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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kontaktwippe für
ein Relais sowie auf ein elektromagnetisches Relais, insbesondere
ein Hochstromrelais, mit einer derartigen Kontaktwippe.
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An
elektromagnetische Relais werden je nach Anwendungsgebiet unterschiedliche
Anforderungen gestellt. Beim Schalten hoher Ströme (> 100 A) betreffen diese
Anforderungen im Wesentlichen die Größe des Lastkreiswiderstands
und damit die Leiterquerschnitte im Lastkreis. Um Dauerströme von
einigen 100 A tragen zu können, sollte sich der Lastkreiswiderstand
in der Größenordnung von 0,1 mΩ bewegen,
um die Verlustleistung und die damit verbundene Erwärmung
des Relais in Grenzen zu halten. Derartige Anforderungen finden
sich beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich, insbesondere im Zusammenhang
mit dem Energiemanagement im Automobil-Bordnetz.
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Als
problematisch hat sich in diesem Zusammenhang vor allem die elektrische
Verbindung zwischen dem Festanschluss und dem beweglichen Schaltkontakt
des Relais erwiesen, da hier zahlreiche gegensätzliche
Anforderungen in Einklang gebracht werden müssen. Zum einen
ist wegen des geforderten niedrigen Lastkreiswiderstands ein großer Leiterquerschnitt
und eine gute Stromleitfähigkeit des Materials erforderlich.
Gleichzeitig darf der Krafteinfluss auf den Schaltkontakt nicht
zu groß sein, um die Ein- und Ausschaltbewegung des Schaltkontakts nicht
zu behindern. Die elektrische Verbindung zum beweglichen Schaltkontakt
muss daher eine hohe Flexibilität aufweisen, andererseits
muss aber auch eine hinreichende mechanische Stabilität
gewährleistet sein, um die in Relaisanwendungen übliche hohe
Zahl von Schaltbewegungen garantieren zu können.
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Aus
der
DE 100 2004
013 471 A1 ist ein Hochstromrelais bekannt, bei dem der
bewegliche Schaltkontakt über eine Flachlitze großen
Querschnitts mit dem Festanschluss verbunden ist. Nachteilig an
diesem Ansatz ist der unerwünschte und undefinierte Krafteinfluss
der nicht formstabilen Flachlitze auf den beweglichen Schaltkontakt.
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Aus
der
DE 34 46 203 A1 ist
ebenfalls ein Hochstromrelais bekannt, bei dem anstelle einer einzelnen
herkömmlichen Kontaktfeder ein Federpaket aus mehreren
Federlamellen verwendet wird, um die Stromtragfähigkeit
zu erhöhen ohne den Krafteinfluss auf den beweglichen Schaltkontakt übermäßig zu
vergrößern. Nachteilig an diesem Ansatz ist aber das
konstruktiv aufwändige Federpaket sowie der trotz allem
vergrößerte Krafteinfluss der Federlamellen auf
den beweglichen Schaltkontakt.
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Aus
der
DE 199 33 797
A1 ist außerdem ein Relais bekannt, bei dem die
Problematik der elektrischen Verbindung des beweglichen Schaltkontakts mit
dem Festanschluss mit Hilfe einer Brückenkontaktanordnung
vermieden wird. Bei der Brückenkontaktanordnung ist ein
zusätzlicher beweglicher Schaltkontakt vorgesehen, der
elektrisch in Reihe mit dem ersten Schaltkontakt liegt. Dadurch
ergeben sich aber andere Nachteile, insbesondere hinsichtlich einer
Vergrößerung des Lastkreiswiderstands und einer
Erhöhung der Herstellungskosten durch den zusätzlichen
Schaltkontakt. Außerdem führt das unterschiedliche
Schaltverhalten der in Reihe liegenden Schaltkontakte zu einem unterschiedlichen
Kontaktabbrand, wodurch die Lebensdauer des Relais verkürzt
wird.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte
elektrische Verbindung zwischen einem beweglichen Schaltkontakt
und einem Festanschluss zur Verfügung zu stellen. Es ist außerdem
eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Relais, insbesondere
ein Hochstromrelais anzugeben, das sich durch einen niedrigen Lastkreiswiderstand,
hohe Zuverlässigkeit und geringe Fertigungs- sowie Materialkosten
auszeichnet.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs
gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der
abhängigen Ansprüche.
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Es
ist der besondere Ansatz der vorliegenden Erfindung, den beweglichen
Schaltkontakt auf einer Kontaktwippe anzuordnen, die aus einem massiven
Kontaktbalken hoher Stromtragfähigkeit und einem kurzen
Folienstreifen aus dünnem Federmaterial besteht, wobei
der Folienstreifen sowohl die elektrische als auch die mechanische
Verbindung zum Festanschluss übernimmt.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Kontaktwippe
für ein Relais, insbesondere für ein Hochstromrelais,
zum Schließen oder Öffnen eines Stromkreises zwischen
einem ersten und einem zweiten Festanschluss zur Verfügung
gestellt. Die Kontaktwippe umfasst einen Kontaktbalken und einen
Federstreifen, wobei ein Ende des Kontaktbalkens mittels des Federstreifens
leitend mit dem ersten Festanschluss verbunden ist und das andere,
freie Ende des Kontaktbalkens, je nach Stellung der Kontaktwippe,
eine elektrische Verbindung mit dem zweiten Festanschluss herstellt
oder unterbricht.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Relais, insbesondere
ein Hochstromrelais für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, mit
einer derartigen Kontaktwippe zur Verfügung gestellt.
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Vorzugsweise
umfasst die Kontaktwippe einen Festkontakt, der mit dem zweiten
Festanschluss leitend verbunden ist, und einen Bewegkontakt, der am
freien Ende des Kontaktbalkens angebracht ist und je nach Stellung
der Kontaktwippe mit dem Festkontakt zusammenwirkt. Sowohl der Fest-
als auch der Bewegkontakt sind vor teilhafterweise mit einer Edelmetalloberfläche
versehen, um einen guten elektrischen Kontakt sicherzustellen und
den Kontaktabbrand beim Schalten hoher Ströme zu reduzieren.
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Vorteilhafterweise
wird außerdem der Kontaktbalken aus einem Material mit
guter Stromleitfähigkeit, insbesondere Kupfer oder Aluminium,
gefertigt. Vorteilhafterweise ist außerdem der Federstreifen
aus einem elastischen Material mit guter Stromleitfähigkeit,
vorzugsweise einer niedriglegierten, hochfesten, elektrisch gut
leitfähigen Kupferlegierung, gebildet. Auf diese Weise
kann selbst bei geringem Materialeinsatz ein niedriger Lastkreiswiderstand
erzielt werden.
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Vorteilhafterweise
beträgt die Stärke des Federstreifens zwischen
0,1 mm und 0,3 mm, vorzugsweise 0,2 mm. Diese Werte haben sich als
guter Kompromiss für die Befriedigung der gegensätzlichen
Anforderungen hinsichtlich elektrischem Widerstand und mechanischer
Stabilität bei gleichzeitiger Flexibilität des
durch den Federstreifen gebildeten Foliengelenks erwiesen. Die Stärke
des Kontaktbalkens richtet sich im Wesentlichen nach der geforderten
Stromtragfähigkeit und kann zum Beispiel 1 mm bis 5 mm,
vorzugsweise 2 mm betragen.
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Vorzugsweise
erstreckt sich der Kontaktbalken im Wesentlichen über die
gesamte Länge der Kontaktwippe, so dass der Bereich des
Foliengelenks kurz ist im im Vergleich zur Länge der Kontaktwippe.
Dadurch wird sichergestellt, dass der Strom im Wesentlichen durch
den Kontaktbalken fließt und der Beitrag des Folienstreifens
zum Gesamtwiderstand entsprechend gering ausfällt.
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Vorteilhafterweise
ist der Federstreifen als plane Blattfeder ausgeführt ist,
wodurch sich eine besonders einfache Bauform ergibt. Alternativ
kann der Federstreifen im Übergangsbereich zwischen dem ersten
Festanschluss und dem Kontaktbalken auch S-förmig gebogen
sein, so dass Varianten hinsichtlich der Befestigung des Federstreifens
auf der Ober- oder der Unterseite des Kontaktbalkens ermöglicht werden.
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Vorzugsweise
ist der Federstreifen zumindest an dem festen Ende des Kontaktbalkens
mit dem Kontaktbalken vernietet oder verschweißt. Je nach
Ausgestaltung des Federstreifens kann dieser vorteilhafterweise
aber auch oder zusätzlich an dem freien Ende des Kontaktbalkens
mit dem Kontaktbalken vernietet oder verschweißt sein.
Dadurch wird in fertigungstechnisch einfacher Weise eine sichere mechanische
und elektrische Verbindung sichergestellt.
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In
einer besonderen Ausführungsform weist die Kontaktwippe
außerdem eine Überhubfeder zum Kontaktkraftaufbau
auf, wobei die Überhubfeder und der Federstreifen vorzugsweise
einstückig ausgeführt sind. Vorteilhafterweise
ragt der Federstreifen dabei über das freie Ende des Kontaktbalkens
hinaus, so dass der herausragende Abschnitt des Federstreifens die Überhubfeder
bildet.
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In
einer weiteren besonderen Ausführungsform weist die Kontaktwippe
außerdem eine Rückstellfeder zum Öffnen
oder zum Schließen des Kontakts auf, wobei die Rückstellfeder
und der Federstreifen vorzugsweise einstückig ausgeführt
sind. Vorteilhafterweise ist der Federstreifen dabei mit Federbügeln
versehen, die an dem Kontaktbalken zur Kraftausübung an
einer Position zwischen dem befestigten Ende und dem freien Ende
angreifen.
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Die
Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten
Abbildungen beschrieben, in denen gleiche Komponenten mit den gleichen
Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Es zeigt:
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1A eine
schematische Ansicht der Kontaktwippe gemäß einer
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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1B eine
schematische Ansicht der Kontaktwippe gemäß einer
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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2 eine
perspektivische Ansicht der Kontaktwippe gemäß einer
dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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3A eine
perspektivische Ansicht der Unterseite der Kontaktwippe gemäß einer
vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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3B eine
perspektivische Ansicht der Oberseite der Kontaktwippe gemäß der
vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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4A eine
schematische Ansicht eines Relais gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung mit geöffnetem
Schaltkontakt, und
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4B eine
schematische Ansicht des Relais aus 4A mit
geschlossenem Schaltkontakt.
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1A zeigt
eine schematische Ansicht der Kontaktwippe gemäß einer
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die
Kontaktwippe besteht aus einem massiven Kontaktbalken (2)
und einem kurzen Folien- oder Federstreifen (3), der die Verbindung
zum Festanschluss (4) übernimmt. Der Kontaktbalken
(2) ist vorzugsweise aus gut leitfähigem Material,
wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium, gefertigt. Der Querschnitt
des Kontaktbalken ist entsprechend den Anforderungen an die Stromtragfähigkeit
dimensioniert. Der kurze Folienstreifen ist vorzugsweise aus dünnem
Federmaterial mit gleichzeitig hoher elektrischer Leitfähigkeit
gefertigt. Auf diese Weise kann der elektrische Widerstand des Laststromkreises
gering gehalten werden. Bevorzugte Materialien sind hierfür
spezielle Kupferlegierungen, insbesondere niedriglegierte, hochfeste,
elektrisch gut leitfähige Legierungen.
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Aufgrund
der federelastischen Eigenschaften des Folienstreifens (3)
ist der Kontaktbalken beweglich, so dass der auf dem Kontaktbalken
(2) angebrachte Bewegkontakt (1), je nach Stellung
der Kontaktwippe, mit einem (nicht-gezeigten) Fest kontakt zusammenwirken
kann. Der Folienstreifen übernimmt somit eine Gelenkfunktion,
wobei das dünne Federmaterial eine hohe Flexibilität
und die nötige Stabilität des Gelenks gewährleistet.
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Wegen
der Kürze des Federstreifens (3) ist der Anteil
des Federstreifens am Lastkreiswiderstand entsprechend gering. Darüberhinaus
kann die Breite des Streifens gemäß den Anforderungen
an die Stromtragfähigkeit dimensioniert werden.
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Der
Kontaktbalken erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte
Länge der Kontaktwippe, so dass aufgrund der Hebellänge
(6) der Krafteinfluss des Federstreifens (3) auf
den Bewegkontakt (1) sehr gering ist. Zugleich wird durch
diese Hebellänge die Auslenkung der Kontaktschaltbewegung
zum Gelenk hin reduziert, so dass der Federstreifen (3)
mechanisch nur geringfügig belastet wird und eine lange
Lebensdauer erzielt werden kann.
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1B zeigt
eine schematische Ansicht der Kontaktwippe gemäß einer
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese
Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1A gezeigten
Ausführungsform lediglich darin, dass der Federstreifen (3)
nicht gerade, sondern in einem Abschnitt (7) zwischen dem
Festanschluss (4) und dem Kontaktbalken (2) S-förmig
ausgeführt ist und nicht auf der Unterseite des Kontaktbalkens,
sondern auf der Oberseite befestigt ist.
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Selbstverständlich
ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine bestimmte Ausgestaltung
des Federstreifens beschränkt. Zusätzlich zu den
in 1A und 1B gezeigten
Ausgestaltungen kann der Federstreifen z. B. auch doppel-S-förmig
oder Z-förmig ausgebildet werden, um eine höhere
Flexibilität der Verbindung zu erzielen.
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2 zeigt
eine perspektivische Ansicht der Kontaktwippe gemäß einer
dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Im
Unterschied zu den obigen Ausführungsformen ragt der Federstreifen
(3) über das freie Ende des Kontaktbalkens (2)
hinaus und bildet dadurch eine Überhubfeder (8)
zum Kontaktkraftaufbau. Ein (nicht gezeigter) elektromagnetischer
Betätigungsmechanismus greift am äußersten
Ende der Überhubfeder (8) an und kann auf diese
Weise ohne weitere Federelemente die erforderliche Kontaktkraft
erzeugen.
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Der
Federstreifen ist dabei vorzugsweise an beiden Enden des Kontaktbalkens
(2) befestigt. Vorteilhafte Befestigungsmethoden sind dabei
Vernieten oder Kontaktschweißen.
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3A und 3B zeigen
perspektivische Ansichten der Kontaktwippe gemäß einer
vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Zusätzlich
zu den oben beschriebenen Funktionen übernimmt der Federstreifen
(3) gemäß der vierten Ausführungsform
die Funktion einer Rückstellfeder zum Öffnen (oder
Schließen) des Kontakts. Dies kann beispielsweise durch
eine entsprechende Vorspannung des Federstreifens oder durch eine spezielle
Formgebung des Federstreifens erzielt werden. Wie in den 3A und 3B beispielhaft
gezeigt wird, können an dem Federstreifen schmale Federbügel
(9) ausgebildet werden, die an einer Position zwischen
dem freien und dem befestigten Ende des Kontaktbalkens angreifen
und dort eine definierte Kraftausübung entfalten.
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4A und 4B zeigen
eine schematische Ansicht eines Relais gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung mit geöffnetem
bzw. geschlossenem Schaltkontakt, der im Wesentlichen durch die
erfindungsgemäße Kontaktwippe (2, 3)
gebildet wird, und einen Stromkreis zwischen einem ersten und einem
zweiten Festanschluss (4, 11) öffnet
bzw. schließt. Dazu ist auf dem Kontaktbalken (2) ein
beweglicher Kontakt (1) angebracht, der je nach Stellung
der Kontaktwippe mit dem auf dem Festanschluss angebrachten Festkontakt
(10) zusammenwirkt.
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4A zeigt
das Relais in Ruheposition, wobei der Kontaktbalken (2)
durch die Federbügel (9) des Federstreifens (3)
mit einer definierten Kraft (F) gegen einen Öffneranschlag
(12) gedrückt wird, um so den Kontakt (1, 10)
auch bei gegebenenfalls auftretenden externen Erschütterungen
geöffnet zu halten.
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Das
Relais ist mit einem mechanischen Aktuator (13), vorzugsweise
einem Elektromagneten mit Anker versehen, der direkt oder indirekt
auf die an dem Federstreifen ausgebildete Überhubfeder
(8) wirkt. 4B zeigt den Aktuator in Arbeitsposition, wobei
zum Vergleich zusätzlich die in 4A gezeigten
Ruhepositionen des Kontaktbalkens, des Federstreifens und der Überhubfeder
durch gestrichelte Linie dargestellt sind. Wie aus der 4B ersichtlich ist,
lenkt der Aktuator die Überhubfeder aus ihrer Ruhelage
aus, sodass eine Kraft (F) auf die Schaltkontakte (1, 10)
ausgeübt wird.
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Der
gesamte Aufbau des Relais kann auf einer Trägerplatte (14)
und/oder in einem Gehäuse (15) montiert sein.
Die elektrische Kontaktierung (16) zur Umgebung kann über
die aus dem Gehäuse (15) herausgeführten
Festanschlüsse (4, 11) beispielsweise
mittels Verschraubung, Verlötung, oder über Steckkontakte
erfolgen.
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Die
in den 4A und 4B gezeigte
Ausgestaltung der Kontaktwippe entspricht der in 3 gezeigten
vierten Ausführungsform, wobei das erfindungsgemäße
Hochstromrelais aber auch auf der Kontaktwippe gemäß der
ersten, der zweiten oder der dritten Ausführungsform basieren
kann. Darüberhinaus kann der elektromagnetische Aktuator
(13) auch durch einen anderen Aktuator ersetzt werden, beispielsweise
durch eine manuelle Betätigungseinheit, so dass die vorliegende
Erfindung auch auf manuelle Schalter und Taster anwendbar ist.
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Die
Erfindung betrifft also eine Kontaktwippe für ein Relais
sowie ein elektromagnetisches Relais mit einer derartigen Kontaktwippe.
Der besondere Ansatz der Erfindung ist es dabei, den beweglichen Schaltkontakt
auf einem massiven Kontaktbalken mit hoher Stromtragfähigkeit
anzuordnen, der mittels eines kurzen Folien streifens aus dünnem
Federmaterial mit dem Festanschluss elektrisch und mechanisch verbunden
ist. Vorteilhafterweise kann der Folienstreifen so ausgestaltet
werden, dass er zugleich die Funktion einer Rückstellfeder
und/oder einer Überhubfeder zum Kontaktkraftaufbau übernehmen
kann. Mit dieser Kontaktwippe kann ein Hochstromrelais, insbesondere
für den Kfz-Einsatz angegeben werden, das sich durch einen
niedrigen Lastkreiswiderstand, hohe Zuverlässigkeit und
geringe Fertigungs- sowie Materialkosten auszeichnet.
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- 1
- Beweglicher
Schaltkontakt
- 2
- Kontaktbalken
- 3
- Folienstreifen
- 4
- Festanschluss
- 5
- Gelenk
- 6
- Länge
des Hebelarms
- 7
- Abschnitt
des Federstreifens
- 8
- Überhubfeder
- 9
- Rückstellfeder
- 10
- Fester
Schaltkontakt
- 11
- Festanschluss
- 12
- Öffneranschlag
- 13
- Elektromagnet
als mechanischer Aktuator
- 14
- Trägerplatte
- 15
- Gehäuse
- 16
- Elektrische
Kontaktierung zur Umgebung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 1002004013471
A1 [0004]
- - DE 3446203 A1 [0005]
- - DE 19933797 A1 [0006]