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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Ankerfeder für ein Relais mit einem Befestigungsteil,
mit dem die Ankerfeder an einem Anker oder an einem Axiallager befestigt
werden kann, einem länglichen Federteil,
der an einem ersten Ende mit dem Befestigungsteil befestigt ist,
sowie mit einem Hebel neben dem Federteil, umfassend einen Tragbereich
zum Tragen des Hebels auf dem Axiallager oder Anker.
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Ankerfedern
erfüllen
im Allgemeinen mehrere Aufgaben. Der Anker in eine offene Position
und sie drängen
den Anker gegen ein Ankerlager, so dass eine Ankerdrehachse erzielt
wird. Sie können
auch sicherstellen, dass eine Öffnungskraft
mit einem Kontaktpaar ausgeübt
werden kann, das über
eine Kontaktfeder mit dem Anker verbunden ist.
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Die
EP 0707331A1 beschreibt
eine Ankerfeder des oben erwähnten
Typs, die in der Form eines an beiden Enden befestigten Trägers angeordnet
ist. Die Mitte des Trägers
umfasst einen Vorsprung, der in eine Aussparung eines Ankers eingreift.
Die Ankerfeder und die Aussparung in dem Anker werden dadurch so
positioniert, dass der Anker in eine offene Position vorgespannt
wird. Während
des Schließens des
Ankers erfährt
die Ankerfeder eine Biegebeanspruchung. Eine Anordnung dieses Typs
ist jedoch für
Anker mit einem großen
Drehwinkel nicht geeignet. Ferner ist die Rückstellkraft dieser bekannten Ankerfeder
minimal und in vielen Fällen
unzureichend.
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Aus
der
US 2847620 ist eine
Ankerfeder gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 bekannt.
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Außerdem sind
Torsionsfedern als Ankerfedern bekannt, die spiralförmige Torsionsfedern
haben. Diese bekannten Federn haben den Nachteil, dass sie einen
erheblichen Konstruktionsraum erfordern, wobei der Bereich neben
der Feder jedoch unbenutzt bleibt, was Bemühungen zuwider läuft, eine Miniaturisierung
und ein kompaktes Design zu erzielen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ankerfeder bereitzustellen,
die nicht nur den Anker vorspannt, sondern diesen auch gegen ein Lager
drückt,
und die für
einen hohen Ankerdrehwinkel geeignet und trotzdem durch kompakte
Abmessungen gekennzeichnet ist.
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Gemäß der Erfindung
werden diese und andere Aufgaben mit einer Ankerfeder gelöst, die
die Merkmale von Anspruch 1 besitzt. Eine solche Ankerfeder erzeugt
die benötigte
Kraft nicht nur durch elastische Biegebeanspruchung, sondern durch
Torsion. Aufgrund der Tatsache, dass sich der Tragbereich auf der
Längsachsenseite
des Federteils gegenüber den
Befestigungsteilen befindet, wird die Menge an Biegebelastung beim
Belasten des Federteils erheblich reduziert und die Menge an transversaler
Belastung (Torsion) wird stark erhöht. Der Vorteil des torsional
belasteten Federteils ist, dass die Belastung gleichmäßig über die
Länge des
Federteils verteilt wird. Dies bedeutet, dass trotz der großen Kraft
und der niedrigen Federkonstanten mechanische Spannungen relativ
gering gehalten werden können.
Dies lässt
es wiederum zu, die Ankerfeder mit geometrischen Abmessungen zu
entwerfen, die geringer sind als bei herkömmlichen Federn. Aufgrund dieser
Lösung
kann der vorhandene Konstruktionsraum einer bestimmten Geometrie
optimal genutzt werden. Im Falle eines bestimmten maximalen verfügbaren Konstruktionsraums
können
somit besonders hohe Ankerrückstellkräfte realisiert
werden.
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Eine
Ausgestaltung kombiniert Biegebeanspruchung und Torsion, entweder
durch ein flexibles Design des Hebels oder durch Erhöhen der
Biegebeanspruchung. Durch die Kombination aus Biegebeanspruchung
und Torsion werden mehrere Parameter verfügbar, gemäß denen die gewünschte Federcharakteristik
zum Erfüllen
der Anforderungen eingestellt werden kann.
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Der
Federteil kann die Form eines Torsionsstegs besitzen, wobei die
Breite des Torsionsstegs etwa der Materialdicke entspricht. Beide
Enden des Torsionsstegs sind fest mit dem Anker verbunden und der
Hebel ist in der Mitte des Torsionsstegs angeordnet. Aufgrund von
Form und Anordnung des Hebels oder des Axiallagers kann die durch
die Ankerfeder erzeugte Kraft optimal in Vorspannkraft und Ankerlagerkraft
unterteilt werden.
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Die
Erfindung wird ausführlicher
anhand einer in den Zeichnungen dargestellten Ausgestaltung beschrieben.
Dabei zeigt:
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1 eine
dreidimensionale Ansicht eines Relais, das eine Ankerfeder gemäß der Erfindung umfasst;
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2 die
Ankerfeder des in 1 gezeigten Relais; und
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3 einen
Querschnitt durch das in 1 gezeigte Relais.
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1 zeigt
ein Relais, das einen Anker 1 mit einem Drehwinkel von
etwa 12° umfasst.
Die Ankerdrehachse befindet sich dabei auf einer Polfläche eines
Kerns 2. Der Anker 1 ist auf der Polfläche positioniert,
kann aber ohne zusätzliche
Maßnahmen
noch verschoben werden. Eine Ankerfeder 4 ist mit einem Befestigungsteil 3 an
der Seite des Ankers 1 gegenüber der Polfläche angebracht.
Die Ankerfeder 4 ist an einem Rand des Ankers 1 abgekantet
und verläuft danach
entlang dem schmalen Rand des Ankers 1 und erhält nahe
der Ankerdrehachse Kontakt mit dem Kern 2. In diesem Bereich
ist die Ankerfeder 4 neben dem Anker 1 sowie dem
Kern 2, so dass der Anker 1 nicht in der Richtung
eines eine zweite Polfläche
bildenden Jochs 5 verrutschen kann. Die Ankerfeder 4 ist
auf eine solche Weise gestaltet, dass der Befestigungsteil 3 über die
gesamte Breite des Ankers 1 verläuft. Der Teil, der entlang
dem schmalen Ankerrand und dem Kern 2 verläuft, umfasst
jedoch zwei Schenkel 5a und 5b. Ein Torsionssteg 6 verläuft zwischen den
Enden der Schenkel 5a und 5b der Ankerfeder. Der
Torsionssteg 6 verläuft
im Wesentlichen parallel zur Ankerdrehachse. In der Mitte des Torsionsstegs 6 ist
ein Hebel 7 angeordnet, der an seinem freien Ende an einem
Axiallager 8 anliegt. Die Kraftübertragung erfolgt somit vom
Axiallager 8 über
den Hebel 7, den Torsionssteg 6 und die Schenkel 5a und 5b der
Ankerfeder 4 auf den Anker 1.
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2 zeigt
die Ankerfeder 4 so, dass der ganze Hebel 7 zu
sehen ist. In dieser Ausgestaltung ist der Hebel 7 nicht
starr, sondern ein flexibles verformbares Element. Die Federkraft
der Ankerfeder 4 kann sich somit aus zwei Komponenten zusammensetzen,
der Spannung des Torsionsstegs 6 und der Biegefederkraft
des Hebels 7. Der Grad von Biegebeanspruchung und Torsion
kann frei gewählt
werden, so dass die gewünschte
Federcharakteristik leicht auf die Anforderungen eingestellt werden
kann. Die geometrische Gestalt des Hebels 7 wird so gewählt, dass
die Kraft vom Axiallager 8 auf den Torsionssteg 6 auf
eine solche Weise übertragen
wird, dass die restliche Biegebeanspruchung auf dem Torsionssteg 6 möglichst
gering ist. Ein Biegen des Torsionsstegs 6 ist zu vermeiden,
da dieser verdreht und nicht gebogen werden soll. Wenn der Torsionssteg 7 jedoch mit
einer Biegekraft beaufschlagt wird, dann führt dies rasch zu einer zu
starken Belastung des Torsionsstegs. Wenn dieser nur torsional beansprucht wird,
dann kann der Torsionssteg sehr schmal ausgelegt sein. In einer
vorteilhaften Ausgestaltung entspricht die Breite des Torsionsstegs 6 etwa
der Dicke des Materials. Wenn eine Biegebeanspruchung unvermeidlich
ist oder der Torsionssteg 6 gegen eine solche geschützt werden
soll, dann besteht die Möglichkeit,
die Biegefestigkeit mittels eines Biegerandes in Längsrichtung
des Stegs 6 erheblich zu erhöhen, ohne die Torsionscharakteristiken
erheblich herabzusetzen.
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Wenn
Platz gespart werden soll, dann hat eine Ankerfeder gemäß der Erfindung
besondere Vorteile, besonders dann, wenn eine gerade Federkennkurve
gewünscht
wird. Eine gerade Federkennkurve kann typischerweise dadurch erzielt
werden, dass die Feder sehr lang und/oder sehr dünn ist. Eine große Länge ist
jedoch wiederum von Nachteil, wenn Platz gespart werden soll; eine äußerst dünne Blattfeder
hat jedoch andererseits ungünstige
mechanische Eigenschaften. Im Vergleich dazu haben Torsionsfedern
den Vorteil, dass die Beanspruchung gleichmäßig über die gesamte Länge des
Torsionsstegs 6 verteilt ist, zusätzlich dazu, dass eine ausreichend
ebene Kennkurve erzielt wird.
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Die
Forderung nach einer ebenen Federkennkurve hat einen Hintergrund,
der sich nur anhand einer Betrachtung des gesamten Relais beschreiben
lässt,
in dem die Ankerfeder 3 montiert ist. In der Regel ist
eine Kontaktfeder mit dem Anker 2 verbunden, wobei die
Kontaktfeder einen Schaltkontakt umfasst, der mit einem festen Kontakt
interagiert. In diesem Zusammenhang wird klar, dass im geöffneten
Zustand des Ankers, in dem dieser durch die Ankerfeder vorgespannt
wird, die durch die Feder ausgeübte
Kraft möglichst
hoch sein muss. Wenn das Magnetsystem erregt wurde und die Kontakte
offen sind, dann muss jedoch die Federkraft möglichst gering sein, um einen
möglichst
geringen Energieaufwand zum Öffnen
der Kontakte zu erzielen. Eine Torsionsfeder als Ankerfeder hat
in diesem Fall den Vorteil, dass die Kraftprogression allgemein
linear ist und einen vergleichsweise geringen Aufbau hat, während die
Kraftprogression im Falle einer Blattfeder einen relativ großen Aufbau
zeigt.
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3 zeigt
einen Querschnitt des Relais. Das Befestigen der Ankerfeder 4 am
Anker 1 ist besonders leicht erkennbar. Es ist besonders
deutlich zu sehen, wie die Position des Ankers 1 am Kern 2 durch
die Ankerfeder 4 bestimmt wird. Der Anker 1 ist zur
Ankerseite neben der Ankerdrehachse geneigt, so dass im geschlossenen
Zustand des Ankers 1 ein keilförmiger Spalt zwischen der Ankerfeder 4 und dem
Kern verbleibt. Infolgedessen kann der Anker 1 frei in
die geöffnete
Position schwenken, ohne dass die Ankerfeder 4 an der Seitenfläche des
Kerns 2 anstößt. Der
Anker 1 wird jedoch gegen ein Verrutschen in der Richtung
des Jochs 5 geschützt.