Die Erfindung betrifft ein Relais nach dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
Bei diesem bekannten Relais (DE 29 02 885 A1) ist die
Kontaktfeder an einem Ende in drei nebeneinanderliegende
Abschnitte geteilt, von denen der mittlere Abschnitt ge
genüber den beiden äußeren Federabschnitten gekröpft
ist. Die äußeren, im wesentlichen in Längsrichtung der
Kontaktfeder verlaufenden Abschnitte tragen jeweils ei
nen Kontakt und liegen an einem als Andrückglied dienen
den Betätigungsstück des Schaltgliedes an. Der abge
kröpfte mittlere Federabschnitt liegt zur Erzielung ei
ner Vorspannung an einem weiteren, als Abhebeglied die
nenden Betätigungsstück des Schaltgliedes an. Wird die
Kontaktfeder durch das Schaltglied aus der Ruhestellung
in die Arbeitsstellung verstellt, hebt das den äußeren
Federabschnitten zugeordnete Abhebeglied von den äußeren
Federabschnitten ab, sobald deren Kontakte am Festkont
akt zur Anlage kommen. Über das andere Betätigungsstück
und den abgekröpften mittleren Federabschnitt wird die
Kontaktfeder mit ihren äußeren Abschnitten fest gegen
den Festkontakt gedrückt. Wird das Relais umgeschaltet,
wird das Schaltglied über den Anker zurückgeschoben, wo
durch das den äußeren Federabschnitten zugeordnete Abhe
beglied des Schaltgliedes wieder in Anlage an die äuße
ren Federabschnitte gelangt und diese entsprechend mit
nimmt, so daß deren Kontakte vom Festkontakt abheben.
Zur Erzielung des Kontaktdruckes zwischen den Kontakten
ist eine aufwendige Gestaltung der Kontaktfeder erfor
derlich. Da die Kontaktkraft durch die Gestaltung der
Kontaktfeder selbst bestimmt wird, ergibt sich nur eine
verhältnismäßig geringe Kontaktkraft zwischen der Kont
aktfeder und dem Festkontakt. Die Kontaktfeder läßt sich
außerdem nicht ausreichend schnell vom Festkontakt abhe
ben, so daß sich eine Lichtbogenbildung häufig nicht
vermeiden läßt. Es kommt dadurch zu einem relativ ra
schen Verschleiß der Kontaktteile. Das Relais ist des
halb nicht für hohe Stromstärken geeignet.
Es ist eine Vorrichtung zum Übertragen der Betätigung
für das Auslösen elektrischer Schaltvorgänge in einem
Kontaktfedersatz bekannt (DE 26 39 538 B1), bei der ein
als Feder ausgebildetes Andrückglied unter elastischer
Verformung auf einem Schaltstift eines Schalthebels auf
liegt, mit dem die Kontaktfeder zur Kontaktgabe ela
stisch verformt werden kann. Das Andrückglied hat ledig
lich die Aufgabe, den Schaltstift des Schalthebels in
Anlage an der Kontaktfeder zu halten.
Es ist schließlich eine Kontaktbetätigungsvorrichtung
bekannt (DE 30 00 681 A1), bei der die Kontaktfeder in
einen Formkörper eingebettet ist. Die Kontaktfeder trägt
auf beiden Seiten jeweils einen Kontakt, der wahlweise
mit zwei Festanschlägen in Kontakt gebracht werden kann.
Hierzu wird der Formkörper so weit verschoben, bis die
Kontaktfeder mit ihrem entsprechenden Kontakt am Fest
kontakt anliegt. Die Kontaktfeder wird elastisch gebo
gen, wodurch der Kontaktdruck erzeugt wird. Die Kontakt
feder läßt sich nicht ausreichend schnell vom Festkon
takt abheben, so daß eine Lichtbogenbildung nicht ver
mieden werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungs
gemäße Relais so auszubilden, daß es für hohe Stromstär
ken geeignet ist, und daß die Kontaktfeder mit ihrem
Kontakt mit hoher Anpreßkraft auf dem Festkontakt auf
liegt und in kürzester Zeit von ihm abgehoben werden
kann.
Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Relais erfin
dungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspru
ches 1 gelöst.
Das Relais behält seine Schaltstellungen nach Fig. 1
und 2 bei unerregter Spule bei. Beim Schließen des
Kontaktes (Übergang von der Ruhe- in die Arbeits
stellung) folgt die vorgespannte Kontaktfeder dem
Abhebeglied. Zusätzlich trifft das Andrückglied auf die
Kontaktfeder und verstärkt die Kontaktkraft. Gleichzeitig
wirkt das Andrückglied bezüglich des Antriebssystems
symmetrierend, d. h. es bildet eine Gegenkraft zur
Dauermagnetkraft.
Beim Öffnungsvorgang hebt zunächst das Andrückglied ab.
Der Kontakt bleibt noch geschlossen, bis das Abhebeglied
durch seine kinetische Energie auf die Kontaktfeder
trifft und diese schlagartig öffnet. Bei Beginn der
Kontaktöffnung hat der Anker ca. zwei Drittel seines
Weges zurückgelegt, so daß er schon aufgrund seiner
Dauermagnetkraft in der Lage ist, die vorgespannte
Kontaktfeder sicher in die der Ruhestellung
entsprechende Lage zu bringen. Das erfindungsgemäße Relais
eignet sich daher besonders für hohe Stromstärken ab etwa
50 A bis etwa 100 A, so daß es z. B. zum ferngesteuerten
Anschließen von Verbrauchern, wie elektrischen Heizungen,
an das Stromnetz, geeignet ist.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den
weiteren Ansprüchen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den
Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher
beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 einen Teil eines erfindungsgemäßen
Relais mit einem als Wippe ausgebildeten
Schaltglied für eine Kontaktfeder in
einer Ruhestellung, in der sie
mit ihrem Kontakt von einem Festkontakt
abgehoben ist, im Vertikalschnitt,
Fig. 2 das Relais nach Fig. 1 mit der
Kontaktfeder in einer Arbeits
stellung, in der ihr Kontakt
am Festkontakt anliegt,
Fig. 3 das Schaltglied nach Fig. 1 in
Seitenansicht gem. Pfeil III in Fig. 1,
Fig. 4 das Schaltglied nach Fig. 3 im
Vertikalschnitt gem. der Linie IV-IV
in Fig. 3.
Das Relais nach den Fig. 1 und 2 weist eine Spule 1
mit einem (nicht dargestellten) Spulenkern bzw.
Eisenkern auf, der von Kupferwicklungen umgeben ist und
in einem Spulenkörper 2 gehalten ist. An den beiden
Stirnseiten 11, 11a der Spule 1 sind Polbleche 3, 4
vorgesehen, die mit weiteren Polblechen 5, 6 eines Ankers
7 in Wirkverbindung stehen. Dieser Anker ist in einem
als Wippe ausgebildeten Schaltglied 8 angeordnet, das
eine Kontaktfeder 9 mit einem Kontakt 9a zwischen einer
Ruhe- und Arbeitsstellung hin- und herbewegt.
Dem Kontakt 9a steht ein Festkontakt 10 gegenüber, von
dem der Kontakt 9a in der Ruhestellung (Fig. 1)
der Kontaktfeder 9 Abstand hat, während ihr Kontakt in
der Arbeitsstellung (Fig. 2) der Kontaktfeder an
dem Festkontakt anliegt. An der einen Stirnseite 11 der
Spule 1 ist ferner eine bewegliche Aufnahme 12 für
Federn 13a, 13b, 13c zum Anschluß der Spule 1 für
eine Steuerung vorgesehen. Schließlich ist an der anderen
Spulenstirnseite 11a eine Zusatzspule 15 zur
elektromagnetischen Entriegelung der Kontaktfeder 9 in
ihren Schaltstellungen vorgesehen, die mit einer
Verriegelungsleiste 16 in Wirkverbindung steht. Alle
diese Teile sind in einem Gehäuse untergebracht, von dem
nur die eine Gehäusehälfte 17 dargestellt ist. Sie weist
Rastglieder 17a zum Verbinden mit der anderen (nicht
dargestellten) Gehäusehälfte auf. Die Rastglieder 17b an
der Gehäusestirnwand dienen der Aufnahme der Relais im
Steuergerät. Ein Anschluß 18 mit Schrauben 19, 20 dient
zum Anschließen an einen (nicht dargestellten) Verbraucher,
wie eine Heizung, Maschine oder dgl. Der Netzanschluß
erfolgt am Träger 21 des Festkontaktes 10.
Die Polbleche 3, 4 der Spule 1 sind gleich ausgebildet und
haben L-Form. Sie sind so angeordnet, daß ihre kürzeren
Schenkel 22, 23 parallel zur Spulenlängsachse 24 und mit
Abstand unterhalb der Spule aufeinander zuweisen. Sie
ragen zwischen freie Enden 25 bis 28 der Polbleche 5, 6
des Ankers 7, die über einen (nicht dargestellten)
Dauermagneten überstehen. Er ist sandwichartig zwischen
den Polblechen 5, 6 angeordnet.
Der Anker 7 mit dem Magneten und den Polblechen 5, 6 ist
in dem Schaltglied 8 gehalten, und zwar in einem im
Querschnitt U-förmigen Tragkörper 29 (Fig. 3 und 4). Die
Polbleche 5, 6 sind formschlüssig in den Schenkeln 30, 31
des Tragkörpers angeordnet. Sie weisen zwischen dem Boden
36 des Tragkörpers und oberen Rändern 37, 38 verlaufende Schlitze
39 bis 42 auf, in die die Polbleche 5, 6 mit Vorsprüngen ragen. Sie
sind vorzugsweise zwischen randseitigen Ausnehmungen der Polbleche
gebildet.
Die Polbleche 5, 6 liegen senkrecht zu den Schenkeln 30,
31 des Tragkörpers 29 und stehen mit ihren freien Enden
25 bis 28 über die schmalen vertikalen Ränder 32 bis 35
der Schenkel über. Der Boden 36 des Tragkörpers 29 ist
durch die unteren Ränder 43, 44 der Schenkeln 30, 31 und
diese zu einem Rahmenteil verbindende Querrippen 45, 46
sowie einen mit den Schenkelrändern 43, 44 über
Verbindungsstege 48, 49 verbundenen Ringteil 47 gebildet.
In den Schenkeln 30, 31 des Tragkörpers 29 sind in Höhe
der Verbindungsstege 48, 49 Lagerbuchsen 50, 51
vorgesehen, die mit (nicht dargestellten) Zapfen im
Gehäuse bzw. in einander gegenüberliegenden Grundplatten
52 der Gehäusehälften 17 fluchten. Um die Achsen dieser
Lagerstellen kann das Schaltglied bzw. die Schaltwippe 8
je nachdem, ob die Spule 1 erregt oder nicht erregt ist,
von der einen in die andere Schaltstellung kippen.
Das Schaltglied 8 weist ferner einen Mitnehmer 53 auf,
der als frei über den Tragkörper 29 ragender,
mehrteiliger Arm ausgebildet ist. Er ist vorzugsweise
einstückig mit dem Tragkörper aus Kunststoff hergestellt.
Der Mitnehmer 53 hat ein Andrückglied 54 für die
Kontaktfeder 9 in ihrer Arbeitsstellung, in der
sie mit ihrem Kontakt 9a am Festkontakt 10 unter
Vorspannung anliegt. Das Andrückglied ist als flache
Zunge ausgebildet, die in Verlängerung des Bodens 36
des Tragkörpers 29 und symmetrisch zur Längsmittelebene
E des Schaltgliedes 8 liegt. Das Andrückglied bzw. die
Zunge 54 ist von einem rahmenartigen Armteil 55 des
Mitnehmers 53 umgeben, das in Draufsicht vorzugsweise
gleichen Umriß wie der Tragkörper 29 hat (Fig. 3). In
Seitenansicht (Fig. 4) hat der Armteil 55 L-Form; die
vom Tragkörper 29 abgewandte Stirnwand des Armteiles 55
ist vom Anker 7 weg verlängert und bildet den kürzeren
Schenkel des Armteiles. Der freie Rand 57 der Wand 56
ist rechtwinklig nach innen in Richtung auf den
Tragkörper 29 abgewinkelt und verläuft parallel neben
der Zunge 53. Der abgewinkelte Rand 57 bildet ein
Abhebeglied, mit dem das Schaltglied 8 beim Verschwenken
aus seiner in Fig. 2 dargestellten Lage in die in Fig. 1
dargestellte Lage an der Schaltfeder 9 zur Anlage kommt
und sie dann beim Weiterverschwenken mit nach oben in
die Ruhestellung nimmt und dadurch vom Festkontakt
abhebt.
Die freien Enden 58, 59 der Zunge 54 und des Randes 57
sind an ihrer Unter- bzw. Oberseite 60, 61 im Querschnitt
teilkreisförmig verdickt (Fig. 4). Die Stirnseiten 62,
63 der Zunge und des Randes liegen etwa in einer
gemeinsamen Vertikalebene. Durch die verdickte Ausbildung
der Enden 58, 59 werden eine hohe linienhafte
Anpreßkraft an die Kontaktfeder 9 und eine hohe
Festigkeit der Zunge 54 und des Armteiles 55 bzw. ihres
Randes 57 erreicht. Außerdem hat die linienhafte Anlage
den Vorteil, daß sich die Zunge 54 bzw. der Armteil 55
leicht und schnell von der Kontaktfeder 9 abheben lassen.
Zur Stellungsanzeige des Schaltgliedes 8 bzw. der
Schaltwippe ist an der Stirnwand 56 ein etwa L-förmig
abgewinkelter Hebel 64 vorgesehen, der mit seinem
kürzeren Schenkel 65 an die Stirnwand anschließt,
während sein längerer Schenkel 66 durch eine schlitzförmige
Öffnung 67 in einer Wand 68 der Gehäusehälfte 17 nach
außen ragt. Die Öffnung 67 verläuft in Längsrichtung der
Wand 68, so daß der Hebel 64 in seine beiden Lagen
entsprechend der Ruhe- und der Arbeitsstellung der
Schaltfeder 9 mitbewegt werden kann. An der Lage des
Hebels 64 läßt sich einfach erkennen, in welcher
Schaltstellung sich die Feder 9 gerade befindet.
Der Hebel 64 liegt etwa in halber Breite der in Fig. 3
dargestellten unteren Längshälfte des Armteiles 55
bzw. der Stirnwand 56. An der Stirnwand ist außer dem
Hebel 64 noch ein Steckzapfen 69 vorgesehen, der seitlich
neben dem Hebel zwischen diesem und der Längsmittelebene
E liegt. Er steht nur wenig über die Stirnwand vor
und ragt in eine zugehörige Stecköffnung 70 der Leiste 16,
die parallel und dicht benachbart zur Gehäusewand 68
angeordnet ist. Durch diese Formschlußverbindung zwischen
der Schaltfeder 9 und der Leiste 16 wird erreicht, daß
die Schaltfeder über den Hebel 64 nicht unbefugt betätigt
werden kann. Die Leiste 16 wird mittels eines Eisenkernes
71 der Zusatzspule 15 verriegelt und erst dann freigegeben,
wenn, z. B. bei Verwendung des Relais für Heizungen, die
mit Nachtstrom betrieben werden sollen, die Zusatzspule
15 mittels eines Steuerstromes erregt wird. Die
Zusatzspule 15 wird dabei gleichzeitig mit dem Signal für
die Spule 1 (Einfach- oder Doppelwicklung) erregt; sie
besitzt also keine separaten Anschlüsse.
Der Eisenkern 71 der Zusatzspule 15 ist in axialer
Richtung der Spule beweglich angeordnet und weist einen
Vorsprung 72 auf, der über die zugehörige Spulenstirnseite
73 in eine Öffnung 74 oder 75 der Leiste 16 ragt. Der
Eisenkern hat eine Vertiefung 76, in der eine Feder 77
untergebracht ist, die sich an einer Seite am Spulenkörper
der Spule abstützt und den Eisenkern in seine in Fig. 1
dargestellte Raststellung belastet. Beim Erregen der
Zusatzspule 15 wird der Eisenkern gegen die Kraft der
Feder 77 in die Spule zurückgezogen, wobei sein Vorsprung 72
aus der zugehörigen Öffnung 74 bzw. 75 der Leiste 16
gelangt und sie freigibt. Dann kann die Kontaktfeder 9
verschwenkt werden, die mit einer Schraube 79 am Anschluß
18 befestigt oder mit diesem verschweißt ist. Durch die
geringe mechanische und elektromagnetische Trägheit des
beweglichen Eisenkernes 71 ist gewährleistet, daß nach
dem Anlegen des Schaltsignals an die Spule zuerst die
Entriegelung der Leiste 16 erfolgt, bevor diese durch den
Steckzapfen 69 des Mitnehmers 53 in die gewünschte
Position gebracht und dort wiederum verriegelt wird,
dadurch, daß bei stromloser Spule der bewegliche Kern 71
in die entsprechende Öffnung 74, 75 eingreift.
Somit ist automatisch ein wirksamer Schutz sowohl gegen
Handverstellung über den Stellungsanzeiger 64 als auch
gegen Änderung der Schaltstellung durch mechanische
äußere Einflüsse, wie z. B. Schock gegeben.
Im Steuergerät wird das Relais durch einen Rastarm 17b
arretiert. Um Toleranzen zwischen dieser Arretierung und
den Anschlußelementen für die Spule auf der Leiterplatte
auszugleichen, wurde eine Aufnahme 12 beweglich am
Flansch des Spulenkörpers angebracht.
Besonders vorteilhaft ist es, daß die Spule automatisch
gewickelt werden kann, dadurch, daß der Spulenflansch
mit der Aufnahme mit den Federn 13a, 13b, 13c und deren
rückwärtigen Lötanschlüssen für die Spulendrähte
formschlüssig verbunden ist.
Ein Suchstift 14 der Aufnahme 12 erleichtert das Einsetzen
des Relais in das Steuergerät.
Über die Aufnahme 12 wird das Relais auf (nicht
dargestellte) Kontaktteile, Stifte eines Steuergerätes oder
dgl. geschoben. Um Einbau- und/oder Fertigungstoleranzen
beim Aufschieben ausgleichen zu können, ist die Aufnahme
12 in ihrer Längsrichtung verschiebbar gelagert und mit
den Flachfedern 13a, 13b, 13c versehen. Die Federaufnahme
12 ist in einer Führung 80 an der Stirnseite 11 des
Spulenkörpers senkrecht zur Spulenlängsachse 24
verschiebbar. Dadurch lassen sich auf einfache Weise
Toleranzen in Verschieberichtung ausgleichen. Aber auch
senkrecht dazu ist durch die Breite der Flachfedern
13a, 13b, 13c ein Toleranzausgleich möglich, da deren
Breite ein Mehrfaches des Durchmessers der Stifte auf
der Leiterplatte beträgt.
Der bistabil gepolte H-Anker-Antrieb stellt die er
forderlichen hohen Kräfte bei ausreichenden Wegen bereit.
Zur Vereinfachung der Ansteuerschaltung wurde die Spule 1
als symmetrische Doppelwicklung ausgelegt. Damit ergeben
sich symmetrische Kraftverhältnisse am Anker. Der
Kraftbedarf zur Betätigung eines Schließkontaktes ist
durch die Vorspannung der Kontaktfeder in Schließrichtung
für beide Schaltstellungen nach Fig. 1 und 2
unterschiedlich.
Zur Anpassung des Kraftbedarfs an das Antriebssystem wurde
das Schaltglied 8 mit dem federelastischen Andrückhebel
54 versehen, der einerseits die Kontaktkraft verstärkt,
andererseits eine Rückstellkraft für den Öffnungsvorgang
erzeugt.
Die Abstände zwischen Andrückhebel 58 und Kontaktfeder 9
in Fig. 1 bzw. zwischen Mitnehmer 59 und Kontaktfeder 9
in Fig. 2 sind für die Dynamik des Schaltens sowie den
durch Kontaktabbrand entstehenden Zusatzweg abgestimmt.
Sie stehen in engem Zusammenhang mit dem Gesamthub des
Ankers sowie der Verteilung der Dauermagnetkraft über
dem Ankerhub sowie dem Verlauf von Federvorspannung und
Andrückkraft über dem Ankerhub.
Bei Erregung der Spule 1 wird über die Polbleche 3, 4 und
die Polbleche 5, 6 das Schaltglied 8 betätigt, so daß es
von der in Fig. 1 dargestellten Lage in der es mit den
Polblechen 25, 28 an den kürzeren Schenkeln 22, 23 der
Polbleche 3, 4 anliegt, in die andere Endlage (Fig. 2)
verschwenkt. In dieser Lage liegt es mit den Polblechen
26, 27 an den Polblechen 3, 4 der Spule an. Durch den
zwischen den Polblechen 5, 6 angeordneten Dauermagneten
ist gewährleistet, daß das Schaltglied 8 bei stromloser
Spule in den beiden Endlagen stabil gehalten wird. Der
Dauermagnet im Schaltglied 8 ermöglicht somit bei
stromloser Spule 1 bistabile Endlagen.
Beim Verschwenken des Schaltgliedes 8 von der Stellung
nach Fig. 1 in die Stellung nach Fig. 2 trifft das
zungenförmige Andrückglied 54 mit seinem Ende 58 auf
das freie, über den Kontakt 9a vorstehende Ende 81
der Kontaktfeder 9 auf. Die Kontaktfeder ist in Richtung
auf die Schaltstellung gem. Fig. 2 vorgespannt, so daß
sie beim Verschwenken des Schaltgliedes 8 sofort in
diese Schaltstellung gelangt und mit ihrem Kontakt 9a
unter Vorspannung am Festkontakt 10 anliegt. Die Zunge 54
ist als federelastischer Teil ausgebildet und liegt in
dieser Schaltstellung unter elastischer Vorspannung an
der Kontaktfeder 9 an und übt eine zusätzliche
Anpreßkraft auf die Kontaktfeder aus, so daß deren
Kontakt 9a mit hoher Kontaktkraft am Festkontakt 10
anliegt.
Zum Öffnen des Schaltkontaktes 9a, 10 werden in der
beschriebenen Weise die Zusatzspule 15 und die Spule 1
kurzzeitig mit Strom in Gegenrichtung bzw. bei
Doppelwicklung der Spule 1 der entsprechende
Wicklungsteil beaufschlagt. Das wippenartige Schaltglied 8
wird dann aus der Stellung gem. Fig. 2 in die Stellung
gem. Fig. 1 zurückgeschwenkt. In dieser Schaltstellung
gem. Fig. 2 hat das Abhebeglied 57 Abstand von der
Kontaktfeder 9. Dieser Abstand steht beim Umschalten
des Relais als Beschleunigungsstrecke für das Abhebeglied
57 des Schaltgliedes 2 zur Verfügung. Darum trifft das
Abhebeglied 57 beim Zurückschwenken des Schaltgliedes 8
mit hoher Geschwindigkeit auf die Kontaktfeder 9 und
hebt ihren Kontakt 9a schlagartig vom Festkontakt 10 ab.
Der Beschleunigungsweg ist so groß, daß der Kontakt 9a
auch dann noch sofort vom Festkontakt 10 losgerissen
wird, wenn schon kleine Verschweißungen zwischen den
Kontakten 9a, 10 stattgefunden haben sollten. Der Abstand
des Abhebegliedes 57 von der Kontaktfeder 9 in der
Schaltstellung nach Fig. 1 ist so gewählt, daß auch eine
Abbrandreserve für die Kontakte berücksichtigt ist. Der
Beschleunigungsweg steht somit auch dann zur Verfügung,
wenn die Kontakte 9a, 10 schon einen Verschleiß aufweisen.
Die federelastische Ausbildung des Andrückgliedes 54
hat den Vorteil, daß ein Verschleiß der Kontakte 9a, 10
durch die Federkraft automatisch berücksichtigt wird.
Infolge der Vorspannung liegt das Andrückglied 54 stets
fest auf der Kontaktfeder 9 auf und drückt ihren Kontakt
9a auch bei Verschleiß fest gegen den Festkontakt 10.
Schließlich wird infolge der federelastischen Ausbildung
verhindert, daß das Andrückglied 54 beim Auftreffen auf
die Kontaktfeder 9 mehrmals zurückfedert (prellen).