DE8225595U1

DE8225595U1 - Schnappkontakt-Schalter für Wechselstrom

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Publication number: DE8225595U1
Application number: DE8225595U
Authority: DE
Original assignee: RANCO Inc COLUMBUS OHIO US
Current assignee: RANCO Inc COLUMBUS OHIO US
Priority date: 1982-09-10
Filing date: 1982-09-10
Publication date: 1989-06-15
Also published as: DE3233686A1; US4647737A; JPS59138020A; EP0103284A3; EP0103284A2

Description

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HOFFMANN

DR. ING, E, HOFPMANN IWWW)-Sn¹MNG, W, EITLE · PR.WIR.NAT.IC.HOFFMANN · DII-U-ING. W, LEHN

DirL.-ING, K. FOCHSLE . DR, RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 · D-COOO MÖNCHEN 81 . TELEFON (OW) fl 1087 , TELEX W&M (PATHEJ

RANCG INC., Columbus, Ohio /USA SCHNAPPKONTAKT-SCHALTER FÜR WECHSELSTROM

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schnappkontakt-Schalter, insbesondere Mikroschalter, fur Wechselstrom, mit wenigstens einem stationären Kontakt auf einem stationären Kontaktteil und wenigstens einem beweglichen Kontakt auf einem beweglichen Kontaktteil.

Bei Schaltern dieser Art tritt allgemein das Problem der Kontakterosion infolge Prellen der Kontakte beim Schließen und Auftreten von Bogen beim 'öffnen des schalters auf. Die Kontakterosion ist um so größer, je größer der Luftspalt zwischen den Kontakten und je größer der geschaltete strom ist.

Diese Wirkung wurde studiert und ist in IEE PROC., Vol. 128, Pt.B, No. 5, September 3.981, Seiten 237 - 242 beschrieben.

Die Möglichkeit der Kontakterosion führt dazu, daß der Schalter entweder mit relativ hohem Gehalt an Sdelmetallen, beispielsweise Silber, in den Kontakten ausgelegt oder überdimensioniert werden muß, um die erforderliche Lebensdauer zu besitzen.

Dazu kommt, daß das Auftreten von Kontakterosion in den meisten Schnappkontakt-Schaltern neben der Tatsache, daB die elektrischen Betriebseigenschaften des Schalters beispielsweise durch Erzeugung von Radiostörungen und Vergrößerung des Kontaktwiderstandes beeinflußt werden, die Geometrie des Schalters verändert. Dies führt zu einer vergrößerten Verschiebung des den Schalter betätigenden Stellgliedes (Hubvergrößerung) für das Einschalten und Abschalten der Last, wie es im folgenden näher erläutert ist. Im Falle von mit Regeleinrichtungen wie z.B. Thermostaten oder Pressostaten verwendeten Schaltern führt eine Veränderung des Schalterh'ibes zu einer Drift der Temperatur/Druckeinstellung, was offensichtlich bei der Anwendung nicht wünschenswert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen schnappkontakt-Schalter der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, welcher eine Anordnung zum Synchronisieren des tatsächlichen Kontaktöffnens mit der Sinuswelle des geschalteten Wechselstroms aufweist, und bei welchem der tatsächlich geschaltete Strom Mt Sicherheit so nahe wie möglich bei Null und auf keinen Fall im Bereich des durch den Schalter in seiner geschlossenen stellung fließenden maximalen Strome* liegt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an dem einen Kontaktteil eine vom Schalterstrom erregte Elektromagneteinheit und <tn Jem anderen Kontaktteil eine Ankereinheit aus ferromagnetischem Material gegenüber der

Elektromagneteinheit angeordnet ist.

Die von Schalterstrom erregte Eiektromagneteinheit zieht die Ankereinheit entsprechend des durch ihre Erregung erzeugten magnetischen Flusses an, und zwar mit einer Kraft proportional dem Momentanwert des stromes. Damit

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wird der natürlichen Kontaktkraft des schalters eine zusätzliche Schließkraft proportional dem Momentanwert überlagert, wenn ein Strom in dem sehalter fliest, in Mulldurchgang des Stromes ist diese zusätzliche Schließkraft Hull/ so daß der schalter nur in der Nähe des Mulldurchgangs öffnen kann und damit der tatsächlich geschaltete strom mit Sicherheit auf einen wert erheblich unter den Maximalwert des Stromes begrenzt ist.

Mit dieser Anordnung ist sowohl das Auftreten von Kontakteroeion als auch die Möglichkeit der Erzeugung von Radiostörungen wesentlich verringert. Weiter neigt die überlagerte Schließkraft dazu, die Prelizeit bein Schließen der Kontakte zu verringern, was zu einer weiteren Verringerung der Kontakterosion führt.

Die einfache und kostengünstige Anordnung führt zu einen Schalteraufbau nit entweder weniger Edelmetallgehalt (z.B. Silber) und/oder kleineren Abmessungen für den gleichen Nennstrom und gleiche Lebensdauererwartung.

Zweckmäßig ist die Elektromagneteinheit an dem stationären Kontaktteil und die Ankereinheit an dem beweglichen Kontaktteil angeordnet, um die bewegten Massen möglichst gering zu halten.

Die Blektronagneteinheit ist vorteilhaft eine auf den einen Kentatteil angebrachte Einheit aus ferromagnetische» Material alt zwei Polsehohen und vom schalterstren durchflossener Erregerwicklung.

Elektroeafneteinheit kann auch eine das eine Kontaktteil abgebende Einheit ans ferromagnetische© Material nit zwei Polscfttifien sein, deren Erregerwicklung das eine Kontaktteil selbst bildet.

Die Ankereinheit ist zweckmäßig ein an dem anderen Kontaktteil angebrachtes, die polschuhe der Elektromagneteinheit überbrückendes Teil aus ferromagnstischem Material.

Das andere Kontaktteil kann auch selbst aus ferromagnetischem Material sein und in sich die Ankereinheit bilden.

Bei Ausbildung des Schalters als Umschalter weist dieser zweckmäßig entweder zwei Elektromagneteinheiten sowie eine Ankereinheit oder eine Elektromagneteinheit sowie zwei Ankereinheiten auf, Bs versteht sich, daß im ersteren Fall die Elektromagneteinheiten stationär und die Ankereinheit beweglich, im letzteren Fall die Ankereinheiten stationär und die Elektromagneteinheit beweglich sind.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung weiter erläutert, in der zeichnung zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines allgemeinen, durch ein äußeres Glied betätigten

Schnappkontakt-Schalters in seiner geschlos

senen stellung, ■ ·

Fig. 2 einen Schalter nach Fig. 1 in der Nähe des öffnens der Kontakte,

Fig. 3 einen Schalter nach Fig. 1 zur Darstellung der Wirkung des Auftretens von Kontakterosion auf die sehaltergeomettie,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines erfindungs-

gemäßen Schnappkontakt-Schalters, insbesondere Mikr©schalters,

PiC. 5 eine schematische Darstellung eines Teils eines erfindungsgemäßen Sehalters mit einer möglichen Ausführungsform von Elektromagneteinheit und Ankereinheit in Seitenansicht, 5

Fig. 6 eine Stirnansicht der Darstellung in Fig. 2,

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen, als Umschalter ausgebildeten schalters, und

Fig. 8 eine Diagrammdarstellung für den Schaltaugenblick anhand einer Sinuswelle des stromes.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte schalter weist ein stationäres Kontaktteil 1 mit einem stationären Kontakt 2 und ein einen beweglichen Kontakt 4 tragendes bewegliches Kontaktteil 3 auf. Eine omegaförmige Feder 20 ist zwischen Gelenken 21 und 22 an dem beweglichen Kontaktteil 3 und an einem nach oben vorbelasteten und elektrisch mit einem Anschluß 6 verbundenden federnden· Glied 23 angelenkt.

Ein äußeres Stellglied 7 wirkt mit dem federnden Glied 23 zur Betätigung des Schalters in seine offene und geschlossene Stellung zusammen. Ein stationärer Anschlag 24 ist vorgesehen, um den Betrag der Kontaktöffnung zu begrenzen und definiert den Betrag des Hubes, den das stellglied 7 zum Einschalten und Ausschalten des Schalters durchzuführen Mt.

Eine elektrische Last 25 ist mit dem stationären Kontaktteil 1 und mit einer elektrischen Versorgung verbunden. Bin Pol der elektrischen Versorgung ist mit dem Anschluß 6 verbunden, so das der Laststrom zwischen dem Anschluß 6 und dem stationären Kontaktteil 1 fließt. Unter diesen

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Bedingungen haben Gie Kontakte 2 und 4 eine die geschlossen haltende Haltekraft/ die nur durch eine Komponente der Omega-Federkraft bestimmt ist*

Das Offnen der Kontakte tritt auf, wenn das Stellglied 7 bei seiner Drehung gegen den Uhrzeigersinn und gefolgt von dem federnden Glied 23 die Gelenke 21 und 22 mit dem Kontaktpunkt 26 in geometrische Ausrichtung bringt.

Unter der Bedingung, daß die Gelenke 21 und 22 und der Kontaktpunkt 26 sich auf einer Linie X-X befinden, wird die Haltekontaktkraft Null. Die Kontat ^b,e 2 und 4 beginnen unter der Wirkung der omegaförmigen Feder 20, wie in Fig. 2 dargestellt, zu öffnen.

Im Falle einer Regeleinrichtung kann sich das Stellglied abhängig von der Änderungsgeschwindigkeit der Parameter, auf welche die Regeleinrichtung anspricht, sehr langsam bewegen, zusätzlich besteht in einer Vielzahl von Anwendüngen kein zeitlicher Zusammenhang zwischen dem Schalter·» Stellglied und der Sinuswelle des Laststtimes, was zu einem Schaltvorgang an jedem Punkt der Sinuswalle führen kann.

Daher ist die Wahrscheinlichkeit des Schaltens während eines beträchtlichen Wertes des Stromes recht hoch, umgekehrt ist die Wahrscheinlichkeit des Schließens des Schalters in einem Augenblick, in welchem die Sinuswelle der spannung einen beträehtliehen wert hat, ebenso groß. in beiden Fällen führt die unterbrechung eines hohen Momentanwerts des Stromes und das Schließen der Kontakte bei einem höhen Momentanwert der Spannung zu möglicher Kontakterosion,

In Fig. 3 ist der Schalter nach Fig. 1 mit erodierten

Kontakten 2 und 4 gezeigt. In diesem Zustand tritt die geometrische Ausrichtung der Gelenke 21 und 22 mit äem Kontaktpunkt 26 in einer anderen Stellung (Linie X'-X¹) des Stellgliedes 7 verglichen mit dem ursprünglichen zustand mit nicht veränderten Kontakten 2 und 4 (Linie X-X) auf, was seinerseits eine Drift des Abgleich&egr; der Regeleinrichtung erzeugt.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Schalter, insbesondere Mikroschalter, weist ein stationäres Kontaktteil 1 mit einem stationären Kontakt 2 und ein federndes bewegliches Kontaktteil 3 mit einem beweglichen Kontakt 4 auf. Das stationäre Kontaktteil 1 hat einen Anschluß 5 und das bewegliche Kontaktteil 3 einen Anschluß 6. Ein Stellglied 7 dient der Betätigung des Schalters.

Auf dem stationären Kontaktteil 1 sitzt in der Nähe der Kontakte 2 und 4 eine Elektromagneteinheit 8 mit Polschuhen 9 und 10 und einer Erregerwicklung 11. Die Erregerwicklung 11 ist von dem über den Anschluß 5, das Kontaktteil 1, den Kontakt 2, den Kontakt 4, das Kontaktteil 3 und den Anschluß 6 fließenden Schalterstrom, der ein Wechselstrom ist, durchflossen. Auf dem beweglichen Kontaktteil 3 sitzt gegenüber der Elektromagneteinheit 8

2S eine Ankereinheit 12 aus ferromagnetische!!) Material, die beispieleweise die Form eines die Polschuhe 9 und 10 der Elektromagneteinheit 8 überbrückenden Plättchens haben kann«

Bei geschlossenen Kontakten 2 und 4 fließt der Schalterstrom durch die Erregerwicklung 11, und der Kontaktdruck wird utn die von der Elektromagneteinheit 8 auf die Ankereinheit 12 ausgeübten Kraft entsprechend dem Momentanwert des Schalterstrome verstärkt.

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Wenn sich das stellglied 7 den Zustand nach Fig. 2, beispielsweise der Ausrichtung der Gelenke 21 und 22 un*3 des Kontaktpunkts 26 auf der Linie X-X, nähert, wird die Rontaktkraft immer noch.einen endlichen Wert großer als Null infolge des magnetischen Haltens haben, wodurch das öffnen des Schalters bis zum Nulldurchgang des Stromes verhindert wird.

Dies bedeutet, daß der Strom beim Schalten nie gleich dem höchsten Momemtanwert des Schalterstromes sein wird, sondern immer wesentlich unter diesem liegt. Die Kontakterosion ist damit gegenüber einem Schalter ohne die erfindungsgemäße Elektromagneteinheit 8 und Ankereinheit 12 erheblich verringert. Hieraus ergibt sich wiederum, daß Ansprechungenauigkeiten aufgrund Kontaktabbrandes langer verhindert werden können, und somit die Standzeit des Schalters bei sonst gleicher Auslegung erheblich verlängert wird.

Tn den Fig. 5 und 6 ist ein Schalter schematisch dargestellt, bei welchem die Elektromagneteinheit 8 eine das stationäre Kontaktteil 1 umgebende Einheit aus ferromagnetischem Material ist. In diesem Falle bildet das stationäre Kontaktteil 1 selbst die Erregerwicklung der Elektromagneteinheit 8.

Es versteht sich, daß es auch möglich ist, die Elektromagneteinheit 8 auf dem beweglichen Kontaktteil 3 und die Ankereinheit 12 auf dem stationären Kontaktteil 1 anzubringen. Anstatt die Ankereinheit 12 an dem federnden Kontaktteil 3 bzw. dem festen Kontaktteil 1 anzubringen, können das bewegliche Kontaktteil 3 bzw, das stationäre Kontaktteil 1 auch selbst aus ferromagnetische!!) Material ausgebildet sein.

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Pig. 7 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausföhrungsbeispiel des erfindungsgemäßen schalters in der Aus-bildung als umschalter. Ein derartiger Hikroschalter weist ein zweites stationäres Kontaktteil 13 mit zugehörigem stationären Kontakt 14 auf, welches einen weiteren An- Schluß 15 hat. Das bewegliche Kontaktteil 3 weist einen weiteren beweglichen Kontakt 16 auf.

Auf dem stationären Kontaktteil 13 sitzt eine weitere Elektromagneteinheit 18. Die Ankereinheit 12 ist derart ausgebildet, daß sie je nach Schaltstellung von der Elektromagneteinheit 8 oder der Elektromagneteinheit 18 angezogen wird. Die Wirkung der Elektromegneteinheiten 8 und 18 zusammen mit der Ankereinheit 12 ist je nach Sehr.Itstellung des Schalters jeweils die gleiche wie im Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben, wenn entweder die Erregerwicklung 11 der Elektromagneteinheit 8 oder die Erregerwicklung 19 der Elektromagneteinheit 18 vom Schalterstrom durchflossen wird.
20

Die Wirkung dieser Anordnung gemäß der Erfindung ist aus Fig. 8 zu erkennen, wo eine Stromsinuswelle dargestellt ist« Als Beispiel hat die sinuswelle eine Frequenz von Hz und der spitzenwert des stromes ist 10 A (Effektivwert etwa 7 A).

Bei einem Schalter ohne die oben beschriebene magnetische Anordung würden die Kontakte in Bezug auf die Sinuswelle zufallsverteilt öffnen und einen Bogen erzeugen, welcher in dem Augenblick auftritt, in dem sich die Kontakte zu trennen beginnen, und beim Nulldurchgang des stromes endet. Die Bogendauer in einer Halbperiode kann daher theoretisch zwischen 0 und 10 meec. variieren. Dies würde eine mittlere Bogendauer von 5 msec, bei einem Effektivwert von 7 A ergeben.

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A.

Nit der oben beschriebenen magnetischen Anordnung wird die praktische Annahme gemacht, daß die magnetische Haltekraft die Kontaktöffnung zu verzögern vermag, bis der Strom auf etwa 2 A, d.h. 20% des Spitzenstromes abgefallen ist.

Das tatsächliche Kontaktöffnen wird daher nur während der Zeitdauer auftreten können, welche durch die schraffierten Bereiche dargestellt ist und welche etwa 13% der gesamten Sinuswellenperiode beträgt, während für den Rest von 87% ein öffnen des Kontakts nicht auftreten kann, obwohl das Stellglied die Position erreicht hat, bei welcher der Schalter bei nichtfließendem Strom öffnen würde.

t 15 Wenn der Schalter während der Zeitdauer y - y· öffnet, t wird die Bogendauer 10 msec, maximal/9,35 msec, minimal

bei einem Momentanwert des Stromes zwischen 0 und 2 A mit

':, Tendenz zum Steigen während der Bogendauer abhängig vom

Bogenwiderstand sein. Die mittlere Bogendauer ist daher 9,67 msec, das Auftreten jedoch ist in 6,5% der Fälle.

Während der Zeitdauer y¹ - w kann bis zum Zeitpunkt w, zu welchem der Strom 2 A ist, kein Kontaktöffnen beginnen, '; und die Bogendauer wird 0,65 msec, sein; dies stellt 87%

^l;- der Fälle dar. Während der Zeitdauer w - w· kann der

Schalter mit einer Bogendauer von 0,65 msec, maximal/

0 msec, minimal bei einem Momentanwert des Stroms zwischen 2 A und 0 und mit einer mittleren Bogendauer von 0,325 msec, in 6,5% der Fälle öffnen. Folglich wird das allgemeine Mittel der Bogendauer 1,21 msec, bei einem maximalen Momentanwett des Stromes von P A in 93,5% der Fälle sein, verglichen mit 5 msec, bei einem Momentanwert des stromes ^: von 0/10 A, wenn kein magnetisches Halten vorgesehen ist.

, Es ist angemessen anzunehmen, daß ein Kontakt, der keinem

35 lange zeit dauernden Bogen ausgesetzt ist und einen niedrigen strom unterbricht, eine verlängerte Lebensdauer

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hat und/oder mit geringerer Abmessung ausgelegt werden kann.

Die magnetische Anordnung des Schalter· gemäß der Erfindung schließt eine mögliche Verzögerung des Kontaktöffnungs-zeitpunkts um maximal 8,7 msec ein, was in den meisten der Anwendungefalle eine irrelevante Verzögerung ist.

wichtig ist die Feststellung der Seihe von vorteilen welche die magnetische Anodnung bringt:

- Die Bogenenergie beisn Kontaktöffnen ist infolge des niedrigeren unterbrochenen stromes beträchtlich reduziert; die Sogendauer ist be

trächtlich reduziert; dies fuhrt zu einer beträchtlich geringeren Kontakterosion.

- Prellen des Kontakts beim Schließübergang ist durch die haltende Magnetkraft gedämpft.

- Eine mögliche Erzeugung von Radioätörungen induziert in der Versorgungsleitung und/oder durch Luft ist beträchtlich reduziert.

- Die Anordnung ist unempfindlich auf den Leistungsfaktor, da mit der sinuswelle des ,

svnebsoaisiert«

- Die Anordnung vermag bei verschiedenen

Stroawerten zu arbeiten, ohne daß eine Abstiwming auf einen spezifischen Arbeite» stfdm erforderlieh ist.

Claims

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HOFFMANN«

PATENTANWÄLTE

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-197«) . Öl PL,-I N G. VV. EIHE . D R. R E R. N AT. K, H OF FMAN N . DIPl. -ING. W. LEHN

DIPL-ING. K.FOCHSlE . DK. RER. NAT. B. HANSEN ARABEUASTRASSE 4 · D-IOOO MÖNCHEN BI . TELEFON (OS?j ?! «93? · TELEX OS-MiI? (PATHE)

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RANCO INC., Columbus, Ohio /USA

SCHNAPPKONTAKT-SCHALTER FÜR WECHSELSTROM

SCHUTZA W SPRÜCHE :

1« Schnappkontakt-Schalter, insbesondere Mikroschalter, für Viechseistrom, mit~wen igst ens einem statio- " nären Kontakt auf einem stationären Kontaktteil und wenigstens einem beweglichen Kontakt auf einem beweglichen Kontaktteil, ,

dadurch gekennzeichnet , daß an dem einen Kontaktteil (1, 13; 3) eine vom Schalterstrom erregte Elektromagneteinheit (8, 18) und an dem anderen Kontaktteil (3; 1, 13) eine Ankereinheit (12) aus ferromagne- · tischem Material gegenüber der Elektromagneteinheit (8, 18) angeordnet ist.
2. sehalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Elekferomagneteinheit (8, 18) an dem festen Kontaktteil (1) und die Ankereinheit (12) an dem federnden Kontaktteil (3) angeordnet ist.
3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroti inagneteinheit (8, 18) eine auf dem einen Kontakteil (1,

13} 3) angebrachte Einheit aus ferromagnetischem Material mit zwei Polschuhen (9, 10) und vom Schalterstrom durchfloseener Erregerwicklung (11, 19) ist.
4. Schalter nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet , daß die Elektromagneteinheit (8, 18) eine das eine Kontaktteil (1, 13) 3) &iacgr; umgebende Einheit aus ferromagnetischem Material mit fewei

'&igr;, Polschuhen (9, 10) ist, deren Erregerwicklung das eine

Kontaktteil (1, 13; 3) selbst bildet.

f. 15
5. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, H dadurch gekennzeichnet , daß die Anker-

.' einheit (12) ein an dem anderen Kontaktteil (3; 1, 13)

&ngr; angebrachtes, die Polschuhe (9, 10) der Elektromagnet"

■' einheit (8, 18) überbrückendes Teil aus ferromagnetischem

- 20 Material ist.
6. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4> dadurch gekennzeichnet , daß das andere Kontaktteil (3; 1, 13) selbst aus ferromagnetischem

Material ist.
7. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet * daß der Sehalter ein umschalter ist und zwei Elektromagneteinheiten (1, 18) sowie eine Ankereinheit (12) aufweist.
8. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Schalter ein umschalter ist und eine Elektromagneteinheit (8, 18)

Sowie zwei Ankereinheiten (12) aufweist.