DE9320696U1 - Relais zum Schalten hoher Stromstärken - Google Patents

Description

Kohler Schmid + Partner

Ruppmannstraße 27 70565 Stuttgart

Relais zum Schalten hoher Stromstärken

Die Erfindung betrifft ein Relais zum Schalten hoher Stromstärken mit einem den Stromkreis zwischen einem ersten und einem zweiten Anschluß schließenden oder unterbrechenden Kontaktelement, dessen eines Ende leitend mit dem ersten Anschluß verbunden ist und über dessen biegsames anderes Ende der Stromkreis in einer ersten Endposition des Kontaktelementes geschlossen oder in einer zweiten Endposition des Kontaktelementes unterbrochen ist, mit wenigstens einem mit dem Kontaktelement verbundenen Betätigungselement und mit einem umpolbaren Magnetfeld, das mittels des wenigstens einen Betätigungselementes das Kontaktelement in eine seiner beiden Endpositionen bewegt.

Derartige Relais sind bereits Stand der Technik.

Zum Leiten großer Stromstärken im Bereich von 100 A oder

mehr werden leitende Materialien mit einem großen Querschnitt als Massivteil verwendet. Soll ein derartiges Massivteil als Kontaktelement in einem Relais verwendet werden, so werden von dem Kontaktelement weiterhin gute elastische Eigenschaften gefordert, die jedoch mit Massivteilen nicht oder nur sehr schlecht erreicht werden können. Daher wird der Querschnitt auf einem Längsabschnitt des Massivteiles derart ausgefräst, daß sich durch diese Querschnittsverjüngung des Massivteils in dessen Biegerichtung die erforderliche Elastizität ergibt. Diese Ausfräsungen können einseitig oder beidseitig am Massivteil ausgebildet sein. Die Querschnittsverjüngung bewirkt zwar die geforderte Elastizität, erhöht jedoch den einem zu leitenden Strom entgegengesetzten Widerstand. Insbesondere bei Stromstärken im Bereich von 100 A und darüber führt dies zu einer unerwünschten Widerstandserhöhung des Relais und zu einer übermäßigen, wenn nicht gar gefährlichen Erwärmung des sich verjüngenden Abschnittes des Massivteils.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Relais der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß bei verbesserten Federeigenschaften des Kontaktelementes keine Querschnittsverjüngung erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Kontaktelement als Blattfeder mit wenigstens einem senkrecht zur Ebene der Blattfeder hervorstehenden Abschnitt ausgebildet ist. Der hervorstehende Abschnitt kann dabei jede aus der Blattfederebene weisende geometrische Struktur haben, also zum Beispiel eine winkelförmige oder polygone Struktur. Bevorzugt ist der hervorstehende Abschnitt jedoch bogenförrmig ausgebildet.

Dies hat den Vorteil, daß die guten elastischen Eigenschaften einer Blattfeder nicht mit einem Querschnittsverlust verbunden sind. Somit können problemlos Stromstärken im Bereich von 100 A oder mehr über das Kontaktelement geschaltet werden, ohne daß dies punktuell zu großen Erwärmungen führt. Durch den erfindungsgemäß aus der Blattfederebene hervorstehenden Abschnitt auf einem Längsabschnitt der Blattfeder wird die Elastizität der Blattfeder erhöht, da die Ansatzflächen dises hervorstehenden Abschnittes entweder zusammengedrückt oder auseinander gezogen werden, wodurch sich die Elastizität einer aus ihrer Ruhelage ausgelenkten Blattfeder vergrößert.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform kennzeichnet sich dadurch, daß das Kontaktelement durch mehrere aufeinander anordnerbare Blattfedern ausgebildet ist. Soll die Querschnittsfläche des Kontaktelementes erhöht werden, so werden entsprechend viele einzelne dünne Blattfedern aufeinander angeordnet, wodurch zum einen die Elastizität gegenüber einem Massivteil verbessert ist und zum anderen jede gewünschte Querschnittsfläche durch entsprechend viele aufeinandergelegte dünne Blattfedern realisiert werden kann.

Wenn wenigstens die oberste und die unterste Blattfeder des Kontaktelementes einen bogenförmigen, sich senkrecht zur Ebene der Blattfeder nach außen erstreckenden Abschnitt aufweisen, so wird die Elastizität des Kontaktelementes durch die beidseitigen bogenförmigen Abschnitte weiter erhöht. Um die Elastizität individuell einstellen zu können, sind in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die bogenförmigen Abschnitte wenigstens der obersten und untersten Blattfeder zueinander versetzt angeordnet. Beispielsweise kann eine der beiden Blattfedern an ihrem befestigten Ende in ih-

rer Längsrichtung ein Langloch aufweisen, so daß die Blattfeder und somit auch ihr bogenförmiger Abschnitt in Längsrichtung innerhalb des Langloches verschiebbar sind. Allgemein gilt, daß je näher die bogenförmigen Abschnitte an der gehäusefesten Lagerung angeordnet sind, desto weiter die Blattfeder an ihrem anderen Ende gebogen werden kann und desto geringer die Elastizität der Blattfeder ist.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist ein federndes Element im Gehäuse vorgesehen, dessen eines Ende gehäusefest gelagert und dessen anderes Ende die Schwenkbewegung des Kontaktelementes wenigstens in eine Richtung, vorzugsweise auf die den Stromkreis schließende Position des Kontaktelementes, unterstützt. Bei den genannten hohen Stromstärken tritt aufgrund von Wärmeentwicklung und Funkenbildung ein zeitlicher Materialabtrag, der sogenannte Abbrand, an den zu öffnenden bzw. zu schließenden Kontakten auf. Die Kontakte weisen daher zweckmäßigerweise eine gewisse Abbrandreserve auf. Das federnde Element stellt vorteilhafterweise selbst bei zeitlichem Abbrand der Kontakte einen gewissen Anpreßdruck der beiden Kontakte sicher, indem es eine zusätzliche Kraft auf einen der beiden Kontakte ausübt.

Damit die Verschwenkbewegung des Kontaktelementes nicht durch das federnde Element behindert wird, sind die beiden Elemente derart ausgelegt, daß die durch das federnde Element auf das Kontaktelement in Richtung auf dessen Schließstellung ausgeübte Kraft kleiner als die durch die Verbiegung des Kontaktelementes hervorgerufene Kraft ist. Vorzugsweise ist das federnde Element ebenfalls als Blattfeder ausgebildet, so daß neben seiner einfachen Herstellung auch ein leichtes Einstellen der gewünschten Federkraft durch Justage

seiner gehäusefesten Lagerung in seiner Längsrichtung möglich ist.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination miteinander verwendet werden. Die erwähnten Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Innenansicht des erfindungsgemäßen Relais in der den Stromkreis zwischen zwei Anschlüssen schließenden Stellung des Kontaktelementes bei abgenommer Abdeckung;

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Ansicht mit einem den Stromkreis zwischen zwei Anschlüssen unterbrechenden Kontaktelement;

Fig. 3a eine dem Detail III der Fig. 2 entsprechende vergrößerte Ansicht;

Fig. 3b eine der Fig. 3a entsprechende Ansicht einer anderen Ausführungsform des Details; und

Fig. 4 eine der Fig. 1 entsprechende Seitenansicht des erfindungsgemäßen Relais in Richtung des Pfeiles IV in Fig. 1.

Im Ausführungsbeispiel der Zeichnung ist mit 1 ein Gehäuse bezeichnet, das im wesentlichen kastenförmig ausgebildet und durch einen abnehmbaren Deckel 2 verschlossen werden kann.

Von der in den Fign. 1 und 2 oberen Seitenwand erstrecken sich zwei Kontaktträger 3, 4 senkrecht aus der oberen Seitenwand des Gehäuses 1 heraus. Diese beiden Kontaktträger 3, 4 bilden zwei elektrische Anschlüsse, zwischen denen ein Stromkreis mittels des erfindungsgemäßen Relais geschlossen oder unterbrochen wird. Die beiden Kontaktträger 3, 4 erstrecken sich in das Gehäuse 1 hinein, wobei die innerhalb des Gehäuses 1 rechtwinklig abgewinkelten Schenkel 3', 4' der Kontaktträger 3, 4 in die gleiche Richtung weisen (in den Fign. 1 und 2 nach rechts) und wobei der im Gehäuse 1 abgewinkelte Schenkel 4' des zweiten Kontaktträgers 4 gegenüber dem abgewinkelten Schenkel 3' des ersten Kontaktträgers 3 versetzt ist und weiter in das Innere des Gehäuses 1 hineinragt.

An dem gehäuseinneren Schenkel 3' des ersten Kontaktträgers 3 ist ein Kontaktkopf 5 in nichtgezeigter Weise befestigt. Diese Befestigung kann beispielsweise durch Verschweißen oder Vernieten des Kontaktkopfes 5 mit dem Schenkel des ersten Kontaktträgers 3 ausgebildet sein. Mit dem gehäuseinneren Schenkel 4' des zweiten Kontaktträgers 4 sind die Enden von drei aufeinander angeordneten Blattfedern 6a, 6b, 6c gehäusefest gelagert, wobei diese Lagerung durch eine Schweißoder Nietverbindung 7 ausgebildet ist. Als Material für die Blattfedern wird vorzugsweise eine hochlegierte Kupferlegierung verwendet. Die Blattfedern 6a, 6b, 6c erstrecken sich von dem zweiten Kontaktträger 4 soweit in Richtung des ersten Kontaktträgers 3, daß der am anderen Ende der Blattfedern 6 angeordnete Kontaktkopf 8, der im wesentlichen iden-

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tisch dem Kontaktkopf 5 des ersten Kontaktträgers 3 ausgebildet ist, einen planparallelen Kontaktmit dem Kontaktkopf 8 hat.

Die obere und die untere Blattfeder 6a, 6c weisen auf einem Mittelabschnitt ihrer Länge einen sich senkrecht zur Ebene der Blattfeder 6 erstreckenden bogenförmigen Abschnitt 9a, 9c auf. In dem in Fig. 1 gezeigten spannungslosen Zustand der Blattfedern 6 verlaufen diese in einer horizontalen Ebene.

Auf der dem Kontaktkopf 8 gegenüberliegenden Seite der Blattfedern 6 ist ein Betätigungskopf 10 angeordnet, dessen von den Blattfedern 6 wegweisende Außenfläche konvex ausgebildet ist. Die Gesamtdicke des Kontaktkopfes 8 und des Betätigungskopfes 10 entspricht dem Versatz der beiden zueinander versetzten, ins Gehäuse weisenden Schenkeln 3', 4' der Kontaktstücke 3, 4.

Mit dem Gehäuse 1 ist eine Betätigungsfeder 11 in Form einer Blattfeder an ihrer einen Seite gehäusefest gelagert. Auf ihrem Mittelabschnitt greift die Betätigungsfeder 11 tangential an dem Betätigungskopf 10 an, wobei durch einen Versatz der Lagerung der Betätigungsfeder 11 und der Kontaktfläche mit dem Betätigungskopf 11 eine gewisse Vorspannung der Betätigungsfeder 11 vorgegeben ist. Mit dieser Vorspannung wird der Kontaktkopf 8 der Blattfedern 6 an den Kontaktkopf 5 des ersten Kontaktträgers 3 angedrückt.

In dem Gehäuse 1 ist weiterhin eine Spule 12 angeordnet, wobei sich von ihrem Spulenkörper 13 zwei gegenüberliegende Jochschenkel 14a, 14b erstrecken, zwischen denen ein großer Luftspalt vorhanden ist. In dem beschriebenen Ausführungs-

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beispiel weist die Spule 12 eine Doppelwicklung auf, sodaß über drei aus dem Gehäuse nach außen tretende elektrische Anschlüsse 15a, 15b, 15c das Magnetfeld der Spule 12 umgepolt werden kann. Alternativ kann auch eine Spule mit einer Einfachwicklung verwendet werden, bei der lediglich zwei Anschlüsse erforderlich sind. In Fig. 1 ist das Magnetfeld der Spule 12 so gepolt, daß am oberen Jochschenkel 14a der Südpol und am unteren Jochschenkel 14b der Nordpol des Magnetfeldes angeordnet ist.

Zwischen den beiden Jochschenkeln 14a, 14b ist eine Wippe schwenkbar angeordnet. Die Wippe 16 weist einen im Querschnitt beispielsweise quadratischen oder runden Grundkörper 17 auf, an dessen zwei Stirnseiten zwei Ankerplatten 18a, 18b befestigt sind. In Richtung der Jochschenkel 14a, 14b gesehen, ist der Grundkörper 17 kleiner als der Abstand der beiden Jochschenkel 14a, 14b, während die Ankerplatten 18a, 18b größer sind. Auf diese Weise ist die Wippe 16 unverlierbar zwischen den beiden Jochschenkeln 14a, 14b der Spule 12 angeordnet. Der Grundkörper 17 ist als Dauermagnet mit einer Magnetiesierungsrichtung senkrecht zu 'der des Magnetfeldes der Spule 12 ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel ist links der Nordpol und rechts der Südpol des Dauermagneten 17 angeordnet. Bei der in Fig. 1 gezeigten Polung des Magnetfeldes der Jochschenkel 14a, 14b versucht der Dauermagnet 17 sich entsprechend auszurichten, d.h., er verschwenkt im Uhrzeigersinn, bis diese Verschwenkbewegung durch die Ankerplatten 18a, 18b beschränkt wird.

Mit der Wippe 16 ist ein Betätigungsarm 19 fest verbunden, der bezüglich der Wippe 16 axial von der Spule 12 in Richtung auf den ersten Kontaktträger 3 wegweist. Das ferne Ende des Betätigungsarmes 19 ist auf nicht näher gezeigte Weise

an einem Schieber 20 angelenkt. Beispielsweise kann der Betätigungsarm 19 in eine Aussparung am Schieber 20 eingreifen.

Der Schieber 20 ist in Richtung des Doppelpfeiles 21 verschiebbar gelagert, wobei sein oberes Ende einen die Blattfedern 6 übergreifenden Absatz 22 aufweist. In der in Fig. gezeigten Stellung des Schiebers 20 beeinflußt der übergreifende Absatz 22 die Blattfedern- 6 jedoch nicht. Auf dem Abschnitt zwischen den Blattfedern 6 und dem Betätigungsarm greift auf nicht näher gezeigte Weise das ferne Ende der Betätigungsfeder 11 ein, sowie ebenfalls auf nicht näher gezeigte Weise ein ebenfalls in Richtung des Doppelpfeils 21 verschiebbares Anzeigeelement 23, das entsprechend dem Schieber 20 verstellt wird.

Fig. 2 zeigt die geänderten Stellungen der einzelnen beweglichen Komponenten des erfindungsgemäßen Relais, wenn das Magnetfeld der Spule 12 umgepolt wurde. Der Dauermagent 17 der Wippe 16 hat sich entsprechend dem umgepolten Magnetfeld der Spule 12 ausgerichtet, so daß die'Wippe 16 eine Verschwenkbewegung entgegen dem Uhrzeigersinn durchgeführt hat, wobei die Verschwenkbewegung durch die Ankerplatten 18a, 18b begrenzt ist. Entsprechend der Wippe 16 ist auch der Betätigungsarm 19 entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt, wodurch der Schieber 2 0 nach unten bewegt wurde. Bei dieser Bewegung nach unten übergreift der Absatz 22 des Schiebers 20 die Blattfedern 6 und lenkt diese bei einer weiteren Bewegung nach unten aus ihrer horizontalen Ruhelage aus. Diese Auslenkung bewirkt, daß sich die beiden Kontaktköpfe 5, 8 voneinander lösen und somit der Stromkreis zwischen den beiden Kontaktträgern 3, 4 unterbrochen wird. Bei der Bewegung des Schiebers 20 nach unten werden das ferne Ende der Betäti-

gungsfeder 11 und das Anzeigeelement 23 nach unten ausgelenkt. Die Betätigungsfeder 11 wird auf diese Weise stärker vorgespannt, jedoch ist ihre Kraft kleiner als die aufgrund des Schiebers 20 auf die Blattfeder 6 wirkende Kraft, so daß die Betätigungsfeder 11 ein Verschwenken der Blattfedern 6 nicht verhindert.

Die Betätigungsfeder 11 hat die Aufgabe, den Betätigungskopf 10 unter einem gewissen Anpreßdruck an den Kontaktkopf 5 des ersten Kontaktträgers 3 zu pressen, wenn das Magnetfeld der der Spule 12 in Fig. 2 umgepolt wird. Insbesondere bei hohen Strömen bis über 100 A tritt häufig ein Abtrag der Kontaktflächen der Kontaktköpfe 5, 8 aufgrund von Abbrand auf, so daß die Dicke der beiden Kontaktköpfe 5, 8 mit der Zeit abnimmt. Durch die Betätigungsfeder 11 ist auch bei einem zeitlichen Abbrand ein sicherer Kontakt der beiden Kontaktköpfe 5, 8, insbesondere wegen der Vorspannung der Betätigungsfeder 11 auch unter einem gewissen Anpreßdruck gewährleistet. Durch die konvexe Außenfläche des Betätigungskopfes

10 wird eine optimale Kraftübertragung von dem Federelement

11 sicher gestellt.

Fig. 3a zeigt die beiden bogenförmigen Abschnitte 9a, 9c der Blattfedern 6a, 6c, wenn sie aus der Ruhelage 24 nach unten ausgelenkt sind. Die beiden Bogenansatzflachen 25a, 25b der oberen Blattfeder 6a werden dabei auseinander gezogen, während die beiden Bogenansatzflachen 26a, 26b der unteren Blattfeder 6c zueinander gedrückt werden. Dieses Verlagern der Bogenansatzflachen 25a, 25b, 26a, 26b um wenige Hundertstelmillimeter bewirkt ein Drehmoment nach oben, ohne daß sich dabei der Querschnitt der Blattfedern 6a, 6c in ihren bogenförmigen Abschnitten 9a, 9c gegenüber der nichtausgelenkten Lage verändert. Die mittlere Blattfeder 6b ist als

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übliche Blattfeder ausgebildet.

Wie insbesondere den Fign. 1 und 2 zu ersehen ist, ist am Gehäuse eine Fläche 27 derart gestuft, daß sie beispielsweise einen Mikroschalter aufnehmen kann, der über Befestigungspunkte 28a, 28b am Gehäuse befestigt ist. Außerdem sind Versteifungsrippen 29 vorgesehen, die die Stabilität des Gehäuses 1 erhöhen.

Fig. 4 zeigt die Seitenansicht des Gehäuses, wobei neben den elektrischen Anschlüssen der Kontaktträger 3, 4 und der Spule 12 noch das die Stellung des Schiebers 20 bzw. des Relais anzeigende Anzeigelelement 23 von außen sichtbar ist. Über dieses Anzeigeelement 23 kann das Relais auch manuell betätigt werden, indem ein Benutzer von außen das Anzeigeelement 23 und somit den Schieber 20 in Richtung des Doppelpfeils bewegt. Dadurch kann die das Kontaktelement des Relais bildende Blattfeder 6 in eine ihrer beiden Endpositionen manuell gestellt werden, in denen der Stromkreis zwischen den beiden Kontaktträgern 3, 4 geschlossen oder unterbrochen ist.

Die Erfindung betrifft ein Relais zum Schalten hoher Stromstärken, mit einem den Stromkreis zwischen einem ersten und einem zweiten Anschluß 3, 4 schließenden oder unterbrechenden Kontaktelement 6, dessen eines Ende ist leitend mit dem ersten Anschluß 4 verbunden, und über dessen biegsames anderes Ende 3 der Stromkreis in einer ersten Endposition des Kontaktelementes 6 geschlossen oder in einer zweiten Endposition des Kontaktelementes 6 unterbrochen ist, mit wenigstens einem mit dem Kontaktelement 6 verbundenen Betätigungselement 16, 19, 20, und mit einem umpolbaren Magnetfeld, das mittels des wenigstens einen Betätigungselementes

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16, 19, 20 das Kontaktelement 6 in eine seiner beiden Endpositionen bewegt, wobei das Kontaktelement 6 als Blattfeder mit wenigstens einem senkrecht aus der Ebene der Blattfeder 6 hervorstehenden Abschnitt 9 ausgebildet ist. Dadurch werden die Federeigenschaften der Blattfeder 6 verbessert, ohne daß eine Querschnittsverjüngung der Blattfeder 6 erforderlich ist. Über ein weiteres federndes Element 11 wird trotz Materialabtrag an den Oberflächen der Kontaktköpfe 5, 8 ein Anpreßdruck erzielt.

Claims (9)

Schutzansprüche

1. Relais zum Schalten hoher Stromstärken, mit einem den Stromkreis zwischen einem ersten und einem zweiten Anschluß {3, 4) schließenden oder unterbrechenden Kontaktelement (6), dessen eines Ende leitend mit dem ersten Anschluß (4) verbunden ist und über dessen biegsames anderes Ende (3) der Stromkreis in einer ersten Endposition des Kontaktelementes (6) geschlossen oder in einer zweiten Endposition des Kontaktelementes (6) unterbrochen ist, mit wenigstens einem mit dem Kontaktelement (6) verbundenen Betätigungselement (16; 19; 20), und mit einem umpolbaren Magnetfeld, das mittels des wenigstens einen Betätigungselementes (16; 19; 20) das Kontaktelement (6) in eine seiner beiden Endpositionen bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktelement (6) als Blattfeder mit wenigstens einem senkrecht aus der Ebene der Blattfeder (6) hervorstehenden Abschnitt (9) ausgebildet ist.

2. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine aus der Ebene der Blattfeder (6) hervorstehende Abschnitt (9) bogenförmig ausgebildet ist.

3. Relais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktelement (6) durch mehrere aufeinander anordenbare Blattfedern (6a, 6b, 6c) ausgebildet ist.

4. Relais nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die oberste und die unterste Blattfeder (6a, 6c) des Kontaktelementes (6) einen bogenförmigen, sich senkrecht zur Ebene der Blattfeder (6) nach außen erstreckenden Abschnitt (9a, 9c) aufweisen.

5. Relais nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bogenförmigen Abschnitte (9a, 9c) wenigstens der obersten und der untersten Blattfeder (6a, 6c) zueinander versetzt anordnenbar sind.

6. Relais nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein federndes Element (11) vorgesehen ist, dessen eines Ende gehäusefest gelagert und dessen anderes Ende die Schwenkbewegung des Kontaktelementes (6) wenigstens in eine Richtung unterstützt.

7. Relais nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das federnde Element (11) das Kontaktelement (6) in Richtung auf dessen den Stromkreis schließende Position unterstützt.

8. Relais nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das federnde Element (11) auf das Kontaktelement (6) in Richtung auf dessen Schließstellung ausgeübte Kraft kleiner als die durch die Verbiegung des Kontaktelementes (6) hervorgerufene Kraft ist.

9. Relais nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichent, daß das federnde Element (11) als Blattfeder ausgebildet ist.