EP0640242B1 - Contact spring arrangement for a relay for conducting and switching high currents - Google Patents

Contact spring arrangement for a relay for conducting and switching high currents Download PDF

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EP0640242B1
EP0640242B1 EP93909764A EP93909764A EP0640242B1 EP 0640242 B1 EP0640242 B1 EP 0640242B1 EP 93909764 A EP93909764 A EP 93909764A EP 93909764 A EP93909764 A EP 93909764A EP 0640242 B1 EP0640242 B1 EP 0640242B1
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EP
European Patent Office
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contact
spring
contact spring
gap
current
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP93909764A
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German (de)
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EP0640242A1 (en
Inventor
Josef Weiser
Robert Esterl
Gerhard Furtwaengler
Horst Tamm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/50—Means for increasing contact pressure, preventing vibration of contacts, holding contacts together after engagement, or biasing contacts to the open position
    • H01H1/54—Means for increasing contact pressure, preventing vibration of contacts, holding contacts together after engagement, or biasing contacts to the open position by magnetic force
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H51/00—Electromagnetic relays
    • H01H51/22—Polarised relays
    • H01H51/2272—Polarised relays comprising rockable armature, rocking movement around central axis parallel to the main plane of the armature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/30—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H9/38—Auxiliary contacts on to which the arc is transferred from the main contacts

Definitions

  • the invention relates to a contact spring arrangement for a relay for guiding and switching high currents with at least one elongated contact spring carrying a contact piece, which cooperates with a fixed, also carrying a contact piece counter-contact element, and with at least one rigid connecting leg for the contact spring, which is approximately parallel to this runs with the formation of a spring gap on the side opposite the contact piece and which leads the switching current in a direction opposite to the contact spring.
  • So-called miniature switching relays are used to connect devices to the mains voltage in the home and in industry. In a relatively small design with spring contacts, they handle the current loads in these applications down to the 50 A range. For higher currents, contactors are generally used, which are equipped with differently designed contact elements and correspondingly stronger drive systems for their application areas, but are accordingly also significantly larger in size than the relays mentioned.
  • the aim of the invention is to provide a dimensioning for such a contact spring arrangement of the type mentioned at the outset, with which the welding of the contact pieces can be reliably prevented even when the highest short-circuit currents occur.
  • the spring gap formed between the contact spring and its connecting element is so dimensioned that the repulsive forces generated by the current loop, which tend to close the contact on the opposite side of the spring, are greater than the counteracting forces even at the highest short-circuit currents who are looking to open the contact.
  • limit heating strength or current carrying capacity which in turn is defined as the quotient of the welding limit current strength [kA 2 ] and the contact force [N] and is a constant for a specific material.
  • FIG. 1 and 2 a relay for heavy current use is shown, the contact arrangement is designed according to the invention.
  • a magnet system with a coil, a core 3, two yokes 4, a permanent magnet 5 and a rocker armature 6 is arranged in a base body 1 from above.
  • An actuating finger 7 of the armature actuates a contact spring 9 via a slide 8, which in this example is split into a main spring leg 10 and a forward spring leg 11.
  • a spring support 12 extends from its connecting pin 12a to the fastening point 12b for the contact spring 9 approximately parallel to the latter, whereby a spring gap 13 is formed.
  • the contact pieces 14 and 15 of the contact spring 9 are located above the connecting pin 12a on the side opposite the spring support 12. They cooperate with corresponding contact pieces 16 and 17 of a counter-contact element 18 which, like the spring support 12, is anchored by inserting it into slots in the base body and has a connecting pin 18a.
  • the spring support 12 is so close to the contact spring 9 in the area between the contact piece 14 and the fastening point 12b that the length of the spring gap 13 is more than 30 times, but at least 20 times, as large as the average distance between the spring support 12 and the contact spring 9 As a result, the repulsive force between the spring support 12 and the contact spring 9 becomes so strong at high short-circuit currents that a brief lifting of the contact piece 14 from the contact piece 16 is avoided and welding of the contact is prevented.
  • the mating contact element 18 is arranged transversely to the spring support 12. As a result, the moving contact spring is not opposed by large metal parts that could lead to eddy current forces. Such eddy current forces could otherwise affect the desired repulsion of the current loop.
  • FIG. 5 shows a conventional set of contact springs with a switching contact spring 21 and a counter-contact spring 22, each of which closes a circuit via contact pieces 23 and 24, respectively.
  • the forces F s of such constructions according to FIG. 5 move at most in the region of less than 50 cN, since the distance D is in the order of twice the contact piece height.
  • the decisive geometry factor is the ratio of L / D with numerical values of less than 10.
  • DE 40 26 425 CI describes a measure to utilize the current loop with mutually encompassing contact springs to increase the contact force and thereby prevent the contacts from opening in the event of short circuits.
  • the current loop is formed by two contact elements which, when the contacts are open, have different potentials and thus create the risk of an arc in normal switching operation.
  • a current loop is formed between the spring support 12 and the contact spring 9 in the back of the switching contact piece 14, a good electrical conductor as the spring support 12 made of copper and a spring which is sufficiently dimensioned for the current strength i K to be used, also made of a copper alloy .
  • this spring carries the contact piece 14, which is preferably made of silver or a silver alloy, such as AgCdO or AgSn0 2 .
  • the contact is closed, the current flows in the spring support 12 in the opposite direction to the current in the contact spring 9.
  • the spring and the metal part (spring support 12) are electrically conductively connected at point 12a.
  • the dimensioning was not chosen so that the generated repulsive force would have been sufficient to prevent welding in the event of a short circuit.
  • D is the spring distance averaged over the entire length L of the spring gap.
  • the current loop In normal switching operation with alternating current, the current loop produces micro-oscillating effects in the closed contacts, which advantageously affect the current transmission, i. H. on the contact resistance.
  • the contact spring is folded like an accordion, as is shown schematically in FIG.
  • the folded contact spring 30 has five alternating sections 31, 32, 33, 34 and 35, so that together with the spring support 12 five spring gaps are formed with the corresponding average distances D1, D2, D3, D4 and D5.
  • the sum of all loop lengths L must then meet the above-mentioned conditions in relation to the mean value of all distances D1 to D5, that is to say must have at least 20 times the value of the mean column distance in the case of silver contacts.
  • the distances D1 to D5 could be the same and ensured, for example, by thin insulating foils.

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Abstract

PCT No. PCT/DE93/00419 Sec. 371 Date May 9, 1995 Sec. 102(e) Date May 9, 1995 PCT Filed May 13, 1993 PCT Pub. No. WO93/23863 PCT Pub. Date Nov. 25, 1993The contact spring arrangement has an elongated contact spring having a rigid connecting leg which extends approximately parallel to the contact spring and conducts the switching current in a direction opposite to the contact spring. On the side opposite the connecting leg the contact spring has a contact piece which co-operates with an opposite counter-contact element having a contact piece. The repulsive forces between the connecting leg and the contact spring become so long that even in the case of the highest short circuit currents no welding of the contacts results when in the case of contact pieces made from silver or a silver alloy the length of the gap formed between the contact spring and connecting leg is at least 20 times larger than the average spring spacing in the gap.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kontaktfederanordnung für ein Relais zum Führen und Schalten hoher Ströme mit mindestens einer ein Kontaktstück tragenden, langgestreckten Kontaktfeder, welche mit einem feststehenden, ebenfalls ein Kontaktstück tragenden Gegenkontaktelement zusammenwirkt, und mit mindestens einem starren Anschlußschenkel für die Kontaktfeder, der annähernd parallel zu dieser unter Bildung eines Federspaltes auf der dem Kontaktstück gegenüberliegenden Seite verläuft und der den Schaltstrom in einer zur Kontaktfeder entgegengesetzten Richtung führt.The invention relates to a contact spring arrangement for a relay for guiding and switching high currents with at least one elongated contact spring carrying a contact piece, which cooperates with a fixed, also carrying a contact piece counter-contact element, and with at least one rigid connecting leg for the contact spring, which is approximately parallel to this runs with the formation of a spring gap on the side opposite the contact piece and which leads the switching current in a direction opposite to the contact spring.

Zum Anschalten von Geräten an Netzspannung in Haushalt und Industrie sind sogenannte Kleinschaltrelais in Gebrauch, die bei einer relativ kleinen Bauform mit Federkontakten die bei diesen Anwendungen auftretenden Strombelastungen bis in den Bereich von 50 A bewältigen. Für höhere Ströme kommen in der Regel Schütze zum Einsatz, die für ihre Anwendungsbereiche von vorneherein mit anders gestalteten Kontaktelementen und entsprechend stärkeren Antriebssystemen ausgestattet sind, dementsprechend aber auch wesentlich größer in den Abmessungen als die genannten Relais sind.So-called miniature switching relays are used to connect devices to the mains voltage in the home and in industry. In a relatively small design with spring contacts, they handle the current loads in these applications down to the 50 A range. For higher currents, contactors are generally used, which are equipped with differently designed contact elements and correspondingly stronger drive systems for their application areas, but are accordingly also significantly larger in size than the relays mentioned.

Es besteht nun vielfach der Wunsch, sogenannte Kleinschaltrelais wegen ihrergeringen Abmessungen in der Großinstallationstechnik, also in Installationsanlagen in Bürogebäuden, Kliniken und Industrieanlagen, einzusetzen. Für die im normalen Schaltbetrieb auftretenden Ströme sind diese Relais auch ohne weiteres geeignet. Probleme ergeben sich jedoch im Falle eines Kurzschlusses im Leitungssystem oder in den elektrischen Verbrauchern, denn auch in diesen Fällen sollen die Kontakte des Relais nichtverschweißen, bis das vorgeordnete Sicherungssystem oder-organ, beispielsweise ein Leitungsschutzschalter oder eine Schmelzsicherung, abschaltet. Die in solchen Fällen auftretenden sogenannten prospektiven Kurzschlußströme liegen in der Größenordnung von 1000 bis 1500 A und fließen bis zum Auslösen des genannten Sicherungssystems bis zu Zeiten von 3 bis 5 ms über die geschlossenen Kontakte des involvierten Relais. Andererseits kann es auch vorkommen, daß ein solches Relais auf einen Kurzschluß der genannten Art aufschalten muß. Bei einer derartigen Belastung besteht für Federkontaktsysteme herkömmlicher Bauart eine große Gefahr, daß die Kontaktstücke verschweißen. Zum einen reichen bei solchen Relais die Kräfte des Magnetsystems nicht aus, um eine genügend hohe Kontaktkraft für die auftretenden Ströme zu erzeugen. Zum anderen wirken bei parallelen Kontaktfedern mit entgegengesetzt fließendem Strom die elektrodynamischen Kräfte dem Antriebssystem entgegen, so daß hierdurch die Kontaktkraft zusätzlich vermindert wird. Eine zu geringe Kontaktkraft führt jedoch infolge von Stromengekräften in Kombination mit der Verdampfung von Kontaktmaterial in den zu heißen Kontaktberührungszonen zum zeitweiligen Abheben der Kontakte, zur Bildung eines Lichtbogens und entsprechend zum Verschweißen beim Zurückfallen der Kontakte.There is now often a desire to use so-called small switching relays because of their small dimensions in large installation technology, i.e. in installation systems in office buildings, clinics and industrial plants. These relays are also suitable for the currents occurring in normal switching operation. However, problems arise in the event of a short circuit in the line system or in the electrical consumers, because even in these cases the contacts of the relay should not weld until the upstream fuse system or organ, for example a circuit breaker or a fuse, switches off. The so-called prospective short-circuit currents that occur in such cases are in the order of magnitude of 1000 to 1500 A and flow up to 3 to 5 ms via the closed contacts of the relay involved until the fuse system is triggered. On the other hand, it may also happen that such a relay must switch to a short circuit of the type mentioned. With such a load, there is a great risk for spring contact systems of conventional design that the contact pieces weld. On the one hand, with such relays, the forces of the magnet system are not sufficient to generate a sufficiently high contact force for the currents that occur. On the other hand, in the case of parallel contact springs with oppositely flowing current, the electrodynamic forces counteract the drive system, so that the contact force is thereby additionally reduced. However, a contact force which is too low leads to temporary lifting of the contacts, to the formation of an arc and accordingly to welding when the contacts fall back as a result of current forces in combination with the evaporation of contact material in the contact contact zones which are too hot.

Um die erwähnten elektrodynamischen Kräfte nicht zur Verminderung, sondern zur Erhöhung der Kontaktkraft auszunutzen, wurde in der DE-C-40 26 425 bereits eine Konstruktion vorgeschlagen, bei der der kontaktgebende Abschnitt einer Kontaktfeder den entsprechenden Abschnitt der anderen Kontaktfeder bügelförmig umgreift. Mit den dabei erzeugten Stromschleifenkräften kann das Öffnen des Kontaktes bei einem Kurzschluß verhindert werden. Allerdings hat die umgreifende Schleife den Nachteil, daß das zu schaltende elektrische Potential zwischen den einander angenäherten Federabschnitten wirkt; dabei kann es zum Überspringen von Lichtbögen im normalen Schaltbetrieb und zur Zerstörung der Kontaktfedern kommen.In order not to use the above-mentioned electrodynamic forces to reduce, but rather to increase the contact force, a construction has already been proposed in DE-C-40 26 425 in which the contacting section of a contact spring embraces the corresponding section of the other contact spring in a bow-shaped manner. The current loop forces generated can prevent the contact from opening in the event of a short circuit. However, the encompassing loop has the disadvantage that the electrical potential to be switched acts between the spring sections which are brought closer together; This can lead to arcing in normal switching operation and destruction of the contact springs.

Bei bekannten Kontaktfederanordnungen der eingangs genannten Art, bei denen ein Anschlußschenkel für die Kontaktfeder an der dem Kontaktstück gegenüberliegenden Seite der Feder verläuft, bewirken die elektrodynamischen Kräfte zwar einen gewissen Abstoßungseffekt, derüberdie Feder zu einer Verstärkung der Kontaktkraft führt. In all diesen bekannten Fällen, beispielsweise bei dem Relais gemäß EP-A-0 425 780, reicht der bei den dortigen Dimensionierungen erzielbare Effekt jedoch nicht aus, um bei Kurzschlußströmen der oben erwähnten Art das Verschweißen der Kontaktstücke zu verhindern.In known contact spring arrangements of the type mentioned, in which a connecting leg for the contact spring runs on the side of the spring opposite the contact piece, the electrodynamic forces cause a certain repulsive effect which leads to an increase in the contact force via the spring. In all these known cases, for example in the case of the relay according to EP-A-0 425 780, the effect which can be achieved with the dimensions there is, however, not sufficient to prevent welding of the contact pieces in the event of short-circuit currents of the type mentioned above.

Ziel der Erfindung ist es, für eine solche Kontaktfederanordnung der eingangs genannten Art eine Dimensionierung anzugeben, mit der das Verschweißen der Kontaktstücke auch beim Auftreten höchster Kurzschlußströme zuverlässig verhindert werden kann.The aim of the invention is to provide a dimensioning for such a contact spring arrangement of the type mentioned at the outset, with which the welding of the contact pieces can be reliably prevented even when the highest short-circuit currents occur.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Federspalt sich zumindest annähernd über die gesamte Länge der Kontaktfeder von ihrer Befestigungsstelle bis zum Kontaktstück erstreckt und daß das Verhältnis der Länge zum Abstand im Federspalt bei.geschlossenem Kontakt etwa der folgenden Bedingung genügt:

Figure imgb0001
mit

  • L = Länge des Federspaltes,
  • D = mittlerer Abstand im Federspalt,
  • 90 = magnetische Feldkonstante =
    Figure imgb0002
  • Hs = Grenzheizstärke oder Stromtragfähigkeit des Kontaktmaterials
    Figure imgb0003
This aim is achieved according to the invention in that the spring gap extends at least approximately over the entire length of the contact spring from its fastening point to the contact piece and in that the ratio of the length to the distance in the spring gap with the contact closed satisfies approximately the following condition:
Figure imgb0001
 With
  • L = length of the spring gap,
  • D = average distance in the spring gap,
  • 90 = magnetic field constant =
    Figure imgb0002
  • H s = limit heating strength or current carrying capacity of the contact material
    Figure imgb0003

Diese Formel basiert auf vereinfachten Annahmen für das mechanische Verhalten der beschriebenen Kontaktfederanordnung. Für die kurze Einwirkzeit des Kurzschlußimpulses (< 5 ms) wird z. B. die Feder als starrer Körper betrachtet. Somit beginnt der positive Effekt im Experiment bereits bei etwa 2/3 des theoretischen Wertes von L/D.This formula is based on simplified assumptions for the mechanical behavior of the contact spring arrangement described. For the short Action time of the short-circuit pulse (<5 ms) z. B. considered the spring as a rigid body. Thus, the positive effect in the experiment begins at around 2/3 of the theoretical value of L / D.

Nach der Erfindung wird also der zwischen der Kontaktfeder und ihrem Anschlußelement gebildete Federspalt so dimensioniert, daß die durch die Stromschleife erzeugten Abstoßungskräfte, welche den an der gegenüberliegenden Seite der Feder befindlichen Kontakt zu schließen bestrebt sind, auch bei höchsten Kurzschlußströmen größer sind als die entgegenwirkenden Kräfte, die den Kontakt zu öffnen suchen. Es wurde herausgefunden, daß sich eine einfache Abhängigkeit von der sogenannten Grenzheizstärke oder Stromtragfähigkeit ergibt, welche ihrerseits als Quotient aus der Schweißgrenzstromstärke [kA2] und der Kontaktkraft [N] definiert ist und für ein bestimmtes Material eine Konstante ist. Zur Definition dieser Begriffe siehe das Buch von Keil, Merl, Vinaricky: "Elektrische Kontakte und ihre Werkstoffe", Springer-Verlag, 1984, ISBN 3-540,12233-8.According to the invention, the spring gap formed between the contact spring and its connecting element is so dimensioned that the repulsive forces generated by the current loop, which tend to close the contact on the opposite side of the spring, are greater than the counteracting forces even at the highest short-circuit currents who are looking to open the contact. It was found that there is a simple dependency on the so-called limit heating strength or current carrying capacity, which in turn is defined as the quotient of the welding limit current strength [kA 2 ] and the contact force [N] and is a constant for a specific material. For the definition of these terms, see the book by Keil, Merl, Vinaricky: "Electrical contacts and their materials", Springer-Verlag, 1984, ISBN 3-540,12233-8.

Für Silber und Silberlegierungen, welche für die hier betrachteten Anwendungen hauptsächlich in Frage kommen, beträgt die Grenzheizstärke Hs =

Figure imgb0004
. Daraus errechnet sich theoretisch für das Verhältnis von Länge zu Abstand im Federspalt ein Wert von 30. Wenn also die Federlänge im Spalt mindestens 30 mal so groß ist wie der mittlere Abstand, dann wird ein Verschweißen der Kontakte auch bei höchsten Kurzschlußströmen vermieden. Experimentell hat sich ergeben, daß dieser Effekt schon ab dem Wert 20 funktioniert.For silver and silver alloys, which are mainly suitable for the applications considered here, the limit heating strength is H s =
Figure imgb0004
 . Theoretically, this results in a value of 30 for the ratio of length to distance in the spring gap. If the spring length in the gap is at least 30 times the average distance, welding of the contacts is avoided even at the highest short-circuit currents. It has been found experimentally that this effect works from a value of 20.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen nähererläutert. Es zeigen

  • Figur 1 und 2 ein Relais mit erfindungsgemäß gestalteten Kontaktelementen in zwei Schnittansichten,
  • Figur 3 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Konstruktionsprinzips an einer schematisch gezeigten Kontaktfederanordnung,
  • Figur 4 eine Weiterbildung der Erfindung mit einer mehrfach gefalteten Kontaktfeder und
  • Figur 5 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Kontaktfederanordnung in Relais zur Erläuterung der unterschiedlichen Wirkungsweise gegenüber der Erfindung.
The invention is explained in more detail below with the aid of exemplary embodiments. Show it
  • 1 and 2 a relay with contact elements designed according to the invention in two sectional views,
  • FIG. 3 shows an illustration of the design principle according to the invention on a schematically shown contact spring arrangement,
  • Figure 4 shows a development of the invention with a multiply folded contact spring and
  • Figure 5 is a schematic representation of a conventional contact spring arrangement in relays to explain the different mode of operation compared to the invention.

In den Figuren 1 und 2 ist ein Relais für Starkstromeinsatz gezeigt, dessen Kontaktanordnung erfindungsgemäß gestaltet ist. In einem Grundkörper 1 ist von oben ein Magnetsystem mit einer Spule, einem Kern 3, zwei Jochen 4, einem Dauermagneten 5 und einem Wippanker6 angeordnet. Ein Betätigungsfinger 7 des Ankers betätigt über einen Schieber 8 eine Kontaktfeder 9, welche in diesem Beispiel in einen Hauptfederschenkel 10 und einen Vorlauf-Federschenkel 11 gespalten ist. Ein Federträger 12 verläuft von seinem Anschlußstift 12a bis zur Befestigungsstelle 12b für die Kontaktfeder 9 annähernd parallel zu letzterer, wodurch ein Federspalt 13 gebildet ist. Die Kontaktstücke 14 und 15 der Kontaktfeder 9 befinden sich oberhalb des Anschlußstiftes 12a auf der dem Federträger 12 entgegengesetzten Seite. Sie wirken mit entsprechenden Kontaktstücken 16 und 17 eines Gegenkontaktelementes 18 zusammen, welches wie der Federträger 12 durch Einstecken in Schlitze des Grundkörpers verankert ist und einen Anschlußstift 18a aufweist.In Figures 1 and 2, a relay for heavy current use is shown, the contact arrangement is designed according to the invention. A magnet system with a coil, a core 3, two yokes 4, a permanent magnet 5 and a rocker armature 6 is arranged in a base body 1 from above. An actuating finger 7 of the armature actuates a contact spring 9 via a slide 8, which in this example is split into a main spring leg 10 and a forward spring leg 11. A spring support 12 extends from its connecting pin 12a to the fastening point 12b for the contact spring 9 approximately parallel to the latter, whereby a spring gap 13 is formed. The contact pieces 14 and 15 of the contact spring 9 are located above the connecting pin 12a on the side opposite the spring support 12. They cooperate with corresponding contact pieces 16 and 17 of a counter-contact element 18 which, like the spring support 12, is anchored by inserting it into slots in the base body and has a connecting pin 18a.

Der Federträger 12 ist im Bereich zwischen dem Kontaktstück 14 und der Befestigungsstelle 12b so an die Kontaktfeder 9 angenähert, daß die Länge des Federspaltes 13 mehr als 30 mal, mindestens jedoch 20 mal, so groß ist wie der mittlere Abstand zwischen Federträger 12 und Kontaktfeder 9. Dadurch wird die Abstoßungskraft zwischen dem Federträger 12 und der Kontaktfeder 9 bei hohen Kurzschlußströmen so stark, daß ein kurzzeitiges Abheben des Kontaktstückes 14 vom Kontaktstück 16 vermieden und ein Verschweißen des Kontaktes verhindert wird. Das Gegenkontaktelement 18 ist in diesem Fall quer zum Federträger 12 angeordnet. Dadurch stehen der bewegten Kontaktfeder keine großflächigen Metallteile gegenüber, welche zur Entstehung von Wirbelstromkräften führen könnten. Solche Wirbelstromkräfte könnten ansonsten die erwünschte Abstoßung der Stromschleife beeinträchtigen.The spring support 12 is so close to the contact spring 9 in the area between the contact piece 14 and the fastening point 12b that the length of the spring gap 13 is more than 30 times, but at least 20 times, as large as the average distance between the spring support 12 and the contact spring 9 As a result, the repulsive force between the spring support 12 and the contact spring 9 becomes so strong at high short-circuit currents that a brief lifting of the contact piece 14 from the contact piece 16 is avoided and welding of the contact is prevented. In this case, the mating contact element 18 is arranged transversely to the spring support 12. As a result, the moving contact spring is not opposed by large metal parts that could lead to eddy current forces. Such eddy current forces could otherwise affect the desired repulsion of the current loop.

Die physikalischen Überlegungen zur Bemessung der erwähnten Stromschleife zwischen Federträger 12 und Kontaktfeder 9 sollen nun anhand der Figuren 3 und 5 im Vergleich zum Stand der Technik genauer beschrieben werden.The physical considerations for dimensioning the current loop mentioned between the spring support 12 and the contact spring 9 will now be described in more detail with reference to FIGS. 3 and 5 in comparison with the prior art.

In Figur5 istein herkömmlicher Kontaktfedersatz mit einer schaltenden Kontaktfeder 21 und einer Gegenkontaktfeder 22 gezeigt, welche jeweils über Kontaktstücke 23 bzw. 24 einen Stromkreis schließen. Wenn nun über solche Kontaktfedern ein hoher Kurzschlußstrom geführt werden muß, tritt folgender Effekt ein: Wenn die Kontaktkräfte nicht einen vorgegebenen Wert erreichen, dann heben die geschlossenen Kontakte infolge von Stromengekräften in Kombination mit der Verdampfung von Kontaktmaterial in den zu heißen Kontaktberührungszonen und infolge der Entwicklung großer Dampfdrucke kurz ab; dabei wird ein Lichtbogen mit der entsprechend hohen Stromstärke iK gezogen, wobei die Kontaktoberflächen großflächig aufschmelzen. Schließlich fällt der Kontakt wieder zurück in die Schmelze des eigenen Werkstoffes und verschweißt.FIG. 5 shows a conventional set of contact springs with a switching contact spring 21 and a counter-contact spring 22, each of which closes a circuit via contact pieces 23 and 24, respectively. If a high short-circuit current now has to be conducted through such contact springs, the following effect occurs: If the contact forces do not reach a predetermined value, then the closed contacts lift due to current forces in combination with the evaporation of contact material in the contact contact zones that are too hot and as a result of development large vapor pressures shortly; an arc is drawn with the correspondingly high current strength i K , the contact surfaces melting over a large area. Finally, the contact falls back into the melt of the own material and welded.

Um diesen Katastrophenverlauf zu verhindern, muß das Öffnen der Kontakte durch die Erzeugung ausreichender Kontaktkräfte vermieden werden. Die in den heutigen Relais mit relativ kleinem Magnetkreisvolumen erzielbaren Kontaktkräfte von weniger als 100 cN sind für Kurzschlußströme der obengenannten Größenordnung bei weitem zu gering, um das beschriebene Kontaktöffnen bei einer Kontaktanordnung gemäß Figur 5 zu verhindern. Bei dieserAnordnung mit entgegengesetzt gerichteten Strombahnen in den parallelen, zusammenwirkenden Kontaktelementen werden elektrodynamische Abstoßungskräfte erzeugt, die der Kontaktkraft zusätzlich entgegenwirken. Solche Kontakte werden also bei hohen Strömen geöffnet, was zusätzlich die Verschwei- ßungsgefahr erhöht. Die dabei auftretenden Abstoßungskräfte sind vom Quadrat des Stromes abhängig nach folgender Beziehung:

Figure imgb0005
mit

  • µo =
    Figure imgb0006
  • L = Federlänge
  • D = Federabstand
  • iK = Kontaktstrom in [A]
  • Fs = Kraft der Stromschleife in [N].
In order to prevent this catastrophe, opening the contacts by generating sufficient contact forces must be avoided. The contact forces of less than 100 cN that can be achieved in today's relays with a relatively small magnetic circuit volume are for the short-circuit currents of the above mentioned order of magnitude far too small to prevent the described contact opening in a contact arrangement according to FIG. 5. With this arrangement with oppositely directed current paths in the parallel, interacting contact elements, electrodynamic repulsive forces are generated which additionally counteract the contact force. Such contacts are therefore opened at high currents, which additionally increases the risk of welding. The repulsive forces that occur depend on the square of the current according to the following relationship:
Figure imgb0005
 With
  • µ o =
    Figure imgb0006
  • L = spring length
  • D = spring distance
  • i K = contact current in [A]
  • F s = force of the current loop in [N].

Die Kräfte Fs solcher Konstruktionen gemäß Figur 5 bewegen sich maximal in der Gegend von unter 50 cN, da der Abstand D in der Größenordnung der doppelten Kontaktstückhöhe liegt. Der entscheidende Geometriefaktor dabei ist das Verhältnis von L/D mit Zahlenwerten von weniger als 10.The forces F s of such constructions according to FIG. 5 move at most in the region of less than 50 cN, since the distance D is in the order of twice the contact piece height. The decisive geometry factor is the ratio of L / D with numerical values of less than 10.

Wie eingangs erwähnt, wird in der DE 40 26 425 CI eine Maßnahme beschrieben, mit einander umgreifenden Kontaktfedern die Stromschleife zur Erhöhung der Kontaktkraft auszunutzen und dabei das Öffnen der Kontakte bei Kurzschlüssen zu verhindern. Bei der dort gezeigten Anordnung besteht jedoch der Nachteil, daß die Stromschleife von zwei Kontaktelementen gebildet wird, die bei geöffneten Kontakten unterschiedliches Potential führen und somit im normalen Schaltbetrieb die Gefahr eines Lichtbogens heraufbeschwören.As mentioned at the beginning, DE 40 26 425 CI describes a measure to utilize the current loop with mutually encompassing contact springs to increase the contact force and thereby prevent the contacts from opening in the event of short circuits. In the arrangement shown there, however, there is the disadvantage that the current loop is formed by two contact elements which, when the contacts are open, have different potentials and thus create the risk of an arc in normal switching operation.

Die bei der Erfindung benutzte Form der Stromschleife ist in Figur 3 noch einmal schematisch dargestellt. Hier wird eine Stromschleife zwischen dem Federträger 12 und der Kontaktfeder 9 im Rücken des schaltenden Kontaktstückes 14 gebildet, wobei ein guter elektrischer Leiter als Federträger 12 aus Kupfer und eine für die zu führende Stromstärke iK ausreichend dimensionierte Feder, ebenfalls aus einer Kupferlegierung, verwendet werden. Auf der Schaltseite trägt diese Feder das Kontaktstück 14, das vorzugsweise aus Silber bzw. einer Silberlegierung, wie AgCdO oder AgSn02, besteht. Der Strom fließt bei geschlossenem Kontakt in dem Federträger 12 entgegengesetzt zur Stromrichtung in der Kontaktfeder 9. Die Feder und das Metallteil (Federträger 12) sind an der Stelle 12a elektrisch leitend verbunden. Soweit jedoch derartige Anordnungen mit dem Federträger und Kontaktfeder in bekannten Relais eine derartige Stromschleife gebildet haben, war die Dimensionierung nicht so gewählt, daß die erzeugte Abstoßungskraft zur Verhinderung eines Verschweißens bei Kurzschluß ausgereicht hätte.The form of the current loop used in the invention is shown again schematically in FIG. Here, a current loop is formed between the spring support 12 and the contact spring 9 in the back of the switching contact piece 14, a good electrical conductor as the spring support 12 made of copper and a spring which is sufficiently dimensioned for the current strength i K to be used, also made of a copper alloy . On the switching side, this spring carries the contact piece 14, which is preferably made of silver or a silver alloy, such as AgCdO or AgSn0 2 . When the contact is closed, the current flows in the spring support 12 in the opposite direction to the current in the contact spring 9. The spring and the metal part (spring support 12) are electrically conductively connected at point 12a. However, as far as such arrangements with the spring support and contact spring have formed such a current loop in known relays, the dimensioning was not chosen so that the generated repulsive force would have been sufficient to prevent welding in the event of a short circuit.

Für die Stromschleife in Figur 3 gilt im Falle des Kurzschlusses folgende Kräftebilanz:

Figure imgb0007
In the case of a short circuit, the following balance of forces applies to the current loop in FIG. 3:
Figure imgb0007

Zur eigentlichen Kontaktkraft FK des Relais addiert sich die stromabhängige Kraft Fs der Stromschleife infolge des in ihr entgegengesetzt fließenden Stromes iK. Sind diese beiden Kräfte größer als die Stromtragfähigkeitskraft F, dann heben die Kontaktstücke im Kurzschlußfall nicht ab und verschweißen nicht; sind sie kleiner, dann geschieht der früher geschilderte Abhebevorgang mit der Gefahr des Verschweißens der Kontakte. Im Falle von üblichen Kurzschlußströmen (> 1000 A) läßt sich die eigentliche Kontaktkraft FK gegenüber der Schleifenkraft Fs vernachlässigen, so daß sich die vorige Beziehung vereinfacht:

Figure imgb0008
Außerdem gilt:
Figure imgb0009
mit

  • Figure imgb0010
    in [kA]
  • Hs in
    Figure imgb0011
The current-dependent force F s of the current loop is added to the actual contact force F K of the relay as a result of the current i K flowing in the opposite direction. If these two forces are greater than the current carrying capacity F, the contact pieces do not lift off in the event of a short circuit and do not weld; if they are smaller, the lifting process described earlier occurs with the risk of welding the contacts. In the case of usual short-circuit currents (> 1000 A), the actual contact force F K can be neglected compared to the loop force F s , so that the previous relationship is simplified:
Figure imgb0008
 The following also applies:
Figure imgb0009
 With
  • Figure imgb0010
    in [not specified]
  • H s in
    Figure imgb0011

Mit den früher zitierten physikalischen Gesetzmäßigkeiten und mit Hs = 0,165 für Silber als Kontaktwerkstoff ergibt sich für das Kräftegleichgewicht folgender vereinfachter Zusammenhang:

Figure imgb0012
wobei iK in [kA] angegeben wird.With the physical laws cited earlier and with H s = 0.165 for silver as contact material, the following simplified relationship results for the balance of forces:
Figure imgb0012
 where i K is given in [kA].

Der Strom eliminiertsich also in dieser Gleichung und es bleibt die Bedingung:

Figure imgb0013
The current eliminates itself in this equation and the condition remains:
Figure imgb0013

D ist dabei der über die gesamte Länge L des Federspaltes gemittelte Federabstand.D is the spring distance averaged over the entire length L of the spring gap.

Man sieht, daß sich dieser "

Figure imgb0010
-Kontakt", unabhängig vom Strom, seine erforderliche Kontaktkraft selbst ausreichend erzeugt, wenn der Geometriefaktor der Schleife L/D > 30 konstruktiv sichergestellt wird. L/D soll also so groß wie möglich sein. Theoretisch könnte der Strom iK beliebig groß sein, wenn nicht eine Begrenzung durch die Leitfähigkeit der anderen stromführenden Elemente im Kontaktkreis gegeben wäre. Mit diesem Geometriefaktor ergeben sich aus obiger Gleichung bei 1000 A entsprechend 1 kA Kräfte von 6 N entsprechend 600 cN. Experimente haben auch gezeigt, daß bereits Werte ab L/D > 20 positiv sind. Je höher jedoch dieser Faktor ist, um so sicherer wird das Verschweißen der Kontakte nicht nur bei Kurzschluß über die geschlossenen Kontakte, sondern auch beim Aufschalten auf einen Kurzschluß, verhindert. Günstig wirkt sich dabei eine Zwangsführung des bewegten Kontaktelementes zum Antriebssystem des Relais aus.You can see that this "
Figure imgb0010
-Contact ", regardless of the current, generates its required contact force itself sufficiently, if the geometric factor of the loop L / D> 30 is structurally ensured. L / D should therefore be as large as possible. In theory, the current i K could be of any size, if there was not a limitation due to the conductivity of the other current-carrying elements in the contact circuit. With this geometry factor, the above equation results in forces of 6 N corresponding to 600 cN at 1000 A corresponding to 1 kA. Experiments have also shown that values from L / D > 20 are positive, but the higher this factor, the safer the welding of the contacts is prevented, not only in the event of a short circuit via the closed contacts, but also when a short circuit is applied Forced guidance of the moving contact element to the drive system of the relay.

Vorteilhafte Ausbildungen des Kontaktschleifenprinzips ergeben sich für ein Relais, wenn die Feder der Schleife in einen Vorlaufkontakt mit Wolfram-Kontaktstücken und einen Hauptkontakt mit Kontaktstücken einer Silberlegierung (AgCdO, AgSn02) geteilt wird. Diese in Figur 1 und Figur 2 dargestellte Variante hat Vorteile beim Schalten von Leuchtstoffröhren mit entsprechenden Stromspitzen. Für das Schalten im Nennstrombereich ist eine Doppelbestückung mit nur Kontakten einer Silberlegierung kostengünstiger. Eine Einfachkontaktbestückung ist natürlich die billigste Lösung, diefürvieleAnwendungen aber ausreichend in der Lebensdauer ist.Advantageous developments of the contact loop principle result for a relay if the spring of the loop is divided into a lead contact with tungsten contact pieces and a main contact with contact pieces of a silver alloy (AgCdO, AgSn0 2 ). This variant shown in FIG. 1 and FIG. 2 has advantages when switching fluorescent tubes with corresponding current peaks. For switching in the nominal current range, a double assembly with only contacts of a silver alloy is cheaper. A single contact assembly is of course the cheapest solution, but it is long enough for many applications.

Im Normalschaltbetrieb bei Wechselstrom werden durch die Stromschleife Mikroschwingeffekte bei den geschlossenen Kontakten erzeugt, die sich vorteilhaft auf die Stromübertragung, d. h. auf den Kontaktwiderstand, auswirken.In normal switching operation with alternating current, the current loop produces micro-oscillating effects in the closed contacts, which advantageously affect the current transmission, i. H. on the contact resistance.

Möglich ist auch eine Weiterbildung in der Weise, daß die Kontaktfeder ziehharmonikaartig gefaltet ist, wie dies in Figur 4 schematisch dargestellt ist. Dort besitzt die gefaltete Kontaktfeder 30 fünf abwechselnd entgegengesetzt verlaufende Abschnitte 31, 32, 33, 34 und 35, so daß zusammen mit dem Federträger 12 fünf Federspalte mit den entsprechenden mittleren Abständen D1, D2, D3, D4 und D5 gebildet werden. Die Summe aller Schleifenlängen L muß dann im Verhältnis zu dem Mittelwert aller Abstände D1 bis D5 die oben erwähnten Bedingungen erfüllen, also bei Silberkontakten mindestens den 20-fachen Wert des mittleren Spaltenabstandes aufweisen. Die Abstände D1 bis D5 könnten dabei gleich sein und beispielsweise durch dünne Isolierfolien sichergestellt werden.A further development is also possible in such a way that the contact spring is folded like an accordion, as is shown schematically in FIG. There, the folded contact spring 30 has five alternating sections 31, 32, 33, 34 and 35, so that together with the spring support 12 five spring gaps are formed with the corresponding average distances D1, D2, D3, D4 and D5. The sum of all loop lengths L must then meet the above-mentioned conditions in relation to the mean value of all distances D1 to D5, that is to say must have at least 20 times the value of the mean column distance in the case of silver contacts. The distances D1 to D5 could be the same and ensured, for example, by thin insulating foils.

Als magnetisches Antriebssystem für das beschriebene Kontaktprinzip kommen alle Arten von Magnetkreisen in Frage. Vorzuziehen sind jedoch erschütterungsunempfindliche gepolte, vor allem bistabile Magnetsysteme mit mittengelagertem Anker, etwa gemäß dem Ausführungsbeispiel von Figur 1. Die Einkopplung der Kraft des Magnetsystems kann im Bereich zwischen der Kontaktfederbefestigung und dem Kontaktstück erfolgen, aber auch im Gebiet zwischen Kontaktstück und dem freien Ende der Feder.All types of magnetic circuits come into question as a magnetic drive system for the contact principle described. However, polar, particularly bistable, magnetically insensitive, particularly bistable magnet systems with a center-mounted armature are preferred, for example according to the exemplary embodiment of FIG Feather.

Claims (4)

1. Contact spring arrangement for a relay for conducting and switching high currents having at least one elongated contact spring which carries a contact piece and cooperates with a fixed counter-contact element likewise carrying a contact piece, and having at least one rigid connecting leg for the contact spring, which extends approximately parallel to the latterwhile forming a spring gap on the side opposite the contact piece and which conducts the switching current in a direction opposite to the contact spring, characterized in that the spring gap extends at least approximately over the entire length of the contact spring from its mounting point to the contact piece, and in that the ratio of the length to the spacing in the spring gap approximately satisfies the following condition when the contact is closed:
Figure imgb0020
where
L = length of the spring gap
D = average spacing in the spring gap
µo = magnetic field constant = 1.256 . 10-s
Figure imgb0021
Hs = limiting heating intensity or current-carrying capacity of the contact material
Figure imgb0022
2. Contact spring arrangement according to Claim 1, characterized in that the ratio of the length of the contact spring to the spacing in the region of the spring gap satisfies the following condition:
Figure imgb0023
3. Contact spring arrangement according to Claim 1 or 2, characterized in that a plurality of spring gaps are lined up by folding the contact spring (30) in the manner of an accordion, the sum of the gap lengths satisfying the following relationship in relation to the average gap width:
Figure imgb0024
4. Contact spring arrangement according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the contact spring is subdivided into a main spring leg having a main contact piece made from a silver alloy and an advance spring leg having an advance contact piece made from tungsten.
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