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lektromagnetisches Schaltgerät
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Die Erfindung betrlfft ein elektromagnetisches Schaltgerät gemac dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Be leser. offenkundig vorbenutzten Schaltgerät ist der Anker als längsverschieblicher
Spulenkern ausgeführt und wird bei Erregung der Spule gegen die Kraft einer Rückstellfeder
in die Spule hineingezogen, wodurch das als zweiarmiger Hebel ausgebildete, um eine
zur Spulenkörperachse rechtwinklige Achse drehbare Zwischenstück den Kontaktbrückenträger
gegensinnig parallel zu der Bewegung des Ankers verschiebt.
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Des weiteren sind auch elektromagnetische Schaltgeräte der verder
schiedensten Bauf ~«bekannt, bei denen/Anker außerhalb des Spulenraumes liegt und
als Klappanker ausgebildet ist (vgl. z.B.
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DE-PS 25 16 535@.
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Rekannich können solche häufig auch als Schütze bezeichneten Schaitgeräte
je nach Bedarf mit einem oder mehreren Schließer-und/oder Offnerkontakten bestückt
werden. Ihnen allen ist aber gerrelnsam, daß sie ir. ihrer Arbeitslage ständig Erregerleistung
verbrauchen.
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Der Erfindung iiegt die Aufgabe zugrunde, ein elektromagnetisches
Schaltgerät der einganges genannten Art zu schaffen, das zur Änderung seiner Arbeitslage
bzw. seines Schaltzustandes erheblich weniger Steuer- oder Erregerleistung als die
bisher bekannten Bauformen benötigt Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß der den Anker und die Polbleche umfassende Magnetkreis eine Permanentmagnet-Anordnung
enthält.
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Durch diese Ausbildung des Schaltgerätes gelingt es, die aus der Relaistechnik
bekannten Vorteile polarisierter Relais für das Gebiet der Starkstromtechnik und
Leistungselektronik nutzbar zu machen. Bei symmetrischer Ausbildung der Polbleche
hat das Schaltgerät bistabiles Schaltverhalten, erfordert also zur Anderung des
Schaltzustandes jeweils nur einen kurzen Stromstoß, wobei die Endlage des Ankers
von der Richtung dieses Stromstoßes abhängt. Hierbei wird nicht nur eine erhebliche
Steuerenergie eingespart sondern auch die Steuerleistung kann gegenüber den Schaltgeräten
der bekannten Art beträchtlich verringert werden, da die Permamentmagnetanordnung
für die erforderliche Kontaktkraft sorgt, ein beträchtlicher Teil der Kontaktkraft
jedoch in den Kontaktfedern gespeichert und somit bei dem folgenden Schaltvorgang
zurückgewonnen wird.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Schaltgerätes besteht darin, daß
die Permanentmagnetanordnung aus zwei stabförmigen, parallel zur Spulenkörperachse
verlaufenden, durch eine Weicheisenplatte magnetisch verbundenen Permanentmagneten
besteht und zwischen den oberen Rändern der beidseits der Spule gegenüberliegend
angeordneten Polbleche sitzt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, die unbewickelten
Eckbereiche des rechteckigen Spulenkörperquerschnittes zur Unterbringung der fertigungstechnisch
einfach herstellbaren stabförmigen Permanentmagnete nutzen zu können.
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Eine Weiterbildung dieser Ausführungsform besteht darin, daß die Permanentmagnet-Anordnung
zu einem einstückigen Teil durch eine Kunststoffumspritzung verbunden ist, deren
Oberseite den Boden des Kontaktraumes bildet und eine Längsnut zur Führung des Kontaktbrückenträgers
hat. Auf diese Weise wird erreicht, daß der gesamte Magnetkreis - abgesehen von
dem Anker - lediglich aus drei Teilen besteht, nämlich den beiden auf je einer Seite
der Spule angeordneten Polblechen und der Permanentmagnetanordnung, wodurch sich
auch die Montage des Schaltgerätes entsprechend vereinfacht.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Schaltgerätes besteht
darin, daß die Polbleche beidseits über die entsprechenden Spulenkörperflansche
des Spulenkörpers hinausreichen und zu mit dem Anker zusammenwirkenden Polschuhen
umgeformt sind. Durch eine unsymmetrische Gestaltung der Polschuhe, z. B durch unterschiedlich
große Polschuhflächen, läßt sich auf einfachste Weise a.-ste5'e eines bistabilen
Schaltverhaltens monostabiles Verhalten erzielen.
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Nach einem weiteren merkmal der Erfindung ist der Anker im Bereich
seines mit dem Zwischenglied verbundenen Endes um eine waaZerechte Achse drehbar
gelagert. Diese Bauform ermöglicht es, de@ Anker reibungsarm und präzise zu führen
und erspart darüberhinaus weitere Drehpunkte oder Drehachsen für das Zwischenglied.
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Eine Weiterbildung dieser Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus,
daß das Zwischergl.ied aus elastischem Kunststoff besteht, an seiner dem Anker abgewandten
Ende V-förmig geschlitzt ist und nit dieser unter elastischer Verformung der beiden
V-Schenkel in eier A<snehmung des Kontaktbrückenträgers sitzt. Hierdurch wird
eine spielfreie Verbindung des Zwischengliedes mit dem konstaktbrückenträger erzielt,
ohne diese Bauteile besonders eng tolerieren zu müssen.
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Verzugsweise wirkt der Anker mit einer Feder zusammen, die in jeder
seiner beiden Endlagen einen Teil der durch die Permanentmagnetanordnung erzeugten
Anzugskraft speichert.
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Zweckmäßigerweise ist diese Feder als Blattfeder ausgebildet, deren
eines Ende in dem V-förmigen Schlitz des Endes des Zwischengliedes sitzt und deren
anderes Ende sich gegen das Gehäuse des Schaltgerätes abstützt. Diese Ausführungsform
ergibt eine besonders geringe Bauhöhe des Schaltgerätes durch die raumsparende Unterbringung
eines Teiles der Blattfeder in dem V-förmigen Schlitz des Endes des Zwischengliedes.
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Neue Anwendungsgebiete erschließen sich dem Schaltgerät nach der Erfindung
durch eine Weiterbildung, bei der die Feder uerart vorgespannt ist, daß der Anker
eine stabile ZwischenstelTung zwischen seinen beiden möglichen Endstellungen hat.
Das Schaltgerät hat dann also tristabiles Schaltverhalten und kann damit vor allem
für die Steuerung drehrichtungsumkehrbarer Elektromotore verwendet werden, bei denen
vor Einschaltun der neuen Drehrichtung zumindest annähernder Stillstand abgewartet
rde muß, um übermäßig hohen Kontaktverschleiß zu vermeiden. lurch geeignete Bemessung
von Amplitude und Dauer zuges Steuerimpulses kann der Anker aus seiner einen Endlage
zunächst in die stabile Zwischenstellung, vorzugsweise seine Mittelstellung, und
scu2nn nach einer wählbaren Zeit durch einen gleichartigen Impuls In die andere
Endstellung gebracht werden. Durch einen leistungsstärkeren Impuls kann aber auch
die stabile LwischensteJlung wahlweise überfahren werden.
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Eine Feder mit den geforderten Eigenschaften läßt sich auf einfache
Weise aus zwei gegensinnig vorgespannten Federteilen erhalten, deren Vorspannungen
sich in der Zwischenstellung gegenseitig aufheben. Unsymmetrische Bauformen durch
Verwendung von Federteilen unterschiedlicher Charakteristik und/ouer zusätzlicher
Permanentmagnete, die dazu führen, daß er Anker bei gtelchem Steuerimpuls die Zwischenstellung
nur auf dem weg von seIrer ersten Endlage zu seiner zweiten Endlage, nicht aber
auf dem umgekehrten Weg einnehmen kann, sind ebenfalls möglich.
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Eine weitere Ausführungsform des Schaltgerätes besteht darin, daß
für die vom Kontaktbrückenträger betätigten Schaltstellen für die einzelnen Strombahnen
jeweils eine Hauptkontaktbrücke und eine Vorkontaktbrücke vorgesehen sind. Bevorzugt
ist hierbei, daß Hauptkontakt und Vorkontakt getrennt abgefedert sind.
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Mit Vorteil sind die Hauptkontaktbrücke und die Vorkontaktbrücke einstückig
ausgebildet und somit elektrisch leitend miteinander verbunden. Hierbei übernimmt
der Vorkontakt, der beim Einschalten zuerst schließt und beim Ausschalten zuletzt
öffnet
den Lichtschaltbogen, während der Hauptkontakt lediglich die Aufgabe hat, den gewünschten
niedrigen Kontaktwiderstand sicherzustellen. Dies hat den Vorteil, für den Vorkontakt
und für den Hauptkontakt das für die jeweilige Aufgabe am besten geeignete Kontaktmaterial
verwenden zu können.
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Bei einer fertigungstechnisch bevorzugten Ausführungsform des Schaltgerätes,
bei der der Spulenkörper alle Befestigungs- und Tragefunktionen erfüllt, hat der
Spulenkörper angeformte Befestigungslappen für das Schaltgerät, Rastungen zum Festlegen
der Polbleche und Nasen zum Aufschnappen einer das Gehäuse des Schaltgerätes bildenden
Kappe.
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In der Zeichnung ist das Schaltgerät nach der Erfindung in einer beispielsweise
gewählten Ausführungsform in mehreren Schnitten und Einzelheiten dargestellt. Es
zeigt: Figur 1 - das Schaltgerät nach der Erfindung in einer Schnittdarstellung
längs der Linien B-E, C-E und D-E in Figur 2, Figur 2 - einen Schnitt durch das
Schaltgerät längs der Linie A-A in Figur 1, Figur 3 - eine linke Seitenansicht des
Schaltgerätes mit teilweise weggebrochener Kappe, Figur 4 - einen Schnitt durch
das Schaltgerät längs der Linie F-F in Figur 1, Figur 5 - einen Schnitt durch das
Schaltgerät längs der Linie G-G in Figur 4, Figur 6 - einen Teilschnitt durch das
Schaltgerät längs der Linie H-H in Figur 2, Figur 7 - ein Kraft/Ankerweg-Diagramm
und Figur 8 - eine Einzelheit des Schaltgerätes in einer einen tristabilen Betrieb
ermöglichenden Weiterbildung.
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Das in Fig. 1 dargestellte Schaltgerät umfaßt einen Spulenkörper 1
mit seitlichen Flanschen 2 und 3, an welche Befestigungslappen 2a und 3a angeformt
sind, die eine Schraubbefestigung des Schaltgerätes ermöglichen. Der Spulenkörper
1 bildet gleichzeitig den Grundkörper des Schaltgerätes, an dem alle weiteren wesentlichen
Teile vorzugsweise durch Einrasten oder Aufschnappen festgelegt sind, wie noch im
einzelnen erläutert werden wird.
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Der Spulenkörper 1 hat ein durchgehendes Kernloch, in dem sich ein
schwenkbarer, bei 37 exzentrisch gelagerter Anker 4 befindet.
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Beidseits des Spulenkörpers 1 sind Polbleche 5, 6 angeordnet, die
nach dem Einführen des Ankers 4 vop der Breitgepte her aufsowie 5a' unda geschoben
und durch Rastungen 5a und 6a (vgl. Fig. 2, 3) unverdrückbar gehalten werden, so
daß sie mit dem Spulenkörper 1 und dem agnetanker 4 eine Montageeinheit bilden.-
Die Polbleche 5, 6 sind an ihren beiden jeweils über die Flansche 2, 3 des Spulenkörpers
1 überstehenden Enden zu Polschuhen 5' und 5" bzw. 6' und 6" abgewinkelt und umgeformt.
Mit seinem vom Drehpunkt 37 entfernten Ende liegt der Anker 4 je -nach Arbeitslage
entweder an dem Polschuh 5' oder an dem Polschuh 6' an. Das dem Drehpunkt 37 näherliegende
Ende des Ankers 4 befindet sich in einer Ausnehmung in den sich überlapp-enden Polschuhen
5" und 6", wobei die Abmessungen dieser Ausnehmung so gewählt sind, daß unter Berücksichtigung
des Ankerweges ein gewünschter Restluftspalt verbleibt.
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Wie am besten aus Fig. 5 ersichtlich, enthält der aus dem Anker 4
und den Polblechen 5, 6 und deren Polschuhen bestehende Magnetkreis eine Permanentmagnetanordnung
9, die sich zwischen den oberen Längsrändern der Polschuhe 5,6 befindet. Diese Permanentmagnetanordnung
9 bildet damit gleichzeitig die obere Abdeckung des Spulenraumes und trennt diesen
von dem darüber angeordneten Kontaktraum. Die untere Abdeckung des Spulenraumes
besteht aus einer in Ausklinkungen der Polbleche 5, 6 einschnappbaren Kunststoffwanne
50 (vgl. Fig. 5 und 1). Die Dauermagnetanordnung 9 umfaßt zwei stabförmige Dauermagnete
9a, 9b, die parallel zur Spulenlängsachse orientiert und durch eine Weicheisenplatte
9c magnetisch miteinander verbunden sind. Die Teile 9a bis 9c sind durch eine Kunststoffumspritzung
9d zu einer einstückigen Montageeinheit verbunden. Für die Kunststoffumspritzung
9d wird bevorzugt ein Duroplast verwendet, da die Oberseite der Umspritzung den
Boden des darüberbefindlichen Kontaktraumes bildet und dem öffnungslichtbogen der
Kontakte ausgesetzt ist.
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Gemäß Fig. 1 ist mit dem hier lediglich aus fertigungstechischen Gründen
aus zwei Blechstreifen bestehend dargestellten Anker 4 im Bereich seines Drehpunktes
37 ein rechtwinklig zur Längsachse
des Ankers 4 verlaufendes Zwischenstück
60 fest verbunden, das aus Kunststoff besteht und mit dem Anker 4 durch teilweises
Umspritzen desselben unter Einschluß eines den Anker durchquerenden Zapfen 61 und
der Lagerzapfen 62 (vgl. Fig. 4) vereinigt ist.
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Das freie Ende 63 des Zwischenstückes 60 ist V-förmig geschlitzt (s.Fig.
1), sitzt elastisch klemmend in einer Ausnehmung eines Kontaktbrückenträgers 10
und nimmt das untere Ende einer Blattfeder 64 auf, deren oberes Ende in einer V-förmigen
Ausnehmung einer Gehäusekappe 7 aus Kunststoff sitzt.
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Diese Gehäusekappe 7, die über Schultern 7a auf der Kunststoffumspritzung
9d des Dauermagnetteiles 9 aufliegt (vgl. Fig. 3) ist gemäß Fig. 1 über Sperrklinken
lla, 12b und an dem Spulenkörper 1 ausgebildete Nasen llb, 12b (s. Fig. 3 und 4)
auf den Spulenkörper aufgeschnappt. Wie aus den Fig. 1, 2 und 5 erkennbar ist, sind
in die Gehäusekappe 7 Festkontakte 8 eingesteckt oder eingebettet, die wahlweise
mit einem Schraubanschluß 14 oder mit einem Steckanschluß 15 (s. Fig. 5) versehen
sein können.
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Zur Abdeckung und als Berührungsschutz für die Anschlüsse 14 bzw.
15 dient ein Isolierdeckel 13, der durch Rastfedern 18 (s. Fig. 1), die in eine
Hinterschneidung 19 der Gehäusekappe 7 eingreifen, mit letzterer verbunden ist.
Gemäß Fig.5 ist der Isolierdeckel 13 mit einer Führungsöffnung 16 für einen Schraubendreher
und mit einem Einfilhrtrichter 17 für das Ende der Anschlußleitung (nicht dargestellt)
versehen.
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Der gemäß Fig. 1 von dem Anker 4 über das Zwischenstück 60 verschiebbare
Kontaktbrückenträger 10 ist nach Fig. 5 als zweiteiliger Schieber ausgebildet, dessen
Unterteil 10a in einer Nut der Kunststoffumspritzung 9d der Permanentmagnetanordnung
9 geführt ist, während das Oberteil lOb in der Gehäusekappe 7 geführt ist und einen
Fortsatz 10c hat, der in einer Nut 13a des Isolierdeckels 13 endet und sowohl eine
Handbetätigung des Schaltgerätes zuläßt als auch als Schaltstellungsanzeige dient.
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Der Kontaktbrückenträger ist je Festkontaktpaar mit zwei parallelen
Kontaktbrücken bestückt, nämlich einem Hauptkontakt 25 und
einem
Vorkontakt 26, die über getrennte Federn 25a und 26a (vgl. Fig. 4) in der Bewegungsrichtung
Z des Kontaktbrückenträgers 10 beweglich gelagert sind. Die Kontaktdruckfedern 25a,
26a sind hierbei in getrennten Gleitstücken 30, 31 untergebracht, welche einerseits
die Einhaltung der erforderlichen Kriech- unå-Luftstrecken gewährleisten und andererseits
die Kontakte 25 und 26 lagerichtig fixieren. Der Hauptkontakt 25 ist zur Gewährleistung
eines kleinen Durchgapwiderstandes als kurze Kontaktbrücke mit relativ großem Querschnitt
ausgebildet und hat eine Kontaktmaterialauflage aus AgCu 1,5 oder AgMgNi 0,15.
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Da sich bei der gewählten Kontaktanordnung eine U-förmige Stromflußschleife
ergibt, so daß der Lichtbogen in Richtung des Pfeils X abgedrängt wird, ist der
unterbrechende Kontakt oder Vorkontakt 26 gegenüber dem Hauptkontakt 25 tiefergelegt,
so daß der letztere weitgehend frei von Beeinflussungen durch den Lichtbogen bleibt.
Der unterbrechende Kontakt 26, der gegenüber dem Hauptkontakt 25 als erster schließen
und als letzter öffnen muß, kann mit AgCdOi2 oder AgSn02i0 als Kontaktmaterial beschichtet
sein, wodurch zwar die Abwanderungsneigung des Lichtbogens verschlechtert, der Abbrand
jedoch verringert wird, während auf einen niedrigen Durchgangswiderstand nur in
zweiter Linie Rücksicht genommen zu werden braucht, da dieser - abgesehen während
des unmittelbaren Schaltvorganges - durch den Hauptkontakt 25 und den hierfür gewählten
Kontaktwerkstoff sichergestellt ist.
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Im Bereich 32a, also in der Wanderungsrichtung X des Lichtbogens,
ist die Kunststoffumspritzung 9d der Permanentmagnetanordnung 9 mit düsenartigen
Öffnungen verstehen, die die Lichtbogengase über Öffnungen 35 in der Gehäusekappe
7 entweichen lassen. Zur Lenkung des Lichtbogens und der durch diesen entwickelten
Gase sind Schrägflächen 36 und 36a an den jeweiligen Teilen angeformt, die bei hohen
Schaltleistungen einen Düseneffekt zur Unterstützung der Reinigung des Kontaktraumes
von den entstandenen Gasen erzeugen.
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Figur 6 veranschaulicht die Kontaktierung der Spulenwicklung la.
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Hierzu ist im Spulenkörper 1 je eine federnde Anschlußfahne 44
für
den Wicklungsanfang und das Wicklungsende eingesetzt, die beim Aufschieben der Gehäusekappe
7 auf den Spulenkörper 1 zur Auflage auf eine zugeordnete, feststehende Fahne kommt,
die mit einem Spulenanschluß 45 verbunden ist.
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Das anhand der Fig. 1 bis 6 beschriebene elektromagnetische Schaltgerät
kann sowohL bistabiles als auch monostabiles Schaltverhalten haben, wobei das letztere
beispielsweise durch unterschiedliche Dimensionierung der Flächen der Polschuhe
5' und 6' erreichbar ist. In beiden Fällen kann auf die Blattfeder 64 (Fig. 1) ggf.
auch verzichtet werden. Monostabiles Schaltverhalten ist aber auch durch eine entsprechende
Auslegung, insbesondere eine geeignete Vorspannung der Blattfeder und/oder durch
die Anordnung zusätzlicher Federn, die auch unmittelbar auf den Anker 4 wirken können,
möglich.
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Eine besonders interessante Weiterbildung des Schaltgerätes, die diesem
neue Anwendungsgebiete erschließt, ermöglicht aber auch ein tristabiles Schaltverhalten,
schafft also eine stabile Zwischenstellung für den Anker, in der sämtliche Kontakte
geöffnet sind. Diese Weiterbildung eignet sich insbesondere auch für die Steuerung
von Umkehrantrieben, für die bisher zwei Wendeschütze notwendig waren. Um den Anker
4 des Schaltgerätes in einer stabilen Zwischenstellung, vorzugsweise einer Mittelstellu,zu
halten, muß die Blattfeder 64 die aus dem Diagramm der Fig. 7 ersichtliche Kraft/Ankerweg-Charakteristik
haben, also in der angestrebten Mittelstellung eine gewisse Mindestvorspannkraft
erzeugen, die den Anker 4 nach dem Abwerfen sicher in der Mittelstellung hält.
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Dies kann in einfacher Weise durch die in Fig. 8 dargestellte Ausbildung
der Feder 64 erreicht werden. Die Feder 64 besteht hierbei aus zwei gegensinnig
vorgespannten Federteilen 64a, 64b, die mit ihrem einen Ende in der Ausnehmung des
V-förmig geschlitzten oberen Endes 63 des Zwischenstückes 60 sitzen und sich mit
ihren anderen Enden an einem Steg 7a in einer Ausnehmung 7b der Gehäusekappe 7 abstützten.
Die Vorspannung der Feder 64
kann hierbei auch so bemessen werden,
daß der Anker 4 durch einen Abwurfimpuls in die stabile Mittelstellung gebracht
wird, bei Ansteuerung der Spule mit einem demgegenüber energiereicheren Umschaltimpuls
die Mittelstellung hingegen überfahren wird und der Anker in seine andere stabile
Endlage kommt.
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Das geschilderte tristabile Schaltverhalten kann selbstverständlich
nicht nur durch geeignete Auslegung der Feder 64 sondern auch durch andere, statt
letzterer oder zusätzlich vorgesehene und unmittelbar auf den Anker 4 einwirkende
Federn erreicht werden.
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