DE4216080A1 - Kontaktfedersatz zum Schalten hoher elektrischer Ströme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kontaktfedersatz zum Schalten hoher elektrischer Ströme mit mindestens einer langge­ streckten Kontaktfeder, welche mit einem starren Gegenkon­ taktelement zusammenwirkt.

Bekanntlich erzeugt ein durch einen Leiter fließender elektrischer Strom um diesen Leiter ein Magnetfeld, das wiederum entsprechende Kräfte auf die Umgebung ausübt. Bei sehr hohen Strömen in schaltenden Kontaktelementen können die zwischen zwei gegenüberstehenden Kontaktelementen fließenden Ströme durchaus die Kontaktkräfte beeinflussen.

So ist in der DE-C1-40 26 425 ein Kontaktfedersatz be­ schrieben, bei dem die abstoßenden Kräfte zwischen paral­ lelen Kontaktelementen durch eine übergreifende Gestaltung der kontaktgebenden Enden zur Erhöhung der Kontaktkraft ausgenutzt werden.

Aus der DE-A1-40 19 336 ist weiterhin eine Kontaktvorrich­ tung bekannt, bei der ein zusätzliches Masseelement an der beweglichen Kontaktfeder befestigt ist, um so beim Schlie­ ßen des Kontaktes den Kontaktdruck zu erhöhen und ein Ver­ schweißen bei hohen Kurzschlußströmen zu vermeiden. Dieses zusätzliche Masseelement kann dort auch aus ferromagneti­ schem Material bestehen, so daß es durch das Magnetfeld des stromdurchflossenen Gegenkontaktelementes angezogen wird; mit diesem Masseelement auf der Kontaktfeder soll dann letztere selbst mit angezogen werden, um die Kontakt­ kraft zusätzlich zu erhöhen.

Bei dieser bekannten Kontaktvorrichtung wird also das Mas­ seelement als eigenes Teil zusätzlich hergestellt und in einem weiteren Arbeitsgang mit der beweglichen Kontaktfe­ der verbunden. Die erhöhte Masse der beweglichen Feder verursacht außerdem Schwingbewegungen, die zwar zum Teil erwünscht sind, zum Teil aber auch nachteilige Folgen ha­ ben können, beispielsweise hinsichtlich der Erschütte­ rungsempfindlichkeit der Kontaktvorrichtung. Die größere Masse der beweglichen Feder erfordert außerdem auch eine größere Schaltenergie.

Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, einen Kontaktfe­ dersatz der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine hohe Kontaktkraft bei einfachem Aufbau ermöglicht und bei dem ein erhöhter Strom, beispielsweise ein Kurzschluß­ strom, auch zu einer Erhöhung der Kontaktkraft führt, so daß wegen des dann geringeren Kontaktwiderstandes ein Ver­ schweißen des Kontaktes vermieden wird. Dieser Kontaktfe­ dersatz soll die Kraftwirkung hoher Ströme in den Kontakt­ elementen zur Erhöhung der Kontaktkraft ausnutzen, ohne daß ein großer konstruktiver Aufwand an zusätzlichen Tei­ len, an Platz und an Fertigungsschritten benötigt wird.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß ne­ ben dem stromdurchflossenen Abschnitt der Kontaktfeder auf der Seite des Gegenkontaktelementes ein ferromagnetischer Körper in geringem Abstand angeordnet ist.

Bei der Erfindung wird also die magnetische Anziehung aus­ genutzt, die das Magnetfeld des über den Kontakt fließen­ den Stroms auf einen ferromagnetischen Körper ausübt. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird hier jedoch der fer­ romagnetische Körper nicht an der beweglichen Kontaktfeder befestigt, vielmehr ist dieser ferromagnetische Körper fest angeordnet, also unbeweglich, beispielsweise in einem gemeinsamen Träger verankert. Ein durch die Kontaktfeder fließender hoher Strom erzeugt ein magnetisches Feld, das diesen ferromagnetischen Körper anziehen möchte. Da aber der Körper fest verankert ist, wird umgekehrt die Kontakt­ feder angezogen, was sich wiederum in einer Erhöhung der Kontaktkraft auswirkt. Die Anziehungskraft wird dabei um so größer, je kleiner der Abstand der Mittelfeder von dem ferromagnetischen Körper ist. So kann in der Praxis der Abstand sehr klein gewählt werden, wobei die Grenze ledig­ lich durch die Beweglichkeit der Kontaktfeder und gegebe­ nenfalls durch den notwendigen Isolationsabstand bestimmt wird.

Diese erfindungsgemäße Art der Kontaktkraftverstärkung im Kurzschlußfall hat dabei den Vorteil, daß sich die Kon­ taktkraft mit zunehmendem Kontaktabbrand vergrößert, da in diesem Fall der Abstand der Kontaktfeder bei geschlossenem Kontakt zu dem ferromagnetischen Körper kleiner wird.

Der ferromagnetische Körper kann beispielsweise als zu­ sätzliches Blech in der Nähe des Gegenkontaktelementes isoliert zu diesem angeordnet sein. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, daß der Abstand zwischen dem ferromagne­ tischen Körper und der Kontaktfeder ohne Rücksicht auf Isolationsstrecken sehr gering gewählt werden kann.

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann der ferromagnetische Körper auch als ein Abschnitt des Gegen­ kontaktelementes selbst ausgebildet sein; in diesem Fall erfordert die erfindungsgemäße Gestaltung überhaupt kein zusätzliches Teil. Es braucht lediglich das Gegenkontakt­ element, das normalerweise aus einem hochleitfähigen Werk­ stoff, beispielsweise einer Kupferlegierung, besteht, aus ferromagnetischem Metall hergestellt zu werden. Die hohe Leitfähigkeit muß in diesem Fall durch entsprechende Be­ messung des Querschnitts und eventuell durch Aufbringen einer hochleitfähigen Oberfläche im stromdurchflossenen Teil gewährleistet werden. Es ist dabei auch zweckmäßig, daß der die Kontaktfeder anziehende ferromagnetische Kör­ per durch eine vom Schaltstrom nicht durchflossene Verlän­ gerung des Gegenkontaktelementes gebildet wird. Auf diese Weise kann vermieden werden, daß die magnetische Abstoßung zwischen Kontaktfeder und Gegenkontaktelement aufgrund des entgegengesetzt fließenden Schaltstroms wirksam wird und den anziehenden Effekt des ferromagnetischen Körpers auf­ hebt.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist außer­ dem vorgesehen, daß ein aus nicht ferromagnetischem Metall bestehendes Anschlußelement für die Kontaktfeder an der dem ferromagnetischen Körper gegenüberliegenden Seite ne­ ben der Kontaktfeder über einen wesentlichen Teil von de­ ren Länge verläuft, derart, daß es den Strom in entgegen­ gesetzter Richtung zur Kontaktfeder führt. Bei dieser An­ ordnung wird zusätzlich zu der Anzugswirkung zwischen Kon­ taktfeder und ferromagnetischem Körper auch noch die ab­ stoßende Wirkung zwischen Kontaktfeder und ihrem Anschluß­ element ausgenützt, so daß beide Effekte sich im Sinne ei­ ner Erhöhung der Kontaktkraft addieren.

Die Erfindung kann nicht nur bei einem Schließer Verwen­ dung finden, sondern auch bei einem Öffner oder bei einem Umschaltkontakt. Im letzteren Fall wird zumindest auf der Seite des einen Gegenkontaktelementes ein ferromagneti­ scher Körper vorgesehen. Denkbar ist aber auch, beide Ge­ genkontaktelemente mit einem ferromagnetischen Körper aus­ zustatten, wobei durch entsprechend versetzte Anordnung sichergestellt werden muß, daß sich die jeweils anziehen­ den Effekte nicht gegenseitig aufheben.

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann auch ein starrer Mittelkontaktträger aus ferromagnetischem Ma­ terial zwischen zwei wahlweise an diesen anschaltbaren Kontaktfedern vorgesehen werden.

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

Fig. 1 bis 3 ein erstes Starkstromrelais in einem Schnitt parallel zur Anschlußebene mit drei verschiedenen Kontaktanordnungen,

Fig. 4 und 5 ein weiteres Starkstromrelais in einem Längs- und einem Querschnitt mit einem Kontaktsystem mit Vorlaufkontakt,

Fig. 6 ein drittes Relaissystem für Starkstrom mit einem erfindungsgemäßen Umschaltkontaktsatz und

Fig. 7 eine Kontaktfeder mit Federträger aus Fig. 6 in Vorderansicht.

Das in den Fig. 1 bis 3 schematisch dargestellte Re­ laissystem besitzt ein Gehäuse mit einem Grundkörper 1 und einer Kappe 2, wobei durch L-förmige, einander überlappen­ de Trennwände 1a des Grundkörpers und 2a der Kappe ein Ma­ gnetsystemraum 3 von einem Kontaktraum 4 getrennt ist. Das Magnetsystem besitzt eine Spule 5 mit einem axial angeord­ neten Kern 6 sowie ein im Schnitt nur teilweise sichtbares Joch 7, welches mit gabelförmigen Enden 7a und 7b ein Kernende 6a einschließt. In den Luftspalten ist ein U-för­ miger Anker 8 mit zwei Polblechen 8a und 8b sowie einem zwischenliegenden Dauermagneten 9 beweglich angeordnet. Ein derartiges Magnetsystem ist grundsätzlich bekannt und soll deshalb nicht weiter erläutert werden. Die Bewegung des Ankers 8 wird über einen Betätigungsfinger 10 und ei­ nen Schieber 11 auf eine Kontaktfeder 12 übertragen, wel­ che ein Kontaktstück 13 trägt. Zusammen mit einem Gegen­ kontaktstück 14 eines Gegenkontaktelementes 15 wird ein Starkstrom-Kontakt gebildet, der hohe Ströme zu führen vermag.

Das Gegenkontaktelement 15 ist senkrecht zur Grundebene im Grundkörper 1 verankert und erstreckt sich somit im we­ sentlichen senkrecht zur Längsausdehnung der Kontaktfeder 12, so daß eine Abstoßung durch die jeweiligen Magnetfel­ der in den beiden Teilen kaum erfolgt. Die Kontaktfeder 12 ist an einem Federträger 16 befestigt, welcher sich paral­ lel zur Kontaktfeder 12 erstreckt und an seinem Ende 16a im Grundkörper verankert ist. Somit verläuft der Strom in dem Federträger 16 von der Anschlußstelle 16a bis zur Be­ festigungsstelle 16b der Kontaktfeder 12 entgegengesetzt zu dem Strom in der Kontaktfeder 12 selbst, wodurch eine Abstoßung zwischen dem Federträger 16 und der Kontaktfeder 12 erfolgt. Je höher der Strom also ist, um so mehr wird die Kontaktfeder 12 und damit das Kontaktstück 13 an das Gegenkontaktstück 14 angedrückt. Im Kurzschlußfall ergibt sich also eine hohe Kontaktkraft, die das Verschweißen zu vermeiden hilft.

Zusätzlich ist aber im Grundkörper eine ferromagnetische Platte 17 verankert, die parallel zum stromführenden Teil der Kontaktfeder 12 liegt. Durch den Strom in der Feder wird ein Magnetfeld erzeugt, welches die ferromagnetische Platte 17 anzuziehen versucht; da diese Platte 17 aber fest verankert ist, wird die Kontaktfeder selbst angezo­ gen, was zu einer weiteren Erhöhung der Kontaktkraft führt. Die beiden Effekte, nämlich die Abstoßung zwischen dem Federträger 16 und der Kontaktfeder 12 einerseits und die Anziehung zwischen der Kontaktfeder 12 und der ferro­ magnetischen Platte 17 andererseits, addieren sich also im Sinne einer Erhöhung der Kontaktkraft. Ein besonderer Vor­ teil dieser Kombination besteht darin, daß bei einem Kon­ taktabbrand im Verlauf der Lebensdauer beim geschlossenen Kontakt der Abstand zwischen der Kontaktfeder 12 und dem Federträger 16 größer wird, während umgekehrt der Abstand zwischen der Kontaktfeder 12 und der Platte 17 sich ver­ ringert. Dadurch wird der eine Effekt schwächer, während der andere gleichzeitig größer wird, so daß insgesamt die Kontaktkraftverstärkung über die Lebensdauer annähernd gleich bleibt.

Fig. 2 zeigt den gleichen Aufbau des Relais und der Kon­ taktfeder wie in Fig. 1, so daß hierzu keine weitere Er­ läuterung erforderlich ist. Bei dieser Ausführungsform ist lediglich anstelle der zusätzlichen ferromagnetischen Platte 17 ein ferromagnetisches Gegenkontaktelement 18 vorgesehen, welches mit einem senkrecht zur Einbauebene verlaufenden Anschlußschenkel 18a im Grundkörper verankert ist und zusätzlich einen parallel zur Kontaktfeder 12 ver­ laufenden Schenkel 18b besitzt. Dieser Schenkel 18b wirkt wie die Platte 17 in Fig. 1 im Sinne einer Anziehung auf die stromdurchflossene Kontaktfeder 12. Da der Schaltstrom andererseits nicht durch den Schenkel 18b, sondern ledig­ lich durch den senkrechten Schenkel 18a fließt, kommt wie im ersten Ausführungsbeispiel eine Abstoßungsreaktion nur wenig zur Geltung. Eine zusätzliche Isolationswand 1b dient zur elektrischen Isolierung zwischen dem ferromagne­ tischen Schenkel 18b des Gegenkontaktelementes und der Kontaktfeder 12.

Eine weitere Abwandlung des Kontaktsystems bei dem glei­ chen Relais wie in den Fig. 1 und 2 ist in Fig. 3 ge­ zeigt. In diesem Fall dient die Kontaktfeder 12 als Mit­ telfeder, die einerseits mit einem Schließerkontaktelement 15 wie in Fig. 1, andererseits mit einem zusätzlichen Öffner-Gegenkontaktelement 19 zusammenwirkt. Zu diesem Zweck besitzt sie ein zusätzliches Kontaktstück 20, wäh­ rend das Öffner-Gegenkontaktelement ein Kontaktstück 21 aufweist. In diesem Fall besteht das Schließer-Gegenkon­ taktelement 15 aus ferromagnetischem Material, während der Federträger 16 ebenso wie das Öffner-Gegenkontaktelement 19 aus nicht ferromagnetischem Material besteht. Somit er­ gibt sich für den Schließerkontakt eine Kontaktkraftver­ stärkung im Sinne einer Kurzschlußfestigkeit, da die oben beschriebene Abstoßung zwischen Federträger 16 und Kon­ taktfeder 12 sowie die Anziehung zwischen der Kontaktfeder 12 und dem ferromagnetischen Gegenkontaktelement 15 sich addieren.

In den Fig. 4 und 5 ist ein anderes Relais für Stark­ stromeinsatz gezeigt, dessen Aufbau nur kurz erläutert werden soll. In einem Grundkörper 31 ist von oben ein Ma­ gnetsystem mit einer Spule 32, zwei Kernjochen 33 und 34, einem Dauermagneten 35 und einem Wippanker 36 angeordnet. Ein Betätigungsfinger 37 des Ankers betätigt über einen Schieber 38 eine Kontaktfeder 39, welche in diesem Bei­ spiel in einen Hauptfederschenkel 40 und einen Vorlauf-Fe­ derschenkel 41 gespalten ist. Ein Federträger 42 verläuft über einen wesentlichen Teil parallel entgegengesetzt zur Kontaktfeder, so daß durch den entgegengesetzt fließenden Strom im Federträger 42 und in der Kontaktfeder 39 eine Abstoßung zwischen diesen beiden Teilen bewirkt wird.

Ein Gegenkontaktelement 43 ist ebenfalls im Grundkörper 31 verankert. Dieses Gegenkontaktelement 43 besteht aus fer­ romagnetischem Material, während der Federträger 42 aus nicht ferromagnetischem Material besteht. Außerdem besitzt das Gegenkontaktelement 43 eine Verlängerung 43a zur Ver­ ankerung im Grundkörper 31 sowie einen an die Kontaktfeder 39 angenäherten parallelen Abschnitt 43b, der bei ge­ schlossenem Kontakt durch das Magnetfeld der Kontaktfeder 39 angezogen wird. Da das Gegenkontaktelement 43 fest ver­ ankert ist, wird durch diese Anziehungskraft die Kontakt­ feder 39 selbst angezogen, wodurch wiederum die Kontakt­ kraft verstärkt wird. Der Federträger 42 ist, wie in Fig. 5 zu sehen, von der einen Seite (in Fig. 5 von links) in den Grundkörper eingesteckt, während das Gegenkontaktele­ ment 43 von der entgegengesetzten Seite (in Fig. 5 von rechts) eingesteckt ist. Dabei ist zu ersehen, daß der An­ schlußabschnitt 43c quer zur Kontaktfeder verläuft, so daß eine Abstoßungsreaktion der jeweiligen Magnetfelder nur wenig in Betracht kommt. Der Verlängerungsabschnitt 43a bzw. 43b wird dagegen nicht vom Schaltstrom durchflossen, so daß in diesem Bereich auch kein abstoßendes Magnetfeld erzeugt wird. Wegen der geringeren Leitfähigkeit des Ge­ genkontaktelementes 43 besitzt dieses zwei Anschlußstifte 43d. Die Wirkung des Vorlaufkontaktes ist an sich bekannt und braucht hier nicht weiter erläutert zu werden. Natür­ lich könnten auch die Ausführungsbeispiele der Fig. 1 bis 3 jeweils mit Vorlaufkontakten versehen werden.

Fig. 6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Stark­ stromrelais, das wiederum nur schematisch gezeichnet ist. Auf einem Grundkörper 51 ist ein Magnetsystem mit einer Spule 52, einem Kern 53 und einem Joch 54 angeordnet. Ein Anker 55 betätigt über einen Schieber 56 einen Kontaktfe­ dersatz.

Es handelt sich dabei um einen Umschaltkontakt mit einem starren Mittelkontaktelement 57 sowie zwei Kontaktfedern 58 und 59, welche aufgrund der eigenen Vorspannung wahl­ weise an das Mittelkontaktelement anschaltbar sind. Die beiden Kontaktfedern 58 und 59 sind jeweils über einen starren Federträger 60 bzw. 61 im Grundkörper 51 veran­ kert. Das Mittelkontaktelement 57 besteht in diesem Fall aus ferromagnetischem Material, während die beiden Feder­ träger 60 und 61 aus nicht ferromagnetischem Material her­ gestellt sind. Somit ergibt sich wiederum der gleiche Ef­ fekt zur Kontaktkraftverstärkung an der jeweils strom­ durchflossenen Kontaktfeder. Da jeweils die Kontaktfeder 58 bzw. 59 vom Schaltstrom in entgegengesetzter Richtung wie der zugehörige Federträger 60 bzw. 61 durchflossen wird, wird die betreffende Feder vom Federträger abgesto­ ßen und gegen das Mittelkontaktelement 57 gedrückt. Außer­ dem erzeugt das Magnetfeld der stromdurchflossenen Feder eine magnetische Anziehungskraft gegenüber dem ferromagne­ tischen Mittelkontaktelement 57, was zu einer zusätzlichen Erhöhung der jeweiligen Kontaktkraft führt.

Um die magnetische Abstoßung zwischen Federträger und Kon­ taktfeder wirksam werden zu lassen, müssen beide einander flächig gegenüberstehen. Fig. 7 zeigt in Vorderansicht des Federträgers 60 die flächige Anordnung seines Mittel­ abschnitts 60a gegenüber der Kontaktfeder 58, auch wenn seine Anschlußfahne 60b wegen des Schiebers 56 außermittig angeordnet ist.

Claims (7)

1. Kontaktfedersatz zum Schalten hoher elektrischer Ströme mit mindestens einer langgestreckten Kontaktfeder (12; 39; 58, 59), welche mit einem starren Gegenkontaktelement (15; 18; 43; 57) zusammenwirkt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß neben dem stromdurchflossenen Ab­ schnitt der Kontaktfeder auf der Seite des Gegenkontakt­ elementes ein ferromagnetischer Körper (17; 18b; 15; 43b; 57) im geringen Abstand angeordnet ist.

2. Kontaktfedersatz nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der ferromagnetische Kör­ per als zusätzliches Blech (17) in der Nähe des Gegenkon­ taktelementes (15) angeordnet ist.

3. Kontaktfedersatz nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der ferromagnetische Kör­ per ein Abschnitt (18b; 15; 43b; 57) des Gegenkontaktele­ mentes ist.

4. Kontaktfedersatz nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der ferromagnetische Kör­ per eine vom Schaltstrom nicht durchflossene Verlängerung (18b; 43b; 57) des Gegenkontaktelementes ist.

5. Kontaktfedersatz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus nicht ferromagnetischem Metall bestehendes Anschluß­ element (16; 42; 60, 61) für die Kontaktfeder an der dem ferromagnetischen Körper gegenüberliegenden Seite neben der Kontaktfeder (12; 39; 58, 59) über einen wesentlichen Teil von deren Länge verläuft, derart, daß es den Strom in entgegengesetzter Richtung zur Kontaktfeder führt.

6. Kontaktfedersatz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfeder als Mittelfeder (12) eines Wechslers dient, wobei zumindest auf der Seite eines Gegenkontaktelementes (15) ein ferromagnetischer Körper vorgesehen ist.

7. Kontaktfedersatz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein starrer Mittelkontaktträger (57) aus ferromagnetischem Ma­ terial zwischen zwei wahlweise an diesen anschaltbaren Kontaktfedern (58, 59) angeordnet ist.