Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Relais mit zwangsgeführten Kontakten der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Ein derartiges Relais, ein sogenanntes Sicherheitsrelais, ist aus DE 19847831 A1 bekannt.

Diese Relais sind häufig für den Einbau in Schmalgehäuse bestimmt, bei welchen eine geringe Baubreite, üblicherweise eine Baubreite von 22,5 mm, und eine geringe Bauhöhe von vorzugsweise 15,5 mm vorgegeben ist.

Wegen des derart reduzierten Bauvolumens ist es notwendig, die Konstruktion so zu gestalten, dass das Antriebssystem einen möglichst großen Wirkungsgrad hat. Dies bedeutet, dass trotz reduzierten Bauvolumens ein möglichst großer Raum für die Spule des Elektromagneten zur Verfügung stehen, dass der magnetische Kreis des Elektromagneten insbesondere im Bereich der Luftspalte einen möglichst geringen Widerstand bieten und dass trotz beengter Raumverhältnisse eine gute Isolierung und Entkoppelung zwischen dem Antriebssystem und den Kontaktfedern gewährleistet sein sollten. Außerdem wird angestrebt, das Antriebssystem und die Kontaktfedern so zu gestalten, dass die Magnetsystemkennlinie an die Kraft-Weg-Kennlinie der Kontaktfedern optimal angepasst ist, wobei ein flacher Kennlinienverlauf wünschenswert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Sicherheitsrelais zu schaffen, bei welchem diese teils einander entgegenstehenden Bedingungen mit geringem Kostenaufwand optimal erfüllt sind.

Gelöst ist diese Aufgabe gemäß vorliegender Erfindung mit einem Relais der in Anspruch 1 gekennzeichneten Art.

Nach der vorliegenden Erfindung wird bei einem Sicherheitsrelais der gattungsgemäßen Art von der an sich bekannten Erkenntnis Gebrauch gemacht, nach welcher die Geometrie des magnetischen Kreises Einfluss auf die Magnetkraftkennline hat.

Nach dem erfindungsgemäßen Vorschlag gemäß Anspruch 1 wird die Kernpolfläche gegenüber dem Kernquerschnitt vergrößert und der Anker mit einem der vergrößerten Kernpolfläche angepassten Polschuh versehen, was zu einer Verstärkung der Anzugskraft im Startpunkt des Ankers führt und eine relativ flache Kraft-Weg-Charakteristik des Magnetsystems zur Folge hat.

Aus US 2,919,323 ist grundsätzlich bei einem anders aufgebauten elektromagnetischen Relais bekannt, den Anker mit einem Polschuh zu versehen, welcher der Kernpolfläche zugeordnet ist. Kernpol- und Polschuhflächen sind hierbei kegel- bzw. trichterförmig gestaltet, was nachteiligerweise zu einer größere Baulänge des Relais führt.

Durch diese Maßnahmen ist eine wesentliche Steigerung der magnetischen Kraft, nämlich verglichen mit herkömmlichen Aufbau mindestens eine Verdoppelung, möglich.

Damit trotz reduzierten Bauvolumens ein elektromagnetisches Antriebssystem mit möglichst großer Anzugskraft verwendet werden kann, muss nach einer weiteren Erkenntnis der Erfindung dafür gesorgt werden, dass für die Spule des Elektromagneten ein möglichs großer Wickelraum zur Verfügung steht.

Zur Erfüllung dieser Bedingung ist gemäß Anspruch 3 vorgeschlagen, den Schieber, welcher den Anker mit den aktiven Kontaktfedern verbindet, mit einem aus DE 295 07 780 U1 an sich bekannten Rahmen auszustatten, der die Spule seitlich umgreift. Hierdurch ist die Wickelraumhöhe nicht durch den normalerweise oberhalb der Spule gelegenen Schieber eingeschränkt, so dass eine maximale Wickelraumhöhe für die Spule zur Verfügung steht, was zur Erhöhung des Wirkungsgrades beiträgt.

Dem gleichen Ziel, nämlich der Verbesserung der Magnetsystemkennlinie sowie des Wirkungsgrades, dient die Ausgestaltung der aktiven und passiven Kontaktfedern nach den Ansprüchen 4 und 5.

Die reduzierte Relaisbauhöhe bedingt bei senkrecht stehenden Kontaktfedern insbesondere bei den aktiven Kontaktfedern, die einen relativ großen Federweg zu durchfahren haben, wegen der reduzierten wirksamen Federlänge eine relativ große Federkraft. Um trotz dieser konstruktiven Vorgaben eine möglichst flache Kraft-Weg-Kennlinie der Kontaktfedern zu erreichen, ist eine mäanderförmig gestaltete Kontaktfeder gemäß Anspruch 4 vorgeschlagen, welche trotz reduzierter Bauhöhe eine Vergrößerung der wirksamen Federlänge ermöglicht.

Die passiven Kontaktfedern dagegen, die einen geringeren Federweg zu durchlaufen haben, sind nach dem Vorschlag gemäß Anspruch 5 in Richtung auf die aktiven Kontaktfedern abgebogen und liegen mit definierter Vorspannung an einem Anschlag eines Trägerblockes an.

Die mit Ansprüchen 4 und 5 angegebene Gestaltung der Kontaktfedern gestattet es, dass diese nach dem Vorschlag gemäß Anspruch 6 senkrecht zur Vorschubbewegung des Schiebers montiert werden können, wobei oberhalb der Kontaktfedern ein Kamm angeordnet ist, der einerseits mit den freien Enden der aktiven Kontaktfedern und andererseits mit dem in gleicher Ebene liegenden Rahmen des Schiebers verbunden ist.

Außerdem kann gemäß Anspruch 7 die Konstruktion derart gestaltet sein, dass sämtliche Verbindungsstellen zwischen Rahmen und Anker bzw. Kamm und Kontaktfedern in gleicher Ebene liegen.

Durch diese Maßnahmen wird eine weitgehend verlustfreie Übertragung der Magnetkraft auf die Kontaktfeder erreicht, was gleichfalls den Wirkungsgrad verbessert.

Der weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades bei Reduzierung der Relaisabmessungen dient der Vorschlag nach Anspruch 8, nach welchem eine Ankerrückstellfeder mit parallel zum Anker verlaufenden und an diesem anliegenden vorgespannten Schenkeln vorgesehen ist, welche so dimensioniert sind, dass sie bei nicht erregter Spule des Magnetsystems die aktiven Kontaktfedern über den Schieber in die Ruhestellung zu führen vermögen.

Die enge Bauweise, die nach der Erfindung realisierbar ist, erfordert außerdem eine gute Isolierung zwischen Antriebssystem und der Kontaktfedergruppe. Zu diesem Zweck weist der diese Baugruppen aufnehmende Trägerblock gemäß Anspruch 9 eine erste Kammer zur Aufnahme des Antriebssystems und weitere Einzelkammern zur Aufnahme der Kontaktfedersätze auf, wobei elektrisch isolierendes Material für den Trägerblock verwendet wird, welches Kriechströme zwischen dem Antriebssystem und den Kontaktfedern sowie zwischen den Kontaktfedern untereinander verhindert oder zumindest reduziert.

Der Gegenstand der Erfindung ist nachstehend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispieles im Einzelnen erläutert.

In den Zeichnungen zeigen

1 Explosionsdarstellung der Einzelteile des erfindungsgemäßen Sicherheitsrelais,

2 perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Sicherheitsrelais von rechts gesehen,

3 perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Sicherheitsrelais von links gesehen,

4a vergrößerte perspektivische Darstellung des Antriebssystems von rechts gesehen,

4b Draufsicht des Antriebssystems gemäß 4a,

4c vergrößerter Teilschnitt längs der Linie A-A in 4b,

4d perspektivische Ansicht des Ankers auf der der Spule zugewandten Seite,

4e vergrößerte perspektivische Darstellung des Antriebssystems gemäß 4a von links unten gesehen mit noch nicht montiertem Anker,

4f perspektivische Ansicht der Außenseite des Ankers gemäß 4d,

5 Axialschnitt des erfindungsgemäßen Sicherheitsrelais gemäß 2 und 3,

6 vergrößerte Explosionsdarstellung einer Kontaktfeder mit Federträger und

7 Kraft-Weg-Kennlinie des erfindungsgemäßen Antriebssystems im Vergleich zu einem Antriebssystem herkömmlicher Art sowie der Kontaktfedern.

Die Explosionsdarstellung gemäß 1 lässt die Einzelteile des erfindungsgemäßen Sicherheitsrelais erkennen.

Das Antriebssystem 10 ist ein elektromagnetisches Klappanker-Relais mit einer auf den Spulenkörper 12 gewickelten Spule 11, deren Spulenenden mit den in den Anschlussstiftträger 12a eingesetzten Anschlussstiften 12b elektrisch verbunden, vorzugsweise verlötet, sind. Im Inneren der Spule befindet sich der Spulenkern 13, dessen dem Anker 15 zugewandte Kernpolfläche 13a nach Art eines Hufnagelkopfes gegenüber dem Querschnitt des Kern 13 vergrößert ist.

Der Kern 13 ist mit seinem verjüngten Ende 13b in die Ausnehmung 14b des L-förmigen Joches 14 eingesetzt. Auch die dem Anker 15 zugewandte Jochpolfläche 14a ist gegenüber dem Jochquerschnitt vergrößert.

Der Anker 15 ist mittels der Ankerrückstellfeder 16 am Joch 14 gelenkig angebracht.

Zu diesem Zweck ist der abgewinkelte Schenkel 16d mit Hilfe von aus dem Joch 14 herausgeprägten Warzen, welche in die Befestigungslöcher 16c des Schenkels 16d eingreifen, am Joch 14befestigt, wie dies genauer in den 4a und 4e dargestellt ist. Der Anker 15 wird hierauf zwischen die Kernpolfläche 13a und die Federschenkel 16a der Ankerrückstellfeder 16 eingeschoben. Fixierfederarme 16b der Ankerrückstellfeder 16 greifen hierbei in Einprägungen 15b des Ankers 15 ein. Beidseitige Federschenkel 16a bilden die federnde Abstützung für den Klappanker 15. Eine in 1 und 4f erkennbare u-förmige Einprägung 15c am Anker 15 dient der Bildung einer vorstehenden umlaufenden Lippe 15d auf der gegenüberliegenden Seite des Ankers 15, deren Bedeutung an Hand von 4c nachstehend noch erläutert ist.

Das Antriebssystem 10 dient der Betätigung der Kontaktfedergruppe 20. Diese besteht aus zwei Paaren von Schließerkontaktfedersätzen 21, 22 und einem Paar Öffnerkontaktfedersätzen 23, 24, wie dies besser aus den 2, 3 und 5 ersichtlich ist. Jeder Kontaktfedersatz weist jeweils eine passive Kontaktfeder 21, 23 und eine aktive Kontaktfeder 22, 24 auf. Die Kontaktfedern 21 bis 24 sind an Federträgern 25 befestigt, wie dies nachstehend an Hand von 6 noch erläutert ist. Die Anschlusstifte 25a der Federträger 25 durchsetzen hierbei Durchbrüche des Trägerblockes 30 und bilden gleichzeitig den elektrischen Anschluss für die Kontaktfedern (vergleiche 5). Kontaktstücke 21a, 22a, 23a und 24a an den freien Enden der Kontaktfedern 21 bis 24 dienen als Schaltkontakte.

Der Trägerblock 30 nimmt bestimmungsgemäß das Antriebssystem 10 sowie die Kontaktfedergruppe 20 auf. In den Figuren auf der rechten Seite begrenzt eine im Querschnitt u-förmige Kammerwand 34 zusammen mit dem rechten Teil des Trägerblockes 30 die Antriebskammer 33 für die Aufnahme des Antriebssystems 10. Die im Querschnitt u-förmige Kammerwand 34 isoliert hierbei die Spule 11, 12 des Antriebssystems 10 elektrisch gegen die in den Kontaktfederkammern 31 angeordneten Kontaktfedern 21 bis 24. Beidseitig am Trägerblock 30 innerhalb der Antriebskammer 33 vorgesehene Schnappfedern 35 greifen in beidseitig am Joch 14 vorgesehene Aufnahmen 14c schnappend ein und legen somit das Antriebssystem 10 in der Antriebskammer 33 fest.

Die der Aufnahme der Federkontakte 21 bis 24 dienenden Kontaktfederkammern 31 werden begrenzt durch Kammerwände 31 und einen senkrecht zu diesem stehenden Mittelsteg 36 (vergleiche auch 2 und 3).

Die dritte Baugruppe, welche das Antriebssystem 10 mit der Kontaktfedergruppe 20 mechanisch verbindet und so als Schieber den vom Anker 15 bei Erregung des Antriebssystems 10 erzeugten Hub auf die Kontaktfedern 21 bis 24 überträgt, ist von einem Rahmen 40 und mit diesem verbindbaren Kammhälften 41 und 42 gebildet.

Der Rahmen 40 umfasst im montierten Zustand den oberen Bereich der vom Spulenkörper 12 getragenen Spulenwicklung 11 und ist so dimensioniert, dass er um den Hub des Ankers 15 in Längsrichtung, also in Richtung auf die Kontaktfedergruppe 20, verschiebbar ist. In eine mittige Aufnahme 40d des Rahmens 40 greift der Anker 15 mit seiner Betätigungsnase 15a ein. In beidseitig dieser Aufnahme 40d vorgesehene Aufnahmen 40e greifen die Federschenkel 16a der Ankerrückstellfeder 16 ein, so dass der Rahmen und damit der Anker 15 im nicht erregten Zustand des Antriebssystems 10 in die Ausgangslage, in den Zeichnungen die rechte Position, gezogen wird.

Auf der gegenüberliegenden Seite ist der Rahmen 40 mit Führungsvorsprüngen 40c (vergleiche 3) ausgestattet, welche beidseitig am Mittelsteg 36 anliegen und so von diesem geführt werden. Dieser Rahmen schränkt vorteilhafterweise den Wickelraum nicht ein und gewährleistet eine minimale Bauhöhe. Für alle Varianten des Relais kann derselbe Rahmen verwendet werden.

Der zweite Teil des Betätigungssystems besteht aus den aus zwei Kammhälften 41 und 42 gebildeten Kamm. Beide Kammhälften 41 und 42 sind auf der dem Rahmen 40 zugewandten Seite mit Einhängebügeln 41a und 42a ausgestattet, in welche der Rahmen 40 mit Einhängenasen 40a, b formschlüssig, aber lösbar eingreift.

Die der Zwangsführung der aktiven Kontaktfedern 22 und 24 dienenden Kammhälften 41 und 42 weisen in Richtung auf den Mittelsteg 36 offene Führungsschlitze 41b, 42b auf, welche die aktiven Kontaktfedern 22, 24 unterhalb der Kontaktstücke 27 umfassen. Die Kammhälften 41 und 42 sind so konzipiert, dass sie auf den oberen Stirnflächen der Kammerwände 32 aufliegend gegeneinander in Richtung auf den Mittelsteg 36 zusammengeschoben werden können. Hierbei umfassen sie die aktiven Kontaktfedern 22, 24, während größer dimensionierte Durchbrüche 41d, 42d (vergleiche 1 und 5) den ungehinderten Durchgriff und die freie Beweglichkeit der passiven Kontaktfedern 21 und 23 ermöglichen.

Die Verbindung der beiden gegeneinander geschobenen Kammhälften 41 und 42 erfolgt mittels des an der Kammhälfte 41 vorgesehenen Verbindungssteges 41c und der an der Kammhälfte 42 vorgesehenen Aufnahme 42c, in welche der Verbindungssteg 41c rastend einschnappt.

Eine nur in 1 dargestellte Haube 50 bildet zusammen mit dem Trägerblock 30 das das Sicherheitsrelais aufnehmende staubdichte Gehäuse. Bei Verklebung der Haubenwände 51 mit der Bodenplatte 37 des Trägerblockes 30 sind feuchtigkeitsdichte Ausführungen möglich.

An Hand der 4a bis 4d sind Konstruktionsmerkmale erläutert, welche eine möglichst flache Kraft-Weg-Charakteristik des Magnetsystems bei gleichzeitiger Verstärkung der Anzugskraft des Ankers im Startpunkt begünstigen.

Wie die vergrößerte Schnittdarstellung gemäß 4c erkennen lässt, weist der Kern 13 an seinem dem Anker 15 zugewandten Ende eine hufnagelkopf-ähnliche verbreiterte Kernpolfläche 13a auf. Hierdurch wird der magnetische Widerstand reduziert, was zu einer Steigerung der magnetischen Kraft in der Größenordnung von 15% verglichen mit einem Kern ohne verbreitertem Kopf führt.

Die Kernpolfläche 13a taucht in einen von der umlaufenden Lippe 15d des Ankers 15 gebildeten Raum ein. Auch diese Lippe 15d führt zu einer Polflächenvergrößerung, die zu einer erheblichen Steigerung der magnetischen Kraft führt.

Schließlich ist auch das Joch 14 mit einer im Bereich des Ankers 15 vergrößerten Jochpolfläche 14a ausgestattet, die ihrerseits zu einer weiteren Herabsetzung des magnetischen Widerstandes und damit Steigerung der magnetischen Kraft um weitere 16 %führt.

Diese Maßnahmen insgesamt bieten für die Relaisfunktion sehr wesentliche Vorteile, die nachstehend unter Bezugnahme auf die in 7 dargestellten Kennlinien erläutert sind.

Das Diagramm gemäß 7 zeigt die Kraft-Weg-Kennlinie des Antriebssystems mit gemäß der Erfindung am Anker ausgeprägten Polschuhen im Vergleich zur Kraft-Weg-Kennlinie eines konventionellen Antriebssystems mit flachem Anker. Die Kurven machen deutlich, dass die magnetische Kraft im Startmoment des Ankers, also bei S₀, in welchem der Anker seine Ruhelage verlässt, mehr als verdoppelt ist. Dies ist für das Durchzugsverhalten des Relais außerordentlich bedeutsam.

In dem Bereich S₃ bis S₀ weist das erfindungsgemäße Antriebssystem verglichen mit dem konventionellen Antriebssystem eine geringere Steigung auf. Dies bedeutet, dass der für Gleichstrommagnete typische steile Abfall der Magnetkraft mit größer werdendem Luftspalt verringert ist.

Im Vergleich hierzu sind die Kraft-Weg-Kennlinien der Kontaktfedern über den gleichen Weg dargestellt. Diese Kurve liegt stets unterhalb der Kurve des erfindungsgemäßen Antriebssystems und ist recht gut an die Kraft-Weg-Charakteritik des erfindungsgemäßen Antriebssystems angepasst.

Über den gesamten Weg liegt die Kraft-Weg-Charakteristik der Kontaktfedern unterhalb derjenigen des erfindungsgemäßen Antriebssystems. Das bedeutet, dass das erfindungsgemäße Antriebssystem über den gesamten Hub genügend Kraftreserven besitzt, um die Kontaktfedern sicher zu schalten.

Aufgrund dieser Maßnahmen kann die Energie des Magneten optimal genutzt werden, was eine Reduzierung der Spulenaufnahmeleistung beziehungsweise Reduzierung der Relaisabmessungen ermöglicht.

Ferner wird die Geschwindigkeit des Ankers bei Aufprall auf den Kern verringert, so dass geringere dynamische Energie auf das Betätigungs- und Kontaktsystem einwirkt. Für den Dauerbetrieb ergeben sich hierdurch geringere Deformationen im Polspaltbereich, ein geringerer Verschleiß an bewegten und schwingenden Bauteilen, Reduzierung der Aufschlaggeräusche, also leisere Schaltfunktionen, sowie geringere Prellzeiten sowohl an den Schließkontakten als auch den Öffnerkontakten.

Alle mit der Erfindung vorgeschlagenen Maßnahmen tragen dazu bei, ein kompaktes Sicherheitsrelais hoher Leistung in Flachbauweise zu schaffen, das auf Grund des reduzierten Bauvolumens ideal geeignet für den Einbau in Schmalgehäuse der im Steuerungsbau üblichen Baubreite von 22,5 mm bei einer Bauhöhe von vorzugsweise 15,5 mm ist.

Um dieses Ziel zu erreichen, ist auch eine Modifizierung der Kontaktfedern zweckmäßig.

Alle Kontaktfedern sind im Wesentlichen eben ausgebildet und senkrecht zur Grundebene im Trägerblock befestigt. Hierdurch ist eine einfache und automatisierungsfreundliche Montage ermöglicht.

Um trotz der reduzierten Relais-Bauhöhe den aktiven Kontaktfedern die erforderliche Elastizität zu verleihen, sind diese in der in 6 dargestellten Weise gestaltet. Die mit 22 bezeichnete Kontaktfeder besteht aus der Kontaktfederzunge 22b, welche über mäanderförmige Kontaktfederarme 22c und d mit der Kontaktfederbasis 26f verbunden ist. Trotz geringerer Längserstreckung hat diese Kontaktfeder senkrecht zur Federebene eine hohe Elastizität, was zu einer flach verlaufenden Federkennlinie führt. Die Kontaktfeder 22 ist, wie oben bereits erwähnt, am Federträger 25 mit herausgeprägten Warzen 25c festgelegt, welche in den Bohrungen 22g verpresst sind. Das freie Ende der Kontaktfederzunge 22b weist eine Kontaktstückaufnahme 22e auf, in welche das Kontaktstück 22a eingesetzt ist.

Während die aktiven Kontaktfedern 22 und 24 zur Erzeugung einer flachen Kennlinie mäanderartig geformte Kontaktfederarme besitzen und damit relativ elastisch sind, sind die passiven Kontaktfedern 21 und 23, wie vor allem die Schnittdarstellung gemäß 5 deutlich macht, vorgebogen, wodurch ihnen die für einen Anschlag erforderliche Vorspannung verliehen wird.

10

Antriebssystem

11

Spulenwicklung

12

Spulenkörper

12a

Anschlussstiftträger

12b

Anschlussstifte

13

Kern

13a

Kernpolfläche

13b

verjüngtes Ende

14

Joch

14a

Jochpolfläche

14b

Aufnahmefenster

14c

Aufnahme für Schnappfeder

14d

Prägung für Warzen

15

Anker

15a

Betätigungsnase

15b

Einprägung für Ankerrückstellfeder

15c

Einprägung für Polschuhbildung

15d

Lippe

16

Ankerrückstellfeder

16a

Federschenkel

16b

Fixierfederarme

16c

Befestigungslöcher

16d

abgewinkelte Schenkel

20

Kontaktfedergruppe

21

Passive Schließerkontakte

21a

Kontaktstücke

22

Aktive Schließerkontaktfedern

22a

Kontaktstücke

22b

Kontaktfederzunge

22c, d

Kontaktfederarme

22e

Kontaktstückaufnahme

22f

Kontaktfederbasis

22g

Bohrung für Verbindungswarze

23

passive Öffnerkontaktfeder

23a

Kontaktstücke

24

aktive Öffnerkontaktfedern

24a

Kontaktstücke

25

Federträger

25a

Anschlussstift

25c

Warze

30

Trägerblock

31

Kontaktfederkammer

32

Kammerwände der Kontaktfederkammer

33

Antriebskammer

34

Kammerwände der Antriebskammer

35

Schnappfedern

36

Mittelsteg

36a

Durchbruch

37

Bodenplatte

40

Rahmen

40a, b

Einhängenasen

40c

Führungsvorsprünge

40d

Aufnahme für Betätigungsnase

40e

Aufnahme für Federschenkel

41

Erste Kammhälfte

41a

Einhängebügel

41b

Führungsschlitz

41c

Verbindungssteg

41d

Durchbruch

42

Zweite Kammhälfte

42a

Einhängebügel

42b

Führungsschlitz

42c

Stegaufnahme

42d

Durchbrüche

50

Haube

51

vertikale Wände