EP0077017B1

EP0077017B1 - Polarisiertes elektromagnetisches Relais

Info

Publication number: EP0077017B1
Application number: EP82109237A
Authority: EP
Inventors: Ulrich Ing. Grad. Kobler; Eberhard Ing. Grad. Wanka
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-10-09
Filing date: 1982-10-06
Publication date: 1987-01-07
Also published as: EP0077017A3; EP0077017A2; US4481493A; JPH0131651B2; DE3275042D1; JPS5875725A; DE3140226A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein polarisiertes elektromagnetisches Relais mit zwei U-förmigen, parallel mit Abstand zueinander angeordneten Jochen, welche zwischen sich mindestens einen Dauermagneten einschliessen und deren Mittelabschnitte gemeinsam den Kern einer Spule bilden, wobei ein durch ein langgestrecktes ferromagnetisches Blech gebildeter, in seinem Schwerpunkt drehbar gelagerter Anker mit seinen freien Enden jeweils zwischen den paarweise parallelen Schenkeln der Joche liegt und mit jedem dieser Jochschenkel einen Arbeitsluftspalt bildet.
Bekannt ist ein polarisiertes Magnetsystem dieser Art, welches als Antriebssystem für Relais, Wecker und dergleichen dient (DE-C-966 845). Allerdings ist dort keine konkrete Ausführungsform für ein Relais mit mehreren durch den Anker betätigbaren Kontakten angegeben. Auch eine Trennung des Kontaktraums von der Spulenwicklung, wie sie bei Relais vielfach gefordert wird, ist dort nicht erkennbar.
Aus der DE-A-27 23 430 ist weiterhin ein Relais bekannt, bei dem in kompakter Bauweise eine Betätigung mehrerer Kontakte und eine hermetische Trennung zwischen dem Spulenraum einerseits und dem über der Spule angeordneten Kontaktraum andererseits vorgesehen ist. Bei diesem bekannten Relais verläuft durch die Spule lediglich ein einziges U-förmiges Joch, welches mit zwei Schenkeln in den Kontaktraum geführt ist. Ein polarisiertes Relais kann dort nur durch einen im Kontaktraum angeordneten Dauermagneten geschaffen werden, wobei dieser Dauermagnet entweder in langgestreckter Ausführung seitlich an die Jochschenkelenden angekoppelt ist oder von einem sogenannten H-Anker getragen wird. Dadurch kann zwar ein wirkungsvolles polarisiertes System mit bistabiler und monostabiler Schaltcharakteristik gewonnen werden, der H-Anker ist jedoch aufgrund seiner beiden ferromagnetischen Blechteile und eines oder mehrerer dazwischen angeordneter Dauermagnete relativ gross und schwer, so dass beim Schalten eine relativ grosse Masse bewegt werden muss. Bei den beiden dort beschriebenen Ausführungsformen ist jedoch durch den oder die Dauermagneten in jedem Fall der Kontaktraum eingeengt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Relais der eingangs erwähnten Art so weiterzubilden, dass in möglichst kompakter Bauweise mehrere Kontaktelemente durch einen Anker mit möglichst kleiner Masse betätigbar sind, wobei der Kontaktraum gegenüber der Spulenwicklung und gegenüber der Aussenatmosphäre in einfacher Weise hermetisch abschliessbar ist.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Dauermagnet zwischen den Mittelabschnitten der beiden Joche angeordnet ist und gemeinsam mit diesen zur Bildung eines Spulenkörpers mit Isolierstoff ummantelt ist, dass der gegenläufig zu den Jochen ebenfalls U-förmig ausgebildete Anker - mit seinen Seitenschenkeln die Spulenwicklung an deren Stirnseiten übergreifend - zwischen den freien Schenkeln der Joche liegt, wobei der Anker auf einem Grundkörper gelagert ist, welcher in Form einer umgekehrten Wanne die Spulenwicklung überdeckt, im Bereich der Jochschenkel mit Durchbrüchen versehen ist und seitlich von der Spule verankerte KontaktAnschlusselemente trägt.
Bei der erfindungsgemässen Konstruktion wird also der Dauermagnet zusammen mit den Jochen mit Isolierstoff ummantelt, beispielsweise mit Kunststoff umspritzt, und diese Ummantelung wird dann mit der Spulenwicklung versehen. Auf diese Weise erhält man nicht nur einen stabilen Verband zwischen Jochen und Dauermagnet, sondern es entfällt auch die getrennte Fertigung eines Spulenkörpers. Vorteilhaft ist dabei auch, dass mit einem einzigen Dauermagneten ein symmetrischer Aufbau des Relais möglich ist. Im Kontaktraum befindet sich dann zwischen den vier Jochschenkeln lediglich ein stabförmiger Anker aus ferromagnetischem Blech, so dass verhältnismässig viel Platz für die Kontaktelemente verbleibt. Durch die U-förmige Gestalt sowohl der beiden Joche als auch des Ankers gewinnt man grosse Polflächen in den Arbeitsluftspalten bei gleichzeitig guter Raumausnutzung. Trotzdem wird durch den Grundkörper als Träger des Ankers und der Kontaktelemente, der wannenförmig über die Spulenwicklung gesetzt ist, eine Abdichtung zwischen Kontaktraum und Spulenraum ermöglicht.
Der Dauermagnet kann sich innerhalb der Spule zwischen den beiden Jochen über deren ganze Länge erstrecken, wodurch grosse Ankoppelflächen zwischen Dauermagnet und dem jeweiligen Joch gewonnen werden. Hierbei können die Eigenschaften von Ferritmagneten gut ausgenutzt werden. Die Ausdehnung des Dauermagneten in seiner Polarisierungsrichtung zwischen den beiden Jochen ist zweckmässigerweise so gewählt, dass sie gerade der Summe zwischen Ankerdicke und Ankerhub entspricht. Dadurch ist es möglich, besonders einfache ebene Blechteile für die Joche und den Anker zu verwenden.
Durch Abstimmung der vier Arbeitsluftspalte zwischen dem Anker und den Jochen lässt sich eine bistabile oder eine monostabile Schaltcharakteristik des Relais einstellen. Um eine bistabile Charakteristik zu erhalten, werden die Flächensummen der jeweils diagonal einander gegenüberstehenden Polflächen des Ankers und der Jochschenkel gleich gross gewählt. Eine monostabile Schaltcharakteristik erhält man, wenn die Flächensummen der jeweils diagonal einander gegenüberstehenden Polflächen unterschiedlich gross sind. Dabei ist zunächst vorausgesetzt, dass in beiden Fällen der Kontaktfedersatz symmetrisch auf den Anker einwirkt. Auch bei unsymmetrisch wirkendem Federsatz kann die Kraft-Weg-Kurve des Magnetsystems durch Variation der Polflächen angepasst werden. Zur Unterstützung dieser Anpassung ist es ausserdem zweckmässig, dass bei der monostabilen Ausrührungsform an zwei diagonal gegenüberliegenden Polflächen des Joches bzw. des Ankers Trennbleche angebracht werden.
Zweckmässigerweise ist der Anker in seinem Mittelbereich mit einer Ummantelung aus Isolierstoff versehen, so dass er mittels einer in diese Ummantelung eingeformten Buchse auf einen Lagerzapfen des Grundkörpers gelagert werden kann. Um diese mittige Lagerung zu ermöglichen, wird in diesem Fall der Mittelteil des Ankers zweckmässigerweise mit einer die Buchse einseitig umschlingenden Biegung versehen.
Um die oben erwähnte einfache Ausführungsform des Ankers mit einem völlig ebenen Blechteil zu ermöglichen, kann der Anker auch mittels einer auf dem Grundkörper angeordneten Lagerfeder gelagert sein, welche über seitlich aufgebogene Federlappen den Anker trägt. Diese Lagerfeder kann über Langlöcher an Befestigungszapfen des Grundkörpers befestigt sein, wobei bei der Montage durch die Langlöcher ein Toleranzausgleich ermöglicht wird.
Der Spulenkörper besitzt zweckmässigerweise im Bereich der Jochschenkel jeweils Flansche mit am Grundkörper anliegenden Dichtflächen. Der Grundkörper liegt ausserdem zweckmässigerweise mit seinen Durchbrüchen an den Jochschenkein an und bildet mit seinem Aussenrand Dichtflächen gegenüber einer über das gesamte Relais gestülpten Gehäusekappe. Dabei können der Grundkörper einerseits und die Gehäusekappe andererseits mittels ineinandergreifender Rastelemente verbunden sein. Ausserdem besitzt die Gehäusekappe zweckmässigerweise einen über den Grundkörper und den Spulenkörper ringsum übergreifenden Rand. Nach der Montage des Relais kann der nach aussen offene, von diesem Rand umschlossene Raum mit Giessharz ausgefüllt werden, wodurch der gesamte Spulenraum verschlossen und gleichzeitig gegenüber dem Kontaktraum abgedichtet wird.
Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 bis 4 ein erfindungsgemäss gestaltetes Relais in vier verschiedenen Schnittansichten,
Fig. 5 und 6 die Anordnung von Jochen und Dauermagnet vor und nach dem Ummanteln,
Fig. 7 und 8 einen Anker aus Fig. 4 vor und nach der Ummantelung,
Fig. 9 und 10 eine abgewandelte Ankerausführungsform, ebenfalls vor und nach dem Umspritzen,
Fig. 11 eine Lagerfeder für den Anker,
Fig. 12 ein Relais mit Lagerfeder und Anker in eingebautem Zustand.

Das Relais nach den Fig. 1 bis 4 besitzt einen Grundkörper 1 aus Kunststoff, welcher wannenförmig mit offener Unterseite über eine Spule 2 gestülpt ist und beiderseits der Spule jeweils eingespritzte Kontaktanschlusselemente 3 trägt.
Das Magnetsystem enthält zwei U-förmige Joche 4 und 5, die in Fig. 5 und 6 genauer dargestellt sind. Diese Joche schliessen zwischen sich einen Dauermagnet 6 ein, der sich im wesentlichen über die gesamte Länge der Joch-Mittelabschnitte 4a und 5a erstreckt und in der Richtung zwischen den beiden Jochen polarisiert ist. Zwischen den paarweise nach oben gerichteten Jochschenkeln 4b, 5b sowie 4c, 5c ist ein ebenfalls im wesentlichen U-förmiger Anker 7 mit seinen nach unten gerichteten Schenkeln 7b und 7c angeordnet. Der Anker 7 ist in seinem Mittelteil 7a mit einer Isolierstoffummantelung 8 versehen, in welche eine Lagerbuchse 9 eingeformt ist. Mittels dieser Lagerbuchse 9 ist der Anker auf einem Lagerzapfen 10 des Grundkörpers 1 mittig drehbar gelagert.
Durch Umspritzen der Einheit aus den beiden Jochen 4 und 5 sowie dem zwischenliegenden Dauermagneten 6 mit Isolierstoff ist ein Spulenkörper 11 gebildet, der die Spulenwicklung 2 trägt und mit seinen Flanschen 11a und 11b jeweils abdichtende Anlageflächen 11c und 11d (Fig. 6) gegenüber dem Mittelteil 1a des Grundkörpers 1 bildet. Um möglichst grosse Polflächen zwischen dem Anker und den Jochen 4 und 5 zu erhalten, greift der Anker mit seinen Seitenschenkeln 7b und 7c jeweils stirnseitig über die Spulenflansche 11a und 11b nach unten. In diesem Bereich ist der Grundkörper zwischen den Jochschenkein 4b und 5b bzw. 4c und 5c abgesenkt, so dass er zwischen dem Ende der Ankerschenkel 7b bzw. 7c und dem Dauermagneten 6 liegt. Mit der umlaufenden Wand 1b liegt der Grundkörper 1 ringsum an der Gehäusekappe 12 an, wobei diese Seitenwand 1b jeweils seitlich von der Spule in zwei Reihen die eingespritzten Kontaktanschlüsse 3 enthält.
An die Kontaktanschlüsse 3 sind oberhalb des Grundkörpers 1 bzw. zu beiden Seiten des Ankers 7 jeweils Kontaktfedern 13 und 13' bzw. feststehende Kontakte 14 angeschweisst bzw. angeformt, die in üblicher Weise entweder Öffner bzw. Schliesser oder Umschaltekontakte bilden. Zur Bildung von Umschaltekontakten können die in Fig. 4 getrennt dargestellten Kontaktfedern 13 und 13' jeweils untereinander verbunden und an einen gemeinsamen Anschlussstift angeschweisst sein. Die Kontaktfedern 13 bzw. 13' werden durch Nasen 15 betätigt, welche an der Ummantelung 8 des Ankers 7 angeformt sind.
Bei der Montage wird zunächst der Spulenkörper 11 mit den Jochen 4 und 5 in den Grundkörper eingesetzt, wobei die Jochschenkel 4b, 5b, 4c und 5c durch die Ausnehmungen 1d und 1e des Grundkörpers 1 gepresst werden, bis die Anlageflächen 11c und 11d am Grundkörper 1 anliegen. Von oben wird der Anker eingesetzt, und dann wird die aus Kunststoff bestehende Kappe 12 über den Grundkörper gestülpt, wobei am Grundkörper angeformte Rastnasen 16 in entsprechende Ausnehmungen 17 der Kappe einrasten. Dadurch ist der Grundkörper in der Kappe vorläufig fixiert. Danach wird der durch den überstehenden Rand 12a der Kappe gebildete, nach unten offene Spulenraum 18 mit Giessharz ausgegossen. Dadurch werden alle Anlageflächen zwischen dem Spulenkörper 11 und dem Grundkörper 1 sowie zwischen dem Grundkörper 1 und der Kappe 12 abgedichtet. Gleichzeitig werden auch die Durchführungen 19 der eingespritzten Kontaktelemente 3 zusätzlich abgedichtet. Das ausgehärtete Giessharz dient ausserdem zur Stabilisierung des Relais.
Der Aufbau der Joche und des Spulenkörpers ist in den Fig. 5 und 6 in perspektivischer Ansicht dargestellt. Die Jochanordnung nach Fig. 5 ist für eine bistabile Ausführungsform des Relais geeignet, da alle Jochschenkel 4b, 5b, 4c und 5c gleich gestaltet sind und gegenüber dem hier nicht dargestellten Anker gleiche Polflächen aufweisen. Um eine monostabile Ausführungsform zu erhalten, werden zwei diagonal gegenüberliegende Jochschenkel, beispielsweise 5b und 4c so verändert, dass die Summe ihrer Polfläche gegenüber dem Anker kleiner ist als die Summe der von den beiden anderen Jochschenkeln 4b und 5c gebildeten Polflächen.
Die beiden Joche 4 und 5 mit dem zwischenliegenden Dauermagneten 6 werden gemäss Fig. 6 mit Kunststoff umspritzt, wodurch der Spulenkörper 11 gebildet wird. An diesem Spulenkörper 11 sind im Bereich der Jochschenkel 4b, 5b, 4c und 5c jeweils Flansche 11a und 11b angeformt, welche Dichtflächen 11c und 11d zur Anlage am Grundkörper 1 (siehe auch Fig. 1) besitzen. Dadurch ist eine gute Abdichtung zwischen Spulenwicklung und Kontaktraum möglich. Ausserdem sind an den Spulenflanschen jeweils Spulenanschlussfahnen 20 durch Einspritzen oder durch Einstecken befestigt.
Die Fig. 7 und 8 zeigen einen Anker 7, wie er bei dem Relais gemäss den Fig. 1 bis 4 verwendet wurde. Der Anker besteht aus einem ferromagnetischen Blechteil, welches im Mittelbereich 7a eine seitliche Ausbiegung aufweist, um im Schwerpunkt Platz für eine Lagerbuchse zu schaffen. Die beiden Schenkel 7b und 7c sind nach unten abgewinkelt und greifen, wie erwähnt, zwischen die paarweisen Jochschenkel 4b und 5b bzw. 4c und 5c gemäss Fig. 6. Der in Fig. 7 dargestellte Anker ist für ein monostabiles Relais bestimmt. Er trägt deshalb an zwei diagonal gegenüberliegenden Polflächen jeweils ein Trennblech 21. Bei der monostabilen Ausführungsform, wie sie in Fig. dargestellt ist, sind alle Polflächen gleich ausgebildet.
Fig. 8 zeigt einen Anker 7 mit einer Ummantefung 8, an der jeweils Betätigungsnasen 15 zur Kontaktbetätigung angeformt sind. Ausserdem ist im Mittelbereich die bereits erwähnte Lagerbuchse 9 eingeformt.
Eine abgewandelte Ausführungsform des Ankers ist in den Fig. 9 und 10 dargestellt. In diesem Fall ist der Anker besonders einfach als ebenes Blechteil 27 ausgeführt, dessen Mittelteil 27a gerade zwischen den nach unten abgewinkelten Seitenschenkeln 27b und 27c verläuft. Fig. 10 zeigt die Umspritzung des Ankers 27 mit zwei Kunststoffstegen 28 und 29, an denen wiederum Betätigungsnasen 15 angeformt sind.
Der Anker gemäss Fig. 9 und 10 kann nicht mit einer Zapfenlagerung entsprechend dem vorhergehenden Beispiel gelagert werden. Eine Möglichkeit zur Lagerung dieses Ankers über eine Lagerfeder 22 ist in den Fig. 11 und 12 gezeigt. Diese Lagerfeder 22 liegt flach auf dem Grundkörper 1 auf und besitzt in ihrem Mittelteil 2 nach oben gebogene, winkelförmige Federlappen 22a, welche den Anker von beiden Seiten umfassen und an den Stellen 22b mit dem Anker verschweisst sind. Da die Federlappen 22a weitgehend freigeschnitten und nur über die schmalen Stege 22c mit der Grundplatte der Feder 22 verbunden sind, gestatten sie eine leichte Auslenkung beim Umschalten des Ankers. Zur Befestigung auf dem Grundkörper 1 besitzt die Feder 22 Langlöcher 22d, in welche am Grundkörper 1 angeformte, thermisch deformierbare Befestigungszapfen 23 eingreifen. Aufgrund der Langlöcher ist ein Toleranzausgleich der Feder 22 mit dem Anker 27 möglich. Ein solcher Toleranzausgleich ist notwendig, da der Anker durch die beiderseitige Anlage an den Jochschenkeln 4b, 5b, 4c 5c und durch die Befestigung über die Feder 22 übereinstimmt wäre.

Claims

1. Polarisiertes elektromagnetisches Relais mit zwei U-förmigen, parallel mit Abstand zueinander angeordneten Jochen (4, 5), welche zwischen sich mindestens einen Dauermagneten (6) einschliessen und deren Mittelabschnitte (4a, 5a) gemeinsam den Kern einer Spule (2) bilden, wobei ein durch ein langgestrecktes ferromagnetisches Blech gebildeter, in seinem Schwerpunkt drehbar gelagerter Anker (7) mit seinen freien Enden jeweils zwischen den paarweise parallelen freien Schenkeln (4b, 5b; 4c, 5c) der Joche (4, 5) liegt und mit jedem dieser Jochschenkel einen Arbeitsluftspalt bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Dauermagnet (6) zwischen den Mittelabschnitten (4a, 5a) der beiden Joche (4, 5) angeordnet ist und gemeinsam mit diesen zur Bildung eines Spulenkörpers (11) mit Isolierstoff ummantelt ist, dass der gegenläufig zu den Jochen (4, 5) ebenfalls U-förmig ausgebildete Anker (7) - mit seinen Seitenschenkeln (7b, 7c) die Spulenwicklung (2) an den Stirnseiten übergreifend -zwischen den freien Schenkeln (4b, 5b, 4c, 5c) der Joche (4, 5) liegt, wobei der Anker (7) auf einem Grundkörper (1) gelagert ist, welcher in Form einer umgekehrten Wanne die Spulenwicklung (2) überdeckt, im Bereich der Jochschenkel (4b, 4c, 5b, 5c) mit Durchbrüchen (1d, 1e) versehen ist und seitlich von der Spule (2) verankerte Kontaktanschlusselemente (3) trägt.

2. Relais nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung des Dauermagneten (6) in seiner Polarisierungsrichtung zwischen den beiden Jochen (4, 5) der Summe aus Ankerdicke und Ankerhub entspricht.

3. Relais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächensummen der jeweils diagonal einander gegenüberliegenden Polflächen der Ankerschenkel (7b, 7c) und der Jochschenkel (4b, 5b, 4c, 5c) gleich gross sind.

4. Relais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächensummen der jeweils diagonal einander gegenüberliegenden Polflächen der Ankerschenkel (7b, 7c) und der Jochschenkel (4b, 5b, 4c, 5c) unterschiedlich gross sind.

5. Relais nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an zwei diagonal gegenüberliegenden Polflächen der Joche (4, 5) bzw. des Ankers (7) Trennbleche (21) vorgesehen sind.

6. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (7) in seinem Mittelbereich (7a) mit einer Ummantelung (8) aus Isolierstoff versehen und mittels einer in die Ummantelung eingeformten Buchse (9) auf einem Lagerzapfen (10) des Grundkörpers (1) gelagert ist, wobei der Mittelteil (7a) des Ankers (7) eine die Buchse (9) einseitig umschlingende Ausbiegung aufweist.

7. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Joche (4, 5) und der Anker (7) als drei ebene Blechteile ausgebildet sind.

8. Relais nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (7) mittels einer Lagerfeder (22) auf dem Grundkörper (1) gelagert ist, wobei der Anker an mindestens einem seitlich anliegenden Federlappen (22a) der Lagerfeder befestigt ist.

9. Relais nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerfeder (22) beiderseits des Ankers (27) aufgebogene, winkelförmige Federlappen (22a) besitzt.

10. Relais nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerfeder (22) mittels Langlöchern (22d) auf deformierbaren Befestigungszapfen (23) des Grundkörpers (1) befestigt ist.

11. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass am Spulenkörper (11) im Bereich der Jochschenkel (4b, 5b, 4c, 5c) jeweils Flansche (11a, 11b) mit am Grundkörper (1) anliegenden Dichtflächen (11c, 11d) angeformt sind.

12. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Spulenkörper (11) Spulenanschlussfahnen (20) eingebettet sind.

13. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) mit seinen Durchbrüchen (1d, 1e) eng an den Jochschenkeln (4b, 4c, 5b, 5c) anliegt sowie mit seinem Aussenrand (1b) Dichtflächen gegenüber einer Gehäusekappe (12) bildet.

14. Relais nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) und die Gehäusekappe (12) mittels lineinandergreifender Rastelemente (16, 17) verbunden sind.

15. Relais nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusekappe ringsum einen den Grundkörper (1) und den Spulenkörper (11) übergreifenden Rand (12a) besitzt und dass der von diesem Rand (12a) umgebene offene Raum (18) mit Giessharz gefüllt ist.