sich vom Verhältnis
m in das Verhältnis m geandert hat.
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Entspricht uun mittels geeigneter Wahl des Krümmungsverlaufes der
gekrtirninten Oberfläche 12 des Stützkörpers 11 beispielsweise die Kraft-Weg-Abhängigkeit
des freien Endes des Lastarmes 18 und damit der beweglichen Kontaktfeder 6 dem Verlauf
der Kurve PF nach Fig.2 und die Kraft-Weg-Abhängigkeit des freien Endes des Kraftarmes
17 dem Verlauf der Kurve PA nach Fig.2, so ist ersichtlich daß durch die Änderung
des Verhältnisses von Lastarm 18 zu Kraftarm 17 der Gesamtweg a' des freien Endes
des Lastarmes 18 größer ist als der Gesamtweg a des freien Endes des Kraftarmes
17. Dabei wäre anhand der Fig.2 der Verlauf der gekrümmten Oberfläche 12 des Stützkörpers
11 so zu wählen, daß das Übersetzungsverhältnis von Kraftarm 17 zu Lastarm 18 in
der in Fig.2 gezeigten Stellung 0 gleich 1:1, in der Stellung I gleich 8;9, in der
Stellung II 4:7, in der Stellung III 3:7 und in der Stellung IV 1:3 beträgt.
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Dies ist in Fig.4 dargestellt, in der auf der Abszisse x die Stellungen
O,I,II,III,IV des freien Endes des Kraftarmes 17 zwischen diesen beiden Endlagen
innerhalb des Ruheabstandes a des der Polfläche 8 gegenüberliegenden Teiles des
Kraftarmes 17 dargestellt sind. Die andere Abszisse zeigt die den Stellungen O,I,II,III,IV
des Kraftarmes 17 zugeordneten Stellungen O',I',II',III',IV' des Lastarmes 18, die
sich auf Grund des Abrollens auf der gekrümmten Oberfläche 12 ergeben, wobei auf
der die beiden Abszissen verbindenden Ordinate die anhand der Fig.2 als erwünscht
bezeichneten Übersetzungsverhältnisse von Kraftarm m zu Lastarm n dargestellt sind.
Der sich hiemit ergebende
Verstellweg ae des Stößels 5 (Fig.3
ist ersichtlich größer als der Verstellweg a, wobei die an den Stellen OB, I',IIt,III',IV'
wirkende Kraft der sich an den Stellen O,, II,III,IV nach Fig.2 ergebenden Kraft
?F entspricht. Hieraus ist ersichtlich, daß die in der Kraft PA gegenüber der Kraft
PF liegende Kraftreserve zur Vergrößerung des Weges des freien Endes des Lastarmes
18 und damit des Verstellweges der beweglichen Kontaktfeder 6 gegenüber dem Verstellweg
des freien Endes des Kraftarmes 17 herangezogen wurde. Bei kleinen Luftspalten kann
somit ein wesentlich größerer Verstellweg der beweglichen ontaktfeder 6 erzielt
werden, als dies bei bekannten Relais möglich wäre, so daB die bei kleinen Luftspalten
vorhandenen Kräfte voll ausgenützt werden. Umgekehrt kann bei einem gegebenen Verstellweg
a' der beweglichen Kontaktfeder 6 der Ruheluftepalt a wesentlich kleiner gewählt
werden als bei den bisher bekannten Relais, so daß ein wesentlich besserer Wirkungsgrad
erzielt wird.
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In Zig.5 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem der Hebel
13 als 6gesonderter Bauteil dargestellt ist. Das Relais selbst entspricht im Prinzip
dem in Fig.1 dargestellten bekannten Relais, das ein die Erregerwicklung 1 tragendes
U-förmiges Joch 2 aufweist, dessen Polflächen gegenüber einem in der Lagerstelle
4 schwenkbar gelagerten Anker 3 angeordnet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel
steht jedoch das der Polfläche 8 gegenüberliegende Ende des Ankers 3 über ein Verbindungsglied
21 in kraftschlüssiger Verbindung mit dem Kraftarm 17. Auch hier ruht der Hebel
13 auf einem Stützkörper 11 auf, der eine gekrümmte Oberfläche 12 aufweist. Das
Ende des Lastarmes 18 steht über einen Stößel 5 im Zuge seiner Verstellbewegung
in kraftschlüssiger Verbindung mit der beweglichen Kontaktfeder 6 eines Arbeitskontaktsystems
7.
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Wird der Anker 3 bei Erregung des Relais angezogen, so nimmt das
freie Ende des Ankers 3 daß freie Ende
des Kraftarmes 17 des Hebels
13 mit, so daß der Hebel 13 über die gekrümmte Oberfläche 12 des Stützkörpers 11
bewegt wird. Auch da wird das in der Ruhelage gegebene tYbersetzungsverhältnis m:n
von Kraftarm zu Lastarm in das in der strichliert dargestellten Endlage wirkende
Ubersetzungsverhältnis m':n' gewandert.
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Bei dem in Fig.6 dargestellten usführungsbeispiel ist der Hebel 13
ebenso wie beim Ausführungsbeispiel nach Pig.S als gesonderter Bauteil ausgebildet,
der über ein Verbindungsglied 21 mit dem Anker 7 verbunden ist, der in der Lagerstelle
4 gegenüber dem die Erregerwicklung 1 tragenden Joch 2 schwenkbar gelagert ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist jedoch der Hebel 13 nicht auf einem mit einer
gekrümmten Oberfläche versehenen Stützkörper abgestützt, sondern auf einem Stützkörper
22, der als zweiarmiger Hebel ausgebildet ist, der am Anker 3 angelenkt und im feststehenden
Schwenkpunkt 23 schwenkbar gelagert iat.
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In der in Fig.6 voll gezeichneten Ruhelage wird der Hebel 13 in einen
Lastarm 18 und einen Kraftarm 17 im Verhältnis des Lastarmes zum Kraftarm von n:m
unterteilt.
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Wird der Anker 3 vom Joch 2 angezogen, so wird das freie Ende des
Kraftarmes 17 des Hebels 13 durch das Verbindungsglied 21 vom Anker 3 in Richtung
zur Polfläche 8 des Joches 2 bewegt. Gleichzeitig wird im Zuge der Schwenkbewegung
des Ankers 3 der Stützkörper 22 um den Schwenkpunkt 23 verschwenkt, wodurch die
Abstützstelle 24 des Hebels 13 am Stützkörper 22 auf die Alestiitsstelle 24' verschoben
wird, so daß der Anker 3, der Stützkörper 22, das Verbindungsglied 21, der Hebel
13 und damit auch der Stößel 5 und die Kontaktfedern des Kontaktsystems 7 die gestrichelt
gezeichneten Lagen einnehmen.
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Es ist ersichtlich, daß sich auch hier das Verhältnis
m:n
von Kraftarn 17 zu Lastarm 18 in das Verhältnis m':n' gewandert und zwar verkleinert
hat.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt. Es können anstelle des Stützkörpers 11 auch beliebig andere, in der
Längsrichtung des Hebels 13 angeordnete Abstützungen vorgesehen sein, auf denen
der Hebel 13 im Zuge seiner Verstellbewegung aufeinanderfolgend gelagert ist. Als
Stützkörper können hiebei Rollen, Stifte u.dgl. dienen. Ist der Verlauf des Übersetzungsverhältnisses
zwischen den beiden Endlagen des Hebels von untergeordneter Bedeutung, so genügen
bereits zwei feste Abstützungen, die die Übersetzungsverhältnisse in den beiden
Endlagen des Hebels bestimmen, wobei der Hebel in der einen Endlage auf der einen,
in der anderen Endlage auf der anderen Abstützung abgestützt ist. An die Stelle
eines mit wachsendem Verstellweg des Kraftarmes wachsenden Verhältnisses von Lastarm
zu Kraftarm kann in Sonderfällen auch ein kleiner werdendes Verhältnis treten.
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An die Stelle eines ebenen Ankers oder Hebels können auch gekrümmte
oder abgewinkelte eile treten.
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Die Lagerung des Hebels 13 wurde anhand der Ausführungsbeispiele
nicht detailliert dargestellt, da diese in beliebiger Weise realisiert werden kann.
So kann der Hebel 13 beispielsweise auch an einem oder mehreren Bändern (sogenannte
Filmscharniere) aufgehängt sein, die über den Stützkörper 11 gelegt sind.
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