Ausgangssituation der Erfindung
-
Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Relais
von flacher Gestalt mit geringer Höhe.
Beschreibung des Standes der Technik
-
Ein Beispiel für bekannte elektromagnetische Relais
dieses Typs wird anhand von Fig. 1A und 1B erläutert. Das
Relais weist ein isolierendes Unterteil 40, das als unterer
Spulenkörper dient, zwei äußere Leitungsanschlüsse 43 eines
Magnetelements, auf dem stationäre elektrische Kontakte 41 und
Dauermagneten 42 befestigt sind, und einen Masseanschluß 44
eines nichtmagnetischen Elements auf. Die äußeren
Leitungsanschlüsse 43 und die Masseanschlüsse 44 sind auf dem
isolierenden Unterteil 40 befestigt. Beide Enden der äußeren
Leitungsanschlüsse 43 liegen den beiden Enden eines
beweglichen Wippankers 45 gegenüber, und oberhalb des Ankers 45 ist
eine bewegliche Kontaktfeder 47 mit beweglichen elektrischen
Kontakten 46 befestigt. Zwei Scharnierfedern 48 der Feder 47
sind an den Masseanschlüssen 44 befestigt, und auf dem
Unterteil 40 ist eine isolierende Abdeckung 49 angebracht, die als
oberer Spulenkörper zum Aufwickeln einer Spule 50 dient. Ein
Beispiel für Relais der obenerwähnten Konstruktion wird z. B.
in der US-PS-4 342 016 offenbart.
-
Das obenerwähnte herkömmliche elektromagnetische Relais
weist jedoch in seiner Konstruktion die folgenden Nachteile
auf:
-
(1) Da der Anker 45 durch die Spule 50 direkt erregt wird,
wird im Wicklungsteil der Abdeckung 49 Platz für die
Bewegung des Ankers 45 benötigt, wodurch keine höhere
Magnetisierungsleistung der Spule erreicht wird.
-
(2) Da ein starker magnetischer Streufluß auftritt und der
Kraftlinienweg nicht genügend geschlossen ist, kann
kein höherer Wirkungsgrad des Magnetkreises erreicht
werden.
-
(3) Nach beendetem Wickeln der Spule 50 gibt es keine
anderen Mittel zur Regulierung der Empfindlichkeit des
Relais als eine Regulierung der Magnetisierung.
-
In der EP-A-118 715, veröffentlicht am 19. September
1984, und in der EP-A-196 022, veröffentlicht am 1. Oktober
1986, wurden polarisierte Relais mit Wippankern vorgeschlagen.
-
Eine im folgenden zu beschreibende Anordnung weist als
Merkmale ein Relais auf, das den obenerwähnten, bei den
bekannten Vorrichtungen festgestellten Problemen weniger
ausgesetzt ist und erzeugte Magnetflüsse effektiv nutzen kann, und
das mit höherer Empfindlichkeit und geringerer
Leistungsaufnahme angesteuert werden kann und außerdem von flacher Gestalt
ist, so daß die Bausteinhöhe reduziert wird, und das ein
elektromagnetisches Relais liefert, dessen Empfindlichkeit auch
nach dem Zusammenbau einstellbar ist, wie z. B. bei der
Einstellung des Federdrucks.
-
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein
elektromagnetisches Relais mit höherer Zuverlässigkeit der
elektrischen Kontakte zu schaffen.
-
In einer nachstehend beschriebenen Anordnung weist ein
elektromagnetisches Relais auf:
-
eine Spuleneinheit mit einem Dauermagneten, der so
angeordnet ist, daß einer der Magnetpole die Mitte eines
U-förmigen Kerns berührt, auf den eine Spule aufgewickelt ist;
-
eine Ankereinheit mit einem Anker, dessen beide Enden
den beiden Enden des Kerns gegenüberliegen, einer
Scharnierfeder zur Unterstützung einer Wippbewegung des Ankers, bei der
beide Enden mit den beiden Enden des Kerns in Kontakt kommen
bzw. sich davon lösen, und beweglichen Kontaktfedern, die mit
der Wippbewegung des Ankers zusammenwirken, wobei der Anker,
die Scharnierfeder und die beweglichen Federn in einem Stück
mit einem isolierenden Formkörper angebracht sind; und
-
ein isolierendes Unterteil von kastenförmiger Gestalt
mit einer Öffnung an seiner Oberseite, das stationäre
Kontaktanschlüsse mit stationären Kontakten, die den beweglichen
Kontakten der beweglichen Kontaktfedern gegenüberliegen, und
Masseanschlüsse
aufweist, die mit einem Ende der Scharnierfedern
zu verbinden sind, wenn die Spuleneinheit in die Öffnung
eingesetzt und die Ankereinheit so angeordnet wird, daß der
andere Magnetpol des Magneten als Auflagerpunkt für die
Wippbewegung des Ankers wirkt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Die obige und weitere Aufgaben und Merkmale der
Erfindung werden aus der ausführlichen Beschreibung in Verbindung
mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich. Dabei
zeigen:
-
Fig. 1A und 1B einen senkrechten Schnitt bzw. eine
Draufsicht, die ein bekanntes elektromagnetisches Relais
darstellen;
-
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung
eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
-
Fig. 3 eine auseinandergezogene Darstellung von Fig. 2;
-
Fig. 4A bis 4C erläuternde Darstellungen des
Funktionsprinzips des in Fig. 2 dargestellten Relais;
-
Fig. 5A und 5B Darstellungen des Kontaktzustands und
des Trennungszustands zwischen dem Anker und dem Kernende
entsprechend der Darstellung in Fig. 3;
-
Fig. 6A und 6B eine teilweise aufgeschnittene
perspektivische Ansicht bzw. einen Schnitt zur Darstellung von
Details des in Fig. 3 gezeigten Spulenkörpers;
-
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung
eines weiteren Beispiels des in Fig. 3 gezeigten Spulenkörpers;
-
Fig. 8A und 8B eine perspektivische Ansicht bzw. einen
senkrechten Schnitt zur Darstellung von Details des
Ausführungsbeispiels von Fig. 3; und
-
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung
eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.
-
In den Zeichnungen sind gleiche Bauelemente durch
gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
-
Wie aus Fig. 2 und 3 erkennbar, weist ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Spuleneinheit 1, eine Ankereinheit
2, ein isolierendes Unterteil 3 und eine Abdeckung 4 auf.
-
Die Spuleneinheit 1 weist einen Eisenmagnetkern 10 von
der Form eines Buchstabens U, einen durch Einsatzformen an den
Kern 10 angegossenen Spulenkörper 11, eine auf den
Spulenkörper 11 aufgewickelte Spule 12 und einen Dauermagneten 13 auf.
An beiden Seiten der beiden Enden des U-förmigen Kerns 10 sind
Vorsprünge 101 und 102 ausgebildet. Der Magnet 13 wird in eine
Öffnung 112 eines Mittelflanschs 110 des Spulenkörpers 11
eingesetzt, und einer der Magnetpole (unteres Ende) wird an der
Mitte des Kerns 10 befestigt. An den Flanschen 111 an beiden
Enden des Spulenkörpers 11 sind zwei Paar Spulenanschlüsse 113
vorgesehen.
-
Die Ankereinheit 2 weist einen Anker 20 von flacher
Plattenform des Magnetelements, ein isolierendes Formteil 21,
das durch Angießen an die Mitte des Ankers 20 ausgebildet
wird, und zwei elektrisch leitende Federelemente 22, 23 auf,
die mit beweglichen Kontaktfederabschnitten 221 bzw. 231 mit
beweglichen elektrischen Kontakten 223 bzw. 233 auf beiden
Seiten sowie mit kurbelförmigen Scharnierfederabschnitten 222
bzw. 232 versehen sind. An beiden Enden des Ankers 20 sind in
Längsrichtung zwei Einschnitte 201, 202 so ausgebildet, daß
sie den Formen der Vorsprünge 102, 103 des Kerns 10
entsprechen. Die Federelemente 22, 23 sind an beiden Seiten des
Ankers 20 befestigt, wobei das Formteil 21, das aus einem
isolierenden Harz besteht, wie z.B. einem Kunststoffmaterial, den
Anker 20 und die Federelemente 22, 23 in einem Stück aufnehmen
soll. Der Anker 20 ist gegen die Elemente 22 und 23 isoliert.
-
Das Unterteil 3 weist ein flaches, kastenartiges
Bauteil mit einer Öffnung in der Oberseite auf. Das Unterteil 3
ist im wesentlichen an seinen vier Ecken mit vier Paar
stationären Kontaktanschlüssen 30 bis 33 mit elektrischen Kontakten
(stationären Kontakten) 301, 311, 321, 331, vier
Spulenanschlüssen 34 bis 37 und zwei Masseanschlüssen 38, 39 versehen.
Die Spuleneinheit 1 wird am Unterteil 3 innen fixiert, z.B.
mit Klebstoff, während die Spulenanschlüsse 113 des
Spulenkörpers
11 an den Spulenanschlüssen 34 bis 37 des Unterteils 3
durch Anlöten usw. befestigt werden. Die Ankereinheit 2 wird
von oben so eingesetzt, daß die mittlere untere Fläche des
Ankers 20 mit dem oberen Magnetpol des Magneten 13 in Berührung
kommt. Die Enden der Scharnierfederabschnitte 222 und 232
werden durch Anlöten usw. an den Befestigungsabschnitten 381 und
391 der Masseanschlüsse 38 bzw. 39 des Unterteils 3 montiert.
Wenn die Abdeckung (Fig. 2) von oben aufgesetzt wird, bilden
die obenerwähnten Teile 1, 2, 3 und 4 ein elektromagnetisches
Relais. In diesem Zustand kann sich der Anker 20 auf dem
oberen Ende des Magneten 13 in einer Wipp- oder Schaukelbewegung
aufwärts und abwärts bewegen und wird dabei durch die
Scharnierfederabschnitte 222 und 232, die mit ihren Enden an
den Masseanschlüssen 38, 39 des Unterteils 3 fixiert sind,
elastisch gelagert.
-
Im folgenden wird das Arbeitsprinzip des Relais anhand
von Fig. 4A bis 4C beschrieben. Wie vorstehend beschrieben,
ist an der Innenseite des Eisenkerns 10 in der Mitte ein
Dauermagnet 13 vorgesehen. Die beiden Enden 10a und 10b des Kerns
10 sind so gegenüber den Enden 20a, 20b des Ankers 20
angeordnet, daß die Wippbewegung möglich ist. In Fig. 4A, die den
Zustand bei nicht erregter Spule 12 darstellt, wird der Anker 20
durch den vom Magneten 13 erzeugten Magnetfluß φ&sub1; zur
Kernseite 10a hin angezogen. In Fig. 4B, die den Zustand bei erregter
Spule 12 zeigt, überwindet der am Kern 10 durch die Erregung
erzeugte Magnetfluß φ&sub0; den Magnetfluß φ&sub1; auf der Seite des
Ankerendes 20a, während sich auf der anderen Seite des
Ankerendes 20b der Magnetfluß φ&sub0; zum Magnetfluß φ&sub2; des Magneten 13
addiert. Dadurch schwingt der Anker 20 in Uhrzeigerrichtung um
das obere Ende des Magneten 13, was dazu führt, daß das
Ankerende 20b und der Kern 10b in Kontakt miteinander kommen. In
diesem Zustand wird selbst dann, wenn die von der Spule 12
ausgehende Erregung ausgesetzt wird, wie in Fig. 4C gezeigt,
der Anker mit dem Magnetfluß φ&sub2; des Magneten 13 zum Kernende
10b hin angezogen. Bei einer Richtungsumkehr des elektrischen
Stroms in der Spule 12 erfolgt ein Zustandswechsel in den in
Fig. 4A gezeigten Zustand. Die obenerwähnte Bewegung läßt
erkennen, daß es sich um ein selbsthaltendes (bistabiles) Relais
handelt. Da die beweglichen Kontaktfedern 221 und 231 in einem
Stück mit dem Anker 20 ausgeführt sind und mit diesem zusammen
die Wippbewegung ausführen, kommen die beweglichen Kontakte
223 und 233 in Kontakt mit den stationären Kontakten 301, 311
(und 321, 331) oder werden von diesen getrennt, um elektrische
Stromkreise zu schalten.
-
Die Auslenkung des Ankers 20 an dem vom Kern 10
entfernten Ende wirkt sich in hohem Maße auf die
Durchschlagsfestigkeit zwischen elektrischen Kontakten aus. Insbesondere
wird die Durchschlagsfestigkeit um so größer, je größer der
Spalt zwischen dem Ankerende und dem Kernende ist. Mit größer
werdendem Spalt steigt jedoch der magnetische Widerstand an
und erhöht den Streufluß auf der Anziehungsseite des Ankers
20, wenn der Ankerzustand umgekehrt werden soll. Dies führt zu
einem starken Abfall der magnetischen Anziehungskraft, und die
ungenügende magnetische Anziehung vermindert die
Empfindlichkeit des Relais. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das
Problem dadurch gelöst, daß der Anker 20 mit den Einschnitten
201, 202 und der Kern 10 mit den Vorsprüngen 101, 102 versehen
werden. Insbesondere geht bei der Konstruktion dieses
Ausführungsbeispiels, wenn sich das Ankerende 20a im Kontakt mit dem
Kernende 10a befindet (Fig. 5A), der Magnetfluß φ durch die
Unterseite des Endes 20a (Kontaktfläche), wo der magnetische
Widerstand minimal ist, während bei einer Trennung des
Ankerendes 20a vom Kernende 10a (Fig. 5B) der Magnetfluß φ
wahrscheinlich von den Vorsprüngen 101, 102 zur Seite des Endes
20a verläuft. Selbst wenn das Ankerende 20a von der oberen
Fläche des Kernendes 10a (Kontaktfläche) getrennt ist,
verändert sich der Spalt x zwischen der Seitenfläche des Ankerendes
20a und den als Seitenjoche wirkenden Vorsprüngen 101, 102
nicht. Daher ist ständig ein Weg für den Magnetfluß φ
sichergestellt, um den Streufluß zu reduzieren, und selbst bei
großem Spalt y (mit anderen Worten, wenn eine große
Durchschlagsfestigkeit festgelegt wird) wird ein starker
Abfall der magnetischen Anziehungskraft bei einer Umkehr des
Ankerzustands verhindert. Im Ergebnis kann ein Relais mit hoher
Empfindlichkeit und großer Durchschlagsfestigkeit zwischen den
Kontakten realisiert werden.
-
Unter Bezugnahme auf Fig. 6A, 6B und 7 werden
nachstehend Details sowie eine Modifikation des Spulenkörpers
beschrieben. In Fig. 6A und 6B ist der mit der Spule bewickelte
Eisenkern 10 teilweise durch das Formprofil 114 abgedeckt und
liegt teilweise im Spulenkörper 11 frei. Die Flansche 110,
111, bzw. das Formprofil 114 werden durch Einsatzformen an den
Kern 10 angegossen. Genauer gesagt, der Kern 10 wird im
wesentlichen in Form eines Buchstabens U ausgebildet, indem
beide Ende einer flachen Platte umgebogen werden, und in dem
Wicklungsabschnitt werden durch teilweises Pressen des Kerns
10 vier Einbuchtungen 103 ausgebildet. Die Einbuchtungen 103
werden vorgesehen, um das Aufbringen von Harz über die gesamte
Länge des Kerns 10 zu erleichtern, wenn beim Einsatzformen aus
mehreren Einspritzöffnungen Harz in eine Metallform
eingespritzt wird. Im Querschnitt des Kerns 10 sind die
Einbuchtungen 103 und zwei Seitenflächen (die kürzeren Seiten) mit dem
Formprofil 114 bedeckt, während zwei größere Flächen (die
längeren Seiten) größtenteils freiliegen. An den größeren Flächen
liegt die Oberfläche des Formprofils 114 um die Dicke t höher
als die freiliegende Fläche des Kerns 10. An den Seitenflächen
des Kerns 10 hat das Formprofil 114 die Dicke t.
-
Beim Aufwickeln der Spule 12 auf den Spulenkörper 11
der obigen Konstruktion, wie in Fig. 6B gezeigt, entsteht an
der größeren Fläche ein Hohlraum der Tiefe t zwischen dem Kern
10 und der Spule 12, um diese voneinander zu isolieren. Die
Dicke t, die der Dicke des bewickelten Profils entspricht,
kann bei Verwendung von PBT (Polybutylenterephthalat) auf 0,1
mm reduziert werden. Da die auszugießende Fläche an der
Seitenfläche des Kerns 10 klein ist, kann ein Formteil von
geringerer Dicke t ausgebildet werden. Da bei den bekannten
Verfahren der Kern 10 vollständig umgossen wird, kann hier die
Mindestdicke t nicht weiter als bis auf etwa 0,3 mm reduziert
werden, während im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Spule
12 und der Kern 10 näher beieinander angeordnet werden können
und die Windungszahl im gleichen Raum erhöht werden kann, so
daß die Spulenerregungsleistung (Spulenkonstante) gegenüber
den bekannten Verfahren um 40% verbessert werden kann. Daher
trägt diese Spulenkörperkonstruktion dazu bei, daß ein Relais
mit höherer Empfindlichkeit erzielt werden kann.
-
Fig. 7 zeigt ein weiteres Beispiel des Spulenkörpers,
wobei der Dauermagnet 13 aus der Konstruktion weggelassen
wird, indem ein Mittelflansch 110 mit einem vertikal
magnetisierten Kunststoffmagneten ausgebildet wird.
-
Nachstehend wird die Ankereinheit 2 anhand von Fig. 8A
und 8B näher erläutert. Die Scharnierfedern 222 und 232,
welche die Ankereinheit 2 bei ihrer Wippbewegung unterstützen,
und die beweglichen Kontakte 223 und 233 der beweglichen
Kontaktfederelemente 221 und 231 sind elektrisch miteinander
verbunden, und die Scharnierfedern 222 und 232 können als
Masseanschlüsse für die Umschaltkontakte dienen. Da die
kurbelförmigen Scharnierfedern 222 und 232 freiliegen, bevor die
Abdeckung von oben aufgesetzt wird, können sie auch nach dem
Zusammenbau durch einfaches Biegen auf optimale Federspannung
eingestellt werden.
-
An der Unterseite des Formteils 21 ist ein Fenster 210
ausgebildet, um die Unterseite des Ankers 20 in der Mitte
freizulegen. Innerhalb des Fensters 210 ist durch Preßformen
des Ankers 20 ein Lagervorsprung 203 ausgebildet. Der von dem
Formteil 21 umgebene Vorsprung 203 kommt in Kontakt mit dem
Magneten 13 und wird zum Auflagerpunkt für die Bewegung des
Ankers 20. Das Formteil 21 verhindert, daß Abriebstaub in die
elektrischen Kontakte eindringt, wie in Fig. 8B gezeigt.
Dadurch entfällt die nachteilige Wirkung auf die Kontakte, die
sonst durch den entstehenden (isolierenden) Abriebstaub
verursacht werden kann, so daß dadurch eine höhere
Zuverlässigkeit des Relais erreicht wird.
-
Obwohl alle vorstehend beschriebenen Relais
selbsthaltende Relais sind, kann die Erfindung auf die nachstehend
beschriebene Weise auch ohne weiteres auf stromhaltende
(monostabile) Relais angewendet werden. Das Relais kann so
aufgebaut werden, daß bei nicht erregter Spule der Anker 20
nach der einen oder anderen Seite des Kerns angezogen wird,
daß ein Klebeblech 204 aus nichtmagnetischem Material an einem
Ende 20b des Ankers 20 befestigt wird, wie in Fig. 9 gezeigt,
und das Gleichgewicht durch Erhöhen des magnetischen
Widerstands
von den Enden des Kerns 20 aus gestört wird. Als
Alternative werden die kurbelförmigen Scharnierfedern 222 und 232
gebogen (224 und 234), um den beim Anlöten dieser Federn 222
und 232 an die neutralen Masseanschlüsse des Unterteils 3
erzeugten Federdruck zu nutzen, um bei nicht erregter Spule das
Ankerende 20a mit dem Kernende 10a in Kontakt zu bringen und
dadurch den gleichen Effekt zu erzielen. Zum Erzielen des
gleichen Effekts kann das eine wie das andere Verfahren
angewendet werden.