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Elektromagnetische Schalteinrichtung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromagnetische Schalteinrichtung
mit einem polarisierten Magnetsystem mit Hubankermagnet und einem ein- oder mehrpoligen
Kontaktsystem, dessen Kontakte in der Bewegungsrichtung des Magnetankers öffnen
oder schließen.
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Eine derartige Schalteinrichtung ist in der Zeitschrift ETZ-A Band
86 (1965) Heft 11 auf Seite 374 beschrieben.
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Eine derartige Konstruktion ist aber weitgehend nur für elektrische
Schaltschütze brauchbar, da bei Schützen in der Regel die Dominanz die elektrische
und mechanische Funktion besitzt, eben das Volumen beansprucht wird, welches diese
Funktionen erfordern. In der Relaistechnik sind die Prioritäten vertauscht. In den
durch die elektronischen Bauweisen und Packungstechniken vorgegebenen Räumen ist
das Volumen für eine Schalteinrichtung vorgegeben, in welches dann die elektrischen
und mechanischen Funktionen zu integrieren sind. Wenn die Relais zusätzlich für
einen Anwendungsbereich benötigt werden, welcher sehr große Luft- und Kriechstrecken
erfordert, z. B. nach VDE 0730, dies sind die Bestimmungen für Geräte mit elektromotorischem
Antrieb für den Hausgebrauch und ähnliche Zwecke, weiterhin aus sicherheitstechnischen
Gründen eine Doppelunterbrechung notwendig ist, sind bisher Konstruktionen angeboten
worden, welche enormen Platz erfordern.
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Dies wirkt sich besonders in den Abständen von in Rasterschritten
nebeneinander angeordneten gedruckten Schaltungskarten aus.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schalteinrichtung der eingangs
erwähnten Art so auszubilden, daß die Höhe so niedrig ist, daß sie der in der Leiterplatteneinschubtechnik
gebräuchlichen Rasterung gerecht wird (kleinster Abstand der gedruckten Schaltungskarten
ist in der Regel 12,7 mm abzüglich Stärke der gedruckten Schaltungskarte
mit
1,27 mm, ergibt eine Relaishöhe von 11 mm) und die übrigen Abmessungen in einem
vernünftigen Verhältnis zu dieser Höhe liegen. Dabei soll gleichzeitig die die Relaisabmessungen
am stärksten belastende Anforderung, nach der das Relais Luft- und Kriechstrecken
von Spule zu Kontaktteilen gleich oder größer 8 mm zu erfüllen hat, eingehalten
werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Schalteinrichtung
aus einer sich in der Bewegungsrichtung des Magnetankers erstreckenden Zweikammerbauweise
besteht, daß in deren einer Kammer die Kontakteinrichtung und in deren anderer Kammer
die Magneteinrichtung enthalten ist, daß beide Kammern voneinander durch ein Labyrinth
getrennt sind und daß das Labyrinth durch Gehäusekappe und Bodenplatte der Schalteinrichtung,
eine zwischen den Kammern angeordnete Isolierzwischenlage und eine Isolierscheibe
des Kontaktträgers, die sich quer zu dessen Bewegungsrichtung erstreckt, gebildet
ist.
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Neben einer leiterplattengerechten flachen Bauform, bei der infolge
der räumlichen Trennung von Kontakt- und Magneteinrichtung ohne weiteres die geforderten
Kriech- und Luftstrekken realisierbar sind, erreicht man den Vorteil eines einfachen
und kostengünstigen Aufbaus, bei welchem die Montage der Einzelteile, z. B. des
Magnetsystems, ohne zusätzlich notwendige Fügemaßnahmen zurechtkommt und das Einsetzen
einer vormontierten Baugruppe in die Grundplatte der Schalteinrichtung ohne Kraftaufwand
möglich ist, ohne daß unangemessen großes Spiel der Teile in Kauf genommen werden
muß.
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Gleichzeitig kann jeder Justageaufwand vermieden werden, was sich
besonders günstig auf die Gestehungskosten auswirkt.
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Nach bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, daß
die Kontakteinrichtung auf der Seite des oder der öffnerkontakte jeweils aus wenigstens
einem Festkontakt und einer ersten Kontaktbrücke, auf der Seite des oder der Schließerkontakte
ebenfalls aus wenigstens einem Festkontakt und einer zweiten Kontaktbrücke und einer
zwischen den Kontaktbrcken
liegenden Druckfeder besteht und daß
die Magneteinrichtung aus einem im Spulenkörperinnern gelagerten Hubanker, einem
die Spule umgebenden Joch, dessen Schenkel die äußeren Flansche des Spulenkörpers
umgreifen und den Stirnflächen des Hubankers gegenüberliegende Arbeitsluftspalte
bilden, und aus wenigstens einem im Bereich der Spulenmitte in Richtung ihrer Längserstreckung
mit seinen Polen zwischen Joch und Hubanker angeordneten Dauermagneten besteht.
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Durch diese räumliche Zuordnung von Kontakt- und Magneteinrichtung
läßt sich das für das Kontaktsystem und das für Kriech- und Luftstrecken erforderliche
Labyrinth auf kleinstmöglichem Raum unterbringen, so daß für das Magnetsystem ausreichend
Volumen übrig bleibt. Hieraus ergibt sich, daß die für eine einwandfreie Funktion
der Schalteinrichtung erforderliche Erregerleistung sehr klein werden kann, also
die Schalteinrichtung sehr empfindlich wird. Damit lassen sich zusätzliche Schnittstellenverstärker
bei Einsatz der Schalteinrichtung in Elektronik-Anlagen vermeiden.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Spule
der Schalteinrichtung in zwei zu beiden Seiten des oder der Dauermagnete angeordnete
Teilspulen aufgeteilt ist.
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Dieser symmetrische Aufbau gewährleistet bei bistabilem Betrieb in
jeder Schaltrichtung, wenn z. B. bei Serienschaltung beider Teilspulen die Polarität
an deren Anschlüssen vertauscht wird, den gleichen Energiebedarf. Ebenso kann man
bei Einzelspulenbetrieb mit unterschiedlicher Polarität Symmetrie in der Erregung
erreichen.
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Bei der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung ist weiterhin in einer
bevorzugten Ausführungsform das Joch in der Art einer leicht vorgespannten Klammer
gestaltet, mittels welcher die Spulenkörper der Spulen mit dem dazwischen angeordneten
Dauermagneten umfaßt und zu einer kompakten Montageeinheit gebündelt
werden.
Zweckmäßigerweise wird in diesem Fall der Spulenkörper einstückig ausgeführt und
im Zwischenraum zwischen beiden Spulen werden Räume für die Aufnahme und lagerichtige
Fixierung der Dauermagnete ausgespart.
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Durch geeignete Maßnahmen sind die Dauermagnete nach allen Seiten
hin räumlich exakt zu fixieren, und zwar - in Richtung auf die Achse des Magnetankers
zu durch einen oberen Verbindungssteg und einen unteren, mittleren Verbindungssteg,
die am Spulenkörper zwischen den mittleren Flanschen angeformt sind und an welchen
die dem Magnetanker zugewandten Flächen der Dauermagnete anschlagen; - in Richtung
zur Gehäusekappe nach oben hin durch am oberen Verbindungssteg angeformte Nasen,
an welchen die oberen Flächen des Dauermagneten anliegen; - in Richtung zur Bodenplatte
hin durch untere, seitliche Verbindungsstege des Spulenkörpers, auf welchen die
untere Fläche der Dauermagnete zur Auflage kommt; - in Richtung von der Ankerachse
seitlich wegführend durch das über den Spulenkörper aufgeschobene einteilige Joch.
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Die lagerichtige Fixierung der Dauermagnete wird noch dadurch verbessert,
daß das vorgespannte, über den Spulenkörper geschobene Joch die Dauermagnete in
ihren zwischen den Spulen befindlichen Aufnahmeräumen gegen Anschlagflächen preßt.
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Bei der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung wird das vormontierte
Magnetsystem auf der Grundplatte durch beidseitig im Joch angebrachte Aussparungen,
welche innerhalb der Dauermagnete angebracht sind, in welche angeformte Rippen der
Bodenplatte rag.en, welche mit in Längsrichtung des Magnetankers verlaufenden Rippen
der Bodenplatte über-Stege verbunden sind, räumlich zu den Festkontakten hin fixiert.
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Zur weiteren kostengünstigen Gestaltung des Schalteinrichtungsaufbaus
sind in den unteren Stegen der Verbindung der beiden Spulenkörper der Teilspulen
A und B zu einer einstückigen Einheit die Spulenanschlüsse integriert. Diese
Spulenanschlüsse
sind in einer bevorzugten Ausführungsform aus U-förmig gebogenen Metallteilen mit
rundem oder rechteckigem Querschnitt hergestellt, die in Aussparungen der Bodenplatte
eingedrückt werden, wobei die längeren Schenkel der U-Form durch die Bodenplatte
hindurch als externe Spulenanschlüsse benutzt werden und die kürzeren Schenkel der
U-Form die Spulenanfänge bzw. -enden aufnehmen.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen,
der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigt: Fig. 1 eine monostabile Schalteinrichtung, die Gehäusekappe
und der polarisierte Magnetantrieb sind im Schnitt entsprechend der Linie A-A in
Fig. 3, der Kontaktapparat ist in Draufsicht gezeichnet; Fig. 2 eine Schalteinrichtung
in der gleichen Ansicht wie Fig. 1, im Gegensatz hierzu ist der Kontaktapparat entsprechend
der Linie B in Fig. 3 und der Magnetantrieb entsprechend der Linie B-B in Fig. 5
gezeichnet, wobei die Spulenanschlüsse symbolhaft dargestellt sind; Fig. 3 einen
Längsschnitt entsprechend der Linie C-C in Fig. 1; Fig. 4 eine Draufsicht auf die
Anschluß seite der Schalteinrichtung; Fig. 5 einen Schnitt durch die Magnetspule
entsprechend der Linie-D-D in Fig. 3; Fig. 6 einen Schnitt durch den Dauermagneten
entsprechend der Linie E-E in Fig. 5;
Fig. 7 einen Schnitt durch
den Kontaktapparat entsprechend der Linie F-F in Fig. 1.
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Aus den Fig. 1, 2 und 3 ist die Zweikammerbauweise der elektromagnetischen
Schalteinrichtung zu erkennen, und zwar gemäß Fig. 1 im ersten Bereich die Kammer
1 mit der Kontakteinrichtung, im zweiten Bereich die Kammer 2 mit der Magneteinrichtung.
Im dritten Bereich wird die Kammer 1 von der Kammer 2 durch ein Labyrinth 3 getrennt.
Die Pfeile 4, 5 geben die Bewegungsrichtung des Magnetankers 6 und des fest mit
dem Magnetanker 6 verbundenen Kontaktträgers 7 an. Pfeil 4 zeigt die Einschaltbewegungsrichtung,
Pfeil 5 die Abfallrichtung bei monostabilem Betrieb der Schalteinrichtung an.
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Von der linken Seite beginnend ergibt sich in Richtung der Einschaltbewegung
folgende räumliche Anordnung in Kammer 1: Festkontakt 8, 9 des Öffners, Kontaktbrücke
10 des öffners, Kontaktdruckfeder 11, Kontaktbrücke 12 des Schließers, Festkontakte
13, 14 des Schließers; in Kammer 2: Spule A, Dauermagnete 15a und 15b, Spule B.
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Der Spulenkörper der Spule A und der Spulenkörper der Spule B, jeweils
bestehend aus den Rohrstücken 16a, 17a, den der Dauermagnete 15a, 15b benachbarten
Spulenflanschen 16b, 17b und den äußeren Spulenflanschen 16c, 17c, sind über Verbindungsstege
18, 19, 20, 21 miteinander zu einem einstückigen Spulenkörper verbunden. Die Verbindungsstege
18, 19, 20, 21 (Fig. 6) sichern also eine Fluchtung der beiden im Bereich der äußeren
Spulenflansche 16c, 17c angeordneten Lagerstellen 16d, 17d des longitudinal beweglichen
Magnetankers 6.
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Gleichzeitig sind die Verbindungsstege so geformt, daß zwischen den
Spulenflanschen 16b, 17b Taschen gebildet werden (siehe Fig. 6), in welche die beiden
Magnete 15a, 15b eingeschoben werden können und lagerichtig fixiert werden. Nach
oben zu wird eine Bewegung der Magnete 15a, 15b verhindert durch Nasen 18a, 18b,
welche an den oberen Verbindungssteg 18 angeformt sind, dem Magnetanker 6 zu wird
eine Bewegung des Magneten 15a bzw. 15b durch die Flächen 18c bzw. 18d und 19a bzw.
19b des unteren, mittleren Verbindungssteges 19 verhindert und nach unten zu durch
die oberen Flächen 20a bzw.
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21a der unteren, seitlichen Verbindungsstege 20, 21.
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Nach dem Bewickeln der Spulenkörper mit den Spulen A und B kann das
Magnetsystem ohne Zuhilfenahme von Montagevorrichtungen, Hilfswerkzeugen und zusätzlichen
Befestigungsmitteln zu einer vollständigen Baugruppe vormontiert werden. Es werden
dazu die beiden Magnete 15a, 15b in die Taschen des einteiligen Spulenkörpers gesteckt,
dann wird der Anker 6 in die Rohrstücke 16a, 17a eingeführt und das Joch 22 über
den Spulenkörper bis zum Anliegen der seitlichen Jochschenkel 22a, 22b auf den oberen
Flächen 20a, 21a der unteren, seitlichen Verbindungsstege 20, 21 (Fig. 6) aufgeschoben.
Je nachdem, ob die elektromechanische Schalteinrichtung bistabil oder monostabil
betrieben werden soll, wird zusätzlich mit dem Magnetanker 6 auch die zylindrische
Druckfeder 23 mitmontiert.
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Das Joch 22 kann nun aus einem geschlossenen Vierkant-Rohrstück gefertigt
werden oder aus einem einseitig im Bereich des Kontaktträgers 7 längs geschlitzten
Vierkant-Rohrstück.
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Im Falle der Verwendung eines geschlossenen Rohrstückes muB nach dem
Vormontieren des Magnetsystems der Kontakt träger 7 in die Bohrung 6a des Magnetankers
6 eingepreßt werden. Im Falle der Verwendung eines geschlitzten Rohrstückes kann
bereits ein fertig montierter Kontaktträger 7 zusammen mit dem Magnetanker in die
Spulenkörper-Rohrstücke 16a, 17a gesteckt werden, wobei der Kontaktträger 7 bis
zum Anschlag
der Rippen 7a, 7b an der Stirnfläche des Magnetankers
6 in diesen eingepreßt wird. Die seitlichen Jochschenkel 22a, 22b können so vorgespannt
und bemessen sein, daß die Vorspannkraft die Dauermagnete 15a, 15b (siehe Fig. 1)
gegen die Flächen 18c, 19a bzw. 18d, 19b (siehe Fig. 6) preßt.
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Die Spulenanschlüsse A1 und A2 der Spule A und die Anschlüsse A3 und
A4 der Spule B sind in den Verbindungsstegen 19, 20, 21 integriert und bestehen
aus U-förmig gebogenen Drahtteilen 24 mit rundem oder rechteckigem Querschnitt,
welche in Aussparungen 25 der Verbindungsstege 19, 20, 21 eingedrückt werden. Längere
Schenkel 24a reichen durch die Bodenplatte 26 und dienen als äußere Anschlüsse.
Die kürzeren Schenkel 24b liegen frei in Aussparungen 27 des einteiligen Spulenkörpers,
aber nach außen noch abgedeckt durch die Bodenplatte 26, welche mit den Drahtenden
der Spulen A, B umwickelt und anschließend mit den kürzeren Schenkeln verlötet oder
punktgeschweißt werden. Durch diese Ausbildung der Spulenanschlüsse werden zwei
Vorteile erreicht, einmal, daß das Spritzen der vorzugsweise aus Thermoplast gefertigten
Spulenkörper ohne das aufwendige und kostenintensive Einlegen von Einspritzteilen
erfolgen kann und zum anderen, daß ein automatisch durchführbares Bewickeln der
Anschlüsse mit den Drahtanfängen und -enden der Wicklung möglich ist.
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Das vormontierte Magnetsystem wird auf die Bodenplatte 26 gesteckt
und dort durch die auf die Bodenplatte aufgeformten Rippen, bestehend aus dem Rippenteilstück
28a bzw. 29b und den Teilstücken 28b, 28c und 29b, 29c, lagerichtig zum Kontaktsystem
hin fixiert, ohne daß hierfür Fügehilfsmittel oder Justagen erforderlich sind. Dies
wird auf folgende Art erreicht: Das Joch 22 ist in der Mitte der Schenkel 22a, 22b
und unterhalb der Dauermagnete 15a, 15b beidseitig ausgespart (ausgespart ist die
Differenz von Höhe 30 - Fig. 5 - abzüglich Höhe 31 - Fig. 6) und in diese Aussparung
ragt Rippenteilstück 28a bzw. 29a. Durch diese Teilstücke 28a, 29a wird das Magnetsystem
in der Bewegungsrichtung 4, 5 des
Ankers 6 fixiert. Innerhalb der
Jochschenkel 22a, 22b liegen die Rippenteilstücke 28b, 28c bzw. 29b, 29c, welche
mit dem Teilstück 28a bzw. 29a über Stege 32 verbunden sind.
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Mit den Rippenteilstücken 28b, 28c bzw. 29b, 29c, welche in Längsrichtung
des Magnetankers 6 verlaufen, wird das Magnetsystem quer zur Bewegungsrichtung des
Magnetankers 6 räumlich festgelegt.
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Die Bewegung des Magnetankers 6 - im gezeichneten Beispiel ist dies
der Hub 33 - wird über den im Magnetanker 6 eingepreßten Kontaktträger auf die Kontaktbrücken
10, 12 übertragen, die je nach Schaltzustand die Festkontakte 8, 9 bzw.
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13, 14 überbrücken oder öffnen. Im gezeichneten Beispiel beträgt die
Kontaktöffnung je Unterbrechungsstelle das Maß 34, die Nachfederung und damit der
maximal mögliche Abbrand das Maß 35. Bei Maß 35 handelt es sich um denjenigen Weg,
welchen die Kontaktbrücken 10, 12 auf der Kontaktführungsschraube 36, eingeschraubt
in Kontaktträger 7, von ihren Anschlägen 36a bzw. 36b wegführend um das Maß 35 hin-
und hergeschoben werden. Um diesen Betrag 35 wird auch die Kontaktdruckfeder 11
wechselseitig gespannt, d. h. je nach Abbrandzustand kann der Kontaktdruck um die
diesem veränderten Federhub zugeordnete Kraft schwanken.
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Die Anschlüsse der Festkontakte 8, 9 bzw. 13, 14 sind vorzugsweise
für das Einlöten in gedruckte Schaltungskarten und evtl. für das Anschließen über
ein Klammerverfahren (Termi-Point-Anschlußtechnik) oder ein Drahtwickelverfahren
(wirewrap-Anschlußtechnik) mit quadratischen Anschlußpfosten 8a, 8b bzw. 9a, 9b
(Fig. 7) ausgebildet. Es würde unter Umständen jeweils ein Pfosten ausreichend sein.
Zur Vergrößerung der zulässigen Dauerstrombelastbarkeit ist es jedoch vielfach zweckmäßig,
jeweils zwei parallele Anschlußpfosten einem Festkontakt zuzuordnen. Die Festkontakte
sind mit ihren Anschlußpfosten in der Bodenplatte eingepreßt. Die räumliche Lage
der Kontakte und Spulenanschlüsse, die sich hierbei ergibt, ist in Fig. 4 dargestellt.
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Zur Verbesserung der Abstützung der Festkontakte gegenüber den Kontaktkräften
und zur Vergrößerung der Luft- und Kriechstrecken von vorzugsweise Festkontakt 13,
14 gegenüber den leitenden Teilen des Spulenpotentials sind die Festkontakte 8,
9, 13, 14 auf der der kontaktgebenden Stelle gegenüberliegenden Seite mit halbschaligen
Umhüllungen 37 versehen, welche an die Bodenplatte 26 angeformt sind.
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Die Kontaktbrücken sind zur Erzielung einer großen Wärmeabgabe groß
flächig ausgeführt. Mit der Unterkante der Kontaktbrücke 10a (Fig. 7) gleitet diese
auf Führungen der Bodenplatte, womit eine Verdrehungssicherung der Kontaktbrücken
10, 12 erreicht wird. Um den Abrieb kleiner zu halten, sind die Kontaktbrücken an
diesen Führungskanten 10a abgewinkelt, da damit eine glatte Walzhautfläche zur Reibfläche
wird und die üblicherweise rauhe Stanzschnittfläche frei in den Raum ragt.
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Zur Verbesserung der Kontaktqualität sind auf die Festkontakte und
die Kontaktbrücken aus Edelmetall bestehende Platten 38 aufgebracht.
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Genau gesehen sind die Umhüllungen 37 der Festkontakte 13, 14 bereits
ein Bestandteil des Labyrinths zwischen Kammer 1 und Kammer 2, welches hauptsächlich
gebildet wird durch: Rippe 38 der Bodenplatte 26, Rippe 39 der Abdeckkappe 40, Isolierzwischenlage
41 und die dem Kontaktträger 7 angeformte Isolierscheibe 42. Die Isolierzwischenlage
41 besitzt lediglich eine Durchführungsöffnung für den Kontaktträger 7 und deckt
im übrigen den Schlitz, welcher an der Stoß stelle der Rippen 38 und 39 entsteht,
ab.
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Die Abdeckkappe 40 wird auf die Bodenplatte 26 aufgesteckt und über
nicht näher gezeichnete Einrastungen mit der Bodenplatte 26 verbunden. Wird eine
hermetisch dichte Schalteinrichtung gefordert, sind die Anschlüsse und die Nut 43
zwischen Bodenplatte 26 und Abdeckkappe 40 mit Vergußmasse ausgegossen. Für größere
Schaltleistungen kann es empfehlenswert
sein, in der Kammer 1
im Bereich der Schaltstellen Luftschlitze 44 (Fig. 2) in die Abdeckkappe einzuformen.
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Im gezeichneten Beispiel handelt es sich um eine monostabile Ausführung,
die Spulen A und B sind nicht erregt, der Fluß der Dauermagnete 15a, 15b schließt
sich zum überwiegenden Teil im Anker 6 und im Joch 22 rund um die Spule A gemäß
Pfeilrichtung 45 (Fig. 1). Zum Einschalten wird eine der beiden Spulen A, B oder
beide so erregt, daß das Magnetfeld der Spulen die Richtung gemäß Pfeilrichtung
4 einnimmt.
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Sobald das Magnetfeld der Spulen das Feld der Dauermagnete 15a, 15b
überwiegt, kippt die Flußschleife der Dauermagnete gemäß Pfeilrichtung 46 und unter
Spannen der Feder 23 schaltet die Schalteinrichtung in die Einschaltstellung. Nach
dem Abschalten der Spulenerregung und Überwiegen der Kraft der Feder 23 gegenüber
der Haltekraft der Dauermagnete 15a, 15b fällt die Schalteinrichtung in die gezeichnete
Schaltstellung ab.
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Zur Erzielung einer bistabilen Funktion wird auf die Feder 23 verzichtet.
Zum Umschalten der Schalteinrichtung sind lediglich Impulse in der jeweils erforderlichen
Stromrichtung (Flußrichtung) notwendig.
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