Elektromagnetisches Relais

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Relais mit einer Spule, einem in der Spule axial angeordneten Kern sowie mit einem ersten und einem zweiten, jeweils L-förmigen Joch, wobei das erste Joch als Anker ausgebildet ist, dessen erster Schenkel einen Arbeitsluftspalt gegenüber einem ersten Ende des Kerns bildet sowie eine Kontaktfeder trägt, und dessen zweiter Schenkel annähernd parallel zur Spulenachse verläuft, wobei das zweite Joch mit seinem ersten Schenkel dem zweiten Ende des Kerns zugewandt ist, sich mit seinem zweiten Schenkel im wesentlichen parallel zur Spulenachse neben der Spule erstreckt und eine Lagerstelle für das freie Ende des zweiten Schenkels des ersten Joches bildet, wobei ferner beide Joche jeweils eine Verlängerung ihres ersten Schenkels über den jeweils zweiten Schenkel hinaus besitzen und wobei eine Zug-Rückstellfeder an beiden Verlängerungen angreift und sich im wesentlichen parallel zur Spulenachse erstreckt.

Ein Relaisaufbau mit einem Teil dieser Merkmale, insbesondere mit einem winkelförmigen Joch und einem eine Kontaktfeder tragenden flachen Anker, ist beispielsweise in der DE-A-32 32 679 beschrieben, jedoch auch in vielen anderen Ausgestaltungen bekannt. Diese Relais sind einfach und preisgünstig herzustellen, robust gegenüber äußeren Einflüssen und deshalb in großen Stückzahlen im Einsatz, beispielsweise in Kraftfahrzeugen.

Bekannte Relais dieser herkömmlichen Konstruktion besitzen jeweils einen plattenförmigen Anker, der meist im Bereich einer Endkante am Joch gelagert ist. Es sind zwar auch Ausführungen bekannt, bei denen der Anker abgewinkelt ist, doch befindet sich die Lagerstelle auch bei solchen abgewinkelten Ankern normalerweise etwa in Verlängerung der Polfläche. Werden mit derartigen Relais hohe Gleichströme geschaltet, so ergibt sich eine starke Materialwanderung und eine große Neigung zum Verschweißen der Kontakte. Diese unerwünschten Effekte sind besonders stark ausgeprägt, wenn die Schmelze, die im Lichtbogen des Kontaktes entsteht, an der gleichen Stelle des Lichtbogens erkalten kann, wenn also keine Relativbewegung an den Kontaktstellen erfolgt. Dies ist häufig bei Relais der eingangs genannten Art der Fall, da die Kontaktfedern in der Regel unmittelbar mit dem Anker verbunden sind.

Ein anderer Nachteil der herkömmlichen Anordnung besteht darin, daß die durch die Rückstellfeder auf den Anker ausgeübte Kraft, die gegebenenfalls auch die Ruhekontaktkraft erzeugen muß, der Erregerkraft entgegenwirkt und bei herkömmlichen Systemen während des Ankeranzugs noch ansteigt. Es muß daher darauf geachtet werden, daß das Magnetsystem, d. h. die Spule, so ausgelegt wird, daß die durch das Erregersystem erzeugte Kraft in jedem Zeitpunkt des Ansprechens größer ist als die durch die Rückstellfeder und gegebenenfalls die Kontaktfedern aufgebrachten Gegenkräfte. Ist der Unterschied zwischen den Kräftekurven dieser beiden entgegenwirkenden Systeme zu gering, so besteht die Gefahr, daß bei ungünstigen Toleranzverhältnissen das Relais nicht ganz oder nicht schnell genug durchzieht, so daß eine unsichere Kontaktgabe die Folge ist.

Aus der FR-A-2 517 464 ist ein Relais bekannt, bei welchem zwei abgewinkelte Anker einander gegenüberliegend auf einem die Spule umgebenden Kunststoffkörper gelagert sind und mit einem oder auch mehreren Betätigungselementen davon getrennt befestigte Kontaktfedern betätigen. Die beiden Anker sind dort jeweils so wie alle herkömmlichen Winkelanker in ihrem Biegewinkel gelagert, so daß jeder Anker um eine eigene Achse in diesem Biegewinkel seine Schwenkbewegung ausführt. Da die Kontaktfedern dort nicht mit den Ankern verbunden, sondern mit Schiebern betätigt werden, ist eine Relativbewegung an den Kontaktstellen nicht gegeben; auch die durch die Kontaktfedern ausgeübten Rückstellkräfte haben die herkömmliche Charakteristik.

Aus der US-A-4,691,181 ist auch bereits ein Relais der eingangs genannten Art bekannt, bei dem von zwei L-formigen Jochen das eine als Anker dient und mit seinem zweiten Schenkel auf dem Ende des zweiten Schenkels des anderen Joches gelagert ist. Der erste Schenkel des Ankers trägt unmittelbar eine Kontaktfeder, und die Rückstellung erfolgt mittels einer Zug-Schraubenfeder. Damit wird ein Teil der eingangs geschilderten Nachteile herkömmlicher Relais bereits beseitigt.

Eine Verbesserung der Kraft-Weg-Charakteristik bei den Federkräften ergibt sich dadurch, daß der Anker nicht nur abgewinkelt ist, sondern auch seine Lagerstelle am Ende des abgewinkelten zweiten Schenkels, also etwa im Mittelbereich der Spulenlänge aufweist. Dadurch schwenkt der Anker bei der Schaltbewegung nicht um seinen Knickpunkt zwischen beiden Schenkeln, sondern um das freie Ende des zweiten Schenkels, welches entsprechend der Länge dieses zweiten Schenkels einen großen Abstand von der Ebene der Polfläche am Spulenkern aufweist. Die mit dem ersten Ankerschenkel verbundene Kontaktfeder erhält dadurch an der Kontaktstelle einen großen Reibweg, wodurch der Materialwanderung und der Verschweißneigung des Kontaktes entgegengewirkt wird.

Ein wesentlicher weiterer Vorteil dieser Konstruktion liegt aber darin, daß die an der Verlängerung des Ankers wie auch an einer Verlängerung des zweiten Joches angreifende Rückstellfeder während der Ankeranzugsbewegung eine fallende Charakteristik ihrer wirksamen Federkraft aufweist. Dies erklärt sich dadurch, daß wegen der Drehbewegung des Winkelankers um das entfernte Ende des zweiten Ankerschenkels auch der Angriffspunkt der Rückstellfeder gegenüber der Lagerstelle wesentlich wandert, so daß der wirksame Hebelarm für die Kraft der Rückstellfeder beim Ankeranzug sich wesentlich verkleinert. Obwohl also die Federkraft der Rückstellfeder während der Ankerbewegung gleichbleibt oder sogar geringfügig ansteigt, wirkt sich die mit dem Hebelarm multiplizierte Federkraft in einem geringeren Drehmoment aus, das dem vom Magnetsystem aufgebrachten Drehmoment entgegenwirkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Relais der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß die anhand der US-A-4,691,181 bereits geschilderten Vorteile in erhöhtem Maße erreicht werden, wobei das Relais möglichst wenig Einzelteile aufweisen soll.

Erfindungsgemäß ist dieses Relais derart gestaltet, daß das zweite Joch einen zweiten Anker bildet, der mit seinem ersten Schenkel einen Arbeitsluftspalt gegenüber dem Kern aufweist, und daß die freien Enden der beiden Jochschenkel an einer gemeinsamen Lagerstelle gegeneinander beweglich gelagert sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Relais ist also auch das zweite Joch als winkelförmiger Anker ausgebildet, der mit seinem abgewinkelten zweiten Schenkel gemeinsam mit dem entsprechenden Schenkel des ersten Ankers gelagert ist. Das Relais besitzt also zwei bewegliche Anker, während ein eigenes unbewegliches Flußrückführungselement nicht erforderlich ist. Die bereits vorher beschriebenen Vorteile für die Kontaktreibung und für die verbesserte Kraft-Weg-Charakteristik sind auch bei dem erfindungsgemäßen Zwei-Anker-Relais gegeben. Darüber hinaus hat ein Zwei-Anker-Relais den an sich bekannten Vorteil, daß bei Serienschaltung der beiden Kontakte eine erhöhte Sicherheit gegen Verschweißung gegeben ist.

Weitere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachfolgend wird die Erfindung an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

• FIG 1 schematisch ein Relaissystem ähnlich dem der US-A-4691181 mit einem feststehenden Joch und einem beweglichen Winkelanker,
• FIG 2 ein Diagramm mit den Kraft-Weg-Kurven des Magnetsystems und des Kontaktsatzes bei einem herkömmlichen und bei dem Relais nach Fig. 1,
• FIG 3 eine FIG 1 entsprechende schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Relais mit zwei Ankern,
• FIG 4 eine detailliertere konstruktive Ausgestaltung eines Relais gemäß FIG 3.

FIG 1 zeigt schematisch den Grundaufbau eines ähnlich der US-A-4691181 gestalteten Relais. Dieses Relais besitzt eine Spule mit einem Spulenkörper 1 und einer Wicklung 2. Innerhalb der Spule ist in Axialrichtung ein Kern 3 angeordnet, dessen erstes Ende 3a einen Arbeitsluftspalt mit einem beweglichen Joch oder Anker 4 bildet, während das zweite Ende 3b mit einem feststehenden Joch 5 verbunden ist. Dieses Joch 5 besitzt einen ersten Schenkel 5a, der senkrecht zur Spulenachse verläuft, und einen zweiten Schenkel 5b, der in eine Richtung parallel zur Spulenachse gebogen ist und in der Länge etwa bis zur Mitte der Spulenlänge sich erstreckt. Der Anker 4 ist ebenfalls winkelförmig oder L-förmig gestaltet, wobei ein erster Ankerschenkel 4a den erwähnten Arbeitsluftspalt bildet, während ein zweiter Ankerschenkel 4b annähernd parallel zur Spulenachse verläuft und mit dem freien Ende 4c auf dem freien Ende 5c des Jochschenkels 5b gelagert ist. Der Lagerpunkt oder Drehpunkt ist mit 6 bezeichnet.

Der Anker 4 besitzt in Verlängerung des ersten Ankerschenkels 4a eine über die Abwinkelung hinausreichende Verlängerung 4d; entsprechend besitzt auch das Joch 5 eine in Verlängerung des ersten Jochschenkels 5a über die Abwinkelung des zweiten Jochschenkels 5b hinausreichende Verlängerung 5d. An diesen beiden Verlängerungen 4d und 5d ist eine Rückstellfeder 7 eingehängt, die auf Zug beansprucht wird und beispielsweise als Schraubenfeder ausgebildet ist.

Am Anker ist außerdem eine Kontaktfeder 8 befestigt, welche mit zwei nur andeutungsweise gezeigten Gegenkontaktelementen 9 bzw. 10 einen Ruhekontakt und einen Arbeitskontakt bildet.

In der in FIG 1 gezeigten Schaltstellung befindet sich das System im nicht erregten Zustand, wobei die Kontaktfeder 8 im Ruhezustand am Gegenkontaktelement 9 anliegt und durch die Rückstellfeder 7 einen entsprechenden Kontaktdruck erhält. Bei Erregung der Spule 2 wird der Anker 4 angezogen. Dabei dreht er sich um den Punkt 6 und bringt die Kontaktfeder 8 mit dem Gegenkontaktelement 10 in Berührung. Die Kontaktfeder 8 erhält dabei aufgrund des Abstandes a des Ankerschenkels 4 vom Drehpunkt 6 eine bemerkenswerte Bewegungskomponente in ihrer Längsrichtung, wodurch auf den Kontaktflächen jeweils eine beachtliche Reibung erzeugt wird. Dadurch können sowohl die Materialwanderung als auch der mechanische Kontaktverschleiß gering gehalten werden.

Außerdem ergibt sich bei der Schaltbewegung, daß der Abstand b zwischen dem Drehpunkt 6 und dem Angriffspunkt 11 der Rückstellfeder am Anker 4 mit zunehmender Annäherung des Ankerschenkels 4a an das Jochende 3a geringer wird, so daß sich die Federkraft der Rückstellfeder 7 zunehmend geringer auswirkt, d. h. daß das Produkt aus Federkraft der Rückstellfeder 7 und Hebelarm b kleiner wird, während die vom Magnetsystem auf den Anker ausgeübte Kraft bei im wesentlichen gleichbleibendem Hebelarm c zunimmt.

Die Kräfteverhältnisse sind beispielshalber in FIG 2 dargestellt. Dort ist auf der Abszisse der Weg s aufgezeichnet, den der Anker zwischen einer Ruhestellung R (entspricht FIG 1) und einer Arbeits- oder Schließstellung A (bei vollkommen angezogenem Anker) zurücklegt. Auf der Ordinate sind die Kräfte F aufgetragen, wobei alle Kräfte jeweils auf den gleichen Hebelarm bezogen sind, um sie vergleichbar zu machen. Die Kurve m bezeichnet den Verlauf der vom Magnetsystem durch die Erregerspule 2 erzeugten Kraft. Sie steigt mit zunehmender Annäherung des Ankers an den Kern an, bis sie den Wert F_m im Schließzustand erreicht hat.

Die Kurve f1 zeigt den Verlauf der Federkräfte, also der Kontaktfedern und der Rückstellfeder, bei einem herkömmlichen Relais vergleichbarer Bauart. Beim Ansprechen des Relais, also am Punkt R, muß zunächst die Ruhekontaktkraft F_k1 überwunden werden, bis der Kontakt öffnet. Von da an wirkt nur noch die Rückstellfeder 7 den Anzugskräften des Magnetsystems entgegen. Bei einem herkömmlichen System entsprechend der Kurve f1 steigt jedoch auch die Kraft der Rückstellfeder mit zunehmendem Ankeranzug an, bis im Punkt S der Kontakt schließt. In diesem Punkt erreicht die Federkraft eine Größe F_k2. Von da an wird in der am Gegenkontaktelement 10 anliegenden Kontaktfeder 8 eine Kontaktkraft aufgebaut, die zusätzlich zu der ebenfalls noch ansteigenden Kraft der Rückstellfeder dem Magnetsystem entgegenwirkt. Im Endzustand des angezogenen Ankers erreicht die Federkraft den Wert F_k3. Aus FIG 2 ist zu ersehen, daß die Federkraftkurve f1 an manchen Stellen ziemlich nahe an die Kurve der Kraft des Magnetsystems herankommt. Sie darf jedoch diese Kurve nicht schneiden, da ansonsten die Federkraft größe wäre als die Kraft des Magnetsystems, der Anker also nicht mehr weiter angezogen werden könnte.

Die Kurve f2 zeigt nunmehr eine bei dem in Fig. 1 gezeigten Relais erreichbare Kraft-Weg-Kurve, welche wesentlich weiter von der Kurve m entfernt ist, also bei unverändertem Magnetsystem größere Energiereserven des Magnetsystems erbringt und dadurch zu einem sichereren Ansprechen führt. Die Kurve f2 steigt nämlich nach dem Öffnen des Ruhekontaktes 8-9 zunächst nicht weiter an, da die wirksame Kraft der Rückstellfeder aufgrund des sich verringernden Hebelarms b abfällt, und zwar vom Punkt R bis zum Punkt S von der Kraft F_k1 auf F_k4. Erst vom Schließpunkt S an steigt die Federkraftkurve f2 wieder an, da nunmehr die gewünschte Kontaktkraft am Arbeitskontakt 10 aufgebaut werden muß. Sie besitzt jedoch aufgrund des wesentlich niedrigeren Ausgangspunktes einen hinreichend großen Abstand zur Magnetsystemkurve m, so daß also die gewünsche Ansprechsicherheit gewährleistet wird.

FIG 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß gestalteten Relais in schematischer Darstellung. Spule und Anker 4 sind in gleicher Weise aufgebaut und bezeichnet wie in FIG 1. Lediglich anstelle des feststehenden Joches 5 ist nunmehr ein bewegliches Joch bzw. ein zweiter Anker 15 vorgesehen, der einen weiteren Arbeitsluftspalt mit dem zweiten Kernende 3b bildet. Der zweite Anker 15 ist entsprechend aufgebaut wie der erste Anker 4, also mit einem ersten Ankerschenkel 15a und einem abgewinkelten zweiten Ankerschenkel 15b sowie mit einer Verlängerung 15d. Die Rückstellfeder 7 ist entsprechend in diesem Fall zwischen den beiden Verlängerungen 4d und 15d eingehängt. Am Anker 15 ist außerdem eine zweite Kontaktfeder 18 befestigt, welche mit Gegenkontaktelementen 19 und 20 zusammenwirkt. Die anhand von FIG 1 beschriebenen Vorteile werden auch bei dem Relais nach FIG 3 erreicht, nämlich die Kontaktreibung während des Schaltvorgangs und der günstige Verlauf der Kraft-Weg-Kurven. Mit den zwei Ankern und den damit verbundenen zwei Arbeitsluftspalten ergibt sich ein noch steilerer Anstieg der Magnetkraftkurve, während sich der Abfall der wirksamen Kraft der Rückstellfeder 7 bei beiden Ankern verstärkt auswirkt. Die Ausführungsform von FIG 3 hat dabei auch den Vorteil, daß die Vorteile von zwei Ankern bei nur einem Erregersystem genutzt werden können, gleichzeitig aber ein feststehendes Joch eingespart wird.

Eine konstruktive Ausgestaltung des Relais von FIG 3 ist in FIG 4 noch gezeigt. Das Magnetsystem enthält dabei einen Spulenkörper 21 mit einer Wicklung 22, wobei der Spulenkörper als tragendes Teil auf einem Sockel 23 ruht. Das System besitzt zwei Anker 24 und 25, die jeweils winkelförmig entsprechend FIG 3 gestaltet sind. Die ersten Ankerschenkel 24a bzw. 25a wirken mit dem nicht dargestellten Kern zusammen und tragen jeweils eine Kontaktfeder, beispielsweise 28. Die zweiten Ankerschenkel 24b und 25b erstrecken sich neben der Spule und bilden an ihren freien Enden ineinandergreifende Lagerelemente, beispielsweise eine Lagerschneide 24c und eine Lagernut 25c. Es wäre jedoch auch denkbar, etwa beide Anker mit einer Lagerschneide oder mit Lagernuten auszustatten und zwischen diesen ein entsprechendes Zwischenelement, etwa in Form eines Stabes mit zylindrischem Querschnitt oder mit X-förmigem Querschnitt, je nach der Gestaltung der Ankerenden, einzufügen. Eine Rückstellfeder 27 ist zwischen Verlängerungen 24d und 25d der beiden Anker eingehängt. Die Funktion der beiden Anker ist bereits anhand von FIG 3 beschrieben worden.

Wie in FIG 4 weiterhin noch zu sehen ist, besitzt das Relais einen Sockel 30 und eine Kappe 31 als Gehäuse, wobei im Sockel 30 Anschlußelemente, beispielsweise in Form von Flachsteckern 32, befestigt sind. Diese Anschlußelemente sind in geeigneter, bekannter Weise mit den entsprechenden Teilen im Relais verbunden, beispielsweise über Litzen 33 mit den Kontaktfedern und über entsprechend abgebogene, nicht sichtbare Verbindungsstücke mit den Spulenanschlüssen 34. Am Sockel 30 und an der Kappe 31 sind außerdem Abstützelemente 35 (nur am Sockel zu sehen) für die beiden Anker angeformt. Dadurch werden die ansonsten nur gegeneinander vorgespannten Anker gegen ein seitliches Wegwandern gesichert.

Schließlich sei noch darauf hingewiesen, daß anstelle der in den Ansprüchen genannten Verlängerung des jeweiligen Joch- bzw. Ankerschenkels für den Angriff der Rückstellfeder eine entsprechend gestaltete Kontaktfeder gemäß DE-GM 83 25 986 bzw. EP-OS 0 136 592 verwendet werden kann. In diesem Fall wird der veränderliche Hebelarm durch die Kontaktfeder, nicht durch den Anker unmittelbar gebildet.