DE102012006436B4

DE102012006436B4 - Gepoltes elektromagnetisches Relais und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102012006436B4
Application number: DE102012006436.5A
Authority: DE
Inventors: Jens Heinrich; Christian Müller; Ralf Hoffmann
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2020-01-30
Anticipated expiration: 2032-03-31
Also published as: JP5989225B2; EP2831900A2; WO2013144218A3; CN104170047B; EP2831900B1; US20150048909A1; US9368304B2; CN104170047A; JP2015515097A; DE102012006436A1; WO2013144218A2

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines gepolten elektromagnetischen Relais mit Elektromagnet, Permanentmagnet (11), Anker (12) und betätigbaren Schalter (20, 30), umfassend die Schritte:a) Bereitstellen einer Spulenbaugruppe (10), die eine Spule (1) mit Kern (2) und Polschuhen (3, 4) als Baueinheit umfasst;b) Bereitstellen eines Trägerbauteils (40), in das Polstücke (7, 8) und ein Magnetflussteil (9) einbezogen sind und das ein unmagnetisiertes, ferromagnetisches Materialstück für einen durch Aufmagnetisierung zu erzeugenden Zweipol-Permanentmagneten (11) aufweist sowie ein Einschubfach (42) zur nachträglichen Aufnahme der Spulenbaugruppe (10) umfasst;c) Aufmagnetisierung des Zweipol-Permanentmagneten (11) bei leerem Einschubfach (42);d) Montage der Spulenbaugruppe (10) in das Einschubfach (42) ;e) Montage der übrigen Relaisbauteile zur Komplettierung des Relais.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines gepolten elektromagnetischen Relais mit Eletromagnet, Permanentmagnet, Anker und betätigbaren Schalter sowie auf ein so hergestelltes gepoltes, elektromagnetisches Relais.
Hintergrund der Erfindung
Gepolte, elektromagnetische Relais gibt es in der Bauweise mit Dreipol-Permanentmagnet ( WO 93/23866 ) und mit Zweipol-Permanentmagnet ( US 4,912,438 , US 5,153,543 , US 6,670,871 B1 ). In jedem Fall weist der Elektromagnet eine Spule mit Kern und Polschuhen in einem jochförmigen Aufbau auf. Im Falle eines dreipoligen Permanentmagneten ist dieser Permanentmagnet zwischen den beiden Jochschenkeln oberhalb der Spule und parallel zur Spulenachse angeordnet. Dieser Permanentmagnet kann aus einem aufmagnetisierten Band geschnitten und in den Spulenkörper zwischen den beiden Jochschenkeln eingefügt werden. Im Falle eines zweipoligen Permanentmagneten wird dieser quer zur Spulenachse mit einem Pol in etwa der Mitte des alten Kerns magnetisch angeschlossen ( US 4,912,438 , US 5,153,543 ).
Aus US 4,975,666 ist ein gepoltes, elektromagnetisches Relais bekannt, das ein oben offenes Basisgehäuse aufweist, in das ein elektromagnetischer Block mit Spule, Kern und Polschenkel sowie, zwischen den Polschenkeln, ein Permanentmagnet, und auf den Polschenkel, ein Armaturenblock mit Anker und Schalterelementen montiert sind. Die Bauweise erlaubt nicht, den zwischen den Polschenkeln befindlichen Permanentmagneten aus einem unmagnetisierten ferromagnetischen Vorläufer durch Aufmagnetisierung zu erzeugen, weil dabei die Spule durch zu starke, induzierte Ströme geschädigt werden würde.
Aus DE 195 20 220 C1 ist ein weiteres gepoltes elektromagnetisches Relais bekannt, bei dem die Spule zusammen mit zwei ferromagnetischen Jochen und einem dazwischen gefügten Dauermagneten von oben in einem Grundkörper gefügt und mit Vergussmasse fixiert werden. Aufmagnetisieren aus einem unmagnetisierten Vorläufer im Einbauzustand ist nicht möglich.
Es ist auch schon ein Relais mit Zweipol-Permanentmagnet bekannt ( US 6,670 871 B1 ), der sich parallel zur Spulenachse erstreckt. Der plattenförmige Permanentmagnet mit Polen an der Oberseite und Unterseite wird in einer Ankerplatte aufgenommen. Der Elektromagnet ist in einem zweiteiligen Gehäuse untergebracht, das ein trogförmiges Unterteil und ein kastenförmiges Oberteil aufweist, an dem sich die Festkontakte der Schalter und die Drehstützen für den Anker befinden. In der isolierenden Ankerplatte sind die beweglichen Kontaktfedern eingebettet. Eine Aussparung in der Ankerplatte dient zur Aufnahme des zweipoligen Permanentmagneten. Ob der Permanentmagnet in der Ankerplatte eingebettet aufmagnetisiert wird, ist in der Schrift nicht offenbart. Nachteilig ist jedenfalls die große Entfernung des zweipoligen Permanentmagneten vom Kern des Elektromagneten, wodurch sich eine große, ferromagnetfreie Wegstrecke im geschlossenen Magnetflusspfad ergibt, was einen großen magnetischen Widerstand in jeder Stellung des Ankers ergibt.
Um klein gebaute polarisierte Relais implementieren zu können, benötigt man sehr starke Permanentmagnete. Solche starken Permanentmagnete stehen mit Anteilen von Seltenen Erden zur Verfügung. Wegen der starken Anziehungskräften zwischen den Magneten ist jedoch ihre Handhabung aus einem Vorrat von Einzelmagneten schwierig, nicht nur was das Haften der Magneten aneinander angeht, sondern auch die Freihaltung von Spänen und Staubteilen von den Polflächen während des Einbaus. Vom technologischen Standpunkt aus ist es günstiger, eine unmagnetisierte ferromagnetische Legierung zu verwenden und das Materialstück nach Einbau in das Relais „aufzumagnetisieren“. Aufmagnetisierung an Ort und Stelle mit hohen Feldstärken birgt jedoch die Gefahr, dass andere Komponenten des magnetischen Systems des Relais beschädigt werden, insbesondere die Spule des Elektromagneten wegen starker, induzierter Spannungen und Strömen.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Permanentmagneten eines gepolten Relais ohne Gefährdung anderer Relaisteile aufzumagnetisieren.
Gemäß Erfindung wird mit einer gesonderten Ausbildung der Komponenten des Relais im Zusammenhang mit besonderen Herstellungsschritten gearbeitet, so dass die Aufmagnetisierung des Permanentmagneten gelingt, ohne der Gefahr der Beschädigung der Spule des Elektromagneten zu unterliegen.
Im Einzelnen wird als Komponente des Relais eine Spulenbaugruppe mit Spule, Kern und Polschuhen bereitgestellt, ferner auch ein Trägerbauteil, in welchem Magnetflussteile des magnetischen Systems des Relais einbezogen sind, darunter die Polstücke des Elektromagneten und ein Lagerstück des Ankers. Diese Magnetflussteile bestehen aus Weicheisen und werden durch hohe Magnetfeldstärken nicht beschädigt. Im Zuge der Magnetflussteile wird in das Trägerbauteil ein Materialstück aus unmagnetisierter, ferromagnetischer Legierung eingebaut, das durch Aufmagnetisierung den Permanentmagneten ergibt. Das Trägerbauteil weist noch ein Einschubfach auf, in das die gesondert hergestellte Spulenbaugruppe, die den empfindlichen Teil des Elektromagneten darstellt, nach Aufmagnetisierung des Permanentmagneten eingeschoben und montiert wird. Danach werden die übrigen Relaisbauteile zur Komplettierung des Relais montiert.
Die Erfindung betrifft auch ein gepoltes elektromagnetisches Relais, das einen Elektromagneten, ein Trägerbauteil und einen Anker umfasst. Eine Spulenbaugruppe mit Spule, Kern und Polschuhen ist als Baueinheit konzipiert. Als weitere erfindungswesentliche Komponente gibt es ein Trägerbauteil, das einen oberseitigen Hohlraum mit darin aufgenommenen Magnetflussteilen und mit einem aufmagnetisierten Permanentmagneten aufweist sowie ein mittiges Einschubfach mit der Spulenbaugruppe umfasst. Der Anker des Relais ist relativ zum Elektromagneten am Trägerbauteil schwenkbar angeordnet und ist mit den beweglichen Schalterelementen verbunden.
Mit dieser Bauweise lassen sich auch kleine und schmale, gepolte Relais hoher Empfindlichkeit herstellen. Durch Modifikationen von Bauteilparametern lassen sich diverse Funktionen gepolter Relais verwirklichen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen sowie den Ansprüchen.
Figurenliste
Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines Relais schräg von oben auf einer Längsseite und eine Schmalseite bei abgezogener Gehäusehaube,
2 einen Längsschnitt durch das Relais,
3 eine perspektivische Ansicht eines Trägerbauteils schräg von oben und auf eine Längsseite sowie eine Stirnseite,
4 eine perspektivische Ansicht einer Spulenbaugruppe und
5 eine Explosionsdarstellung der Einzelteile des Relais.

Detailbeschreibung der Erfindung
Das elektromagnetische Relais ist aus einem Magnetsystem und einem Schaltersystem aufgebaut, die durch Gehäusebauteile zusammengehalten und geschützt werden. Das Magnetsystem umfasst einen Elektromagneten, der aus einer Spulenbaugruppe 10 und Polstücken 7, 8 besteht. Die Spulenbaugruppe 10 umfasst eine auf einen Spulenkörper 5 gewickelte Spule 1, einen ferromagnetischen Kern 2 und ferromagnetische Polschuhen 3 und 4, die eine Baueinheit bilden. Der Kern 2 ist mit einem der beiden Polschuhe 3, 4 oder mit beiden Polschuhen einstückig verbunden. Zu dem Magnetsystem gehören noch Magnetflussteile 7, 8, 9, ein zweipoliger Permanentmagnet 11 und ein Anker 12. Die Magnetflussteile 7 und 8 bilden die Polstücke des Elektromagneten. Das Magnetflussteil 9 bildet ein Lagerstück für den hier als Wippanker ausgebildeten Anker 12. Der Permanentmagnet 11 ist zwischen dem Polstück 7 und dem Magnetflussteil 9 angeordnet, während zwischen den Teilen 8 und 9 sich eine Magnetflussunterbrechung befindet. Es ist auch möglich, die Anordnung von Permanentmagnet und Magnetflusslücke zu vertauschen. Wichtig ist die Ausrichtung der Pole des Permanentmagneten zu dem Polstück 7 oder 8 und dem Magnetflussteil 9.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel (4) ist ein Anschlussblock 6 mit der Spulenbaugruppe 10 verbunden, was im Sinne der Erfindung nicht notwendig ist. Der Anschlussblock 6 umfasst Schaltsignal-Anschlussstifte 15, 16 mit Abbiegeschenkeln 15a, 16a zur unmittelbaren Verbindung zu den Wicklungsenden der Spule 1. Ein Prüfkontakt-Anschlussstift 25 ist gekröpft ausgebildet und kann so zwischen Anschlussblock 6 und Polschuh 3 geklemmt werden.
Das in 4 dargestellte Bauteil ist dafür konzipiert, in ein Schubfach 42 eines Trägerbauteils 40 (3) hineingeschoben und montiert zu werden. Zu diesem Zweck weist das Schubfach 42 zwei Hohlraumerweiterungen 43 und 44 auf, um neben der Spulenbaugruppe 10 auch den Anschlussblock 6 aufzunehmen und zu positionieren.
Das Trägerbauteil 40 ist auch zur Aufnahme der Polstücke 7, 8, des Magnetflussteils 9 und des Permanentmagneten 11 zuständig. Zu diesem Zweck ist ein in Nischen aufgeteilter oberseitiger Hohlraum 41 vorgesehen. Die Teile 7, 8, 9 und 11 werden durch Einbetten im Trägerbauteil 40 befestigt. Es kommen verschiedene Einbettungsverfahren in Betracht, beispielsweise Umspritzen, Einkleben, Einpressen. Auf der Oberseite des Trägerbauteils 40 ist noch ein Festkontakt 21 vorgesehen, der mit einem Anschlussstift 26 in elektrischer Verbindung steht, der im Trägerbauteil 40 ebenfalls durch Einbetten befestigt ist.
Das Schaltersystem enthält einen Diagnoseschalter 20 und wenigstens einen Lastschalter 30. Der Diagnoseschalter 20 umfasst den Festkontakt 21 und einen beweglichen Kontakt 22, der als Doppelkontakt am gabelförmigen Ende einer Kontaktfeder 23 angebracht ist. Die Kontaktfeder 23 ist am Schenkel 12a des Ankers 12 befestigt und wird von diesem betätigt. Der bewegliche Kontakt 22 stellt die elektrische Verbindung mit dem Anschlussstift 25 her.
In einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung ist der Prüfkontakt-Anschlussstift 25 in dem Trägerbauteil 40 parallel zum Prüfkontakt-Anschlussstift 26 eingebettet (nicht dargestellt) und es sind zwei voneinander getrennte Festkontakte auf der Oberseite des Trägerbauteils 40 vorgesehen. In dieser Ausführungsform wird das Ende der Kontaktfeder 23 als ein Brückenkontakt zum Schließen des Schalters 20 benutzt.
Der Lastschalter 30 umfasst einen Festkontakt 31 und einen beweglichen Kontakt 32, der auf einer Kontaktfeder 33 sitzt, die über eine Stromschiene 34 an dem Trägerbauteil 40 befestigt ist und darüber hinaus mit einem Lastanschlussstift 35 in elektrischer Verbindung steht. Der Festkontakt 31 steht mit einem weiteren Lastanschlussstift 36 in leitender Verbindung. Die Betätigung der Kontaktfeder 33 erfolgt über ein elektrisch isolierendes Koppelglied 37, dessen oberes Ende mechanisch mit dem zweiten Schenkel 12b des Ankers 12 verbunden ist. Die mechanische Verbindung kann über eine Überhubfeder 38 erfolgen, wie dargestellt, oder aber durch direkte Verbindung der Enden des Wippankers 12 und des Koppelgliedes 37.
Der Anker 12 besitzt neben seinen beiden Schenkeln 12a und 12b noch ein gebogenes Lagerteil 12c, mit dem der Anker auf dem als Lagerstück gebauten Magnetflussteil 9 aufsitzt. Je nach dem Funktionstyp des Relais (monostabil, bistabil) sind die Schenkel 12a, 12b des Ankers 12 unterschiedlich lang und werden mit unterschiedlichen Polspaltweiten durch Federkräfte gehalten. Solche Federkräfte werden durch die Kontaktfeder 23, die Überhubfeder 38 (falls vorhanden) und die Kontaktfeder 33 erzeugt. Die Kontaktfeder 23 ist am Schenkel 12a des Ankers angenietet und besitzt Federfortsätze 23a und 23b sowie einen Befestigungslappen 23c, der in bestimmter Winkelstellung zwischen Anker 12 und Poloberfläche 7 an dem Lagerstück 9 festgeschweißt ist. Die Überhubfeder 38 ist ähnlich am Schenkel 12b fest genietet und weist ebenfalls Federfortsätze 38a, 38b sowie einen Befestigungslappen 38c auf, der am Lagerstück 9 festgeschweißt ist. Neben der Kraft der Kontaktfeder 33 sind es vor allem die Torsionskräfte der Federschenkel 23b und 38b, die für das Gesamtfederverhalten des Relais verantwortlich sind.
Außer den Federkräften spielt auch die magnetische Anziehungskraft auf den Anker 12 eine Rolle, ob ein monostabiles oder ein bistabiles Relais erhalten wird. Für die Anziehungskräfte auf die Schenkel 12a, 12b des Ankers spielen die Stärke des Permanentmagneten 11 und die Größen der Polflächen der Polstücke 7, 8 eine Rolle. Wenn die magnetische Anziehungskraft in einer Endstellung des Ankers größer als die in Abheberichtung wirksame Federkraft und in der anderen Endstellung die magnetische Anziehungskraft kleiner als die Abhebekraft der Federn ist, dann liegt ein monostabiles Relais vor. Wenn dagegen die magnetische Anziehungskraft in beiden Endstellungen des Ankers größer als die in Abheberichtung wirksame Federkraft ist, liegt ein bistabiles Relais vor.
Während das Trägerbauteil 40 das Hauptelement des Gehäuses darstellt, gibt es noch einen Gehäuseboden 50 und eine Gehäusehaube 60. Wie in 1 dargestellt, weist das Trägerbauteil 40 an seiner dort sichtbaren Frontseite eine Führung 46 zur Führung des isolierenden Koppelgliedes 37 auf. Diese Führung sowie die Oberseite des Relais wird durch die Gehäusehaube 60 des gemäß 1 montierten Relais abgedeckt. Entlang der Unterseite des Trägebauteils 40 erstreckt sich ein flacher Hohlraum 45 (2), der zur Aufnahme der Lastkontaktfeder 33 und ihres Bewegungsspielraumes dient und der von dem Gehäuseboden 50 nach unten abgegrenzt wird. In das Bodenteil 50 ist der Lastkontakt- Anschlussstift 36 eingesteckt und mittels des Festkontakts 31 mit dem Bodenteil vernietet.
Auf der Oberseite der Gehäusehaube 60 kann sich ein Schalter befinden, um die Stellung des Ankers 12 von Hand zu verändern.
Mit dem neuen Relais können viele Funktionalitäten eines gepolten Relais verwirklicht werden, indem die Größe, die Anordnung und die Parameter von einzelnen Bauteilen modifiziert werden. Es können starke Permanentmagnete verwendet werden, ohne dass es zu Komplikationen bei der Montage des Relais kommt, indem der Permanentmagnet durch Aufmagnetisierung in dem Trägerbauteil gewonnen wird, da dieses zum Zeitpunkt der Aufmagnetisierung keine gefährdeten Bauteile, wie etwa die Magnetspule, enthält. Die Relais können sehr klein gebaut werden, da man Permanentmagnete mit großer Koerzitivkraft erzeugen kann.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind, und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen. Ferner definieren die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind, auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines gepolten elektromagnetischen Relais mit Elektromagnet, Permanentmagnet (11), Anker (12) und betätigbaren Schalter (20, 30), umfassend die Schritte: a) Bereitstellen einer Spulenbaugruppe (10), die eine Spule (1) mit Kern (2) und Polschuhen (3, 4) als Baueinheit umfasst; b) Bereitstellen eines Trägerbauteils (40), in das Polstücke (7, 8) und ein Magnetflussteil (9) einbezogen sind und das ein unmagnetisiertes, ferromagnetisches Materialstück für einen durch Aufmagnetisierung zu erzeugenden Zweipol-Permanentmagneten (11) aufweist sowie ein Einschubfach (42) zur nachträglichen Aufnahme der Spulenbaugruppe (10) umfasst; c) Aufmagnetisierung des Zweipol-Permanentmagneten (11) bei leerem Einschubfach (42); d) Montage der Spulenbaugruppe (10) in das Einschubfach (42) ; e) Montage der übrigen Relaisbauteile zur Komplettierung des Relais.
Gepoltes, elektromagnetisches Relais, umfassend: - eine Spulenbaugruppe (10), die eine Spule (1) mit Kern (2) und Polschuhen (3, 4) als Baueinheit umfasst und Teile eines Elektromagneten bildet; - ein Trägerbauteil (40), das stockwerkartig einen oberseitigen Hohlraum (41), ein mittiges Einschubfach (42) und einen unterseitigen Hohlraum (45) aufweist; - eine Magnetflussanordnung aus einem ersten Polstück (7), einem aufmagnetisierten Zweipol-Permanentmagneten (11), einem Magnetflussteil (9) und einem zweiten Polstück (8), die in dem oberseitigen Hohlraum (41) aufgenommen sind; - einen Anker (12), der oberhalb der Magnetflussanordnung relativ zum Trägerbauteil (40) schwenkbar angeordnet ist und mit beweglichen Schalterelementen (23, 33) verbunden ist, - wobei die Spulenbaugruppe zwischen Ober- und Unterseite des Trägerbauteils (40) im Einschubfach (42) aufgenommen ist.
Relais nach Anspruch 2, wobei der unterseitige Hohlraum (45) einen Lastschalter (30) beherbergt und durch einen Gehäuseboden (50) abgeschlossen ist.
Relais nach Anspruch 3, wobei der Gehäuseboden (50) wenigstens einen Festkontakt (31) des Lastschalters (30) und, zusammen mit dem Trägerbauteil (40), Anschlussstifte (15, 16, 25, 26, 35, 36) haltert.
Relais nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Elektromagnet ein U-förmiges Joch (2, 3, 4) mit dem angrenzenden Polstücken (7, 8) umfasst, wobei der Anker (12) als Wippanker mit einem ersten und einem zweiten Schenkel (12a, 12b) ausgebildet ist, der sich mit einem mittigen Bereich (12c) auf dem Magnetflussteil (9) abstützt und mit jeweils einem seiner Schenkel (12a, 12b), zusammen mit dem Magnetflussteil (9) und jeweils einem der Polstücke (7, 8), einen geschlossenen, magnetspaltlosen Magnetflusspfad bildet, und wobei jeder der Schenkel (12a, 12b) einen beweglichen Kontakt (22, 32)je eines Schalters (20, 30) betätigt.
Relais nach Anspruch 5, wobei ein erster, als Diagnoseschalter (20) nutzbarer Schalter von einem Festkontakt (21) am Trägerbauteil (40) und einem beweglichen Kontakt (22) an einer ersten Kontaktfeder (23) gebildet wird, die an dem ersten Schenkel (12a) des Wippankers (12) befestigt ist, und wobei ein zweiter, als Lastschalter (30) nutzbarer Schalter von einem Festkontakt (31) am Gehäuseboden (50) und einem beweglichen Kontakt (32) an einer zweiten Kontaktfeder (33) gebildet wird, die über ein elektrisch isolierendes Koppelglied (37) mit dem zweiten Schenkel (12b) des Wippankers (12) in mechanischer Verbindung steht.
Relais nach Anspruch 6, wobei das Trägerbauteil (40) eine Führung (46) für das isolierende Koppelglied (37) aufweist, und wobei eine Gehäusehaube (60) das Trägerbauteil (40) mit Übergreifen des Gehäusebodens (50) umschließt.
Relais nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei der Permanentmagnet (11) mit einem Pol am Magnetflussteil (9) und mit dem anderen Pol an das erste Polstück (7) angrenzt, das einem Diagnoseschalter (20) benachbart ist.
Relais nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei der Permanentmagnet (11) mit einem Pol am Magnetflussteil (9) und mit dem anderen Pol an das Polstück (8) angrenzt, das dem isolierenden Koppelglied (37) benachbart ist.