WO1993023863A1 - Kontaktfederanordnung für ein relais zum führen und schalten hoher ströme - Google Patents

Kontaktfederanordnung für ein relais zum führen und schalten hoher ströme Download PDF

Info

Publication number
WO1993023863A1
WO1993023863A1 PCT/DE1993/000419 DE9300419W WO9323863A1 WO 1993023863 A1 WO1993023863 A1 WO 1993023863A1 DE 9300419 W DE9300419 W DE 9300419W WO 9323863 A1 WO9323863 A1 WO 9323863A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
contact
spring
contact spring
gap
current
Prior art date
Application number
PCT/DE1993/000419
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Josef Weiser
Robert Esterl
Gerhard Furtwaengler
Horst Tamm
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE19924216080 external-priority patent/DE4216080A1/de
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to US08/335,741 priority Critical patent/US5583471A/en
Priority to EP93909764A priority patent/EP0640242B1/de
Priority to JP5519767A priority patent/JPH07506697A/ja
Publication of WO1993023863A1 publication Critical patent/WO1993023863A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/50—Means for increasing contact pressure, preventing vibration of contacts, holding contacts together after engagement, or biasing contacts to the open position
    • H01H1/54—Means for increasing contact pressure, preventing vibration of contacts, holding contacts together after engagement, or biasing contacts to the open position by magnetic force
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H51/00—Electromagnetic relays
    • H01H51/22—Polarised relays
    • H01H51/2272—Polarised relays comprising rockable armature, rocking movement around central axis parallel to the main plane of the armature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/30—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H9/38—Auxiliary contacts on to which the arc is transferred from the main contacts

Definitions

  • the invention relates to a contact spring arrangement for a relay for guiding and switching high currents with at least one elongated contact spring carrying a contact piece, which cooperates with a fixed counter contact element, also carrying a contact piece, and with at least one rigid connecting leg for the contacts clock spring, which runs approximately parallel to this with the formation of a spring gap on the side opposite the contact piece and which leads the switching current in a direction opposite to the contact spring.
  • So-called miniature switching relays are used to connect devices to the mains voltage in the home and in industry. In a relatively small design with spring contacts, they can handle the current loads in these applications down to the 50 A range. For higher currents, contactors are generally used, which are equipped from the outset with differently designed contact elements and correspondingly stronger drive systems for their application areas, but are accordingly also considerably larger in size than the relays mentioned.
  • the aim of the invention is to provide a dimensioning for such a contact spring arrangement of the type mentioned at the outset, with which the welding of the contact pieces can be reliably prevented even when the highest short-circuit currents occur.
  • the spring gap extends at least approximately over the entire length of the contact spring from its attachment point to the contact piece and in that the ratio of the length to the distance in the spring gap when the contact is closed roughly satisfies the following condition:
  • Hs limit heating strength or current carrying capacity of the contact material [- ⁇ -]. This formula is based on simplified assumptions for the mechanical behavior of the contact spring arrangement described. For the short exposure time of the short circuit pulse ( ⁇ 5 ms) z. For example, consider the spring as a rigid body. Thus, the positive effect in the experiment begins at around 2/3 of the theoretical value of L / D.
  • the spring gap formed between the contact spring and its connecting element is so dimensioned that the repulsive forces generated by the current loop, which endeavor to close the contact on the opposite side of the spring, are greater even at the highest short-circuit currents than the opposing forces that seek to open the contact.
  • limit heating strength or current carrying capacity which in turn is defined as the quotient of the welding limit current strength [kA 2 ] and the contact force N] and is a constant for a specific material.
  • FIG. 3 shows an illustration of the design principle according to the invention on a schematically shown contact spring arrangement
  • Figure 4 shows a development of the invention with a multiply folded contact spring
  • Figure 5 is a schematic representation of a conventional contact spring arrangement in relays to explain the different mode of operation compared to the invention.
  • a magnetic system with a coil, a core 3, two yokes 4, a permanent magnet 5 and a rocker armature 6 is arranged in a base body 1 from above.
  • An actuating finger 7 of the armature actuates a contact spring 9 via a slide 8, which in this example is split into a main spring leg 10 and a forward spring leg 11.
  • a spring support 12 extends from its connecting pin 12a to the fastening point 12b for the contact spring 9 approximately parallel to the latter, whereby a spring gap 13 is formed.
  • the contact pieces 14 and 15 of the contact spring 9 are located above the connecting pin 12a on the side opposite the spring support 12. They interact with corresponding contact pieces 16 and 17 of a counter-contact element 18 which, like the spring support 12, is anchored by inserting it into slots in the base body and has a connecting pin 18a.
  • the spring support 12 is thus in the area between the contact piece 14 and the attachment point 12b to the contact Spring 9 approximates that the length of the spring gap 13 is more than 30 times, but at least 20 times, as large as the average distance between the spring support 12 and the contact spring 9.
  • the repulsive force between the spring support 12 and the contact spring 9 is high Short-circuit currents so strong that a brief lifting of the contact piece 14 from the contact piece 16 is avoided and welding of the contact is prevented.
  • the counter-contact element 18 "is arranged transversely to the spring support 12 in this case.
  • the moving contact spring is not opposed by large metal parts which could lead to eddy current forces. Such eddy current forces could otherwise impair the desired repulsion of the current loop.
  • FIG. 5 shows a conventional set of contact springs with a switching contact spring 21 and a counter-contact spring 22, each of which closes a circuit via contact pieces 23 and 24, respectively.
  • the forces F ⁇ of such constructions according to FIG. 5 move at most in the region of less than 50 cN, since the distance D is in the order of twice the contact piece height.
  • the decisive geometry factor is the ratio of L / D with numerical values of less than 10.
  • DE 40 26 425 C1 describes a measure to use the current loop with mutually encompassing contact springs to increase the contact force and to prevent the contacts from opening in the event of short-circuits.
  • the current loop is formed by two contact elements which, when the contacts are open, have different potentials and thus, in normal switching operation, raise the risk of an arc.
  • a current loop is formed between the spring support 12 and the contact spring 9 in the back of the switching contact piece 14, a good electrical conductor as the spring support 12 made of copper and a spring which is sufficiently dimensioned for the current strength i to be conducted, likewise made of a copper alloy , be used.
  • this spring On the switching side, this spring carries the contact piece 14, which preferably consists of silver or a silver alloy, such as AgCdO or AgSnO.
  • the contact When the contact is closed, the current flows in the spring support 12 in the opposite direction to the current in the contact spring 9.
  • the spring and the metal part (spring support 12) are electrically conductively connected at point 12a.
  • the dimensioning was not chosen such that the repulsive force generated would have been sufficient to prevent welding in the event of a short circuit.
  • the current-dependent force F s is added to the current loop as a result of the opposite-in her current flowing i ⁇ .
  • the contact pieces do not lift off in the event of a short circuit and do not weld; if they are smaller, the lifting process described earlier occurs with the risk of welding the contacts.
  • the actual contact force F ⁇ can be neglected compared to the loop force F s , so that the previous relationship is simplified:
  • D is the spring distance averaged over the entire length L of the spring gap.
  • the current loop In normal switching operation with alternating current, the current loop produces micro-oscillating effects in the closed contacts, which advantageously affect the current transmission, ie. H. on the contact resistance.
  • Contact spring is folded like an accordion, as shown schematically in Figure 4.
  • the folded contact spring 30 has five alternating sections 31, 32, 33, 34 and 35, so that together with the spring support 12 five spring gaps are formed with the corresponding average distances D1, D2, D3, D4 and D5 .
  • the sum of all loop lengths L must then meet the above-mentioned conditions in relation to the mean value of all distances D1 to D5, that is to say at least 20 times the value of the average column distance in the case of silver contacts.
  • the distances D1 to D5 could be the same and ensured, for example, by thin insulating foils.
  • All types of magnetic circuits can be considered as a magnetic drive system for the described contact principle.
  • vibration-insulated, polar, especially bistable magnet systems with a central armature are preferred, for example according to the embodiment of FIG. 1.
  • the force of the magnet system can be coupled in between the contact spring attachment and the contact piece, but also in the Area between contact piece and the free end of the spring.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Contacts (AREA)
  • Relay Circuits (AREA)

Abstract

Die Kontaktfederanordnung besitzt eine langgestreckte Kontaktfeder (9) mit einem starren Anschlußschenkel (12), welcher sich annähernd parallel zur Kontaktfeder erstreckt und den Schaltstrom in einer zur Kontaktfeder entgegengesetzten Richtung führt. An der dem Anschlußschenkel (12) entgegengesetzten Seite besitzt die Kontaktfeder ein Kontaktstück (14), welches mit einem gegenüberstehenden Gegenkontaktelement (18) mit einem Kontaktstück (16) zusammenwirkt. Die Abstoßungskräfte zwischen dem Anschlußschenkel (12) und der Kontaktfeder (9) werden so groß, daß auch bei höchsten Kurzschlußströmen keine Verschweißung der Kontakte erfolgt, wenn bei Kontaktstücken aus Silber oder einer Silberlegierung die Länge des zwischen Kontaktfeder (9) und Anschlußschenkel (12) gebildeten Spaltes mindestens 20 mal größer ist als der mittlere Federabstand im Spalt.

Description

Kontaktfederanordnung für ein Relais zum Führen und Schal- ten hoher Ströme
Die Erfindung betrifft eine Kontaktfederanordnung für ein Relais zum Führen und Schalten hoher Ströme mit mindestens einer ein Kontaktstück tragenden, langgestreckten Kontakt- feder, welche mit einem feststehenden, ebenfalls ein Kon¬ taktstück tragenden Gegenkontaktelement zusammenwirkt, und mit mindestens einem starren Anschlußschenkel für die Kon¬ taktfeder, der annähernd parallel zu dieser unter Bildung eines Federspaltes auf der dem Kontaktstück gegenüberlie- genden Seite verläuft und der den Schaltstrom in einer zur Kontaktfeder entgegengesetzten Richtung führt.
Zum Anschalten von Geräten an Netzspannung in Haushalt und Industrie sind sogenannte Kleinschaltrelais in Gebrauch, die bei einer relativ kleinen Bauform mit Federkontakten die bei diesen Anwendungen auftretenden Strombelastungen bis in den Bereich von 50 A bewältigen. Für höhere Ströme kommen in der Regel Schütze zum Einsatz, die für ihre An¬ wendungsbereiche von vorneherein mit anders gestalteten Kontaktelementen und entsprechend stärkeren Antriebssyste¬ men ausgestattet sind, dementsprechend aber auch wesent¬ lich größer in den Abmessungen als die genannten Relais sind.
Es besteht nun vielfach der Wunsch, sogenannte Klein¬ schaltrelais wegen ihrer geringen Abmessungen in der Groß- installationstechnik, also in Installationsanlagen in Bü¬ rogebäuden, Kliniken und Industrieanlagen, einzusetzen. Für die im normalen Schaltbetrieb auftretenden Ströme sind diese Relais auch ohne weiteres geeignet. Probleme ergeben sich jedoch im Falle eines Kurzschlusses im Leitungssystem oder in den elektrischen Verbrauchern, denn auch in diesen Fällen sollen die Kontakte des Relais nicht verschweißen, bis das vorgeordnete Sicherungssystem oder -organ, bei¬ spielsweise ein Leitungsschutzschalter oder eine Schmelz- Sicherung, abschaltet. Die in solchen Fällen auftretenden sogenannten prospektiven Kurzschlußströme liegen in der Größenordnung von 1000 bis 1500 A und fließen bis zum Aus¬ lösen des genannten Sicherungssystems bis zu Zeiten von 3 bis 5 ms über die geschlossenen Kontakte des involvierten Relais. Andererseits kann es auch vorkommen, daß ein sol¬ ches Relais auf einen Kurzschluß der genannten Art auf¬ schalten muß. Bei einer derartigen Belastung besteht für Federkontaktsysteme herkömmlicher Bauart eine große Ge¬ fahr, daß die Kontaktstücke verschweißen. Zum einen rei- chen bei solchen Relais die Kräfte des Magnetsystems nicht aus, um eine genügend hohe Kontaktkraft für die auftreten¬ den Ströme zu erzeugen. Zum anderen wirken bei parallelen Kontaktfedern mit entgegengesetzt fließendem Strom die elektrodynamischen Kräfte dem Antriebssystem entgegen, so daß hierdurch die Kontaktkraft zusätzlich vermindert wird.
Eine zu geringe Kontaktkraft führt jedoch infolge von
Stromengekräften in Kombination mit der Verdampfung von
- Kontaktmaterial in den zu heißen Kontaktberührungszonen zum zeitweiligen Abheben der Kontakte, zur Bildung eines Lichtbogens und entsprechend zum Verschweißen beim Zurück¬ fallen der Kontakte.
Um die erwähnten elektrodynamischen Kräfte nicht zur Ver¬ minderung, sondern zur Erhöhung der Kontaktkraft auszunut- zen, wurde in der DE 40 26 425 C bereits eine Konstruktion vorgeschlagen, bei der der kontaktgebende Abschnitt einer Kontaktfeder den entsprechenden Abschnitt der anderen Kon¬ taktfeder bügeiförmig umgreift. Mit den dabei erzeugten Stromschleifenkräften kann das Öffnen des Kontaktes bei einem Kurzschluß verhindert werden. Allerdings hat die um¬ greifende Schleife den Nachteil, daß das zu schaltende elektrische Potential zwischen den einander angenäherten Federabschnitten wirkt; dabei kann es zum Überspringen von Lichtbögen im normalen Schaltbetrieb und zur Zerstörung der Kontaktfedern kommen.
Bei bekannten Kontaktfederanordnungen der eingangs genann¬ ten Art, bei denen ein Anschlußschenkel für die Kontaktfe¬ der an der dem Kontaktstück gegenüberliegenden Seite der Feder verläuft, bewirken die elektrodynamischen Kräfte zwar einen gewissen Abstoßungseffekt, der über die Feder zu einer Verstärkung der Kontaktkraft führt. In all diesen bekannten Fällen, beispielsweise bei dem Relais gemäß EP 0 425 780 A, reicht der bei den dortigen Dimensionie¬ rungen erzielbare Effekt jedoch nicht -aus, um bei Kurz- schlußströmen der oben erwähnten Art das Verschweißen der Kontaktstücke zu verhindern.
Ziel der Erfindung ist es, für eine solche Kontaktfederan¬ ordnung der eingangs genannten Art eine Dimensionierung anzugeben, mit der das Verschweißen der Kontaktstücke auch beim Auftreten höchster Kurzschlußströme zuverlässig ver¬ hindert werden kann.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Federspalt sich zumindest annähernd über die gesamte Länge der Kontaktfeder von ihrer Befestigungsstelle bis zum Kon¬ taktstück erstreckt und daß das Verhältnis der Länge zum Abstand im Federspalt bei* geschlossenem Kontakt etwa der folgenden Bedingung genügt:
27T
" θ S mit L = Länge des Federspaltes,
D = mittlerer Abstand im Federspalt, μ = magnetische Feldkonstante = 1,256 . 10" ^]
Hs = Grenzheizstärke oder Stromtragfähigkeit des Kon- taktmaterials [-^-] . Diese Formel basiert auf vereinfachten Annahmen für das mechanische Verhalten der beschriebenen Kontaktfederanord¬ nung. Für die kurze Einwirkzeit des Kurzschlußimpulses (< 5 ms) wird z. B. die Feder als starrer Körper betrach- tet. Somit beginnt der positive Effekt im Experiment bereits bei etwa 2/3 des theoretischen Wertes von L/D.
Nach der Erfindung wird also der zwischen der Kontaktfeder und ihrem Anschlußelement gebildete Federspalt so dimen- sioniert, daß die durch die Stromschleife erzeugten Absto¬ ßungskräfte, welche den an der gegenüberliegenden Seite der Feder befindlichen Kontakt zu schließen bestrebt sind, auch bei höchsten Kurzschlußströmen größer sind als die entgegenwirkenden Kräfte, die den Kontakt zu öffnen su- chen. Es wurde herausgefunden, daß sich eine einfache Ab¬ hängigkeit von der sogenannten Grenzheizstärke oder Strom¬ tragfähigkeit ergibt, welche ihrerseits als Quotient aus der Schweißgrenzstromstärke [kA2] und der Kontaktkraft N] definiert ist und für ein bestimmtes Material eine Kon- stante ist. Zur Definition dieser Begriffe siehe das Buch von Keil, Merl, Vinaricky: "Elektrische Kontakte und ihre Werkstoffe", Springer-Verlag, 1984, ISBN 3-540,12233-8.
Für Silber und Silberlegierungen, welche für die hier be- trachteten Anwendungen hauptsächlich in Frage kommen, be- rkA -ι trägt die Grenzheizstärke H = 0,165 L-j^-J . Daraus er¬ rechnet sich theoretisch für das Verhältnis von Länge zu Abstand im Federspalt ein Wert von 30. Wenn also die Fe¬ derlänge im Spalt mindestens 30 mal so groß ist wie der mittlere Abstand, dann wird ein Verschweißen der Kontakte auch bei höchsten Kurzschlußströmen vermieden. Experimen¬ tell hat sich ergeben, daß dieser Effekt schon ab dem Wert 20 funktioniert.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen Figur 1 und 2 ein Relais mit erfindungsgemäß gestalteten Kontaktelementen in zwei Schnittansichten,
Figur 3 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Konstruk- tionsprinzips an einer schematisch gezeigten Kontaktfeder¬ anordnung,
Figur 4 eine Weiterbildung der Erfindung mit einer mehr¬ fach gefalteten Kontaktfeder und
Figur 5 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Kontaktfederanordnuhg in Relais zur Erläuterung der unter¬ schiedlichen Wirkungsweise gegenüber der Erfindung.
In den Figuren 1 und 2 ist ein Relais für Starkstromein¬ satz gezeigt, dessen Kontaktanordnung erfindungsgemäß ge¬ staltet ist. In einem Grundkörper 1 ist von oben ein Ma¬ gnetsystem mit einer Spule, einem Kern 3, zwei Jochen 4, einem Dauermagneten 5 und einem Wippanker 6 angeordnet. Ein Betätigungsfinger 7 des Ankers betätigt über einen Schieber 8 eine Kontaktfeder 9, welche in diesem Beispiel in einen Hauptfederschenkel 10 und einen Vorlauf-Feder¬ schenkel 11 gespalten ist. Ein Federträger 12 verläuft von seinem Anschlußstift 12a bis zur Befestigungsstelle 12b für die Kontaktfeder 9 annähernd parallel zu letzterer, wodurch ein Federspalt 13 gebildet ist. Die Kontaktstücke 14 und 15 der Kontaktfeder 9 befinden sich oberhalb des Anschlußstiftes 12a auf der dem Federträger 12 entgegen¬ gesetzten Seite. Sie wirken mit entsprechenden Kontakt- stücken 16 und 17 eines Gegenkontaktele entes 18 zusammen, welches wie der Federträger 12 durch Einstecken in Schlit¬ ze des Grundkörpers verankert ist und einen Anschlußstift 18a aufweist.
Der Federträger 12 ist im Bereich zwischen dem Kontakt¬ stück 14 und der Befestigungsstelle 12b so an die Kontakt- feder 9 angenähert, daß die Länge des Federspaltes 13 mehr als 30 mal, mindestens jedoch 20 mal, so groß ist wie der mittlere Abstand zwischen Federträger 12 und Kontaktfeder 9. Dadurch wird die Abstoßungskraft zwischen dem Federträ- ger 12 und der Kontaktfeder 9 bei hohen Kurzschlußströmen so stark, daß ein kurzzeitiges Abheben des Kontaktstückes 14 vom Kontaktstück 16 vermieden und ein Verschweißen des Kontaktes verhindert wird. Das Gegenkontaktelement 18„ist in diesem Fall quer zum Federträger 12 angeordnet. Dadurch stehen der bewegten Kontaktfeder keine großflächigen Me¬ tallteile gegenüber, welche zur Entstehung von Wirbel¬ stromkräften führen könnten. Solche Wirbelstromkräfte könnten ansonsten die erwünschte Abstoßung der Strom¬ schleife beeinträchtigen.
Die physikalischen Überlegungen zur Bemessung der erwähn¬ ten Stromschleife zwischen Federträger 12 und Kontaktfeder 9 sollen nun anhand der Figuren 3 und 5 im Vergleich zum Stand der Technik genauer beschrieben werden.
In Figur 5 ist ein herkömmlicher Kontaktfedersatz mit ei¬ ner schaltenden Kontaktfeder 21 und einer Gegenkontaktfe- der 22 gezeigt, welche jeweils über Kontaktstücke 23 bzw. 24 einen Stromkreis schließen. Wenn nun über solche Kon- taktfedern ein hoher Kurzschlußstrom geführt werden muß, tritt folgender Effekt ein: Wenn die Kontaktkräfte nicht einen vorgegebenen Wert erreichen, dann heben die ge¬ schlossenen Kontakte infolge von Stromengekräften in Kom¬ bination mit der Verdampfung von Kontaktmaterial in den zu heißen Kontaktberührungszonen und infolge der Entwicklung großer Dampfdrucke kurz ab; dabei wird ein Lichtbogen mit der entsprechend hohen Stromstärke iκ gezogen,''wobei die Kontaktoberflächen großflächig aufschmelzen. Schließlich fällt der Kontakt wieder zurück in die Schmelze des eig'e- nen Werkstoffes und verschweißt. Um diesen Katastrophenverlauf zu verhindern, muß das öff¬ nen der Kontakte durch die Erzeugung ausreichender Kon¬ taktkräfte vermieden werden. Die in den heutigen Relais mit relativ kleinem Magnetkreisvolumen erzielbaren Kon- taktkräfte von weniger als 100 cN sind für Kurzschlußströ¬ me der obengenannten Größenordnung bei weitem zu gering, um das beschriebene Kontaktöffnen bei einer Kontaktanord¬ nung gemäß Figur 5 zu verhindern. Bei dieser Anordnung mit entgegengesetzt gerichteten Strombahnen in den parallelen, zusammenwirkenden Kontaktelementen werden elektrodynami¬ sche Abstoßungskräfte erzeugt, die der Kontaktkraft zu¬ sätzlich entgegenwirken. Solche Kontakte werden also bei hohen Strömen geöffnet, was zusätzlich die Verschweißungs- gefahr erhöht. Die dabei auftretenden Abstoßungskräfte sind vom Quadrat des Stromes abhängig nach folgender Be¬ ziehung:
Fs = 2 ' ü ' *κ = °'2 ' ü ' Aκ * 10"6 M mit μ0 = 1,256 . 10~6 [-f] L = Federlänge D = Federabstand iκ = Kontaktstrom in [A] Fs = Kraft der Stromschleife in [N] .
Die Kräfte Fς solcher Konstruktionen gemäß Figur 5 bewegen sich maximal in der Gegend von unter 50 cN, da der Abstand D in der Größenordnung der doppelten Kontaktstückhöhe liegt. Der entscheidende Geometriefaktor dabei ist das Verhältnis von L/D mit Zahlenwerten von weniger als 10.
Wie eingangs erwähnt, wird in der DE 40 26 425 Cl eine Maßnahme beschrieben, mit einander umgreifenden Kontaktfe¬ dern die Stromschleife zur Erhöhung der Kontaktkraft aus- zunutzen und dabei das Öffnen der Kontakte bei Kurzschlüs¬ sen zu verhindern. Bei der dort gezeigten Anordnung be- steht jedoch der Nachteil, daß die Stromschleife von zwei Kontaktelementen gebildet wird, die bei geöffneten Kontak¬ ten unterschiedliches Potential führen und somit im norma¬ len Schaltbetrieb die Gefahr eines Lichtbogens heraufbe- schwören.
Die bei der Erfindung benutzte Form der Stromschleife ist in Figur 3 noch einmal schematisch dargestellt. Hier wird eine Stromschleife zwischen dem Federträger 12 und der Kontaktfeder 9 im Rücken des schaltenden Kontaktstückes 14 gebildet, wobei ein guter elektrischer Leiter als Feder- träger 12 aus Kupfer und eine für die zu führende Strom¬ stärke i ausreichend dimensionierte Feder, ebenfalls aus einer Kupferlegierung, verwendet werden. Auf der Schalt- seite trägt diese Feder das Kontaktstück 14, das vorzugs¬ weise aus Silber bzw. einer Silberlegierung, wie AgCdO oder AgSnO«, besteht. Der Strom fließt bei geschlossenem Kontakt in dem Federträger 12 entgegengesetzt zur Strom¬ richtung in der Kontaktfeder 9. Die Feder und das Metall- teil (Federträger 12) sind an der Stelle 12a elektrisch leitend verbunden. Soweit jedoch derartige Anordnungen mit dem Federträger und Kontaktfeder in bekannten Relais eine derartige Stromschleife gebildet haben, war die Dimensio¬ nierung nicht so gewählt, daß die erzeugte Abstoßungskraft zur Verhinderung eines Verschweißens bei Kurzschluß ausge¬ reicht hätte.
Für die Stromschleife in Figur 3 gilt im Falle des Kurz¬ schlusses folgende Kräftebilanz:
K Fs F I"
Zur eigentlichen, Kontaktkraft Fκ des Relais addiert sich die stromabhängige Kraft Fs der Stromschleife infolge des in ihr entgegengesetzt fließenden Stromes iκ. Sind diese beiden Kräfte größer als die Stromtragfähigkeitskraft F,., dann heben die Kontaktstücke im Kurzschlußfall nicht ab und verschweißen -nicht; sind sie kleiner, dann geschieht der früher geschilderte Abhebevorgang mit der Gefahr des Verschweißens der Kontakte. Im Falle von üblichen Kurz¬ schlußströmen (> 1000 A) läßt sich die eigentliche Kon¬ taktkraft Fκ gegenüber der Schleifenkraft Fs vernachlässi¬ gen, so daß sich die vorige Beziehung vereinfacht:
Fsξ Fr
Außerdem gilt:
Figure imgf000011_0001
mit i2 in [ A]
»s i" [ } .
Mit den früher zitierten physikalischen Gesetzmäßigkeiten und mit H = 0,165 für Silber als Kontaktwerkstoff ergibt sich für das Kräftegleichgewicht folgender vereinfachter Zusammenhang:
n ? t. i2 ^ •*• i*
D ' XK < 0,1
wobei iκ in [kA] angegeben wird.
Der Strom eliminiert sich also in dieser Gleichung und es bleibt die Bedingung:
D ist dabei der über die gesamte Länge L des Federspaltes gemittelte Federabstand.
Man sieht, daß sich dieser "i -Kontakt", unabhängig vom Strom, seine erforderliche Kontaktkraft selbst ausreichend erzeugt, wenn der Geometriefaktor der Schleife L/D > 30 konstruktiv sichergestellt wird. L/D soll also so groß wie möglich sein. Theoretisch könnte der Strom iκ beliebig groß sein, wenn nicht eine Begrenzung durch die Leitfähig¬ keit der anderen stromführenden Elemente im Kontaktkreis gegeben wäre. Mit diesem Geometriefaktor ergeben sich aus obiger Gleichung bei 1000 A entsprechend 1 kA Kräfte „von 6 N entsprechend 600 cN. Experimente haben auch gezeigt, daß bereits Werte ab L/D > 20 positiv sind. Je höher je¬ doch dieser Faktor ist, um so sicherer wird das Verschwei¬ ßen der Kontakte nicht nur bei Kurzschluß über die ge¬ schlossenen Kontakte, sondern auch beim Aufschalten auf einen Kurzschluß/-verhindert. Günstig wirkt sich dabei eine Zwangsführung des bewegten Kontaktelementes zum Antriebs¬ system des Relais aus.
Vorteilhafte Ausbildungen des Kontaktschleifenprinzips er¬ geben sich für ein Relais, wenn die Feder der Schleife in einen Vorlaufkontakt mit Wolfra -Kontaktstüeken und einen Hauptkontakt mit Kontaktstücken einer Silberlegierung (AgCdO, AgSnO«) geteilt wird. Diese in Figur 1 und Figur 2 dargestellte Variante hat Vorteile beim Schalten von Leuchtstoffröhren mit entsprechenden Stromspitzen. Für das Schalten im Nennstrombereich ist eine Doppelbestückung mit nur Kontakten einer Silberlegierung kostengünstiger. Eine Einfachkontaktbestückung ist natürlich die billigste Lö¬ sung, die für viele Anwendungen aber ausreichend in der Lebensdauer ist.
Im Normalschaltbetrieb bei Wechselstrom werden durch die Stromschleife Mikroschwingeffekte bei den geschlossenen Kontakten erzeugt, die sich vorteilhaft auf die Stromüber¬ tragung, d. h. auf den Kontaktwiderstand, auswirken.
Möglich ist auch eine Weiterbildung in der Weise, daß die Kontaktfeder ziehharmonikaartig gefaltet ist, wie dies in Figur 4 schematisch dargestellt ist. Dort besitzt die ge¬ faltete Kontaktfeder 30 fünf abwechselnd entgegengesetzt verlaufende Abschnitte 31, 32, 33, 34 und 35, so daß zu- sammen mit dem Federträger 12 fünf Federspalte mit den entsprechenden mittleren Abständen Dl, D2, D3, D4 und D5 gebildet werden. Die Summe aller Schleifenlängen L muß dann im Verhältnis zu dem Mittelwert aller Abstände Dl bis D5 die oben erwähnten Bedingungen erfüllen, also bei Sil- berkontakten mindestens den 20-fachen Wert des mittleren Spaltenabstandes aufweisen. Die Abstände Dl bis D5 könnten dabei gleich sein und beispielsweise durch dünne Isolier¬ folien sichergestellt werden.
Als magnetisches Antriebssystem für das beschriebene Kon¬ taktprinzip kommen alle Arten von Magnetkreisen in Frage. Vorzuziehen sind jedoch erschütterungsunempfindliche ge¬ polte, vor allem bistabile Magnetsysteme mit mittengela¬ gertem Anker, etwa gemäß dem Ausführungsbeispiel von Figur 1. Die Einkopplung der Kraft des Magnetsystems kann im Be¬ reich zwischen der Kontaktfederbefestigung und dem Kon¬ taktstück erfolgen, aber auch im Gebiet zwischen Kontakt¬ stück und dem freien Ende der Feder.

Claims

Patentansprüche
1. Kontaktfederanordnung für ein Relais zum Führen und Schalten hoher Ströme mit mindestens einer ein Kontakt- stück (14, 15) tragenden, langgestreckten Kontaktfeder (9), welche mit einem feststehenden, ebenfalls ein Kon¬ taktstück (16, 17) tragenden Gegenkontaktelement (18) zu¬ sammenwirkt, und mit mindestens einem starren Anschlu߬ schenkel (12) für die Kontaktfeder, der annähernd parallel zu dieser unter Bildung eines Federspaltes (13) auf der dem Kontaktstück gegenüberliegenden Seite verläuft und der den Schaltstrom in einer zur Kontaktfeder (9) entgegenge¬ setzten Richtung führt, d a d u. r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß der Federspalt (13) sich zumindest annähernd über die gesamte Länge der Kontaktfeder von de¬ ren Befestigungsstelle (12b) bis zum Kontaktstück (14, 15) erstreckt und daß das Verhältnis der Länge (L) zum Abstand (D) im Federspalt bei geschlossenem Kontakt etwa der fol¬ genden Bedingung genügt:
k> 2 IT
0 s mit L = Länge des Federspaltes,
D = mittlerer Abstand im Federspalt, μ = magnetische Feldkonstante = 1,256 . 10 [j^]
H = Grenzheizstärke oder Stromtragfähigkeit des Kon¬ taktmaterials t - ].
2. Kontaktfederanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Verhältnis der Län¬ ge der Kontaktfeder zum Abstand im Bereich des Federspal¬ tes der folgenden Bedingung genügt:
jj ≥ 20 und vorzugsweise -^ 2£ 30.
3. Kontaktfederanordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß durch eine ziehharmonikaartige Faltung der Kontaktfeder (30) mehrere Federspalte (36, 37, 38, 39, 40) aneinandergereiht sind, wobei die Summe der Spaltlängen im Verhältnis zur mittle¬ ren Spaltbreite der folgenden Beziehung genügt:
Figure imgf000015_0001
4. Kontaktfederanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kontaktfeder in einen Hauptfederschenkel (10) mit einem Hauptkontaktstück (14) aus einer Silberlegierung und einen Vorlauf-Federschenkel (11) mit einem Vorlauf-Kontaktstück (15) aus Wolfram unterteilt ist.
PCT/DE1993/000419 1992-05-15 1993-05-13 Kontaktfederanordnung für ein relais zum führen und schalten hoher ströme WO1993023863A1 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/335,741 US5583471A (en) 1992-05-15 1993-05-13 Contact spring arrangement for a relay for conducting and switching high currents
EP93909764A EP0640242B1 (de) 1992-05-15 1993-05-13 Kontaktfederanordnung für ein relais zum führen und schalten hoher ströme
JP5519767A JPH07506697A (ja) 1992-05-15 1993-05-13 高い電流を導きかつ切換えるためのリレーの接点ばね装置

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19924216080 DE4216080A1 (de) 1992-05-15 1992-05-15 Kontaktfedersatz zum Schalten hoher elektrischer Ströme
DEP4216080.4 1992-05-15
DEP4305034.4 1993-02-18
DE4305034 1993-02-18

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO1993023863A1 true WO1993023863A1 (de) 1993-11-25

Family

ID=25914832

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE1993/000419 WO1993023863A1 (de) 1992-05-15 1993-05-13 Kontaktfederanordnung für ein relais zum führen und schalten hoher ströme

Country Status (7)

Country Link
US (1) US5583471A (de)
EP (1) EP0640242B1 (de)
JP (1) JPH07506697A (de)
AT (1) ATE129594T1 (de)
CZ (1) CZ271794A3 (de)
SI (1) SI9300215A (de)
WO (1) WO1993023863A1 (de)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1995005671A1 (en) * 1993-08-19 1995-02-23 Blp Components Limited Switching devices
WO1998031036A1 (en) * 1997-01-06 1998-07-16 Siemens Electromechanical Components, Inc. Relay magnet retention apparatus
WO2001015187A1 (en) * 1999-08-24 2001-03-01 Siemens Metering Limited Improvements in or relating to electrical switches
WO2003046936A1 (en) * 2001-11-22 2003-06-05 Blp Components Limited Electrical contactor apparatus and method
DE102012006433A1 (de) 2012-03-30 2013-10-02 Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg Relais mit verbesserten Isolationseigenschaften
WO2013144232A1 (de) * 2012-03-30 2013-10-03 Phoenix Contact Gmbh & Co.Kg Relais mit zwei gegensinnig betätigbaren schaltern
EP2806441A1 (de) * 2013-05-24 2014-11-26 Tyco Electronics Austria GmbH Elektrische Schaltvorrichtung und verbesserte Lorentzkraftvorspannung
WO2021001468A1 (en) * 2019-07-02 2021-01-07 Johnson Electric Germany GmbH & Co. KG Relay with spring-based contact system

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8040664B2 (en) * 2008-05-30 2011-10-18 Itron, Inc. Meter with integrated high current switch
WO2011041260A1 (en) * 2009-09-30 2011-04-07 Itron, Inc. Utility remote disconnect from a meter reading system
US8890711B2 (en) 2009-09-30 2014-11-18 Itron, Inc. Safety utility reconnect
US8493232B2 (en) 2009-09-30 2013-07-23 Itron, Inc. Gas shut-off valve with feedback
US9005423B2 (en) 2012-12-04 2015-04-14 Itron, Inc. Pipeline communications
JP2014203783A (ja) * 2013-04-09 2014-10-27 パナソニック株式会社 接点装置およびそれを用いた電磁リレー
GB2520575A (en) 2013-11-26 2015-05-27 Johnson Electric Sa Electrical contactor
GB2520572A (en) 2013-11-26 2015-05-27 Johnson Electric Sa Electrical Contactor
CN104362044B (zh) * 2014-10-28 2017-01-18 浙江正泰电器股份有限公司 防止大电流触点分离的继电器

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3419828A (en) * 1966-12-13 1968-12-31 Arrow Hart Inc Means proportional to magnetic flux to bias electric switch contacts closed
EP0425780A2 (de) * 1989-10-30 1991-05-08 Carlo Gavazzi AG Miniaturleistungsrelais für gedruckte Schaltungen
EP0471893A2 (de) * 1990-08-21 1992-02-26 Siemens Aktiengesellschaft Kontaktfedersatz für hohe elektrische Ströme

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3419828A (en) * 1966-12-13 1968-12-31 Arrow Hart Inc Means proportional to magnetic flux to bias electric switch contacts closed
EP0425780A2 (de) * 1989-10-30 1991-05-08 Carlo Gavazzi AG Miniaturleistungsrelais für gedruckte Schaltungen
EP0471893A2 (de) * 1990-08-21 1992-02-26 Siemens Aktiengesellschaft Kontaktfedersatz für hohe elektrische Ströme

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1995005671A1 (en) * 1993-08-19 1995-02-23 Blp Components Limited Switching devices
GB2295726A (en) * 1993-08-19 1996-06-05 Blp Components Ltd Switching devices
GB2295726B (en) * 1993-08-19 1997-08-06 Blp Components Ltd Switching devices
WO1998031036A1 (en) * 1997-01-06 1998-07-16 Siemens Electromechanical Components, Inc. Relay magnet retention apparatus
WO2001015187A1 (en) * 1999-08-24 2001-03-01 Siemens Metering Limited Improvements in or relating to electrical switches
WO2003046936A1 (en) * 2001-11-22 2003-06-05 Blp Components Limited Electrical contactor apparatus and method
DE102012006433A1 (de) 2012-03-30 2013-10-02 Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg Relais mit verbesserten Isolationseigenschaften
EP2645386A1 (de) 2012-03-30 2013-10-02 Phoenix Contact GmbH & Co KG Relais mit verbesserten Isolationseigenschaften
WO2013144232A1 (de) * 2012-03-30 2013-10-03 Phoenix Contact Gmbh & Co.Kg Relais mit zwei gegensinnig betätigbaren schaltern
US9275815B2 (en) 2012-03-30 2016-03-01 Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg Relay having two switches that can be actuated in opposite directions
EP2806441A1 (de) * 2013-05-24 2014-11-26 Tyco Electronics Austria GmbH Elektrische Schaltvorrichtung und verbesserte Lorentzkraftvorspannung
WO2014187673A1 (en) * 2013-05-24 2014-11-27 Tyco Electronics Austria Gmbh Electric switching device with enhanced lorentz force bias
WO2021001468A1 (en) * 2019-07-02 2021-01-07 Johnson Electric Germany GmbH & Co. KG Relay with spring-based contact system

Also Published As

Publication number Publication date
JPH07506697A (ja) 1995-07-20
CZ271794A3 (en) 1995-02-15
ATE129594T1 (de) 1995-11-15
US5583471A (en) 1996-12-10
SI9300215A (sl) 1993-12-31
EP0640242B1 (de) 1995-10-25
EP0640242A1 (de) 1995-03-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0640242B1 (de) Kontaktfederanordnung für ein relais zum führen und schalten hoher ströme
EP0640243B1 (de) Polarisiertes leistungsrelais
WO1997027602A1 (de) Elektrisches schaltgerät
DE19847209C2 (de) Schalter mit einem Isolierstoffträger
DE112009004500B4 (de) Temperaturwächter
EP0150486B1 (de) Elektrischer Schalter
EP0994497B1 (de) Schalter mit einem Isolierstoffträger
DE102006007603B4 (de) Relais mit reduziertem Kriechstrom
WO2005101435A1 (de) Schaltvorrichtung
WO2010012012A1 (de) Schaltgerät
DE3303648C2 (de)
EP0170172B1 (de) Piezoelektrisches Relais
DE102019117804B4 (de) Schalteinrichtung mit einem elektrischen Kontaktsystem
EP1671344A1 (de) Verfahren zur erhöhung der stromtragfähigkeit und zur beschleunigung des dynamischen kontaktöffnens von leistungsschaltern und zugehöriges schaltgerät
DE10108858A1 (de) Schaltkontaktanordnung
WO2002075764A1 (de) Joch mit einstückigem festkontaktträger
EP3025361B1 (de) Schaltgerät mit einem elektromagnetischen lichtbogenantrieb
EP2544206B1 (de) Leistungsschalter
DE3233686A1 (de) Schnappkontakt-schalter fuer wechselstrom
DE19700758C1 (de) Schalter mit mindestens einem feststehenden Schaltstück
EP3494585B1 (de) Niederspannungsschaltgerät mit einer elektromagnetischen kontaktlastunterstützung
DE19653105C1 (de) Elektromagnetisches Relais für hohe Wärmebelastung
EP0091082A1 (de) Elektromagnetisch betätigbares Schaltgerät
DE4216080A1 (de) Kontaktfedersatz zum Schalten hoher elektrischer Ströme
DE102019117802A1 (de) Schaltkontaktsystem einer durch elektrischen Strom betriebenen Schalteinrichtung

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): CZ JP US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH DE DK ES FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE

DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1993909764

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: PV1994-2717

Country of ref document: CZ

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: PV1994-2717

Country of ref document: CZ

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 1993909764

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 08335741

Country of ref document: US

WWG Wipo information: grant in national office

Ref document number: 1993909764

Country of ref document: EP

WWR Wipo information: refused in national office

Ref document number: PV1994-2717

Country of ref document: CZ