DE4300594A1

DE4300594A1 - Sicherheitsrelais mit zwangsgeführtem Kontaktsatz und monostabilem Antrieb

Info

Publication number: DE4300594A1
Application number: DE4300594A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl Ing Kirsch
Original assignee: Hengstler Bauelemente GmbH
Current assignee: Hengstler GmbH
Priority date: 1993-01-13
Filing date: 1993-01-13
Publication date: 1994-07-14
Also published as: EP0630517A1; EP0630517B1; WO1994016456A1; JP3388473B2; ATE155609T1; DE59403362D1; JPH07504780A; US5568108A; CA2131889A1; DK0630517T3

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Sicherheits relais nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein derartiges Sicherheitsrelais ist mit mehreren Patenten der Anmelderin bekannt geworden, wobei der Kontaktsatz zwangsgeführt ist und die einzelnen Kontakte gegeneinander abgekammert sind, so daß beim Bruch einer Kontaktfeder es vermieden wird, daß diese Kontaktfeder in die Kammer der benachbarten Kontaktfeder hinein gerät.

Eine Zwangsführung dieses Kontaktsatzes bedeutet in an sich bekannter Weise, daß der Betätiger alle Schaltfedern erfaßt und diese entweder in die eine oder die andere Lage bringt.

Ein derartiges Sicherheitsrelais hat sich in großem Umfang bewährt, es ist aber wünschenswert, daß dem Antrieb eine kleinere Leistungsaufnahme zugeordnet wird und daß insgesamt das bekannte Relais miniaturisiert wird.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Sicherheitsrelais der eingangs genannten Art so weiterzu bilden, daß bei kleinerer Leistungsaufnahme eine Miniatu risierung des gesamten Relais gegeben ist.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekennzeichnet.

Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, daß nun das an sich bekannte Antriebssystem mit einem Klappanker erfindungs gemäß ersetzt wird durch ein Antriebssystem mit einem asymmetrisch wirkenden H-Anker, und daß dieser H-Anker mit seiner Längsachse etwa parallel zur Längsachse der Antriebs spule angeordnet ist und daß die Drehachse dieses H-Ankers senkrecht zur Längsachse der Antriebsspule angeordnet ist, und daß ferner der H-Anker magnetisch asymmetrisch ausge bildet ist.

Mit der gegebenen technische Lehre ergibt sich nun der wesentliche Vorteil, daß mit einem Relais mit zwangsgeführtem Kontaktsatz, welches wegen der Zwangsführung der Kontakte relativ große Kontaktabstände benötigt und deshalb einen relativ großen Hub des Antriebssystems voraussetzt, diese Voraussetzungen nun durch einen magnetisch asymmetrisch wirkenden H-Anker gewährleistet werden.

Ein H-Anker gestattet einen großen Hub, der - sofern der H- Anker magnetisch symmetrisch wirkend ausgebildet ist - symmetrisch wirkt.

Mit einem magnetisch asymmetrisch wirkenden H-Anker kann ein monostabiles Verhalten des Relais bewirkt werden.

Mit der Verwendung eines H-Ankers besteht der Vorteil, daß eine Kraft-Hub-Kurve erreicht wird, deren Endkräfte unabhängig vom Hub sind.

Ein nicht gepoltes Relais mit einem Klappanker hat diese Charakteristik nicht, denn bei einem Klappanker reduziert sich die Anfangskraft mit größer werdendem Hub, d. h. die Anfangskraft ist von dem Hub abhängig, während dies bei einem H-Anker nicht der Fall ist.

Die Anfangskraft ist hierbei die Kraft, die benötigt wird, die Kontakte des Kontaktsatzes aus ihrer Ruhelage zu bringen. Um ein derartiges Relais in seinem Gesamtvolumen miniaturi sieren zu können werden zunächst einmal die gesamten Kompo nenten dieses Relais kleiner gebaut, was allerdings mit dem Nachteil verbunden ist, daß auch die Kontaktabstände zwischen den einzelnen Federn relativ klein werden, wodurch die vorge schriebenen Mindestabstände zwischen den Kontaktfedern unter schritten werden. Hier ist es aber Voraussetzung, daß man einen großen Kontaktabstand einhält, was einen großen Hub vom Antriebssystem verlangt.

Symmetrische H-Anker bieten die Möglichkeit große Hubwege zu erreichen, sie bewirken aber gleichzeitig ein bistabiles Verhalten des Antriebes. Um ein monostabiles Verhalten zu erreichen, wird deshalb erfindungsgemäß der H-Anker in seiner magnetischen Wirkung zur mechanischen Symmetrie verschoben. Die Endkräfte des Antriebes werden damit asymmetrisch, wodurch ein monostabiles Verhalten erreicht wird.

Definition eines monostabilen Verhaltens ist, daß nach Weglassen der Antriebserregung der Kontaktsatz sich selbsttätig aus der Arbeitslage in seine Ruhelage bewegt.

Das Wesen der Erfindung liegt also darin, daß man bei einem kleineren Volumen eines Sicherheitsrelais der eingangs genannten Art trotzdem die gleichen Kontaktabstände erreicht, wie sie bei einem wesentlich größeren Sicherheitsrelais vorhanden sind. Die damit notwendige Vergrößerung des Hubes wird durch die Verwendung eines H-Ankers ermöglicht.

Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentan sprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Pa tentansprüche untereinander. Alle in den Unterlagen, ein schließlich der Zusammenfassung, offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Er findung hervor.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisiert einen Schnitt durch ein Relais nach der Erfindung;

Fig. 2 die Draufsicht auf die Bodenplatte des Relais;

Fig. 3 schematisiert eine Draufsicht auf den H-Anker;

Fig. 4 das Antriebskraft-Hub-Diagramm für verschiedene H-Anker-Ausführungen.

Bezüglich der Erläuterung der Funktion eines Sicherheits relais nach der Erfindung wird auf die älteren Patente des gleichen Anmelders hingewiesen. Die dortige Offenbarung soll vollinhaltlich von der vorliegenden Offenbarung umfaßt sein.

Das Relais weist eine Haube 1 auf, die einen Kontaktsatz träger 2 übergreift, der als werkstoffeinstückiges Kunststoffteil eine Reihe von Komponenten des Relais aufnimmt.

In den Kontaktsatzträger 2 wird der komplette Antrieb des Relais als Rastteil eingerastet, wobei die Antriebsspule 3 mit den Jochschenkeln 4, 5 und dem H-Anker 6 als zusammengesetztes Teil in den Kontaktsatzträger eingerastet werden. Hierbei greifen die Jochschenkel 4, 5 mit seitlichen Ansätzen in zugeordnete Ausnehmungen 13 am Kontaktsatz träger 2 ein und sind dort verrastet.

Der H-Anker hat in seiner Drehachse 11 einen nicht näher dargestellten Lagerzapfen, welcher ebenfalls in eine zuge ordnete Ausnehmung im Kontaktsatzträger eingreift. Hierbei ist Teil des Kontaktsatzträgers 2 ein etwa U-förmigfreige stelltes Lagerstück 10, welches eine mittlere Ausnehmung definiert, durch welche der Lagerzapfen des H-Ankers hindurch greift und dort drehbar gelagert ist.

Die beiden Jochschenkel 4, 5 sind etwa U-förmig gebogen und liegen aneinander im Bereich des Spuleninnenrohres 30 an, wobei die beiden Endseiten jedes Jochschenkels 4, 5 an einander gegenüberliegenden Seiten der Antriebsspule 3 herausragen.

Gemäß der Fig. 3 greifen die Jochschenkel 4, 5 in den Zwischenraum des etwa H-förmig profilierten H-Ankers ein, wobei der H-Anker im wesentlichen aus zwei parallel zueinander angeordneten Ankerplatten 7, 8 besteht, zwischen denen ein Permanentmagnet 9 angeordnet ist. Der Permanent magnet 9 ist zusammen mit den Ankerplatten 7, 8 umspritzt, wobei die Ankerplatten aus einem ferromagnetischen Material bestehen.

Die Kraft-Hub-Kennlinie eines symmetrischen H-Ankers ist mit der Kurve 32 in dem Diagramm nach Fig. 4 dargestellt. Hierbei ergibt sich, daß in den Endlagen die erreichbaren Endkräfte gleich groß und maximal sind, wobei der Gesamthub des H-Ankers durch die Ordinate des Diagramms einerseits und durch die Gerade 34 andererseits definiert ist.

Bei Pos. 33 erfolgt der Schnittpunkt mit der Abzisse. In diesem Punkt ist die Antriebskraft gleich Null.

Um nun den an sich symmetrisch wirkenden H-Anker 6 unter Beibehaltung seiner mechanischen Symmetrie asymmetrisch wirken zu lassen, werden erfindungsgemäß in die diagonal bezüglich der Drehachse einander gegenüberliegenden Teile der Ankerplatten 7, 8 nächst den Jochschenkeln 4, 5 angeordnete Ausnehmungen 40, 41 angeordnet sind, die mit einem dia- oder paramagnetischen Werkstoff 43 gefüllt sind. Dieser Werkstoff kann z. B. ein Kunststoffmaterial oder dgl. sein. Aufgrund dieser Asymmetrie diagonal einander gegenüberliegender Anker platten 7, 8 nimmt der H-Anker eine monostabile Lage ein, denn er verschwenkt in Pfeilrichtung 31 im Gegenuhrzeigersinn um seine Drehachse 11 und legt sich mit den den Ausnehmungen 40, 41 gegenüberliegenden Teilen der Ankerplatten 7, 8 an den zugeordneten Jochschenkeln 4, 5 an.

Im Diagramm der Fig. 4 bedeutet dies, daß aufgrund der Asymmetrie nach Fig. 3 der Hub des Antriebssystems um die Differenz 44 zwischen den Geraden 34, 35 magnetisch verlängert wird.

Die sich dadurch ergebende Kurve 36 schneidet dann bei Pos. 37 die Abzisse, wobei der Abstand zwischen der Pos. 37 und der Pos. 36 der Hälfte der Differenz 44 entspricht.

Im Schnittpunkt 38 schneidet diese Kurve 36 die Gerade 34.

Erfindungsgemäß wird nun der Hub des H-Ankers (d. h. der Schwenkwinkel) mechanisch begrenzt. Damit wird die an sich vorhandene hohe Endkraft bei Pos. 45 begrenzt; die Kurve wird im Schnittpunkt 38 mit der Geraden 34 abgebrochen und das Antriebssystem hat nur noch die Restkraft 39. Diese Restkraft 38 bewirkt, daß, wenn man den H-Anker 6 in der der Pfeilrichtung 31 entgegen gesetzten Schwenklage bringt, daß diese magnetische Restkraft 39 wirkt und muß diese vom Kontakt satz zum Erreichen der Ruhelage überwunden werden.

Wenn man das Relais also in die Arbeitslage entgegen der Pfeilrichtung 31 bringen will, verbleibt eine Restkraft 39, welche versucht, diese Arbeitslage aufrechtzuerhalten und deshalb vom Kontaktsatz überwunden werden muß. Wenn diese Kraft zu groß werden würde, wäre das Relais bistabil. Man versucht, diese Restkraft 39 klein zu machen, bekommt sie jedoch nicht auf Null, weil andernfalls der Hub u. a. zu stark reduziert würde.

Diesem Kraft-Hub-Verlauf der Kurve 36 wird die elektro magnetische Wirkung der Spule 3 überlagert. Die Kurve 46 in Fig. 4 zeigt den resultierenden Kraft-Hub-Verlauf, welcher auf den Kontaktsatz wirkt. Bei Pos. 47 wird ebenfalls eine Endkraft erreicht, die auf den Kontaktsatz wirkt. Der Kraft-Hub-Verlauf des Kontaktsatzes muß im Bereich zwischen der Kurve 37 und der Kurve 46 verlaufen, um ein mono stabiles Verhalten des Relais zu erreichen. Liegt der Kraft-Hub-Verlauf des Kontaktsatzes außerhalb, d. h. inner halb des durch die Pos. 37, 38, 48 begrenzten Dreieckes, dann wird das Verhalten des Relais bistabil.

Beim Verschwenken des H-Ankers aus seiner Ruhelage in die vom Antriebssystem bewirkte Arbeitslage wird somit der Be tätiger 20 in Fig. 1 nach oben bewegt und schaltet die einzelnen Kontakte des Kontaktsatzes 16.

Hierbei sind mehrere Kontakte jeweils in einzelnen, voneinander abgekammerten Kammern angeordnet, wobei die einzelnen Kammern durch Kammerwände 14 (in Richtung zum Antrieb) und durch weitere Kammerwände 21, 22, 23 abge kammert sind. Die äußere Begrenzung erfolgt durch die Stirnwand 24, an deren Außenseite eine Rückstellfeder 17 anliegt, die mit einer Justierschraube 18 in ihrer Federkraft verändert werden kann und die mit ihrem freien, schwenkbaren Ende an der Außenseite des Betätigers 20 anliegt.

Bestandteil des Kontaktsatzträgers 2 ist im übrigen ein Kunststoffkörper 15, der die Jochschenkel in Richtung zur Bodenplatte 25 abdeckt.

Die Kontakte 16 sind in Form von Anschlußstiften 19 durch die Bodenplatte 25 hindurchgeführt, wobei die Bodenplatte 25 werkstoffeinstückig mit dem Kontaktsatzträger 2 verbunden ist. Wichtig hierbei ist, daß eine große Kriechstrecke zwischen den einzelnen nebeneinanderliegenden Anschlußstiften 19 gemäß Fig. 2 erreicht wird. Hierbei ist es an sich bekannt, die Anschlußstifte in Schlitzen 26, 27 zu lagern, wobei diese Schlitze von der Außenseite der Bodenplatte nach innen gehend ausgebildet sind. Dies ermöglicht eine einfache Montage der Anschlußstifte 19 in diesen Schlitzen 26, 27.

An der vorderen Seite des Kontaktsatzträgers 2 sind im übrigen noch Spulenanschlüsse 29 angeordnet.

Mit der erfindungsgemäßen technischen Lehre wird also ein Sicherheitsrelais mit zwangsgeführtem Kontaktsatz gewährleistet, bei dem es nun erstmals möglich ist, mit relativ kleinen Gesamtabmessungen des Relais trotzdem hohe Kontaktabstände zu gewährleisten, weil mit der Ver wendung des asymmetrisch wirkenden H-Ankers ein großer Hub des Betätigers 20 erzielt wird und dadurch große Kontakt abstände ermöglichst werden. Die asymmetrische Wirkung des H-Ankers hat den Vorteil, daß in der Ruhelage die Kontakte des Kontaktsatzes in einer definierten Stellung gehalten werden, ohne Rückwirkungen des Ankers auf den Kontaktsatz.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß durch die Verwendung eines asymmetrisch wirkenden H-Ankers 6 es nicht zu einer unerwünschten Mitnahme von verschweißten Kontakten kommt, auch wenn der Strom durch die Spule 3 des Antriebssystems wesentlich erhöht wird. Dies liegt daran, daß auch bei wesentlicher Steigerung des Stromflusses durch die Spule der H-Anker nur verschwenkt wird aufgrund der Differenz der Magnetflüsse zwischen den einander gegenüberliegenden Ankerplatten 4, 5. Das führt dazu, daß auch bei Einleitung hoher Ströme in die Spule des Antriebssystems die Antriebskraft auf die Kontakte des Kontaktsatzes auf einen bestimmten Wert begrenzt bleibt und damit nicht die Gefahr besteht, daß bei einem verschweißten Öffner auch Schließer geschlossen werden können, weil die Antriebskraft nicht ausreicht, den Kontaktsatz in sich so zu deformieren oder zu verbiegen, daß dieser unzulässige Zustand erreicht wird. Dies ist ein wesentlicher Vorteil des asymmetrisch wirkenden H-Ankers, der in Verbindung mit dem beschriebenen Sicherheitskonzept (zwangsgeführter Kontaktsatz) zu dem erfindungsgemäßen Erfolg führt.

Im übrigen weist der H-Anker 6 eine oben liegende Betätiger platte 49 auf, die mit der oberen Ankerplatte 7 verbunden ist und an welcher der Betätiger 20 anliegt.

Zeichnungs-Legende

1 Haube
2 Kontaktsatzträger
3 Antriebsspule
4 Jochschenkel
5 Jochschenkel
6 H-Anker
7 Ankerplatte
8 Ankerplatte
9 Permanentmagnet
10 Lagerstück
11 Drehachse
13 Ausnehmung
14 Kammerwand
15 Kunststoffkörper
16 Kontaktsatz
17 Rückstellfeder
18 Justierschraube
19 Anschlußstift
20 Betätiger
21 Kammerwand
22 Kammerwand
23 Kammerwand
24 Stirnwand
25 Bodenplatte
26 Schlitz
27 Schlitz
28 geschlossene Schlitzabdeckung
29 Spulenanschluß
30 Spuleninnenrohr
31 Pfeilrichtung
32 Kurve
33 Position
34 Gerade
35 Gerade
36 Kurve
37 Position
38 Schnittpunkt
39 Restkraft
40 Ausnehmung
41 Ausnehmung
43 Werkstoff
44 Differenz
45 Position
46 Kurve
47 Position
48 Position
49 Betätigerplatte

Claims

1. Sicherheitsrelais mit zwangsgeführtem Kontaktsatz und gepoltem monostabilem Antrieb, wobei die einzelnen Kontakt federsätze gegeneinander abgekammert sind und von einem gemeinsamen Betätiger betätigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zum Antrieb ein mechanisch symmetrischer H-Anker (6), der mit einem Permanentmagnet (9) magnetisch asymmetrisch wirkend ausgebildet ist, vorgesehen ist, und daß der H-Anker (6) mit seiner Längsachse etwa parallel zur Längsachse der Antriebsspule (3) angeordnet ist, wobei die Drehachse (11) des H-Ankers (6) senkrecht zur Längsachse der Antriebsspule (3) steht und der Betätiger (20) im Kontaktsatz von einer in Verlängerung des H-Ankers (6) angeordneten Betätigerplatte (49) bewegt wird.

2. Sicherheitsrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der H-Anker (6) zwei parallel zueinander angeordnete Ankerplatten (7, 8) aufweist, zwischen denen die Jochschenkel (4, 5) eingreifen, wobei asymmetrisch in diagonal einander gegenüberliegenden Teilen der Ankerplatten (7, 8) Ausnehmungen (40, 41) vorgesehen sind, die einen dia- oder paramagnetischen Werkstoff (43) aufweisen.