Relais mit modifizierter Kraft-Weg-Kennlinie

Die Erfindung betrifft ein Relais mit modifizierter Kraft-Weg-Kennlinie nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiges Relais ist beispielsweise mit dem Gegenstand der EP 1 121 700 B2 bekannt geworden. Dieses Relais offenbart eine Anpassung der Kraft-Weg-Kennlinie an die Antriebskennlinie dergestalt, dass der Betätiger in zwei verschiedenen Betätigungsebenen arbeitet, das heißt, der Betätiger für die Öffnerkontakte ist in einer anderen horizontalen Ebene als vergleichsweise der Betätiger für die Schließerkontakte. Bei der Verschiebung des Betätigers öffnet der Öffner zuerst, bevor der Schließer - wegversetzt -geschlossen wird. Dies bedeutet, dass die durch die Betätigung der Schließer erforderliche Kraft wegverzögert vom Antrieb aufgebracht werden muss. Damit wird eine Modifikation der Kraft-Weg-Kennlinie des Kontaktsatzes erreicht. Damit ergibt sich der Vorteil, dass die Antriebskennlinie und die Kontaktsatzkennlinie aneinander angepasst werden.

Aus der genannten Druckschrift ergibt sich, dass sich im Ruhezustand der Betätiger beispielsweise an einem bestimmten Punkt s1 (oder rechts davon) nach Figur 7 dieser Druckschrift befindet, wobei der Punkt s1 vom Kontaktabbrand abhängig ist. Beim Anziehen des Ankers bewegt sich der Betätiger nach links, wobei die Kraft m des Magnetsystems zunächst nur langsam ansteigt. In diesem Bereich bis zu einem Punkt s2 ist aber auch die zur Überwindung der Öffnerkraft (an der aktiven Ruhekontaktfeder bzw. der an dieser angepassten Ankerfeder) notwendige Betätigungskraft aufgrund der großen Hebelübersetzung noch relativ gering.

Von einem Punkt s2 bis s3 ergibt sich durch die hinzu kommenden aktiven Arbeitskontaktfedern eine stärkere ansteigende Federkraft, die durch einen in diesem Bereich auch stärker ansteigende Magnetkraft m des Antriebssystems überwunden wird. Von einem Punkt s3 bis zum gegenseitigen Anschlag der Kontakte steigen sowohl die Federkraft f als auch die Magnetkraft stark an. Dies ist der Bereich des Überhubs, der sich bis zu einem Punkt s4 erstreckt. Die genannten Darstellungen beziehen sich auf die Figur 7 der EP 1 121 700 B2 und auf die Figur 8 der vorliegenden Erfindung, in der die Figur 7 der genannten Druckschrift als Stand der Technik eingezeichnet wurde.

Gegenstand dieser Druckschrift ist demgemäß, dass die Kraft-Weg-Kennlinie oder - wie nachfolgend in der folgenden Beschreibung besser als Kontaktsatz-Kennlinie bezeichnet - an den nicht konstanten Arbeitsweg (Antriebskennlinie) des Magnetsystems angepasst werden soll.

Es soll vor allem vermieden werden, dass sich die Kontaktsatz-Kennlinie mit der Antriebskennlinie des Magnetsystems schneidet, weil hierdurch ein instabiler Betätigungsweg gegeben ist und ein zügiges, ruckfreies und durchgehendes Betätigen des Kontaktsatzes nicht mehr gewährleistet ist.

Die genannte Druckschrift löst dieses Problem der Modifizierung oder der Modellierung der Kontaktsatz-Kennlinie im Vergleich zu einer konstant gleichbleibenden Antriebskennlinie dadurch, dass der Betätiger in zwei verschiedenen Ebenen auf den Kontaktsatz einwirkt.

Bei dieser Druckschrift sind die Kontaktangriffspunkte des Betätigers an den zugeordneten Kontakten fest zugeordnet und bleiben während des Betätigungsweges in einem festgelegten, nicht veränderbaren Abstand zueinander. Somit ist das Übersetzungsverhältnis fest. Hiermit der Abstand des Einspannpunktes der jeweiligen Feder zur Ebene der Betätigung dieser Feder gemeint. Ein Wechsel der Ebenen der Kraftangriffspunkte während der Betätigung findet nicht statt. Der Höhenunterschied der beiden Betätigungsebenen, welche die genannte Druckschrift EP1 121 700 B2 definiert ändert sich nicht.

Kennzeichnend für die EP1 121 700 B2 ist, dass der Betätigung der Öffnerkontakte und der Schließerkontakte jeweils nur eine einzige

Betätigungsebene des Betätigers zugeordnet ist, sodass der jeweiligen Betätigungsebene eine Kontaktart (Öffner oder Schließer) zugewiesen ist. Der eine Abstand zwischen der Betätigungsebene 1 und dem Einspannpunkt der Feder ist dem Schließer zugeordnet, und der andere Abstand zwischen der Betätigungsebene 2 und dem Einspannpunkt der Feder ist dem Öffner zugeordnet.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Relais mit modifizierter Kraft-Weg-Kennlinie der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine bessere und auch veränderbare Anpassung der Kontaktsatz-Kennlinie an eine Antriebskennlinie eines Antriebssystems eines Relais möglich ist.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekennzeichnet.

Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass während des Hubes des Betätigers ein Übergang der Betätigung der aktiven Kontaktfedern von einer ersten Betätigungsebene auf eine zweite Betätigungsebene erfolgt. Durch die Ausgestaltung der Fläche zwischen den beiden Betätigungsebenen des Betätigers kann der unstetige (schlagartige) Übergang von der Ebene 1 in die Ebene 2 verstetigt werden.

Mit der gegebenen technischen Lehre ergibt sich zusätzlich der Vorteil, dass ein stetiger Übergang von der einen Betätigungsebene zur anderen Betätigungsebene erreicht werden kann, weil erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die jeweils den aktiven Federn zugeordneten Nocken des Betätigers jeweils eine Betätigungsfläche aufweisen, die in Betätigungsrichtung des Betätigers nicht nur einen Winkel zur Bewegungsrichtung des Betätigers ausbilden, sondern zusätzlich mit einer Krümmung versehen sind.

Damit wird erreicht, dass der Betätiger mit einer schräg zum Angriffspunkt an der zu betätigenden Feder anliegenden Betätigungsfläche an der zu betätigenden Kontaktfeder anliegt, sodass mit fortschreitendem Betätigungsweg des Betätigers zunächst die zu betätigende Feder an ihrem oberen Ende (Ebene 1) - weit entfernt von ihrem Einspannungspunkt - erfasst und betätigt wird, und dass während dieses Betätigungsweges der Kraftangriffspunkt aufgrund der geneigt ausgebildeten Betätigungsfläche nach unten - in Richtung auf die Einspannstelle der Feder (Ebene 2) - wandert.

Mit zunehmender Auslenkung der betätigten Feder greift der Betätiger mit seiner geneigt ausgebildeten Nocke nunmehr weiter unten an der zu betätigenden Feder an. Es wird also der Kraftangriffspunkt bei der Bewegung des Betätigers und beim Angriff an die zu betätigende aktive Feder von einem oberen Punkt (Ebene 1) zu einem unteren Punkt (Ebene 2) verschoben, wobei diese Verschiebung des Kraftangriffspunktes bevorzugt stetig erfolgt.

Der Übergang von der Ebene 1 zur Ebene 2 kann, je nach Ausgestaltung der Flächen an den Nocken zwischen den beiden Betätigungsebenen, schlagartig (unstetig) oder verstetigt erfolgen.

Es kommt bei einer gekrümmten Fläche am jeweiligen Nocken nicht zu einem schlagartigen Wechsel von einem oberen zu einem unteren Kraftangriffspunkt an der aktiven Feder, sondern die Kraftangriffspunkte wandern während der Bewegung des Betätigers annähernd stetig von einem oberen Kraftangriffspunkt (Ebene 1) in Richtung auf einen unteren Kraftangriffspunkt (Ebene 2) an der Kontaktfeder entlang.

Der Begriff "annähernd stetig" bedeutet, dass die Längsbewegung der Betätigungsfläche am Betätiger (möglichst) unterbrechungsfrei entlang der Längserstreckung der Kontaktfeder erfolgt. Beim Stand der Technik ist ein solcher Übergang von der einen auf die andere Betätigungsebene entlang der Längserstreckung der Kontaktfeder nicht gegeben. Der Stand der Technik wechselt nicht die Betätigungsebene.

Damit entsteht der Vorteil gegenüber der EP1 121 700 B2, dass keine abgehackte Kontaktsatz-Kennlinie erzeugt wird, sondern es wird eine stetige Kontaktsatz-Kennlinie erreicht, die in einer ersten Ausführungsform aus stetig sich fortsetzenden, relativ geraden Kurvenästen ausgebildet sein kann, und in einer zweiten Ausführungsform aus Kurvenästen, die annähernd gebogen sind, um einen noch besseren abgerundeten Ablauf der Kontaktsatz-Kennlinie zu ermöglichen.

Alle vorstehenden Definitionen gelten für das in Figur 8 dargestellte Ausführungsbeispiel, in der die Antriebskennlinie und eine Kontaktsatz-Kennlinie nach dem Stand der Technik einer erfindungsgemäßen Kontaktsatz-Kennlinie gegenübergestellt sind.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die die Betätigungsflächen ausbildenden Nocken des Betätigers einen Winkel zur Vertikalen einnehmen, unter der Voraussetzung, dass angenommen wird, dass der Betätiger in einer horizontalen Richtung arbeitet.

Die Größe des Winkels der Betätigungsfläche in Richtung zur Vertikalen entscheidet über den Wegpunkt des Übergangs von dem oberen Kraftangriffspunkt auf den unteren Kraftangriffspunkt.

In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass diese im Winkel geneigte Betätigungsfläche in sich gerade ausgebildet ist.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass diese Betätigungsfläche konvex ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass die hierdurch bewirkte Kontaktsatz-Kennlinie sich nicht aus stetig fortsetzenden geraden Kurvenästen gebildet ist - wie bei einer geraden Betätigungsfläche -, sondern dass eine solche Kontaktsatz-Kennlinie zusätzlich abgerundete Kurvenäste aufweist.

Durch die Erreichung von abgerundeten Kontaktsatz-Kennlinien-Kurvenästen wird noch ein stetigerer Übergang vom einen Zustand der Kontaktfedern in den anderen Zustand erreicht, ohne dass die Gefahr besteht, dass instabile Schaltzustände im Zwischenweg zwischen diesen beiden Kontaktzuständen möglich sein könnten.

Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.

Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von mehrere Ausführungswege darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.

Es zeigen:

• Figur 1: schematisierter Schnitt durch ein Relais nach der Erfindung im Ruhezustand
• Figur 2: das Relais nach Figur 1 in Ruhestellung mit Darstellung weiterer Einzelheiten
• Figur 3: das Relais nach Figur 1 und 2 in einer Mittelstellung
• Figur 4: das Relais nach Figur 1 bis 3 in der Arbeitsstellung
• Figur 5: das Relais nach Figur 1 in der Ruhestellung unter Weglassung der Kontaktfedern
• Figur 6: eine vergrößerte Ansicht einer Betätigungsfläche an dem Betätiger in zwei verschiedenen Ausführungsformen
• Figur 7: eine dritte Ausgestaltung der Ausbildung der Betätigungsfläche an einem Betätiger
• Figur 8: die Kraft-Weg-Kennlinie eines Antriebssystems nach dem Stand der Technik in Gegenüberstellung zu einer Kontaktsatz-Kennlinie nach der Erfindung

In den Figuren 1 bis 4 ist allgemein ein elektromagnetisch betätigtes Relais dargestellt, wobei die einzelnen Kontakte paarweise vorhanden sein können oder auch einzeln. Gemäß Figur 2 ist beispielsweise ein Schließerkontakt 22, ein weiterer Schließerkontakt 23 und ein Öffnerkontakt 24 vorhanden, die alle gemeinsam von einem Betätiger 7 betätigt werden. Der Betätiger 7 wird in Pfeilrichtung 5 in seiner Arbeitsstellung verschoben und durch eine an seinem hinteren Ende angreifende Feder 3 in Pfeilrichtung 6 in seine Ruhestellung zurückgezogen.

Der Antrieb des Betätigers 7 erfolgt durch einen Anker 2, der in einem Schwenklager 4 im Bereich eines Kontaktsatzträgers 1 schwenkbar aufgenommen ist. Der Anker 2 wird von einer Antriebsspule 21 in Pfeilrichtung 5 angetrieben.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel besteht der Betätiger 7 aus einem flachen Isoliermaterial und bildet hintereinander liegende Nocken 8, 10, 12, 14 aus, wobei zwischen den Nocken jeweils ein Schlitz 9, 11, 13 angeordnet ist.

Im Schlitz 9 vor der Nocke 8 ist die aktive Kontaktfeder 15 angeordnet, die unter ihrer Eigenspannung an der zugeordneten passiven Kontaktfeder 18 anliegt und in der Ruhestellung den Öffnerkontakt 24 bildet.

Umgekehrt bildet die aktive Kontaktfeder 16 einen Schließerkontakt 23 mit der passiven Kontaktfeder 19, wobei die Verschiebung der aktiven Kontaktfeder 16 durch die Nocke 12 und eine später noch zu beschreibende Betätigungsfläche 26 erfolgt.

Schließlich wird der Schließerkontakt 22 durch die aktive Kontaktfeder 17 gebildet, die in der gezeigten Ruhestellung im Abstand zur passiven Kontaktfeder 20 angeordnet ist. Die Figur 3 zeigt eine Mittelstellung der Bewegung des Betätigers 7 in Pfeilrichtung 5, während die Figur 4 die komplett geschlossene Arbeitsstellung des Relais darstellt.

Aus dem Vergleich der Figur 3 mit der Figur 1 und 2 wird deutlich, dass aufgrund der geneigt ausgebildeten Betätigungsfläche 26 an den Nocken 8, 10, 12, 14 zunächst ein oberer Kraftangriffspunkt 25 des Betätigers definiert wird, der am oberen freien Ende der jeweiligen aktiven Kontaktfeder 15, 16, 17 angreift.

Mit zunehmender Verschiebung des Betätigers 7 in Pfeilrichtung 5 wird die Arbeitsstellung nach Figur 4 erreicht, und es ist erkennbar, dass sich der Kraftangriffspunkt 25 nach unten in den Kraftangriffspunkt 27 verschoben hat.

Erfindungsgemäß ist damit gezeigt, dass durch eine schräg zur Vertikalen 35 gerichteten Betätigungsfläche 26 des Betätigers, die mit der Vertikalen 35 einen Winkel 36 einnimmt (siehe Figur 6), eine Verschiebung des Kraftangriffspunktes 25 zu dem vertikal darunterliegenden Kraftangriffspunkt 27 entlang der Kontaktfeder erfolgt.

Bei der Betätigung der Kontaktfeder im oberen Kraftangriffspunkt 25 ist eine relativ geringe Betätigungskraft des Antriebssystems erforderlich, während bei der Betätigung der jeweiligen Kontaktfeder 15-17 die in Richtung zur Einspannstelle wandernden Kraftangriffspunkte 27 eine höhere Betätigungskraft des Antriebssystems erforderlich machen.

Die Figur 5 zeigt demgemäß einen erfindungsgemäßen Betätiger, der schräg zur Vertikalen geneigte Betätigungsflächen 26 zeigt. Es ist im Übrigen nicht lösungsnotwendig, dass die Betätigungsflächen 26 an den die aktiven Kontaktfedern 15-17 betätigenden Nocken 8, 10, 12 gleich geneigt ausgebildet sind. Sie können auch eine unterschiedliche Neigung oder Formgebung aufweisen.

Im Ausführungsbeispiel nach Figur 6 ist dargestellt, dass statt einer gerade ausgebildeten und im Winkel 36 zur Vertikalen 35 geneigten Betätigungsfläche 26 auch eine bombierte Betätigungsfläche 26' verwendet werden kann, die beispielsweise konvex ausgebildet ist.

Durch die Verwendung einer derartig konvex ausgebildeten Betätigungsfläche 26' werden abgerundete Kurvenäste im Kraft-Weg-Diagramm nach Figur 8 erreicht, wie nachfolgend erläutert wird.

Die Figur 7 zeigt, dass auch statt einer konvex ausgebildeten Betätigungsfläche 26' eine konkav ausgebildete Betätigungsfläche 26" verwendet werden kann, was bedeutet, dass die Flächen 26" nicht in Eingriff mit der jeweiligen Feder kommen, sondern dass nur der Eingriff am oberen Kraftangriffspunkt 25 sofort mit der Verschiebung des Betätigers 7 in Pfeilrichtung 5 auf den Angriff an den unteren Kraftangriffspunkt 27 springt, ohne dass es hierbei einen Übergang gibt.

Die Figur 8 zeigt die Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik.

Es ist ein Kraft-Weg-Diagramm eingezeichnet, wobei die eingezeichneten Zahlenwerte nur beispielhaft zu verstehen sind. Sie sind in keiner Weise beschränkend für die vorliegende Erfindung.

Wesentlich ist, dass bei einem Relais mit einem Spulenantriebssystem stets eine etwa gebogene Antriebskennlinie 28 erreicht wird, die mit dem Buchstaben f bezeichnet ist und die zum Stand der Technik gehört.

Ferner zeigt die Figur 8, dass es zum Stand der Technik gehört, dass unstetig sich fortsetzende Kurvenäste 31, 29, 37 eine Kontaktsatz-Kennlinie nach dem Stand der Technik bilden. Nachteil bei einer solchen Kontaktsatz-Kennlinie mit unstetig sich fortsetzenden geraden Kurvenästen ist jedoch, dass ein sprunghafter Übergang bei der Betätigung der einzelnen aktiven Kontaktfedern 15-17 in Kauf genommen werden muss, was unerwünscht ist.

Hier setzt die Erfindung ein, die aufgrund der speziell ausgebildeten Betätigungsfläche 26 an den Nocken 8, 10, 12 des Betätigers 7 stattdessen sich stetig fortsetzende Kurvenäste vorschlägt.

Bei der anfänglichen Betätigung des Betätigers 7 ergibt sich der zum Stand der Technik gehörende Kurvenast 31. Hier beginnt die Betätigung der aktiven Kontaktfeder 15-17 am oberen Kraftangriffspunkt 25 beim Punkt s4. Hierdurch wird ein gerader oder leicht geneigter Kurvenast 32 erzielt, der insgesamt als Kontaktsatz-Kennlinie 30 nach der Erfindung bezeichnet wird.

Kennzeichnend ist, dass zwischen den Punkten s5 und s6 nun ein gerader oder - bei konvexer Betätigungsfläche - ein gebogener Kurvenast 32 erreicht wird, der einen wesentlich größeren Abstand von der vorhandenen Antriebskennlinie 28 aufweist und hierdurch eine stabile Umschaltung der Kontaktfedern gewährleistet.

Im Punkt s6 wird der obere Kraftangriffspunkt 27 wirksam, und mit fortschreitender Bewegung entlang der Kontaktsatz-Kennlinie 30 wird dann im Punkt s6 in dem steileren Kurvenast 33 verzweigt.

Aus der Gegenüberstellung der Kontaktsatz-Kennlinie 29, die zum Stand der Technik gehört, im Vergleich zu der Kontaktsatz-Kennlinie 30, die zur Erfindung gehört, wird erkennbar, dass mit wesentlich geringerem Aufwand, nämlich lediglich durch Veränderung der Betätigungsflächen an den Nocken 8, 10, 12 des Betätigers 7 eine einfache Modulation oder Beeinflussung der Kontaktsatz-Kennlinie erreichbar ist. Dies war mit dem Stand der Technik bisher nicht möglich.

Zeichnungslegende

1

Kontaktsatz-Träger

2

Anker

3

Feder

4

Schwenklager

5

Pfeilrichtung

6

Pfeilrichtung

7

Betätiger

8

Nocke

9

Schlitz

10

Nocke

11

Schlitz

12

Nocke

13

Schlitz

14

Nocke

15

aktive Kontaktfeder

16

aktive Kontaktfeder

17

aktive Kontaktfeder

18

passive Kontaktfeder

19

passive Kontaktfeder

20

passive Kontaktfeder

21

Antriebsspule

22

Schließerkontakt

23

Schließerkontakt

24

Öffnerkontakt

25

Kraftangriffspunkt (obere)

26

Betätigungsfläche (Nocke 10, 12, 14)

27

Kraftangriffspunkt (untere)

28

Antriebskennlinie

29

Kontaktsatz-Kennlinie (St. d. T.)

30

Kontaktsatz-Kennlinie (Erfindung)

31

Kurvenast (von 30)

32

Kurvenast

33

Kurvenast

34

Pfeilrichtung

35

Vertikale

36

Winkel

37

Kurvenast