DE4315683C1 - Schaltelement mit einem gasdicht gekapselten Schaltteil - Google Patents

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrischen Bauele­ mente und befaßt sich mit der konstruktiven Ausgestaltung eines Schaltelementes, das im wesentlichen aus einem gas­ dicht gekapselten Schaltteil und aus einer Antriebseinrich­ tung besteht, wobei den Kontakten des Schaltteiles ein Schaltstab zugeordnet ist, welcher in eine das Schaltteil abschließende Membran eingesetzt ist und das Antriebsglied der Antriebseinrichtung über ein Koppelglied aus Isolier­ material mit dem Schaltstab des Schaltteiles verbunden ist. Derartige Schaltelemente, bei denen die Antriebsein­ richtung in einem als Paßhülse ausgebildeten Metallgehäuse angeordnet ist, welches auch das Schaltteil trägt, werden auch als "Vakuumrelais" bezeichnet, wobei das gasdicht gekapselte Schaltteil auch mit einem Isoliergas gefüllt sein kann.

Bei einem bekannten Vakuumrelais dieser Art besteht das Schaltteil aus drei übereinander angeordneten Keramikrin­ gen, wobei zwischen dem untersten und dem mittleren Kera­ mikring die Membran eingelötet ist, die den Schaltstab trägt, und zwischen dem mittleren und dem oberen Keramik­ ring das erste Kontaktstück eingelötet und auf den oberen Keramikring das zweite Kontaktstück und eine Abschlußkappe aufgelötet sind. Die in dem Gehäuse angeordnete Antriebs­ einrichtung ist elektromagnetisch ausgebildet, wobei dem Klappanker eine Rückstellfeder zugeordnet ist, mit der zugleich der Schaltstab betätigt wird (US-PS 3 576 066).

Bei einem anderen bekannten Vakuumrelais, das grundsätzlich den gleichen Aufbau aufweist, ist das Antriebsglied der elektromagnetischen Antriebseinrichtung, nämlich ein Dreh­ anker, über ein spezielles Koppelglied aus isolierendem Material mit dem Schaltstab verbunden. Dabei greift das untere Ende des Schaltstabes in das bewegbare Koppelglied ein, das seinerseits mittels einer zylindrischen Halterung an dem einen Ende des Drehankers der Antriebseinrichtung geführt ist (US-PS 3 523 271).

Zur konstruktiven Ausgestaltung eines Vakuumrelais sowie von Kleinstrelais ist es im übrigen bekannt, die An­ schlüsse der Kontakte in Umfangsrichtung des Gehäuses versetzt zueinander anzuordnen (US-PS 4,500,244), die Anschlüsse der Kontakte einzeln in kammerartigen Einbuch­ tungen des Gehäuses anzuordnen (DE 35 13 296 C2), dem Koppelglied, welches den Antrieb mit den Kontaktteilen verbindet, Anschläge zuzuordnen, die den Hub des Koppel­ gliedes begrenzen (DE 33 36 872 A1) und das Antriebsglied der Antriebseinrichtung als zweiarmigen Hebel auszubilden, dessen beide Hebelarme annähernd rechtwinklig zueinander angeordnet sind (DE 38 08 558 A1).

Die bekannten Ausführungsformen eines Vakuumrelais sind durch einen komplexen feinmechanischen Aufbau und demzu­ folge bei ihrer Herstellung durch einen relativ hohen Montage- und Justageaufwand gekennzeichnet. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den konstruktiven Aufbau eines Schaltelementes mit gasdicht gekapseltem Schaltteil so zu verändern, daß die Herstellung (Montage und Justage) wesentlich vereinfacht werden kann.

Ausgehend von einem Schaltelement mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 ist daher vorgesehen, daß das Gehäuse aus Isoliermaterial besteht, daß innerhalb des Gehäuses Kammern zur Aufnahme der Antriebseinrichtung des Koppelgliedes und des Schaltteiles vorgesehen sind, wobei die Antriebseinrichtung das Koppelglied und das Schaltteil durch an dem Gehäuse vorgesehene Rippen oder Stege gegenseitig positioniert und die Antriebseinrichtung und das Schaltteil durch eine stoff- oder formschlüssige Verbindung fixiert sind, und daß das Koppelglied mit einem Führungsteil und mit einem Anlenkteil versehen ist, wobei das Führungsteil mit Rippen oder Nuten in der Gehäusewand im Eingriff steht und an dem Anlenkteil, welches dem An­ triebsglied der Antriebseinrichtung zugeordnet ist, das bewegliche Ende einer Rückstellfeder anliegt.

Bei einem derart ausgebildeten Schaltelement bilden die ein­ zelnen Teile wie Gehäuse, Antriebseinrichtung, Koppelglied und Schaltteil Elemente eines Baukastensystems, das ohne spezielle Justierungsmaßnahmen zusammengesetzt werden kann und das leicht an unterschiedliche Bauformen anpaßbar ist. Insbesondere können die aus dem Isolierstoffgehäuse heraus­ geführten Hochspannungsanschlüsse als Lötfahnen oder als Lötstifte zum direkten Einlöten in Leiterplatten oder als Hochspannungsleitung ausgeführt sein. - Der neue konstruk­ tive Aufbau des Schaltelementes ermöglicht es auch, die äußere und die innere Spannungsfestigkeit zu erhöhen. So besteht insbesondere die Möglichkeit, die Kontaktanschlüsse in Umfangsrichtung des Schaltteiles gesehen versetzt aus dem Gehäuse herauszuführen, wodurch die Isolierstrecken zwischen diesen Anschlüssen erheblich vergrößert werden. Wenn die aus dem Isolierstoffgehäuse herausgeführten Kon­ taktanschlüsse zusätzlich von an das Gehäuse angeformten Isolierkammern umschlossen werden, kann der Montageabstand zwischen zwei benachbarten Schaltelementen aufgrund der ver­ größerten Isolierstrecken vermindert werden. - Innerhalb des Schaltelementes wird durch Verwendung eines Koppelglie­ des aus Isoliermaterial die Spannungsfestigkeit gegen Masse bzw. die Güte der galvanischen Trennung der Antriebsein­ richtung von dem Schaltteil verbessert, da über die Form­ gebung des Koppelgliedes große Isolierstrecken zwischen dem Schaltteil und der Antriebseinrichtung realisiert wer­ den können. Dabei können z. B. überlappende Rippen von Koppelglied und Gehäusekammern zur Anwendung kommen. - Durch die Führung des Koppelgliedes mittels Rippen oder Nuten in der Gehäusewand sind außerdem definierte kinema­ tische Verhältnisse für die Bewegung des Koppelgliedes gegeben, wodurch die mechanische Beanspruchung der das Schaltteil abschließenden Membran vermindert wird.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, diejenige Gehäusekammer, in die das Schaltteil eingesetzt ist, mit einem Isolier­ material zu vergießen. Dadurch sind auch innerhalb des Ge­ häuses größere Isolierstrecken bzw. eine größere Isolier­ festigkeit zwischen den Kontaktanschlüssen sichergestellt und gleichzeitig eine Beschädigung des Schaltteiles auf­ grund von äußeren Einflüssen weitestgehend ausgeschlossen.

Der Anordnung und Gestaltung des isolierenden Koppelgliedes kommt bei dem neuen Schaltelement besondere Bedeutung zu. Es kann gemeinsam mit der Antriebseinrichtung in der Ge­ häusekammer für die Antriebseinrichtung angeordnet sein, vorzugsweise wird ihm jedoch eine eigene Gehäusekammer zu­ geordnet, wobei spezielle Nasen oder Formstücke durch Kammerwände hindurchgreifen, um die Verbindung zum Schalt­ stab des Schaltteiles und zum Antriebsglied der Antriebs­ einrichtung zu gewährleisten. Im eigentlichen Führungsbe­ reich kann das Koppelglied ein kreisbogenförmiges Führungs­ teil aufweisen, das in einer bzw. zwei kreisbogenförmigen Nuten des Gehäuses geführt ist, wobei das Koppelglied dann eine zylindrische Bohrung zur Aufnahme des Schaltstabes aufweist. Bei dieser Ausgestaltung führt das Koppelglied eine Drehbewegung um den Anlenkpunkt des Schaltstabes in der das Schaltteil abschließenden Membran aus. Alternativ kann das Koppelglied aber auch ein geradliniges Führungs­ teil aufweisen, das in einer bzw. zwei geraden Nuten des Gehäuses geführt ist; in diesem Fall ist es notwendig, das Koppelglied mit einer konischen Bohrung zur taumelnden An­ lenkung des Schaltstabes zu versehen. Die taumelnde Anlen­ kung gewährleistet dabei eine Minimierung der Relativbewe­ gung zwischen Koppelglied und Schaltstab.

Die Verwendung eines in einer Nut oder in Nuten geführten Koppelgliedes ermöglicht es auch, den Hub des Schaltstabes, sofern es erforderlich ist, zu begrenzen. Hierzu kann man das Koppelglied oder das Gehäuse mit Anschlägen, beispiels­ weise in Form von Stegen versehen, die beim Schaltvorgang Anschlagflächen bilden. Eine derartige Ausgestaltung ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn das Kontaktteil mit einer Schließer- oder Öffner-Funktion versehen ist, weil in diesen Fällen mittels der Anschläge verhindert werden kann, daß der eigentliche Kontaktabschnitt des Schaltstabes die dem jeweiligen Kontaktbereich gegenüberliegende Kante des jeweiligen Schaltkontaktes berührt; auch kann durch der­ artige Anschläge ein ausreichender Abstand zwischen dem Schaltstab und den Schaltkontakten zur Gewährleistung der inneren Spannungsfestigkeit im gekapselten Schaltteil sichergestellt werden.

Die in dem Isoliergehäuse angeordnete Antriebseinrichtung wird zweckmäßig als mono- oder bistabiler Magnetantrieb ausgebildet. Derartige Antriebe sind kostengünstig her­ stellbar und können in der entsprechenden Gehäusekammer lagegenau fixiert werden. Als Antriebsglied kann dabei ein zweiarmiger Hebel dienen, dessen Hebelarme nahezu recht­ winklig zueinander angeordnet sind. Dadurch ergibt sich eine schlanke Ausgestaltung der Antriebseinrichtung. - Bei der Antriebseinrichtung kann es sich aber auch um eine piezoelektrische Antriebseinrichtung handeln.

Zur einfachen Handhabung des Schaltelementes als Ganzes empfiehlt es sich, das isolierende Gehäuse als geschlosse­ ner Kasten auszubilden, wobei ein Deckel mit dem übrigen Gehäuseteil form- oder stoffschlüssig, beispielsweise ver­ klebt oder vernietet ist. Der Deckel kann dabei ebenfalls mit Nuten oder Stegen versehen sein, die mit Nuten oder Stegen des übrigen Gehäuseteiles korrespondieren, beispiels­ weise eine Kammerwand bilden.

Mehrere Ausführungsbeispiele des neuen Schaltelementes in Form eines Vakuumrelais sind in den Fig. 1 bis 7 darge­ stellt. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Schaltelement in Draufsicht ohne Deckel und mit geschnittenem Schaltteil und Koppelglied,

Fig. 2 das gleiche Schaltelement mit einer in Fig. 1 dargestellten Schnittführung,

Fig. 3 einen Querschnitt durch das gleiche Schaltelement in Höhe des obersten Schaltkontaktes,

Fig. 4 ein Schaltelement ohne Deckel in Draufsicht mit geschnittenem Schaltteil und geradliniger Führung des Koppelgliedes,

Fig. 5 ein Schaltelement, bei dem das Schaltteil, das Koppelglied und die Antriebseinrichtung nicht hin­ tereinander angeordnet sind, sondern bei denen die Antriebseinrichtung parallel zum Schaltteil ange­ ordnet ist,

Fig. 6 ein Schaltelement, bei dem die Antriebseinrichtung parallel zum Schaltteil angeordnet ist und

Fig. 7 eine Ausführungsform eines Schaltelementes, bei dem die herausgeführten Kontaktanschlüsse jeweils von einer an das Gehäuse angeformten Isolierkammer umfaßt sind.

Das Schaltelement gemäß den Fig. 1 bis 3 besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 1 aus Isoliermaterial so­ wie aus der Antriebseinrichtung 4, dem Koppelglied 5 mit der zugeordneten Schaltfeder 6 und dem gasdicht gekapsel­ ten Schaltteil 7, die hintereinander in dem Gehäuse 1 an­ geordnet sind. Dabei ist das Gehäuse 1 aus einem kastenför­ migen Unterteil 2 und einem deckelartigen Oberteil 3 zu­ sammengesetzt.

Zur Positionierung und Fixierung des Schaltteils 7 in der Kammer 9 des Gehäuseunterteiles 2 sind seitlich Stege 11, 12, 13 und 14 sowie am Boden Rippen 15, 16, 17 und 18 vorgesehen. Zur Positionierung des Koppelgliedes 5 in der Kammer 47 im Unterteil 2 sind u. a. die Rippe 19, der wand­ artige Steg 20 und die Nut 21 vorgesehen. Zur Positionie­ rung des Koppelgliedes dienen weiterhin Stege 22 und 23 im Deckel 3. Weiterhin ist zur Positionierung des Schalttei­ les 7 ein Schieber 38 vorgesehen, der zugleich zur Abdich­ tung der für das Schaltteil 7 gebildeten Gehäusekammer 9 dient, um diese Kammer nach Einbau des Schaltteiles mit einer Vergußmasse 8 (Fig. 3) füllen zu können. Der Schie­ ber 38 kann auch von einem Steg des Oberteiles 3 gebildet werden.

Zur Positionierung der Antriebseinrichtung 4 in der Kammer 10 dienen die Rippen 24, 25, 26 und 45, während zur Posi­ tionierung und Fixierung der Schaltfeder 6 eine rippenarti­ ge Ausformung vorgesehen ist.

Die endgültige Fixierung sowohl des Schaltteiles 7 als auch der Antriebseinrichtung 4 erfolgt zweckmäßig durch eine Klebeverbindung, die bezüglich des Schaltteiles im Bereich der Stege 11 bis 14 und der Rippen 15 bis 18 vorgenommen wird und die bezüglich der Antriebseinrichtung 4 im Bereich der Rippen 24 und 25 bzw. im Bereich der zwischen diesen beiden Rippen gebildeten Tasche 46 vorge­ nommen wird.

Das Schaltteil 7 besteht aus drei übereinander angeordne­ ten Keramikzylindern 71, 72 und 73, von denen der Keramik­ zylinder 73 am oberen Ende mit einem Schaltkontakt 75 und einer Abdeckkappe 74 verlötet ist, während zwischen dem Keramikzylinder 72 und 73 der Schaltkontakt 77 eingelötet ist und zwischen den Keramikzylindern 71 und 72 die Mem­ bran 79 eingelötet ist. In die Membran 79 ist der me­ tallische Schaltstab 80 zentrisch eingelötet. Die Schalt­ kontakte 75 und 77 sowie die Membran 79 sind mit Anschluß­ fahnen 76, 78 und 81 versehen, die in Umfangsrichtung ver­ setzt zueinander aus dem Gehäuse 1 herausgeführt sind.

Das Koppelglied 5 weist ein Führungsteil 51 auf, das einen Teil einer zylindrischen Mantelfläche bildet. Es ist mit einem stutzenförmigen Aufnahmeteil 52 zur Aufnahme des einen Endes des Schaltstabes 80 versehen und weist hier­ zu eine zylindrische Bohrung 53 auf. Am Führungsteil 51 ist weiterhin ein stegartiges Anlenkteil 54 vorgesehen, an dem das freie Ende der Schaltfeder 6 anliegt.

Die Antriebseinrichtung 4 enthält einen Magneten 48, dessen Antriebsglied 41 als zweiarmiger Hebel ausgebildet ist, wobei die beiden Hebelarme dieses Hebels nahezu recht­ winklig zueinander angeordnet sind. Der Anker 42 bildet den Kraftarm dieses Hebels, während der Lastarm 43 mit seinem freien Ende dem stegartigen Anlenkteil 54 des Koppel­ gliedes 5 zugeordnet ist. Eine dem Antriebsglied 41 zuge­ ordnete Rückstellfeder 44 ist am Joch der Antriebseinrich­ tung 4 fixiert und greift mit ihrem freien Ende in der Nähe des Drehpunktes des Antriebsgliedes 41 an.

Das Unterteil 2 des Gehäuses 1 ist an dem einen Ende mit zwei Verschlußnieten 28 versehen, die zur Fixierung des Deckels 3 dienen. Am anderen Ende des Gehäuses sind Durch­ gangsbohrungen 29 zur Fixierung des Schaltelementes als Ganzes auf einer entsprechenden Unterlage vorgesehen.

Fig. 4 zeigt ausschnittsweise ein neues Schaltelement im Bereich des Koppelgliedes, wobei das Koppelglied 55 mit einem zylindrischen Führungsteil 56 versehen ist. Dem Führungsteil 56 sind an beiden Enden Anschlagflächen 57 zugeordnet, die durch Nuten im Unterteil 2 des Gehäuses des Schaltelementes gebildet sind.

Die ausschnittsweise Darstellung eines Schaltelementes im Bereich des Koppelgliedes gemäß Fig. 5 zeigt ein Koppel­ glied 58 mit einem geradlinigen Führungsteil 59, wobei an den Enden des Führungsteiles 59 Noppen 60 angeordnet sind, denen ihrerseits als Anschlagflächen ausgebildete Wandab­ schnitte 61 des Gehäuses zugeordnet sind. In diesem Fall ist das Koppelglied 58 zur Aufnahme des Schaltstabes 80 mit einer leicht konischen Bohrung 82 versehen, die in eine zylindrische Bohrung 83 übergeht. Die konische Boh­ rung 82 gewährleistet eine taumelnde Anlenkung des Schalt­ stabes 80 am Koppelglied 58.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 ist die Antriebs­ einrichtung 4 parallel zum Schaltteil 7 in dem Gehäuse 31 angeordnet. Hierbei ist das Koppelglied 64 mit einem gerad­ linigen Führungsteil 65 versehen, wobei das Anlenkteil von dem einen Ende 66 des Führungsteiles 65 gebildet wird. In diesem Ende 66 dient ein Durchbruch 68 als Angriffspunkt für die Schaltfeder 67. - Der Hub des Koppelgliedes wird einerseits durch das Ende des Lastarmes 43 des Antriebs­ gliedes 41 der Antriebseinrichtung und andererseits über einen Noppen 69 am anderen Ende des Führungselementes des Koppelgliedes und eine Anschlagfläche 30 im Gehäuse 31 be­ grenzt.

Fig. 7 zeigt in schematischer Darstellung ein Schaltele­ ment gemäß Fig. 6, bei dem die herausgeführten Kontakt­ anschlüsse 35, 36 und 37 von zusätzlich angeformten Iso­ lierkammern 32, 33 und 34 umschlossen sind.

Claims (9)

1. Schaltelement mit einem gasdicht gekapselten Schalt­ teil, dessen Kontakten ein Schaltstab zugeordnet ist, welcher in eine das Schaltteil abschließende Membran eingesetzt ist,
sowie mit einer Antriebseinrichtung und mit einem das Antriebsglied der Antriebseinrichtung und den Schaltstab verbindenden bewegbaren Koppelglied aus Isoliermaterial, wobei die Antriebseinrichtung in einem Gehäuse angeordnet ist, welches auch das Schaltteil trägt, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gehäuse (1) aus Isoliermaterial besteht,
daß innerhalb des Gehäuses Kammern (9, 10, 47) zur Aufnahme der Antriebseinrichtung (4), des Koppelgliedes (5) und des Schaltteiles (7) vorgesehen sind, wobei die Antriebsein­ richtung (4), das Koppelglied (5) und das Schaltteil (7) durch an dem Gehäuse (2, 3) vorgesehene Rippen (15 bis 19) oder Stege (11 bis 14) gegenseitig positioniert und die Antriebseinrichtung (4) und das Schaltteil (7) durch eine stoff- oder formschlüssige Verbindung fixiert sind,
und daß das Koppelglied (5) mit einem Führungsteil (51) und mit einem Anlenkteil (54) versehen ist, wobei das Führungsteil (51) mit Rippen oder Nuten (20, 21, 22) in der Gehäusewand im Eingriff steht und an dem Anlenkteil (54), das dem Antriebsglied (41) der Antriebseinrichtung (4) zugeordnet ist, das bewegliche Ende einer Rückstellfeder (6) anliegt.

2. Vakuumrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (9), in die das Schaltteil (7) eingesetzt ist, mit einem Isoliermaterial (8) vergossen ist.

3. Schaltelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse (35, 36, 37) der in dem Schaltteil (7) angeord­ neten Kontakte (75, 77, 80) versetzt zueinander aus dem Gehäuse (1, 2, 3) herausgeführt sind.

4. Schaltelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Gehäuse herausgeführten Kontaktanschlüsse (35, 36, 37) jeweils von einer an das Gehäuse angeformten Isolierkammer (32, 33, 34) umschlossen sind.

5. Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelglied (5) ein kreisbogenförmiges Führungs­ teil (51) aufweist, das in einer kreisbogenförmigen Nut (21) des Gehäuses (2, 3) geführt ist, wobei das Koppelglied eine zylindrische Bohrung (53) zur Aufnahme des Schaltsta­ bes (80) aufweist.

6. Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelglied (58) ein geradliniges Führungsteil (59) aufweist, das in einer geraden Nut (62) des Gehäuses (2, 3) geführt ist,
wobei das Koppelglied mit einer konischen Bohrung (82) zur taumelnden Anlenkung des Schaltstabes (80) versehen ist.

7. Schaltelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungsnut oder dem Koppelglied Anschläge (57; 60, 61; 30, 69) zur Hubbegrenzung des Koppelgliedes zugeordnet sind.

8. Schaltelement nach einem der Ansprüche 5 bis 7 mit einem als zweiarmiger Hebel ausgebildeten Antriebsglied, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hebelarme (42, 43) annähernd rechtwinklig zueinander angeordnet sind.

9. Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) als geschlossener Kasten ausgebildet ist,
wobei ein Deckel (3) mit dem übrigen Gehäuseteil (2) form- oder stoffschlüssig verbunden ist.