DE2145598C3 - Relais mit hermetisch abgeschlossenem Kontakt - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Relais mit hermetisch abgeschlossenem Kontakt, wie es auch _*> als Herkon- oder Reed-Relais bekannt ist. Relais dieser Art haben meist innerhalb einer Hülle zwei leichte, freitragend angeordnete ferromagnetische Federn, die sich unter der Einwirkung eines Magnetfeldes elastisch verformen, wobei sich ihre als Kontakte dienenden oder besondere Kontaktstücke tragenden freien Enden um einen in der Größenordnung von einigen Zehntel oder Hundertstel Millimeter betragenden Hub bewegen, wodurch ein Kontaktdruck in der Größenordnung von bis 30 g zustandekommt.

Aus der tschechoslowakischen Patentschrift 1 24 584 ist ein Relais mit hermetisch abgeschlossenem Kontakt bekannt, bei dem zwei parallel zueinander angeordnete Federzungen mit Kontaktstücken an ihren freien Enden sich in die hermetische Hülle hinein erstrecken, wobei fts die eine von ihnen ferromagnetisch ist und die mittels eines über ihr Kontaktstück hinaus verlängerten Abschnitte als Anker der Pole eines Permanentmagneten dient, die in Einbuchtungen der hermetischen Hülle untergebracht sind. Diese ferromagnetische Federzunge ist zur Verringerung der im Schaltkreis auftretenden elektrischen Widerstände durch einen biegsamen Leiter hoher elektrischer Leitfähigkeit überbrückt

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster 19 29 595 ist ein Relais mit hermetisch abgeschlossenem Kontakt mit ferromagnetischen elastischen Kontaktzungen bekannt, wobei mit dem Ende einer der Zungen außethalb der hermetischen Hülle das erste Ende eines eine Steuerwicklung tragenden Magnetleiters magnetisch leitend verbunden ist Das zweite Ende des Magnetleiters ist in die Nähe des anderen Endes der Kontaktzunge zurückgeführt

In der Schwachstromtechnik sind Relais dieser Art recht zuverlässig und haben eine gute Verschleißfestigkeit, Schnellwirkung und hohen Isolationswiderstand. Sie können vorteilhaft in modernen Halbleiterschaltungen verwendet werden und unter Umständen Halbleiterschalter ersetzen.

Nachteilig ist jedoch, daß wegen der kleinen Arbeitshübe und Kontaktdrücke diese Relais nur für recht begrenzte Stromstärken brauchbar sind, so daß die zulässigen Schaltleistungen bei serienmäßig gefertigten Relais unter 100 VA bleiben und auch bei Einzelfertigung nur die Größenordnung von 500 VA erreichen.

Der niedrige Wert der Nennströme und die geringe Schaltleistung gestatten es trotz ihrer sonstigen Vorteile nicht, solche Relais als Ausgangselement logischer Schaltungen und in Einrichtungen zur automatischen Steuerung von Elektroantrieben als Haupt- und Sperrkontakte von Schützen und Anlassern sowie als Relaiskontakte einzusetzen, wo die Schaltleistung Zehntausende Voltampere und der Nennstrom mehrere 100 Ampere betragen kann.

Eine wesentliche Erhöhung des Kontaktdruckes, des Kontaktabstandes und des Arbeitshubes ist bei den bekannten Relais kaum möglich. Der hierzu notwendigen Erhöhung der elektromagnetischen Kraft steht entgegen, daß im Kreis des magnetischen Flusses Luftspalte vorhanden sind und es deshalb zu Streuungen des magnetischen Flusses kommt, bevor dieser in die ferromagnetischen Federn eintritt. Hinzu kommt, daß die in den ferromagnetischen Kontaktzungen bzw. Kontaktstücke tragenden ferromagnetischen Federn auftretende magnetische Sättigung an sich schon den in den Arbeitsluftspalt kommenden Fluß und folglich die Größe der elektromagnetischen Kraft zwischen den Kontakten begrenzt.

Da die elastische Gegenkraft der dritten Potenz des Querschnittes der ferromagnetischen Feder und die elektromagnetische Kraft der ersten Potenz ihres Querschnittes proportional ist, kann eine Vergrößerung des Querschnittes der Feder nicht beliebig weit getrieben werden, ohne das Relais betriebsunfähig zu machen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, unter Vermeidung der angesprochenen Nachteile ein hermetisch geschlossenes Relais zu schaffen, das wesentlich größere Ströme schalten und größere Sehältleistungen erbringen kann.

Unter Berücksichtigung der beiden beschriebenen bekannten Ausbildungen wird dabei ausgegangen von einem Relais mit hermetisch abgeschlossenem Kontakt aus wenigstens zwei Kontaktelementen, die entsprechende Kontakte tragen, wobei wenigstens eines der Kontaktelemente aus einer ferromagnetischen Feder

besteht und durch einen biegsamen Leiter hoher elektrischer Leitfähigkeit überbrückt ist und mit einem eine Steuerwicklung tragenden Magnetleiter, wobei ein Ende der Feder magnetisch mil: dem ersten Ende des Magnetleiters verbunden ist.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die ferromagnetische Feder starr am ersten Ende des Magnetleiters befestigt ist und das zweite Ende des Magnetleiters, welches den Arbeitsspalt mit der ferromagnelischen Feder bildet, in die hermetische Hülle eingeführt ist und angeordnet ist zwischen dem elektrischen Kontakt auf der ferromagnetischen Feder und der Beifestigungsstelle dieser Feder am ersten Ende des Mngnetleiters, wobei die ferromagnetische Feder durch wenigstens drei dünnere ferromagnetische Plättchen überbrückt ist, welche ebenfalls starr am ersten Ende des Magnetleiters befestigt sind.

Der wesentliche Erfolg dieser Ausbildung liegt in der Verringerung des magnetischen Widerstands aufgrund des praktisch völligen Fehlens parasitärer Luftspalte. Insbesondere kann wegen des ins Innere d-r hermetischen Hülle ragenden Endes des Magnetleiters der Arbeitsluftspalt minimale Abmessungen haben, nämlich gleich der Ankerbewegung an dieser Stelle sein. Der magnetische Fluß gelangt nur über ferromagnetische Elemente zu dem Arbeitsluftspalt des magnetischen Kreises, wobei der Querschnitt der ferromagnetischen Federn die Größe des in den Arbeitsluftspalt kommenden Magnetflusses nicht begren2.t.

Es ist zweckmäßig, wenn das Paket ferromagnetischer Teile bestehend aus Feder und den Plättchen sich im ausgeschalteten Zustand auf einen Vorsprung der verlängerten massiven Stromzuführung stützt, wobei die freie Stirnfläche des Magnetleiters, die in das Relaisinnere ragt, gegenüber der anderen Stirnfläche desselben Magnetleiters, an dem das Paket ferromagnetischer Teile und die Stromzuführung befestigt ist, in Richtung von der Wicklung weg versetzt ist.

Es kanr weiterhin zweckmäßig sein, wenn die Stirnfläche des Magnetleiters, an der das Paket ferromagnetischer Teile und die verlängerte massive Stromzuführung befestigt sind, in das Relaisinnere ragt.

Bei Versuchsmustern des erfindungsgemäßen Relais für einen Nennstrom von 63 bis 100 A sind Kont.aktdrücke von ca. 1,5 kg, Kontaktabstäude von über 2,5 mm und Arbeitshübe von über 1,5 mm erreicht worden. Bei Versuchsmustern für einen Nennstrom von 6,3 bis 10 A sind Kontaktdrücke von über 70 g, Kontaktabstände von über 1,5 mm und Arbeitshübe von über 0,7 mm erreicht worden.

Die Prüfungen des Schaltvermögens der Muster für 6,3 bis 10 A haben gezeigt, daß selbst sie in der Lage sind, eine Grenzleistung von über 10 000 VA zu schalten. Ihre mechanische Verschleißfestigkeit und Schnellwirkung erwiesen sich als hoch. Nach über 150 106 Betriebszyklen waren die Versuchsmuster noch voll einsatzfähig; ihre Ansprechbarkeit lag bei der Einschaltung in einem Bereich von 7 bis 10 ms und bei der Abschaltung bei ca. 1 ms.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Relais mit geschnittener hermetischer Hülle,

Flg. 2 schematisch den Magnetleiter mit den ferromagnetischen AnI χ relemeruen, F i g. 3 die Lage der ferromagnetischen Kontaktfeder in schematischer Darstellung, wenn die Stirnseiten des Magnetleiters in einer Ebene liegen,

F i g, 4 die Lage der ferromagnetischen Kontaktfeder in schematischer Darstellung, wenn die Ebenen der Stirnseiten des Magnetleiters gegeneinander versetzt sind,

F i g. 5 eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Relais, bei dem beide Magnetleiterenden in die hermetische Hülle ragen.

ίο Fig. 1 zeigt ein hermetisch abgeschlossenes Relais mit einer hermetischen Hülle, welche aus Kappen 9 und 10 sowie einer zwischenliegenden isolierenden Hülle 11 besteht. Die Kappen 9 und 10 können aus einem nicht ferromagnetischen Metall gefertigt sein; die Hülse 11

ι j kann z. B. aus Glas gefertigt sein.

Weiterhin ist ein Magnetleiter vorhanden, der aus fertigungstechnischen Gründen aus einem mit dem einen Ende in die Endkappe 9 hineinragenden Schenkel 12 und einem außerhalb der Hülle befindlichen Joch 13 besteht

Das Magnetleitenoch 13 liegt derart, daß seine Stirnseite 5 an dem Außenende einer leichten, einen beweglichen Kontakt 2 tragenden ferromagnetischen Feder 6 dicht anliegt Das andere Ende des Ma^netleiters, nämlich die freie Stirnseite 7 des Schenkels 12, ragt in das innere der hermetisch abgedichteten Hülle und befindet sich in unmittelbarer Nähe der ferromagnetischen Feder 6 zwischen der Befestigungsstelle des beweglichen Kontaktes 2 an dieser und deren Befestigungsstelle an der Endkappe 9 der Hülle.

Auf das Magnetleiterjoch 13 ist die die erforderliche magnetomotorische Kraft erzeugende Wicklung 8 aufgebracht.

Zur Vergrößerung der Strombelastbarkeit des Relais und zur Vermeidung von Leistungsverlusten und einer übermäßigen Erhitzung ist die den beweglichen Kontakt 2 tragende ferromagnetische Feder 6 durch eine flexible kupferne Leitung 14 überbrückt.

Das eine Ende der Überbrückungsleitung ist unmittelbar an die Kontaktplatte und das andere an die massive Stromzuführung 16 des beweglichen Kontaktes, dessen Ende als Vorsprung 15 in das Innere der Hülle eingeführt wird und zugleich die Funktionen eines Hubbegrenzers oer als Anker wirkender! Feder 6 übernimmt, angeschlossen, z. B. angeschweißt. Der als Anschlag dienende hubbegrenzende Vorsprung 15 der Stromzuführung eröffnet die zusätzliche Möglichkeit, bei der Montage der Relais vor Anbringung des Glaskolbens eine exakte Einstellung der Größe des Kontaktabstandes und damit des Arbeitshubs des beweglichen Kontaktes vorzunehmen.

Der andere Kontakt 3 ist unbeweglich und wird von einer massiven Platte 17 hoher elektrischer Leitfähigkeit getragen, welche zugleich den anderen Außenan-Schluß des Relais darstellt.

Zur Betätigung des Relais wird die Wicklung 8 an eine Stromquelle angeschlossen, wodurch im Magnetleiter 12,13 eine magnetomotorische Kraft entsteht, die einer Magnetfluß erzergt, der über den Magnetleiter und die

fio den Kontakt 2 tragende und zugleich als Anker wirkende ferromagnetische Feder 6 fließt und in den Arbeitsluftspalt des magnetischen Kreises gelangt, wodurch hier eine elektromagnetische Anziehungskraft erzeugt wird. Unter der Wirkung dieser Kraft erfährt die Feder 6 eine elastische Verformung, wodurch sich der an ihrem Ende angeordnete bewegliche Kontakt 2 bis zur Schließung mit dem unbeweglichen Kontakt 3 bewegt.

Bei der Abschaltung der Wicklung 8 kehrt die Feder 6 unter Einwirkung der elastischen Kräfte in die Ausgangslage zurück, wodurch die Kontakte geöffnet werden.

Der Strom fließt bei geschlossenem Relais nur über Elemente mit hoher elektrischer Leitfähigkeit. Dadurch kann das Relais für größere Ströme ausgelegt werden.

Da beim Schließen der Kontakte die elastische Kraft der Ankerfeder 6 entgegen der magnetischen Anzieheng, also im Sinne einer Verringerung des Kontaktdrucks, wirkt, kann es sein, daß für die jetzt verwiiklichbaren größeren Ströme der Kontaktdruck nicht ausreicht. Andererseits kann der Querschnitt der Ankerfeder auch nicht zu klein bemessen werden, weil diese sonst zu schnell in die Sättigung geraten würde, wodurch der Magnetfluß und damit die Anziehungskraft wieder begrenzt würde.

Da die Steifheit einer Feder proportional mit ihrem I ragheitsmomenl wachs!, in weiches die Dicke in dritter Potenz eingeht, die Querschnittsfläche bei gegebener Breite jedoch nur proportional mit der Dicke wächst, /cigt sich, daß schon eine geringfügige Vergrößerung der Stärke der Feder eine erhebliche Zunahme der dem Schließen der Kontakte entgegenwirkenden elastischen Rückstellkraft bewirkt. Diese Gegenkraft wächst also viel schneller als die elektromagnetische Anziehungskraft ansteigt, und das Relais wird bei weiterer Vergrößerung der Stärke der ferromagnetischen Feder betriebsunfähig.

Um die Sättigung der Ankerfeder durch eine nicht ausreichende Querschnittsfläche derselben zu vermeiden ohne eine /u starre Feder zu erhalten, sind parallel zur Feder 6 wenigstens drei dünnere ferromagnetische Plättchen 20, 21, 22 vorgesehen. Dies gestattet es, die elektromagnetische Kraft erheblich zu vergrößern, da mit ansteigendem Querschnitt die Sättigung ab- und der Luftspaltfluß zunimmt. Hierbei ändert sich die elastische Rückstellkraft praktisch nicht.

Wenn man zum Beispiel parallel zur Hauptfeder 6 fünf ferromagnetische Federn einbaut, deren Dicke ein Fünftel der Dicke der Hauptfeder beträgt, so steigt der Querschnitt des Ankers um das Zweifache, die elastische Rückstellkraft jedoch nur um das 1.04fache an. wie sich rechnerisch leicht zeigen läßt.

Mit einer solchen Ausbildung können nicht nur Nennströme bis zu einigen 100A erreicht werden, sondern es wird auch die Stoß- und Vibrationsfestigkeit des Relais erhöht, außerdem nehmen die Wirbelströme ab. die im Anker im Augenblick der Ein- und Abschaltung der Erregerwicklung entstehen können, was die Ein- und Atachaltzeit herabsetzt.

Wie aus F i g. 1 und 2 ersichtlich, ist an der Stirnseite 5 des Magnetleiterjochs 13 das eine der Enden der ferromagnetischen Blattfeder 6 mit den Plättchen 20,21, 22 in der Weise starr befestigt daß in der Ausschaltsteliung zwischen der anderen Stirnseite 7 und der Feder 6 der Arbeitsluftspalt liegt, dessen Größe durch den eine Vorspannung sichernden Vorsprung 15 festgelegt ist In dieser Stellung liegen alle Federn im Bereich des Arbeitsluftspaltes dicht aneinander, wodurch die zur Überleitung des Flusses im Arbeitsluftspalt erforderliche magnetomotorische Kraft reduziert wird.

Der Kontakt 2 ist an der stärkeren ferromagnetischen Feder 6 befestigt und die dünneren ferromagnetischen Plättchen 20,21.22 bleiben mit ihrem rechten Ende frei.

Falls die Stirnseiten 5 und 7 des Magnetleiters in einer Ebene liegen, wie dies in F i g. 3 schematisch dargestellt ist. wird die Feder in der angezogenen Endlage den Kern nur auf einer, hier der rechten Seite berühren; auf der anderen Seite wird sich zwischen der Feder und dem Kern ein Spalt 23 ausbilden. Wenn die elektromagnetische Kraft die durch die Feder entwickelte elastische Kraft beträchtlich übersteigt, so kann zwar die Feder satt an die Stirnflächen 7 des Kerns angezogen werden, jedoch werden hierbei in dieser große Eigenspannungen entstehen, die das Zulässige bedeutend übertreffen. Dies kann zur Entstehung einer bleibenden Verformung und damit zu einer Veränderung der Daten des Relais und zu einer Herabsetzung der Betriebszuverlässigkeit führen.

Darüber hinaus vergrößert das Vorhandensein eines großen Spaltes uei angezogener Ankerfeder den gesamten Spalt in der Ausschaltstellung und verringert die magnetische Leitfähigkeit des Arbeitsspaltcs. Es wird dann zur Erreichung des erforderlichen Kontaktabstandes, Arbeitshubes und Kontaktdruckes eine erhöhte Amperewindungszahl benötigt.

in diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, die Befestigungsstelle der Feder in bezug auf den Magnetlciter derart anzuordnen, wie dies in F i g. 4 gezeigt ist, damit bei angezogenem Anker kein Spalt zwischen der Feder und der Magnetleiterstirnflächc bleibt. Dies kann erreicht werden, wenn die Einspannstelle der Feder aus dem Punkt Oin den Punkt Oi um die mit Bezugszeichen 24 versehene Entfernung A versetzt wird. Dann wird der mit Bezugszeichen 23 versehene Spalt Λ>·.{>· i g. J) vermieden.

Wie die durchgeführten Berechnungen und Untersuchungen gezeigt haben, ist es zweckmäßig, die Einspannstelle der Feder bezüglich der durch die Arbeitsstirnfläche des Magnetleiters gehenden Ebene um einen Wert Δ zu versetzen, der dem halben Arbeitsspalt A_n im geöffneten Zustand des Relais gleich ist:

j

Auf diese Weise können unwirksame Luftspalte im magnetischen Kreis praktisch vermieden werden, weil die den beweglichen Kontakt tragende Feder satt an die den Arbeitsluftspalt bildende Stirnfläche des Magnetleiters angezogen werden kann.

j; Zur Ermöglichung einer noch zuverlässigeren hermetischen Abdichtung des Relais und zur Vereinfachung der Herstellung ist es zweckmäßig, wenn die ferromagnetischen Platten nicht aus der Hülle nach außen ragen und die Verbindung der Konstruktionsteile durch Schweißen oder Löten zustande kommt. Dies kann dadurch erreicht werden, daß auch das von uen Kontakten weiter entfernte Ende des Magnetleiters in das Innere der hermetischen Hülle ragt sowie durch einen zusammengesetzten Aufbau dieser Hülle, wobei ihr isolierender Teil angeschweißte metallische Endstükke aufweist, die z. B. aus Kovar (eine Ni-Co-Fe-Legierung) hergestellt sind. Ein Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 5.

Die Hülle ist bei dieser Ausführungsform zusammengesetzt aus einer metallischen, nicht ferromagnetischen Hülse 26 und einer in deren Boden eingebauten Scheibe 27. Mit der Hülse 26 sind zwei Schenkel 12 und 18 des Magnetleiters fest verbunden, deren eine Stirnseite 7 und 29 innerhalb und deren andere Stirnseite 30 und 31

ft<i außerhalb der Hülse liegen. Die Stirnseite 7 des einen Schenkels ist wie auch bei den vorstehend betrachteten Ausführungen in unmittelbarer Nähe der ferromagnetischen Felder 6 gelegen, wobei sie mit der letzteren den

Arbeitsluftspalt 19 bildet, während die in das Innere der Hülse 26 eingeführte Stirnseite 29 des zweiten Schenkels an dem Ende der den Kontakt 2 tragenden ferromagnetischen Feder 6 dicht anliegt. An der Stirnseite 29 dieses Schenkels werden auch die dünnen ferromagnetischen Platten 20, 21, 22 sowie die massive verlängerte Stromzuführung des beweglichen Kontaktes 2 befestigt, deren eines Ende 16 durch die öffnung der Scheibe 27 aus der Hülle herauskommt und das andere Ende 15, an das die flexible Leitung 14 angeschlossen ist, als eine Stützfläche für die als Anker wirkenden Platten 22,21,20 des Elektromagneten dient.

An den außerhalb der Hülle liegenden Stirnseiten der Magnetleiterschenkel 30 und 31 ist das Joch 32 befestigt, auf dem die Wicklung 8 sitzt.

Der beispielsweise aus Glas hergestellte Isolierteil 11

der Hülle ist an den Enden mit metallenen, z. B. aus Kovar bestehenden Ringen 33 und 34 zusammengeschweißt.

In den Ring 34 ist die Scheibe 35 eingesetzt, wodurch die zweite Endkappe der Hülle gebildet wird. Durch die Scheibe 35 verläuft die zweite massive Stromzuführung 18 mit dem unbeweglichen Kontakt 3.

Das zweite mit dem Isolierteil 11 der Hülle ein Ganzes bildende Ende des Ringes 33 wird nach der Einstellung des Kontaktabstandes und des Kontaktdruckes mit der Hülse 26 in der Weise fest verbunden, daß der hinter dem finde der Hülse 25 befindliche Teil des Glases für die bei der Schaltung von größeren Strömen entstehenden Mctallspritzcr unzugänglich wird.

809 614/167

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Relais mit hermetisch abgeschlossenem Kontakt aus wenigstens zwei Kontaktelementen, die entsprechende Kontakte tragen, wobei wenigstens eines der Kontaktelemente aus einer ferromagnetischen Feder besteht und durch einen biegsamen Leiter hoher elektrischer Leitfähigkeit überbrückt ist und mit einem eine Steuerwicklung tragenden Magnetleiter, wobei ein Ende der Feder magnetisch mit dem ersten Ende des Magnetleiters verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetische Feder (6) starr am ersten Ende des Magnetleiters (13) befestigt ist und das zweite Ende des Magnetleiters, welches den Arbeitsspalt mit der ferromagnetischen Feder bildet, in die hermetische Hülle eingeführt ist und angeordnet ist zwischen dem elektrischen Kontakt (2) auf der ferromagnetischen Feder (6) und der Befestigungsstelle dieser Feder am c;sten Ende des Magnetleiters, wobei die ferromagnetische Feder durch wenigstens drei dünnere ferromagnetische Plättchen überbrückt ist, welche ebenfalls starr am ersten Ende des Magnetleiters befestigt sind.

2. Relais mit hermetisch abgeschlossenem Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Paket ferromagnetischer Teile bestehend aus der Feder (6) und den Plättchen (20, 21, 22) sich im ausgeschalteten Zustand auf einen Vorsprung (15) der verlängerten massiven Stromzuführung (16) stützt, wobei die freie Stirnfläche (7) des Magnetleiters (13), die in das Relaisinne.e rag, gegenüber der anderen Stirnfläche (5) desselben Magnetleiters, an dem das Paket ferromagneti; :her Teile und die Stromzuführung befestigt ist, in Richtung von der Wicklung (8) weg versetzt ist.

3. Relais mit hermetisch abgeschlossenem Kontakt nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (5) des Magnetleiters, an der das Paket ferromagnetischer Teile und die verlängerte massive Stromzuführung befestigt sind, in das Relaisinnere ragt.