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Elektromagnetisches Hubankerrelais
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Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromagnetisches Hubankerrelais
mit einer mindestens eine Wicklung aufweisenden Spule, einem innerhalb der Spule
angeordneten Kern sowie einem außerhalb der Spule angeordneten Joch, wobei der Kern
und das Joch relativ zueinander in Axialrichtung der Spule bewegbar sind und der
bewegliche Teil mit mindestens einem beweglichen Kontaktelement gekoppelt ist.
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Hubankermagnetsysteme eignen sich wegen der linearen Bewegung ihres
Ankers gut zum Antrieb von Brückenkontaktsätzen. Bekannte Relais dieser Art besitzen
jedoch neutrale Magnetsysteme, die nur ein monostabiles Schaltverhalten aufweisen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Relais der eingangs erwähnten Art
so auszubilden, daß es mit wenigen einfachen Teilen aufgebaut werden kann, wobei
durch Einsatz eines polarisierenden Dauermagneten eine Ansteuerung mit Impulsen
möglich wird und wobei bei der gleichen Grundkonzeption auf einfache Weise entweder
ein bistabiles oder ein mono stabiles Schaltverhalten erzeugt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das mindestens
dreischenkelige Joch sich mit einem Mitte telteil neben der Spule erstreckt und
an beiden Stirnseiten der Spule mit zwei Polschenkeln jeweils einem Arbeitsluftspalt
gegenüber dem Kern bildet, daß im Spulenkörper mindestens eine Magnetkammer mit
einem Dauermagneten vorgesehen ist, dessen Polarisierung zwischen
dem
Kern und dem Joch gerichtet ist, und daß neben der Spule ein Kontaktsatz mit parallel
zur Spulenachse bewegbaren Kontaktelementen angeordnet ist.
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Das erfindungsgemäße Relais besitzt also ein polarisiertes Magnetsystem
mit wenigen einfachen Teilen, die bei der Montage untereinander und mit dem Kontaktsatz
durch Stecktechnik verbunden werden können. Dabei kann das Joch die Spule in Form
eines Rahmens umgeben, wobei der Kontaktsatz an einer offenen Seite des Rahmens
angeordnet ist. In einer anderen Ausführungsform kann das Joch bügelförmig ausgebildet
sein und im Bereich der jeweils einen Dauermagneten enthaltenden Spulenflansche
jeweils seitliche Flußbleche besitzen.
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Um die Magnetkräfte auf dem Anker möglichst gleichmäßig einwirken
zu lassen und die Reibung bei der linearen Schaltbewegung möglichst zu vermindern,
ist es außerdem zweckmäßig, die Dauermagnete paarweise jeweils symmetrisch zur Spulenachse
anzuordnen. Dabei ist es zweckmäßig, daß die Dauermagnete senkrecht zur Spulenachse
polarisiert sind. Diese Dauermagnete sind zweckmäßigerweise jeweils in einer Magnetkammer
in einem Spulenflansch angeordnet.
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Trägt die Spule nur eine Wicklung, so liegt die I4agnetkammer zweckmäßigerweise
an einem Ende der Spule neben der Wicklung. Zweckmäßig ist aber auch eine Anordnung,
bei der der Spulenkörper zwei in Axialrichtung versetzte Wicklungen trägt, zwischen
denen in einem Mittelflansch ein oder mehrere Magnetkammern vorgesehen sind.
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In weiterer Ausgestaltung des Relais kann beispielsweise der im Spuleninneren
angeordnete Kern als beweglicher Anker dienen, wobei ein Kontaktbetätigungsschieber
über einen senkrecht zur Spulenachse verlaufenden Mitnehmer an den Kern angekoppelt
ist. In diesem Fall ist es zweckmäßig, daß der Spulenkörper zwei in Axialrichtung
versetzte
und durch einen Mittelflansch getrennte Wicklungen trägt,
wobei der Mittelflansch eine radiale Ausnehmung für den als Zapfen ausgebildeten
Mitnehmer aufweist.
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In einer anderen Ausgestaltung kann aber auch der Kern mit der Spule
fest verbunden sein und einen gemeinsamen beweglichen Anker bilden, wobei ein Kontaktschieber
mit dem Spulenkörper verbunden ist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß der
Kontaktschieber unmittelbar einstückig am Spulenkörper angeformt sein kann, so daß
eine getrennte Fertigung entfällt. In diesem Fall kann der Kern auch im Spulenkörper
eingebettet sein. Da dann der Kern nicht in den Spulenkörper eingesteckt werden
muß, kann er an seinen Engen mit vergrößerten Polflächen versehen sein, wodurch
der magnetische Widerstand der Arbeitsluftspalte verringert wird. Weiterhin ist
aber auch eine Ausführungsform möglich, bei der das die Spule umgreifende Joch als
beweglicher Anker ausgebildet und mit einem Kontaktschieber verbunden ist.
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In einer Abwandlung des Magnetsystems können aber auch an beiden Spulenenden
jeweils stirnseitig Dauermagnete angeordnet sein, deren gleichnamige Pole jeweils
den Polschenkeln des Joches zugewandt sind. Bei dieser Ausführung ist es besonders
leicht möglich, durch unterschiedliche Entmagnetisierung der Dauermagnete ein mono
stabiles Schaltverhalten zu erreichen. Die Dauermagnete sind in diesem Fall zweckmäßigerweise
ringförmig ausgebildet. Sie können parallel zur Spulenachse polarisiert sein, wobei
die den Stirnseiten der Spule abgewandten Polflächen über je ein Flußleitstück an
den Kern gekoppelt sind. Es ist aber auch möglich, daß die Dauermagnete jeweils
eine gekrümmte Polarisierungsrichtung aufweisen, wobei die der Stirnseite der Spule
abgewandten Polflächen unmittelbar dem Kern zugewandt sind. Bei dieser Ausführungsform
sind die stirnseitigen Polflächen der Dauermagnete zweckmäßigerweise
gegenüber
den Kernpolflächen jeweils etwas zurückgesetzt, um ein Kleben des Ankers zu vermeiden.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 und 2 ein Relais mit einem bistabil
gepolten Magnetsystem mit beweglichem Kern in zwei Ansichten, Fig. 3 eine Abwandlung
des Relais von Fig. 1, wobei der Kern zusammen mit der Spule als beweglicher Anker
dient, Fig. 4 eine Ausführungsform mit beweglichem Joch, Fig. 5 und 6 eine abgewandelte
Ausführungsform mit beweglichem Joch, Fig. 7 eine weitere Abwandlung gegenüber Fig
6, Fig. 8 eine weitere Ausführungsform mit beweglicher Spule, Fig. 9 eine Anordnung
zum Abgleich der Magneten in einem Relais nach Fig. 5.
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Das in den Fig. 1 und 2 in zwei Halbschnitten dargestellte Relais
besitzt einen Spulenkörper 1 mit zwei stirnseitig angeformten Flanschen 2 und 3
sowie einem mittleren Flansch 4, der zwei gegenüberliegende Magnetkammern 5 und
6 mit jeweils einem Dauermagneten 7 und 8 enthält. Auf dem Spulenkörper sind beiderseits
des Mittelflansches 4 zwei Wicklungen 9 und 10 aufgebracht.
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Innerhalb des Spulenkörpers ist entlang der Spulenachse ein zylinderförmiger
Kern 11 angeordnet, der in Axialrichtung beweglich ist und damit die Funktion eines
Ankers erfüllt. Er bildet mit seinen beiden stirnseitigen Polflächen 12 und 13 jeweils
einen Arbeitsluftspalt 14 bzw. 15 gegenüber einem rahmenförmigen Joch 16, welches
den Spulenkörper umgibt. Dieses Joch könnte aber auch in Form eines Bügels entsprechend
Fig. 3 ausgebildet sein.
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Der bewegliche Kern 11 besitzt in der Mitte im Bereich des Flansches
4 eine Bohrung 17, in die ein Mitnehmerzapfen 18 eingesteckt ist, welcher seinerseits
mit einem Kontaktschieber 19 verbunden ist. Eine Ausnehmung 20 im Mittelflansch
4 des Spulenkörpers ermöglicht, daß der Mitnehmerzapfen die Linearbewegung des Kerns
11 mitmacht und damit über den Schieber 19 und den daran angeformten Träger 21 die
im Träger angeordneten Kontaktbrücken 22 betätigt. Die Kontaktbrücken 22 sind im
Träger 21 durch Andruckfedern 23 vorgespannt, um bei Betätigung des Relais mit den
nicht dargestellten Gegenkontakten den erforderlichen Kontaktdruck zu erzeugen.
Weitere Einzelheiten des Kontaktsatzes einschließlich der Gegenkontakte sind nicht
dargestellt, da der Kontaktsatz als solcher als bekannt vorausgesetzt und deshalb
nicht weiter beschrieben wird.
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Das Relais nach Fig. 1 ist bistabil aufgrund des von den Magneten
7 und 8 erzeugten Dauerflußkreises. Der Flußverlauf im einzelnen ist in Fig. 1 eingezeichnet.
Dabei zeigen die ausgezogenen Linien jeweils den Dauermagnetfluß D' während die
gestrichelten Linien den Verlauf des jeweiligen Steuerflusses QS darstellen. Dabei
verläuft der Dauermagnetfluß jeweils vom Pol N der Dauermagnete 7 und 8 über die
Spulenkörperstege 4a und 4b zum beweglichen Kern 11, wo er sich teilt und entgegengesetzt
in Axialrichtung zu den Arbeitsluftspalten 14 und 15 verläuft und sich dann über
das Joch 16 und die kleinen Luftspalte 24 bzw. 25 an den Polen S der Dauermagnete
wieder schließt. Durch die beiden symmetrischen Dauermagnetkreise erreicht man eine
Kräftekompensation auf dem beweglichen Kern. Dadurch wird die Reibkraft stark reduziert,
die beim Einsatz nur eines Magneten ansonsten entstehen lfurde. Der Steuerfluß bS
verläuft jeweils in Axialrichtung des beweglichen Kerns 11 und schließt sich beiderseits
über das Joch 16. In den Arbeitsluftspalten 14 und 15 überlagern
sich
jeweils Steuerfluß und Dauermagnetfluß, und zwar jeweils in einem der Arbeitsluftspalte
gleichsinnig und im anderen gegensinnig, so daß der bewegliche Kern jeweils in dem
Arbeitsluftspalt angezogen wird, in dem die Flüsse addiert werden.
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Fig. 3 zeigt eine Abwandlung des Relais, wobei auch ein den Kontaktsatz
tragender Grundkörper 26 mit dargestellt ist. In diesem Grundkörper 26 sind feste
Gegenkontakte 27 verankert, außerdem zwei Spulenanschlüsse 28. In dem Grundkörper
26 ist ein Kontaktbrückenträger 29 beweglich gelagert, in welchem die bereits erwähnten
Kontaktbrücken 22 angeordnet und durch Andruckfedern 23 vorgespannt sind.
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Bei Bewegung des Trägers 29 werden die Kontaktbrücken 22 an die Gegenkontakte
27 angedrückt.
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Das Magnetsystem von Fig. 3 besitzt einen beweglichen Anker, der von
der Spule und dem Kern gemeinsam gebildet wird. Der Spulenkörper 31 trägt in diesem
Fall eine Wicklung 32, die an einer Seite von dem Flansch 33 und an der anderen
Seite von dem vergrößerten Flansch 34 begrenzt wird. In diesem Flansch 34 sind einander
gegenüberliegend zwei Magnetkammern 35 mit jeweils einem Magnet 36 (nur einer zu
sehen) angeordnet ist. Im Spulenkörper 31 ist ein Kern 37 fest angeordnet, beispielsweise
eingespritzt, der an seinen beiden Enden vergrößerte Polflächen 38 und 39 besitzt,
die dem Joch 40 gegenüberliegen und mit diesem Arbeitsluftspalte 41 und 42 bilden.
Das Joch 40 ist in diesem Fall bügelförmig gestaltet und besitzt neben den stirnseitigen
Polschenkeln 43 und 44 zwei seitliche Flußbleche 45, die den Spulenflansch 34 einschließen
und jeweils an einer Polfläche der Dauermagnete 36 anliegen.
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Mit seinen Polschenkeln 43 und 44 ist das Joch zwischen Schultern
46 und 46'des Grundkörpers steckbar befestigt.
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Der Flußverlauf ist hier ähnlich wie beim Relais nach
Fig.
1, wobei lediglich die Dauermagnete aus der Mitte der Spule an ein Ende verschoben
sind. Bei Erregung wird anstelle des Kerns nunmehr die gesamte Einheit von Kern
und Spule bewegt.
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Fig. 4 zeigt eine weitere Abwandlung, wobei nunmehr die Spule 51 samt
dem Kern 52 fest mit einem Grundkörper (nicht dargestellt) verbunden ist, während
das bügel förmige Joch 53 beweglich ist und als Anker dient. Die Spule trägt in
diesem Fall wieder beispielshalber zwei Wicklungen 54 und 55, zwischen denen in
zwei Magnetkammern zwei Dauermagnete 56 ähnlich wie in Fig. 1 angeordnet sind. Das
Joch 53 besitzt zwei seitliche Flußlappen 57, die jeweils einem Dauermagnetpol gegenüberliegen
und bei Bewegung des Joches seitlich an diesen vorbeigleiten.
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Außerdem ist das Joch durch Einstecken zwischen zwei Stegen 58 mit
einem Schieber 59 gekoppelt, um die Linearbewegung beim Schalten des Relais auf
einen nicht weiter dargestellten Kontaktsatz zu übertragen.
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Die bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele enthielten jeweils Dauermagnete,
welche parallel zueinander zwischen Kern und Joch geschaltet waren, so daß sich
ihre Dauermagnetflüsse in den Arbeitsluftspalten jeweils gleichsinnig überlagerten.
Somit handelte es sich dabei um reine bistabile Magnetsysteme, die allenfalls durch
konstruktive Maßnahmen, wie ungleiche Polflächen an den Arbeitsluftspalten, monostabil
machen ließen. Im folgenden werden Ausführungsbeispiele beschrieben, bei denen durch
andere Anordnung der Dauermagnete und durch gezielten Abgleich ein monostabiles
Schaltverhalten erreicht werden kann.
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In den Fig. 5 und 6 ist wiederum ein Relais dargestellt, bei dem das
Joch beweglich-ist und als Anker dient. Das Relais enthält einen Spulenkörper 61
mit einer Wicklung
62 und zwei Spulenflanschen 63 und 64. In diesen
Spulenflanschen ist jeweils eine stirnseitig offene, ringförmige Magnetkammer 65
bzw. 66 zur Aufnahme je eines Dauermagneten 67 bzw. 68 vorgesehen. Im Spulenkörper
ist ein Kern 69 befestigt, der stirnseitig jeweils einen Arbeitsluftspalt 70 bzw.
71 gegenüber den Polschenkeln 72 und 73 des Joches 74 bildet. Die Dauermagnete 67
und 68 sind jeweils parallel zur Spulenachse und zueinander entgegengesetzt polarisiert,
so daß sie jeweils gleichnamige Pole den Jochpolschenkeln 72 und 73 zuwenden. Die
jeweils entgegengesetzten Polflächen der Dauermagnete 67 und 68 sind über jeweils
ein ringförmiges Flußleitstück 75 bzw. 76 an den Kern 69 gekoppelt. Diese Flußleitstücke
75 und 76 werden bei der Montage auf den Kern aufgesteckt und in die jeweilige Magnetkammer
65 bzw. 66 eingeschoben. Danach werden die ebenfalls ringförmigen Dauermagnete 67
und 68 ebenfalls auf den Kern 69 aufgesteckt. Entsprechend der Erregung des Relais
fuhrt das Joch 74 lineare Schaltbewegungen aus, die über die Schultern 77 auf einen
Schieber 78 und den nicht weiter dargestellten Kontaktsatz übertragen werden.
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Der Verlauf der Magnetflüsse ist in Fig. 6 eingezeichnet, wobei wieder
wie vorher der Verlauf des Dauermagnetflusses mit ausgezogenen Linien, der Verlauf
des Steuerflusses mit mit gestrichelten Linien dargestellt ist. Aufgrund der sich
ergebenden Flußrichtungen können die beiden Dauermagnete 67 und 68 definiert und
wahlweise unterschiedlich abgeglichen werden, wodurch sich auch unterschiedliche
Ansprechcharakteristiken ergeben. Da die beiden Dauermagnete 67 und 68 jeweils unmittelbar
eine Polfläche zu einem der Arbeitsluftspalte besitzen, läßt sich so ein monostabiles
Schaltverhalten einstellen, indem der eine Dauermagnet gegenüber dem anderen mehr
geschwächt wird.
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Eine Abwandlung gegenüber Fig. 6 zeigt die ausschnittweise
Darstellung
von Fig. 7. Hierbei ist ein Dauermagnet 79 verwendet, dessen eine Polfläche dem
Jochpolschenkel 72 und dessen andere Polfläche direkt dem Kern 69 zugewandt ist.
Damit entfällt ein eigenes Flußleitstück. Für diese Ausführung wird entweder ein
Dauermagnet mit gekrümmter Vorzugsrichtung oder ein Dauermagnet aus isotropem Magnetmaterial
verwendet.
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Fig. 8 zeigt wiederum eine Ausführungsform, bei der die Spule mit
dem Kern zusammen beweglich ist und als Anker dient. Dabei ist das Joch 81 über
Nasen 82 am Grundkörper 83 befestigt. Die Spule trägt im Spulenkörper 84 einen Kern
85 und in stirnseitig offenen Magnetkammern jeweils einen Dauermagneten 86 bzw.
87 mit zugehörigen Flußleitstücken 88 und 89 ähnlich Fig. 5. An den Spulenflanschen
90 und 91 sind Fortsätze 92 und 93 angeformt, welche als Kontaktschieber dienen
und die beweglichen Kontaktbrücken 94 und 95 mit den festen Gegenkontakten 96 und
97 in Kontakt bringen. Auch hierbei kann ein monostabiles Schaltverhalten durch
unterschiedliche Aufmagnetisierung der Dauermagnete 86 und 87 erreicht werden.
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Fig. 9- zeigt die Anordnung zum definierten Abgleich einer Dauermagnetanordnung
nach Fig. 6 oder 8. Dabei werden Entmagnetisierungspolschuhe 98 und 99 jeweils von
außen an die Jochpolschenkel 72 und 73 angelegt. Die beiden Dauermagnete 67 und
68 sind voll aufmagnetisiert. Nunmehr wird zunächst der Magnet 67 definiert geschwächt,
indem ein Nordpol des Entmagnetisierungspolschuhs 98 dem gleichnamigen Pol des Dauermagneten
67 gegenübergestellt wird. Am Dauermagneten 68 liegt entsprechend ein Südpol des
Entmagnetisierungspolschuhes 99 gegenüber. Nachdem der Dauermagnet 67 in definierter
Weise geschwächt wurde, werden die Entmagnetisierungspolschuhe 98 und 99 umgepolt,
so daß nunmehr dem Dauermagneten 68 ein gleichnamiger Nordpol gegenübersteht und
ihn in der gewünschten Weise
schwächt. Auf diese Weise läßt sich
die Ankerhaltekraft für jeden Arbeitsluftspalt definiert einstellen. Sie kann in
beiden Arbeitsluftspalten gleich sein, wenn ein bistabiles Relais geschaffen werden
soll, und sie kann unterschiedlich zur Schaffung eines monostabilen Relais gehalten
werden.
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Wie aus Fig. 6 hervorgeht, bewirken die den Jochpolschenkeln 72 und
73 gegenüberliegenden Polflächen der Dauermagnete 67 bzw. 68 jeweils eine Anziehungskraft
auf diese; diese unmittelbar gegenüberliegenden Polflächen werden vom Erregerfluß
nicht durchflossen und dadurch nicht kompensiert. Somit setzt sich die gesamte Polfläche
für den Dauermagnetkreis zusammen aus der durch den Erregerfluß kompensierbaren
Kernpolfläche 69a bzw. 69b und der durch den Erregerfluß nicht kompensierbaren Magnetpolfläche
67a bzw. 68a. Um eine sichere Anlage zwischen der Kernpolfläche 69a und dem Jochpolschenkel
72 zu erhalten, ist es deshalb zweckmäßig, daß die Magneten 67 und 68 gegenüber
der Kernpolfläche zurückgesetzt sind, so daß in jedem Fall ein Luftspalt 67b bzw.
68b auch beim Anliegen des Kerns am Jochpolschenkel verbleibt. Das gleiche gilt
auch für die Ausfuhrung nach Fig. 7 und 8.
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19 Patentansprüche 9 Figuren